113 - Ein plausibler Ursprung des Lebens26 Juli 2017AllgemeinFrançois Roddier
[Der folgende Text ist die französische Übersetzung eines Forschungsvorschlags, den ich eingereicht habe, um den Ursprung des Lebens mithilfe des DECLIC-Experiments an Bord der Raumstation zu untersuchen.]
Erste Studienversuche
Laut Maynard Smith und Eörs Szathmary (1) ist AI Oparin (1924) und JBS Haldane (1929) der erste ernsthafte Vorschlag, den Ursprung des Lebens zu untersuchen. Ihr Argument war, dass, wenn der primitiven Atmosphäre freier Sauerstoff fehlte, eine Vielzahl von organischen Verbindungen unter Verwendung von Energie synthetisiert werden könnten, die durch ultraviolettes Licht und Blitzentladungen bereitgestellt wird.
In 1953 testete Stanley Miller auf Anraten von Harold Urey diese Hypothese, indem er Stromschläge durch ein Gehäuse verursachte, das Wasser, Methan und Ammoniak enthielt. Es wurden eine Vielzahl organischer Verbindungen hergestellt, darunter Nukleotide, aus denen RNA und DNA bestehen.
Essentielle Moleküle fehlten jedoch oder wurden nur in sehr geringer Konzentration erhalten. Vor allem waren die Reaktionen nicht spezifisch genug, was es schwierig machte zu verstehen, wie sich Polymere gebildet haben könnten, deren chemische Bindungen sehr spezifisch sind.
In einer Reihe von Artikeln, die zwischen 1988 und 1992 veröffentlicht wurden, schlug Günter Wächtershäuser vor, dass Reaktionen zwischen Ionen auftreten könnten, die auf einer geladenen Oberfläche fixiert sind. Die Anziehung zwischen Ladungen mit entgegengesetzten Vorzeichen bewirkt, dass sich die Ionen in Lösung an geladene Oberflächen anlagern. Sie können sich unter Beibehaltung der gleichen Orientierung langsam auf der Oberfläche bewegen, was sowohl die Geschwindigkeit als auch die Spezifität der chemischen Reaktionen stark erhöht.
Forscher haben kürzlich gezeigt, dass der Einschluss von Molekülen in kleinen Flüssigkeitstropfen die Reaktionsgeschwindigkeit signifikant verbessert, was auf Anwendungen in der präbiotischen Chemie (2) hindeutet. Diese Ergebnisse bestätigen hydrothermische Entlüftungen als möglichen Ursprung des Lebens, jedoch wird der kritische Punkt des Wassers (3) nicht erwähnt.
Selbstorganisation und Kritikalität
In den letzten 50-Jahren hat sich gezeigt, dass selbstorganisierende Prozesse stattfinden, wenn Anziehungskräfte Abstoßungskräfte ausgleichen. Sie sind von der gleichen Art wie die kontinuierlichen Phasenübergänge, die in den Flüssigkeiten im Zustand der kritischen Opaleszenz bei der sogenannten kritischen Temperatur beobachtet werden. Diese Analogie wurde zum ersten Mal von Per Bak et al. (4), in Bezug auf die Allgegenwart des in 1 / f genannten Rauschens. Sie nannten diesen Prozess "selbstorganisierte Kritikalität".
Ein typisches Beispiel ist die Sternentstehung in der Astrophysik. Die Instabilität der Jeans, die es den Sternen ermöglicht, sich zu bilden, ist tatsächlich von der gleichen Art wie die, die die kritische Opaleszenz verursacht. In beiden Fällen folgen Dichteschwankungen einem Potenzgesetz (Rauschen in 1 / f), wie die anfängliche Massenverteilung neuer Sterne zeigt.
