113 - מקור חיים סביר26 ביולי, 2017 כללי פרנסואה רודייר
[הטקסט שלהלן הוא התרגום הצרפתי להצעת מחקר שהגשתי, במטרה ללמוד את מקור החיים באמצעות הניסוי DECLIC על סיפון תחנת החלל]
ניסיונות לימוד ראשונים
על פי דברי מיינארד סמית 'ואורס סאת'מארי (1), ההצעה הרצינית הראשונה לחקור את מקור החיים נובעת מ- AI Oparin (1924) ו- JBS Haldane (1929). טענתם הייתה שאם לאטמוספירה המוקדמת חסרה חמצן חופשי, ניתן היה לסנתז מגוון רחב של תרכובות אורגניות באמצעות אנרגיה המסופקת על ידי אור אולטרה סגול ופרקי ברקים.
בשנת 1953, בעצת הרולד אורי, בדק סטנלי מילר השערה זו על ידי גרימת זעזועים חשמליים דרך מארז המכיל מים, מתאן ואמוניה. הוא ייצר מגוון רחב של תרכובות אורגניות, כולל נוקליאוטידים המרכיבים RNA ו- DNA.
עם זאת, מולקולות חיוניות נעדרו או שהושגו רק בריכוזים נמוכים מאוד. מעל לכל, התגובות שהופקו היו חסרות ספציפיות, מה שהקשה להבין כיצד ניתן היה ליצור פולימרים, שקשריהם הכימיים מאוד ספציפיים.
בסדרת מאמרים שפורסמו בין השנים 1988-1992, הציע גונטר וכטשרושר כי יתכן כי התרחשו תגובות בין יונים המחוברים למשטח טעון. המשיכה בין מטענים לסימנים הפוכים גורמת ליונים בתמיסה להידבק למשטחים טעונים. הם יכולים לנוע לאט על פני השטח, תוך שמירה על אותה כיוון, מה שמגדיל באופן משמעותי את המהירות ואת הספציפיות של תגובות כימיות.
החוקרים הראו לאחרונה כי שילוב מולקולות בטיפות קטנות של נוזלים משפר משמעותית את מהירות התגובות, מה שמציע יישומים בכימיה הפרביוטית (2). תוצאות אלה מאשרות פתחי אוורור הידרותרמיים כמקור אפשרי לחיים, אך לא מוזכר הנקודה הקריטית של מים (3).
התארגנות עצמית וביקורתיות
במהלך 50 השנים האחרונות הצטברו עדויות לכך שתהליכי ההתארגנות העצמית מתרחשים כאשר כוחות המשיכה מאזנים כוחות דחיה. הם בעלי אופי זהה למעברים בשלב רצוף שנצפו בנוזלים במצב קריש קריטי בטמפרטורה הקריטית כביכול. אנלוגיה זו הוכרה לראשונה על ידי Per Bak et al. (4), ביחס לכל-יכולת הרעש האמורה ב- 1 / f. הם קראו לתהליך זה "ביקורת מאורגנת-עצמית".
דוגמא טיפוסית היא היווצרות כוכבים באסטרופיזיקה. חוסר היציבות של ג'ינס המאפשר לכוכבים להיווצר הוא אכן זהה לזה הגורם לאטימות קריטית. בשני המקרים, תנודות הצפיפות עוקבות אחר חוק כוח (רעש המכונה 1 / f), כפי שמוצג על ידי התפלגות ההמונים הראשוניים של הכוכבים החדשים.
בספרו "היקום המארגן העצמי" הראה אריך ג'אנש (5) שהיקום כולו מתארגן על פי רצפי אירועים דומים. "התפתחות מאקרו" איטית שבמהלכה מתעבים מבנים גדולים מתחלפת עם "התפתחות מיקרו" מהירה במהלכה נוצרים מרכיבים יסודיים חדשים. איור 1 מסכם את התהליך הזה. בעקבות תכנית זו, היווצרות כוכבים היא חלק מהתפתחות המאקרו. זה מעורר היווצרות אטומים חדשים כמו אלה של הליום שהם כבדים יותר מאלו של מימן. היווצרות הליום היא חלק מהתפתחות מיקרו.
איור. 1. ההתארגנות העצמית של היקום על פי אריק ג'אנש (1980)
בעקבות פר באק, אנו יכולים להתייחס להתפתחות המקרו של ג'אנץ 'כמעבר שלב רציף ואת התפתחות המיקרו שלו כמעבר שלב פתאומי, במילים אחרות ניתן לראות בהתפתחות היקום כולו כתהליך המתנדנד סביב "נקודה קריטית" (ראה איור 2).
התארגנות עצמית ופיזור אנרגטיאיליה פריגוגין הראה כי ארגון עצמי הוא מאפיין של מבנים מתפוגגים, כלומר מבנים המופיעים באופן ספונטני בנוכחות זרימת אנרגיה קבועה. יצורים חיים או תאי בנארד הם מבנים מתפוגגים.
מבנים מבוזרים מתנהגים כמו מכונות תרמיות: הם משתמשים בהפרשי טמפרטורה כדי לייצר עבודה מכנית. על פי העיקרון השני של התרמודינמיקה המכונה עקרון קרנו, הדבר אפשרי רק על פי מחזורי טרנספורמציות. המכונות התרמיות הראשונות השתמשו במעבר אדי נוזלים של מים בכדי להשיג וריאציות גדולות בנפח.
מנועי רכב יעילים יותר מכיוון שהם משתמשים בהבדלי טמפרטורות גדולים בהרבה כדי לייצר את אותם שינויי נפח. עם זאת, מספיק וריאציות טמפרטורות קטנות בהרבה בכדי לייצר מכונות תרמיות טבעיות כמו תאי Bennard. זה נכון במיוחד בסמוך לנקודה הקריטית בה הפרשי טמפרטורה קטנים מאוד מייצרים וריאציות נפח גדולות מאוד.
