9 Minute
Noi experimente de laborator sugerează că atmosfera primordială a Pământului ar fi putut sintetiza biomolecule care conțin sulf — inclusiv aminoacizi precum cisteina — pornind de la gaze simple și energie luminoasă. Această descoperire reconfigurează înțelegerea despre cum și unde s-ar fi putut forma primele blocuri constitutive ale vieții, extinzând ipotezele din chimia prebiotică și deschizând perspective noi în studiile despre originea vieții și biosignaturi pe exoplanete.
Un cer care a produs compuși sulfurici complexi
Cercetătorii de la University of Colorado Boulder și colaboratorii lor raportează în Proceedings of the National Academy of Sciences că o atmosferă prebiotică simulată a generat o gamă surprinzătoare de molecule pe bază de sulf. Prin iluminarea unui amestec controlat de metan, dioxid de carbon, hidrogen sulfurat și azot — gaze care ar fi putut fi abundente pe Pământul timpuriu — echipa a obținut compuși multă vreme considerați semnături ale chimiei vii. Această chimie atmosferică fotocatalizată indică faptul că fotodecompoziția și reacțiile radicalare induse de lumină ar fi putut conduce la formarea de compuși organici sulfurici complecși la scară planetară, nu doar în nișe locale.
Până acum, mulți oameni de știință credeau că compușii organici conținând sulf, precum anumiți aminoacizi, necesitau căi biochimice pentru a se forma în cantități semnificative. Simulările de laborator timpurii rareori au produs astfel de molecule decât în condiții foarte specifice, localizate — de exemplu în apropierea izvoarelor hidrotermale sau a zonelor vulcanice active, unde concentrațiile de compuși sulfuroși și energia chimică sunt mari. Experimentele CU Boulder provoacă această viziune restrânsă: chimia atmosferică obișnuită, activată de fotoni, ar fi putut funcționa ca o fabrică planetară pentru specii sulfurate relevante pentru biologie, ceea ce schimbă modul în care modelăm disponibilitatea prebiotică a elementelor esențiale.
Ce a arătat experimentul și cum a fost realizat
În laborator, cercetătorii au expus un amestec de gaze controlat la lumină analogă ultravioletă pentru a imita efectul radiației solare asupra atmosferei timpurii. Studiul a avut la bază principiile fotochemiei atmosferice: fotoni de energie suficientă pot produce radicali liberi și fragmente reactive din molecule simple, favorizând formarea unor legături chimice noi. Sulful este notoriu dificil de studiat în astfel de experimente: se adsorbă pe suprafețe, formează polimeri, și apare la concentrații foarte mici în raport cu gaze dominante precum azotul și dioxidul de carbon. Pentru a depăși aceste obstacole, echipa a folosit un spectrometru de masă extrem de sensibil, capabil să detecteze produși în cantități-trace și să discrimineze izotopii, ceea ce a permis identificarea unor speciile sulfurate complexe la niveluri foarte scăzute.
Produsele de reacție măsurate au inclus aminoacidul cisteină și alte biomolecule care conțin sulf, cum ar fi taurina și coenzima M — compuși cu roluri recunoscute în metabolismul modern. Cisteina, în particular, este esențială pentru formarea punților disulfur (S–S) în proteine, iar prezența ei într-un context prebiotic sugerează posibilitatea unei game mai largi de reactivitate chimică preîntâmpinată decât se credea anterior. Detectarea taurinelor și a coenzimei M indică, de asemenea, că potențialele cofactori și molecule implicate în mecanisme metabolice ar fi putut să apară abiotic, prin căi fotochemice atmosferice.
Prezența acestor molecule în atmosfera simulată implică faptul că ele ar fi putut să se formeze înainte de apariția vieții și apoi să fie transportate prin precipitații către oceane și uscat, furnizând blocuri de construcție deja formate mediilor favorabile emergenței vieții. Depunerea aerosolilor și a picăturilor încărcate chimic ar fi putut concentra aceste compuși în zone costiere, lacuri, sau microhabitate umede, oferind platforme chimice pentru reacții de polimerizare sau sinteză macromoleculară ulterioară.
Nate Reed și Ellie Browne la lucru în laborator.
Adaptarea chimiei la un context planetar
Dincolo de detectarea moleculelor individuale, echipa a estimat și câtă cisteină ar fi putut produce o atmosferă primitivă la scară globală. Calculul lor sugerează că s-ar fi putut genera o cantitate suficientă de cisteină pentru a alimenta în jur de un octilion de celule (1 × 10^27), un număr mare dar totuși mai mic decât estimarea biomasei totale actuale (~1 × 10^30 celule). Aceasta înseamnă că atmosfera, ca sursă abiotica continuă, ar fi putut oferi un inventar global de aminoacizi sulfurati adecvat pentru a „semina” ecosisteme în formare, completând sau înlocuind în anumite regiuni necesitatea unor surse geochimice locale foarte concentrate.