In seinem Buch "Das sich selbst organisierende Universum" zeigte Erich Jantsh (5), dass sich das gesamte Universum nach ähnlichen Abfolgen von Ereignissen selbst organisiert. Eine langsame "Makroevolution", bei der große Strukturen kondensieren, wechselt mit einer schnellen "Mikroevolution", bei der sich neue elementare Bestandteile bilden. Abbildung 1 fasst diesen Prozess zusammen. Nach diesem Muster ist die Sternentstehung Teil der Makroevolution. Es löst die Bildung neuer Atome wie Helium aus, die schwerer sind als die von Wasserstoff. Bei der Heliumbildung geht es um Mikroevolution.
Fig. 1. Die Selbstorganisation des Universums nach Eric Jantsch (1980)
Nach Per Bak kann Jantschs Makroevolution als kontinuierlicher Phasenübergang und seine Mikroevolution als steiler Phasenübergang betrachtet werden, dh die Entwicklung des gesamten Universums kann als ein oszillierender Prozess angesehen werden ein "kritischer Punkt" (siehe Fig. 2).
Selbstorganisation und EnergieverlustIlya Prigogine hat gezeigt, dass Selbstorganisation ein Merkmal dissipativer Strukturen ist, dh Strukturen, die bei ständigem Energiefluss spontan auftreten. Benards Lebewesen oder Zellen sind dissipative Strukturen.
Dissipative Strukturen verhalten sich wie thermische Maschinen: Sie nutzen Temperaturunterschiede, um mechanische Arbeit zu erzeugen. Nach dem zweiten Prinzip der sogenannten Carnot-Prinzip-Thermodynamik ist dies nur nach Transformationszyklen möglich. Die ersten thermischen Maschinen verwendeten den Flüssigkeits-Dampf-Übergang von Wasser, um große Volumenschwankungen zu erzielen.
Automotoren sind effizienter, weil sie viel größere Temperaturunterschiede nutzen, um die gleichen Volumenänderungen zu erzielen. Es reichen jedoch viel geringere Temperaturschwankungen aus, um natürliche Wärmemaschinen wie Bénard-Zellen herzustellen. Dies gilt insbesondere in der Nähe des kritischen Punkts, an dem sehr kleine Temperaturunterschiede zu sehr großen Volumenschwankungen führen.
Der kritische Punkt des WassersDer kritische Druck des Wassers beträgt 220-Riegel und seine kritische Temperatur 374 ° C. In Salzwasser wie dem des Ozeans ist der kritische Punkt etwas mehr als 2.200 m tief, während die Temperatur an hydrothermalen Quellen 374 ° C leicht überschreitet.
Betrachten Sie das Wasser einer hydrothermalen Quelle unterhalb von 2.200m und dessen Temperatur etwas höher als 374 ° C ist. Da seine Dichte geringer ist als die des umgebenden Wassers, bildet er einen Konvektionsstift. Während seines Aufstiegs sinkt sein Druck. Seine Temperatur bleibt einen Moment höher als die seiner Umgebung, bis er, wenn er kälter wird, zur Quelle abfällt und die Konvektionsschleife schließt. Irgendwann erreicht das Wasser die Kondensationszone. Es bilden sich feine Tröpfchen. Das flüssige Wasser wird dann langsam und kontinuierlich in Dampfwasser umgewandelt, ohne jemals Blasen zu bilden.
Fig. 2. Die Oberfläche oben zeigt den Zustand des Wassers um den kritischen Punkt.
Die Grauzone ist die Kondensationszone.
Abbildung 2 zeigt den Zustand des Wassers in einem Konvektionsstift, wenn er einen Kreis um den kritischen Punkt beschreibt, wie durch den Pfeil angegeben. Während der Übergang vom flüssigen in den gasförmigen Zustand kontinuierlich ist, ist der Übergang vom gasförmigen in den flüssigen Zustand abrupt. In regelmäßigen Abständen kondensiert das Wasser unter Bildung feiner Tropfen flüssigen Wassers, die wachsen, bis das Wasser vollständig flüssig wird. Es sinkt dann zur hydrothermalen Quelle, wo es über die kritische Temperatur erwärmt wird. Es wird dann kontinuierlich in Dampf umgewandelt, ohne jemals gasförmige Blasen zu bilden.