הנקודה הקריטית של מיםלחץ המים הקריטי הוא 220 בר והטמפרטורה הקריטית שלו 374 מעלות צלזיוס. במי מלח כמו זה של האוקיאנוס, הנקודה הקריטית היא קצת יותר מ -2.200 מ 'עומק, ואילו בשקעים הידרותרמיים הטמפרטורה עולה בקלות על 374 מעלות צלזיוס.
קחו למשל את המים ממעיין הידרותרמי הממוקם מתחת ל -2.200 מ 'וטמפרטורתם מעט מעל 374 מעלות צלזיוס. הצפיפות שלו נמוכה מזו של המים שמסביב, ויוצרת נוצה משכנעת. במהלך עלייתו הלחץ שלו יורד. הטמפרטורה שלו נשארת לרגע גבוהה יותר מזו שבסביבתה, עד לרגע בו, לאחר שהתקרר, היא יורדת לעבר המקור, סוגרת את הלולאה הסווית. בשלב מסוים המים מגיעים לאיזור העיבוי. נוצרות טיפות עדינות. המים הנוזלים הופכים אז באטיות ובאופן רציף למי אדים מבלי שייווצרו בועות לעולם.
איור. 2. המשטח שלמעלה מראה את מצב המים סביב הנקודה הקריטית.
האזור האפור הוא אזור העיבוי.
איור 2 מציג את מצב המים בעט עט משכנע כאשר הוא מתאר מעגל סביב הנקודה הקריטית, כפי שמציין החץ. בעוד שהמעבר ממצב הנוזל למצב הגזי הוא רציף, המעבר ממצב הגזי למצב הנוזל הוא פתאומי. מעת לעת מתעבים המים ויוצרים טיפות נאות של מים נוזליים הגדלים בגודלם עד שהמים הופכים לנוזלים לחלוטין. לאחר מכן הוא שוקע לכיוון המקור ההידרותרמי בו הוא מחומם מעל הטמפרטורה הקריטית. לאחר מכן הוא הופך ללא הפסקה לקיטור, מבלי ליצור בועות גז מעולם.
עיבוי הגז לנוזל בסמוך לנקודה הקריטית נקרא "אופלנסנטיות קריטית". יש תנודות בצפיפות גדולה מאוד, מצב חיובי להיווצרות מיקרו-דרופל. באוקיאנוס גם מולקולות אחרות יכולות להתעבות. המולקולות הקוטביות ישמרו על אותה אוריינטציה יחסית למשטח הטיפה, ובכך מקדמות קשרים קוטביים. תנאים אלה נוחים במיוחד ליצירת מולקולות אורגניות מורכבות.
אפשרות לבחון את מקור החיים
אף על פי שהתנאים המתוארים לעיל מתאימים להיווצרות מולקולות אורגניות מורכבות, ההסתברות לתגובות כאלו תישאר נמוכה אלא אם כן אותו מצב מתרחש שוב לפרק זמן ארוך מאוד.
אנו יכולים להעריך בערך כי הזמן להתפשטות מים במעיינות משכנע הוא בערך יום אחד, ואילו אורך החיים של הר געש פעיל מתחת למים הוא בערך מיליון ד שנים. ניתן אפוא לחזור על אותם תנאים כמה מאות אלפי פעמים. ברור שאם אנו רוצים לחזור על תהליך זה במעבדה, יש להאיץ אותו במידה ניכרת.
הניסיון DECLIC מציע הזדמנות כזו. DECLIC היא חוויה על סיפונה של תחנת החלל הבינלאומית. אחת הגרסאות נועדה לחקור תגובות כימיות בסביבת הנקודה הקריטית של מים. סביבתו חסרת המשקל מאפשרת לייצר תנאים קריטיים באופן אחיד על כל נפחו ברמת דיוק של שלושה מקומות עשרוניים. זה אמור להיות אפשרי להתאים את התנאים הללו למעגל סביב הנקודה הקריטית בשניות ולא בימים. בהשוואה לתנאים במקור החיים, הדבר יאיץ את התהליך בחמישה סדרי גודל לפחות, ככל הנראה יותר מכיוון שתנאי הניסוי יישמרו כל העת קרוב מאוד לנקודה הקריטית.
אם ניתן לעקוב אחר ההרכב הכימי של תא התגובה כפונקציה של זמן, עלינו להיות מסוגלים להתרבות בעוד מספר חודשים ולבחון בתגובות כימיות שלקח מיליוני שנים להתרחש. אנו ממליצים בחום להעלות חוויה כזו לתכנית DECLIC.
פרנסואה Roddier
1 ג'ון מיינרד סמית 'ואורס סאת'מארי, מקורות החיים, אוקספורד (1999).
2 עלי פלה-אראגי ואח '. סינתזה כימית משופרת בממשקים רכים: מנגנון אוניברסלי לתגובת ספיגה בתאי מיקרו.
3K. Ruiz-Mirazo, C. Briones, ו- A. de la Escosura, Chemistry Prebiotic Systems: פרספקטיבות חדשות על מקורות החיים, Chem. כומר 114, 285 (2013).
4 פר באק, צ'או טאנג וקורט ויסנפלד, ביקורת מאורגנת עצמית: הסבר על רעש 1 / f, Phys. כומר אותיות 4, כרך א '. 59 (1987)
אריך ג'נש 5, היקום המארגן העצמי, פרגמון (1980).
[הצעה זו נתמכת על ידי רוג'ר בונט, מנהל מדעי לשעבר ב- ESA].