Τα ορυκτά σε θερμές πηγές

Τα ορυκτά σε θερμές πηγές πραγματοποίησαν μια βασική χημική αντίδραση για την πρώιμη ζωή στη Γη, επιβεβαιώνει νέα μελέτη.

Ένα από τα μεγαλύτερα επιστημονικά μυστήρια είναι το πού ξεκίνησε η ζωή στη Γη. Η έρευνα έχει συχνά επικεντρωθεί στον ρόλο των υδροθερμικών διεξόδων βαθέων υδάτων - αυτές οι πανύψηλες δομές στον πυθμένα του ωκεανού αντλούν συνεχώς ένα μείγμα οργανικού και ανόργανου υλικού. Μέσα σε αυτά τα λοφία υπάρχουν ορυκτά που ονομάζονται θειούχα σιδήρου, τα οποία οι επιστήμονες πιστεύουν ότι θα μπορούσαν να έχουν βοηθήσει στην ενεργοποίηση πρώιμων χημικών αντιδράσεων που δημιούργησαν ζωή. 

Αυτά τα ίδια ορυκτά βρίσκονται επίσης σε θερμές πηγές σήμερα, όπως το Grand Prismatic Spring στο Εθνικό Πάρκο Yellowstone στις ΗΠΑ. Οι θερμές πηγές είναι σώματα υπόγειων υδάτων που θερμαίνονται από ηφαιστειακή δραστηριότητα κάτω από την επιφάνεια της Γης. Η νέα έρευνα προσθέτει σε ένα μικρό αλλά αυξανόμενο σύνολο αποδεικτικών στοιχείων ότι οι αρχαίες εκδοχές αυτών των θερμών πηγών θα μπορούσαν να είχαν παίξει καθοριστικό ρόλο στην εμφάνιση της ζωής στη Γη. 

Αυτό βοηθά στη γεφύρωση του χάσματος μεταξύ των ανταγωνιστικών υποθέσεων σχετικά με το πού θα μπορούσε να έχει προκύψει η ζωή.

 Γεωχημεία στη βιολογία

 Η στερέωση του άνθρακα είναι η διαδικασία με την οποία οι ζωντανοί οργανισμοί μετατρέπουν το διοξείδιο του άνθρακα, στον αέρα και διαλυμένο στο νερό, σε οργανικά μόρια. Πολλές μορφές ζωής, συμπεριλαμβανομένων των φυτών, των βακτηρίων και των μικροοργανισμών που είναι γνωστοί ως αρχαία, έχουν διαφορετικές οδούς για να το επιτύχουν αυτό. Η φωτοσύνθεση είναι ένα παράδειγμα.

 Κάθε μία από αυτές τις οδούς περιέχει έναν καταρράκτη ενζύμων και πρωτεϊνών, μερικές από τις οποίες περιέχουν πυρήνες από σίδηρο και θείο. Μπορούμε να βρούμε πρωτεΐνες με αυτές τις συστάδες σιδήρου-θείου σε όλες τις μορφές ζωής. Στην πραγματικότητα, οι ερευνητές προτείνουν ότι χρονολογούνται από τον Τελευταίο Παγκόσμιο Κοινό Πρόγονο - ένα αρχαίο προγονικό κύτταρο από το οποίο οι επιστήμονες προτείνουν τη ζωή όπως γνωρίζουμε ότι εξελίχθηκε και διαφοροποιήθηκε. 

Τα σουλφίδια του σιδήρου είναι ορυκτά που σχηματίζονται όταν ο διαλυμένος σίδηρος αντιδρά με το υδρόθειο - το ηφαιστειακό αέριο που κάνει τις θερμές πηγές να μυρίζουν σαν σάπια αυγά. Αν κοιτάξετε προσεκτικά τη δομή αυτών των θειούχων σιδήρου, θα διαπιστώσετε ότι μερικά από αυτά μοιάζουν απίστευτα με τα συμπλέγματα σιδήρου-θείου. Αυτή η σύνδεση μεταξύ των θειούχων σιδήρου και της στερέωσης του άνθρακα οδήγησε ορισμένους ερευνητές να προτείνουν ότι αυτά τα ορυκτά έπαιξαν κρίσιμο ρόλο στη μετάβαση από την πρώιμη γεωχημεία της Γης στη βιολογία. 

Η πρόσφατα δημοσιευμένη έρευνά  επεκτείνει αυτή τη γνώση διερευνώντας τη χημική δραστηριότητα των θειούχων σιδήρου σε αρχαίες θερμές πηγές της ξηράς που έχουν παρόμοια γεωχημεία με τις οπές βαθέων υδάτων. 