Die Kondensation des Gases in Flüssigkeit in der Nähe des kritischen Punktes wird als "kritische Opaleszenz" bezeichnet. Es gibt sehr große Schwankungen in der Dichte, eine günstige Bedingung für die Bildung von Mikrotröpfchen. Im Ozean können auch andere Moleküle kondensieren. Die polaren Moleküle behalten die gleiche Orientierung in Bezug auf die Oberfläche des Tröpfchens bei, wodurch die polaren Bindungen begünstigt werden. Diese Bedingungen sind besonders günstig für die Bildung komplexer organischer Moleküle.
Eine Chance, den Ursprung des Lebens zu testen
Obwohl die oben beschriebenen Bedingungen zur Bildung komplexer organischer Moleküle geeignet sind, bleibt die Wahrscheinlichkeit des Auftretens solcher Reaktionen gering, es sei denn, die gleiche Situation tritt über einen sehr langen Zeitraum erneut auf.
Es kann grob geschätzt werden, dass die Zirkulationszeit von Wasser in einem Konvektionsstift in der Größenordnung des Tages liegt, während das Leben eines aktiven U-Boot-Vulkans in der Größenordnung von einer Million d liegt Jahren. Dieselben Bedingungen konnten mehrere hunderttausend Mal reproduziert werden. Es ist klar, dass, wenn wir diesen Prozess im Labor wiederholen wollen, er erheblich beschleunigt werden muss.
Die DECLIC-Erfahrung bietet eine solche Gelegenheit. DECLIC ist ein Experiment an Bord der Internationalen Raumstation. Eine der Versionen zielt darauf ab, chemische Reaktionen in der Nähe des kritischen Punktes von Wasser zu untersuchen. Die schwerelose Umgebung ermöglicht es, die kritischen Zustände gleichmäßig über das gesamte Volumen mit einer Genauigkeit von drei Dezimalstellen zu erzeugen. Diese Bedingungen müssen angepasst werden können, um Kreise um den kritischen Punkt in Sekunden anstatt in Tagen zu beschreiben. Im Vergleich zu den Bedingungen am Ursprung des Lebens würde dies den Prozess um mindestens 5-Größenordnungen beschleunigen, wahrscheinlich mehr, da die Bedingungen des Experiments ständig sehr nahe am kritischen Punkt gehalten würden.
Wenn es möglich ist, die chemische Zusammensetzung der Reaktionskammer in Abhängigkeit von der Zeit zu verfolgen, sollten wir in wenigen Monaten reproduzieren und chemische Reaktionen beobachten können, die Millionen von Jahren gedauert haben. Wir empfehlen dringend, eine solche Erfahrung in das DECLIC-Programm aufzunehmen.
François Roddier
1John Maynard Smith und Eörs Szathmary, Die Ursprünge des Lebens, Oxford (1999).
2 Ali Fallah-Araghi et al. Verbesserte chemische Synthese an weichen Grenzflächen: Ein universeller Reaktionsadsorptionsmechanismus in Mikrokompartimenten.
3K. Ruiz-Mirazo, C. Briones und A. de la Escosura, Präbiotische Systemchemie: Neue Perspektiven für die Entstehung des Lebens, Chem. Rev. 114, 285 (2013).
4 Per Bak, Chao Tang und Kurt Wiesenfeld, Selbstorganisierte Kritikalität: Eine Erklärung von 1 Noise, Phys. Rev. Letters 4, vol. 59 (1987)
5 Erich Jantsch, Das sich selbst organisierende Universum, Pergamon (1980).
[Dieser Vorschlag wird von Roger Bonnet, ehemaliger wissenschaftlicher Direktor der ESA, unterstützt.]