Evaluarea productivității atmosferice a inclus estimări privind rata de sinteză fotochimică, eficiența conversiei din gaze simple, pierderile prin reabsorbție sau polimerizare, și rata de depunere prin ploaie sau sedimentare aerosolilor. Factori precum intensitatea radiației UV solară, compoziția atmosferică (părți relative de CH4, CO2, H2S și N2), temperatura și prezența suprafețelor catalitice (de exemplu minerale metalice) influențează profund randamentul reacțiilor. Modelele planetare folosite pentru extrapolare au luat în considerare intervale plauzibile pentru Pământul timpuriu, astfel încât concluziile rămân relevante pentru scenarii diverse de chimie prebiotică.
Această sinteză aeriană schimbă narativa despre locurile unde au apărut primele molecule relevante pentru viață. În loc să fie necesare nișe rare și chimic bogate, cel puțin o parte din chimia organică sulfurată cheie ar fi putut fi disponibilă difuz pe întreaga planetă. Aceasta lărgește setul de scenarii plauzibile pentru originea vieții, sugerând un mediu timpuriu mai permisiv — unde oceane, plaje, deltați, și suprafețe umede ar fi primit un aport constant de molecule organice reactive create în atmosferă.
Implicații pentru studiile originii vieții și biosignaturi pe exoplanete
Rezultatele au două implicații imediate și importante: (1) cercetările privind originea vieții trebuie să considere căile de producție atmosferică ca surse potențial semnificative de organice complexe; și (2) detectarea anumitor gaze sulfurate pe alte lumi nu indică în mod neapărat prezența vieții. De exemplu, lucrări anterioare ale acelorași autori au arătat că dimetil sulfura (DMS) — un gaz sulfurat produs pe Pământul modern în mare măsură de viața marină — poate să se formeze abiotic prin chimie atmosferică simplă activată de lumină. Această constatare, combinată cu rezultatele curente, oferă nuanțe interpretării speciilor sulfurate observate de misiuni spațiale precum James Webb Space Telescope (JWST) sau viitoare telescoape spectroscopice.
Detectarea compușilor sulfurici pe o exoplanetă rămâne un semnal relevant și demn de luat în calcul, dar aceste experimente demonstrează că trebuie să evaluăm cu atenție dacă astfel de molecule sunt biogene sau rezultatul fotochemiei abiotice. Distincția necesită o combinație de modelare a atmosferei planetare, simulări de laborator care reproduc condiții variate (compoziție atmosferică, flux solar, prezența norilor sau aerosolilor) și observații spectroscopice sensibile, capabile să identifice distribuții de gaz, izotopi și posibile asocieri contextuale (de exemplu semnături de polimeri sau compuși derivați).
Pentru astrobiologie și căutarea biosignaturilor, aceasta înseamnă că interpretarea trebuie făcută cu modele de referință robuste care includ căi abiotice pentru producția de molecule organice sulfurate. În plus, datele despre compoziția chimică a atmosferei, temperatura și prezența apă/cicluri hidrologice pe o planetă vor fi esențiale pentru evaluarea probabilității unei origini biologice versus abiotice. Lucrul în comun al acestor domenii — chimie prebiotică, modelare planetară și observații astronomice — va permite o discernere mai fiabilă între semnalele geochimice și cele biologice.
Expert Insight
Dr. Mira Patel, astrobiolog (neimplicată în studiu), spune: "Această lucrare ne reamintește că atmosferele planetare sunt sisteme chimice reactive. Când expui gaze simple la lumină, pot apărea rezultate surprinzător de complexe. Acest lucru contează atât pentru modul în care gândim despre începuturile vieții pe Pământ, cât și pentru felul în care căutăm chimie care ar putea indica viață pe alte planete." Observația subliniază ideea că fotochemia atmosferică este o componentă esențială a repertoriului de procese care pot genera precursoare biologice.
Studiul CU Boulder evidențiază, de asemenea, importanța instrumentației precise în chimia prebiotică. Detectarea speciilor sulfurate în cantități-trace a impus împingerea sensibilității analitice la limite noi; tehnicile dezvoltate — inclusiv metode avansate de spectrometrie de masă și protocoale de evitare a adsorbției pe suprafețe — pot fi aplicate la alte simulări care investighează formarea moleculelor bogate în azot, fosfor sau sulf în medii planetare variate. Această capacitate analitică îmbunătățită crește rezoluția cu care putem reconstrui rețele chimice prebiotice și poate valida sau invalida ipoteze despre sinteze moleculare cheie.
Pe măsură ce cercetătorii extind condițiile experimentale pentru a include variații ale fluxului solar, compoziției atmosferice, interacțiunilor cu suprafața și prezenței aerosolilor, vom înțelege mai bine robustețea căilor atmosferice în producerea ingredientelor vieții. Dacă atmosfera a fost un furnizor eficient de aminoacizi și cofactori, atunci originea vieții ar fi putut depinde mai puțin de setări geologice rare și mai mult de chimia planetară larg răspândită — o concluzie cu implicații majore pentru probabilitatea apariției vieții pe alte planete cu atmosferă similară.
Sursa: scitechdaily
Lasă un Comentariu