Κατά παραγγελία θάλαμος

Κατασκευάσαμε κατά παραγγελία έναν μικρό θάλαμο που θα μας επέτρεπε να προσομοιώσουμε περιβάλλοντα θερμών πηγών στην πρώιμη Γη. Στη συνέχεια απλώνουμε δείγματα συνθετικού θειούχου σιδήρου μέσω του θαλάμου. Κάποια ήταν αγνά. Άλλα δοσολογήθηκαν με άλλα μέταλλα που βρίσκονται συνήθως σε θερμές πηγές. 

Ένας λαμπτήρας πάνω από αυτά τα δείγματα προσομοίωσε το ηλιακό φως στην επιφάνεια της πρώιμης Γης. Χρησιμοποιήθηκαν διαφορετικοί λαμπτήρες για να μιμηθούν τον φωτισμό με διαφορετικές ποσότητες υπεριώδους ακτινοβολίας. Διοξείδιο του άνθρακα και αέριο υδρογόνο αντλούνταν συνεχώς μέσω του θαλάμου. Αυτά τα αέρια έχουν αποδειχθεί ότι είναι σημαντικά για τη στερέωση άνθρακα σε πειράματα εξαερισμού βαθιάς θάλασσας. 

Βρήκαμε ότι όλα τα δείγματα θειούχου σιδήρου που συντέθηκαν ήταν ικανά να παράγουν μεθανόλη, ένα προϊόν στερέωσης άνθρακα, σε διάφορους βαθμούς. Αυτά τα αποτελέσματα έδειξαν ότι τα σουλφίδια του σιδήρου μπορούν να διευκολύνουν τη στερέωση του άνθρακα όχι μόνο σε υδροθερμικές οπές βαθέων υδάτων αλλά και σε θερμές πηγές ξηράς. Η παραγωγή μεθανόλης αυξήθηκε επίσης με την ακτινοβολία ορατού φωτός και σε υψηλότερες θερμοκρασίες. Πειράματα με ποικίλες θερμοκρασίες, φωτισμό και περιεκτικότητα σε υδρατμούς έδειξαν ότι τα σουλφίδια του σιδήρου πιθανότατα διευκόλυναν τη στερέωση του άνθρακα σε θερμές πηγές ξηράς στην πρώιμη Γη. 

Ένα αρχαίο μονοπάτι 

Πρόσθετα πειράματα και θεωρητικοί υπολογισμοί αποκάλυψαν ότι η παραγωγή μεθανόλης συνέβη μέσω ενός μηχανισμού που ονομάζεται αντίστροφη μετατόπιση νερού-αερίου. Βλέπουμε μια παρόμοια αντίδραση στο μονοπάτι που χρησιμοποιούν ορισμένα βακτήρια και αρχαία για να μετατρέψουν το διοξείδιο του άνθρακα σε τροφή. 

Αυτό το μονοπάτι ονομάζεται μονοπάτι «acetyl-CoA» ή «Wood-Ljungdahl» μονοπάτι. Προτείνεται να είναι η πιο πρώιμη μορφή στερέωσης άνθρακα που εμφανίστηκε στην πρώιμη ζωή. Αυτή η ομοιότητα μεταξύ των δύο διεργασιών είναι ενδιαφέρουσα γιατί η πρώτη συμβαίνει σε ξηρά, στην άκρη θερμών πηγών, ενώ η δεύτερη στο υγρό περιβάλλον μέσα στα κύτταρα. 

Η μελέτη καταδεικνύει την παραγωγή μεθανόλης σε ένα ευρύ φάσμα συνθηκών που θα μπορούσαν να είχαν βρεθεί στις πρώιμες θερμές πηγές της Γης. Τα ευρήματά  διευρύνουν το φάσμα των συνθηκών όπου τα σουλφίδια του σιδήρου μπορούν να διευκολύνουν τη στερέωση του άνθρακα. Δείχνουν ότι μπορεί να συμβεί τόσο στη βαθιά θάλασσα όσο και στην ξηρά - αν και μέσω διαφορετικών μηχανισμών.                                                                                                                                                                                                                       Ως εκ τούτου, πιστεύουν  ότι αυτά τα αποτελέσματα υποστηρίζουν την τρέχουσα επιστημονική συναίνεση που υποδηλώνει ότι οι συστάδες σιδήρου-θείου και η οδός ακετυλο-CoA είναι αρχαία και πιθανότατα έπαιξαν σημαντικό ρόλο στην εμφάνιση της ζωής - ανεξάρτητα από το αν συνέβη στην ξηρά ή στο κάτω μέρος της η θάλασσα. 

Γεωδίφης με πληροφορίες από το The Conversation

https://theconversation.com/minerals-in-hot-springs-performed-a-key-chemical-reaction-for-early-life-on-earth-new-study-confirms-243586

https://phys.org/news/2024-11-minerals-hot-key-chemical-reaction.html