Ennen elämän syntymistä maan päällä, noin 3,5 miljardia vuotta sitten, valtameret olivat satunnaisesti sekoitettujen molekyylien keitto. Sitten jotenkin jotkut näistä molekyyleistä järjestäytyivät hyvin organisoituihin DNA-juosteisiin, suojaaviin soluseiniin ja pieniin elinmaisiin rakenteisiin, jotka kykenevät pitämään solut hengissä ja toimimaan. Mutta se, kuinka he toteuttivat tämän organisaation, on kauan hämmentänyt tutkijoita. Nyt Münchenin Ludwig-Maximilians-yliopiston biofyysikot uskovat olevansa vastaus: kuplia.
Elämän alku ei ollut hetkellinen. Varhaiset prekursorimolekyylit muuttuivat jotenkin elämän rakennuspalikoiksi, kuten RNA, DNA, suolat ja lipidit. Sitten nuo molekyylit järjestettiin muodostamaan ensimmäiset varhaiset versiot soluista, joista tuli sitten ensimmäisiä yksisoluisia organismeja.
"Tämä on kaikkien elävien lajien perusta", tutkimuksen pääkirjailija Ludwig-Maximilians Universityn yliopiston Dieter Braun kertoi Live Sciencelle.
Jotta solut voisivat muodostua, alkaa replikoitua ja elää itsenäisen elämänsä alkeellisella maapallolla, kaikkien kemiallisten osien on kuitenkin ensin tapahduttava yhteen, Braun sanoi.
Syvässä valtameressä, jossa useiden tutkijoiden mielestä elämä sai alkunsa, molekyylejä, kuten lipidejä, RNA: ta ja DNA: ta saattaa olla läsnä; mutta silti he olisivat olleet liian hajaantuneita kaiken mielenkiintoisen tapahtumiseksi.
"Molekyylit eksyvät. Ne diffundoituvat", Braun sanoi. "Reaktiot eivät tapahdu vain itsessään."
Tutkijat ovat yhtä mieltä siitä, että molekyylien aggregoitumiseen ja reagoimiseen toisiinsa tarvitaan jonkin verran voimaa, Tokion teknillisen instituutin kemisti Henderson Cleaves kertoi Live Sciencelle. Tutkijat eivät vain ole yhtä mieltä siitä, mikä tuo voima oli.
Sieltä kuplia tulee.
Kuplat olivat kaikkialla maan varhaisessa merimaisemassa. Lämpimät syvänmeren tulivuoret räjäyttivät poreilevia paloja. Ne ilmavat pallat asettuivat huokoiseen vulkaaniseen kallioon. Nämä olivat olosuhteet, joita Braun ja hänen kollegansa yrittivät toistaa. He loivat astian huokoisesta materiaalista, joka jäljitteli vulkaanisen kivin rakennetta, ja täytti sen vuorostaan kuuden eri ratkaisun avulla, joista kukin mallitsi eri vaiheen elämänmuodostusprosessissa. Yksi varhaista vaihetta edustava ratkaisu sisälsi sokeria nimeltään RAO, joka olisi ollut tarpeen nukleotidien, RNA: n ja DNA: n rakennuspalikoiden rakentamisessa. Muut ratkaisut, jotka edustavat myöhempiä vaiheita, sisälsivät itse RNA: ta sekä soluseinien rakentamiseksi tarvittavia rasvoja.
Sitten tutkijat kuumensivat liuosta toisesta päästään ja jäähdyttivät toisesta. He olivat luomassa jotain nimeltään "lämpögradientti", jossa lämpötila muuttuu vähitellen päästä toiseen, samalla tavalla kuin vesi syvänmeren lämpöaukkojen lähellä muuttuu vähitellen kuumasta kylmäksi.
"Se on kuin mikromeri", Braun sanoi.
Jokaisessa liuoksessa lämpötilan muutos pakottaa molekyylit rypistymään - ja ne siirtyivät kohti kuplia, jotka luonnollisesti muodostuvat näissä olosuhteissa. Lähes heti he alkoivat reagoida.
Sokerit muodostivat kiteitä, eräänlaista luurankoa RNA: lle ja DNA-nukleotideille. Hapot muodostivat pidempiä ketjuja ottaen uuden askeleen kohti kompleksisten, RNA: n kaltaisten molekyylien muodostumista. Lopuksi molekyylit järjestäytyivät rakenteisiin, jotka muistuttivat yksinkertaisia soluja. Braunin mukaan solut ovat lähtökohtaisesti rasvoista valmistettuihin pusseihin koteloituja molekyylejä. Juuri niin tapahtui hänen kuplien pinnalla: Rasvat järjestäytyivät palloihin RNA: n ja muiden molekyylien ympärille.
Hänen mukaansa Braunille ja hänen kollegoilleen yllättävin oli, kuinka nopeasti nämä muutokset tapahtuivat alle 30 minuutissa.
"Olin hämmästynyt", hän sanoi. Vaikka tämä on ensimmäinen kerta, kun hän ja hänen kollegansa ovat tarkastelleet erityisesti kuplia, tutkijat ovat aiemmin yrittäneet toistaa, kuinka nämä biologiset molekyylit käyvät läpi elämän tarvitsemat monimutkaiset reaktiot. Hänen mukaansa nämä reaktiot kestävät yleensä tunteja.
Jotkut kemistit ovat kuitenkin skeptisiä, että Braunin kuplat edustavat tarkkaa alkuperää. Braun ja hänen kollegansa siemenivät ratkaisunsa monilla monimutkaisilla molekyyleillä, joita elämä tarvitsee. Jopa niiden yksinkertaisimmat ratkaisut edustivat edelleen elämänmuodostusprosessin myöhempiä vaiheita, kertoi Live Science -yritykselle Ramanarayanan Krishnamurthy, Scripps Institute of Oceanography -kemialainen, joka ei ollut mukana tutkimuksessa. Se on vähän kuin kakun leipominen laatikkoseoksella sen sijaan, että aloittaisi tyhjästä.
Sen sijaan muinaisilla valtamereillä ei ehkä ole olleet oikeita olosuhteita näiden alkuperäisten molekyylien muodostamiseksi, Krishnamurthy sanoi.
Lisäksi kuplakoe tapahtui pienessä mittakaavassa. Se on tärkeää, koska se tarkoittaa lämpötilan muutosta testin päästä toiseen oli erittäin äkillinen. Todellisuudessa valtameren alla olevat lämpögradientit ovat asteittaisempia, Cleaves sanoi.
Silti Braun väitti, että on olemassa muutamia syitä, miksi kuplat voivat olla ihanteellinen paikka elämän alkuun. Ensinnäkin ne tarjoavat täydellisen rajapinnan ilman ja veden välille. Ilman ilman, monet elämän kannalta tarpeellisista reaktioista eivät voineet tapahtua. Esimerkiksi fosforyloinnin, reaktion, joka antaa pienille molekyyleille mahdollisuuden muodostaa monimutkaisia molekyylijonoita, on tapahduttava ainakin osittain kuivissa olosuhteissa. Kuplien sisällä se ei ole ongelma; vaikka kuplat ovat pieniä, kuplat tarjoavat täydellisen ympäristön näiden reaktioiden kuivumiseen ainakin väliaikaisesti.
Mutta on myös toinen tärkeä rooli, jolla kuplia voi olla: Ne luovat järjestyksen. Rauhallisessa vedessä molekyylit tyypillisesti leviävät ilman erityistä järjestelyä. Kuplat kuitenkin tarjoavat molekyyleille - ja kenties elämän alkeille - jotain, johon tarttua kaoottisessa maailmassa.
