الجزيئات العضوية الأولى

العملية التي ربما أدت إلى الجزيئات العضوية الأولى

قد يكون لبحث جديد صلة بالبحث عن حياة خارج كوكب الأرض ، الكيمياء الخضراء

Credit: © kichigin19 / stock.adobe.com

يحدد بحث جديد بقيادة المتحف الأمريكي للتاريخ الطبيعي وبتمويل من وكالة ناسا عملية ربما كانت أساسية في إنتاج أول جزيئات عضوية على الأرض منذ حوالي 4 مليارات سنة ، قبل نشأة الحياة. قد يكون لهذه العملية ، التي تشبه ما قد حدث في بعض الفتحات الحرارية المائية القديمة تحت الماء ، صلة أيضًا بالبحث عن الحياة في مكان آخر من الكون. نُشرت تفاصيل الدراسة هذا الأسبوع في مجلة Proceedings of the National Academy of Sciences.

كل أشكال الحياة على الأرض مبنية من جزيئات عضوية - مركبات مكونة من ذرات كربون مرتبطة بذرات عناصر أخرى مثل الهيدروجين والنيتروجين والأكسجين. في الحياة الحديثة ، تنشأ معظم هذه الجزيئات العضوية من تقليل ثاني أكسيد الكربون (CO2) من خلال العديد من مسارات "تثبيت الكربون" (مثل التمثيل الضوئي في النباتات). لكن معظم هذه المسارات إما تتطلب طاقة من الخلية لكي تعمل ، أو يُعتقد أنها تطورت في وقت متأخر نسبيًا. إذن كيف نشأت الجزيئات العضوية الأولى قبل نشأة الحياة؟

لمعالجة هذا السؤال ، ابتكر الباحث في متحف جيرستنر Gerstner، فيكتور سوجو Victor Sojo وروبن هدسون Reuben Hudson من كلية المحيط الأطلسي في ولاية مين Maine إعدادًا جديدًا يعتمد على مفاعلات المائعيات الميكروية microfluidic، ومختبرات صغيرة قائمة بذاتها تسمح للعلماء بدراسة سلوك السوائل - وفي هذه الحالة والغازات أيضًا - على النطاق المجهري. حاولت الإصدارات السابقة من المفاعل خلط فقاعات من غاز الهيدروجين وثاني أكسيد الكربون في سائل ولكن لم يحدث اختزال ، ربما بسبب تسرب غاز الهيدروجين شديد التقلب قبل أن تتاح له فرصة التفاعل. جاء الحل في المناقشات بين Sojo و Hudson ، اللذان شاركا في مقعد مختبر في مركز RIKEN لعلوم الموارد المستدامة في سايتاما ، اليابان. تم بناء المفاعل النهائي في مختبر هدسون في ولاية مين.

قال هدسون: "بدلاً من ضخ الغازات داخل السوائل قبل التفاعل ، فإن الابتكار الرئيسي للمفاعل الجديد هو أن السوائل تحركها الغازات نفسها ، وبالتالي فإن فرصة هروبها ضئيلة للغاية".

استخدم الباحثون تصميمهم لدمج الهيدروجين مع ثاني أكسيد الكربون لإنتاج جزيء عضوي يسمى حمض الفورميك (HCOOH). تشبه هذه العملية التركيبية مسار تثبيت ثاني أكسيد الكربون المعروف الوحيد الذي لا يتطلب إمدادًا بالطاقة بشكل عام ، ويسمى مسار Wood-Ljungdahl acetyl-CoA. في المقابل ، تشبه هذه العملية التفاعلات التي ربما حدثت في الفتحات الحرارية المائية للمحيطات القديمة.

قال سوجو: "تمتد النتائج إلى ما هو أبعد من محيطنا الحيوي". "قد توجد أنظمة حرارية مائية مماثلة اليوم في أماكن أخرى من النظام الشمسي ، وعلى الأخص في إنسيلادوس ويوروبا (أقمار زحل والمشتري ، على التوالي) وبالتالي يمكن التنبؤ بها في عوالم مائية صخرية أخرى في جميع أنحاء الكون."

أضافت لوري بارج من ناسا ، مختبر الدفع النفاث ، مؤلفة الدراسة: "إن فهم كيفية تقليل ثاني أكسيد الكربون في ظل ظروف جيولوجية معتدلة أمر مهم لتقييم إمكانية نشوء الحياة في عوالم أخرى ، مما يغذي فهم مدى انتشار أو ندرة الحياة في الكون".

حوّل الباحثون ثاني أكسيد الكربون إلى جزيئات عضوية باستخدام ظروف معتدلة نسبيًا ، مما يعني أن النتائج قد تكون أيضًا ذات صلة بالكيمياء البيئية. في مواجهة أزمة المناخ المستمرة ، هناك بحث مستمر عن طرق جديدة للحد من ثاني أكسيد الكربون.

"تتطرق نتائج هذه الورقة إلى موضوعات متعددة: من فهم أصول التمثيل الغذائي إلى الكيمياء الجيولوجية التي تدعم دورات الهيدروجين والكربون على الأرض ، وأيضًا إلى تطبيقات الكيمياء الخضراء ، حيث يمكن للعمل المستوحى من الجغرافيا الحيوية أن يساعد في تعزيز ردود فعل المواد الكيميائية في ظل ظروف معتدلة ، " أضاف شون ماكلين Shawn E. McGlynn ، وهو أيضًا مؤلف الدراسة ، ومقره معهد طوكيو للتكنولوجيا.

المؤلفون الآخرون في هذه الدراسة هم روفان دي جراف Ruvan de Graaf وماري ستراندو رودين Mari Strandoo Rodin من كلية المحيط الأطلسي ، وآية أونو Aya Ohno من مركز RIKEN لعلوم الموارد المستدامة في اليابان ، ونيك لين Nick Lane من جامعة كوليدج لندن ، ويويتشي يامادا Yoichi M.A. Yamada من RIKEN ، وريوي ناكامورا Ryuhei Nakamura من RIKEN ومعهد طوكيو للتكنولوجيا ، وديتر براون Dieter Braun من جامعة لودفيج ماكسيميليان Ludwig-Maximilians في ميونيخ.

تم دعم هذا العمل جزئيًا من قبل اتحاد منحة ماين للفضاء التابع لوكالة ناسا (SG-19-14 و SG-20-19) ، ومؤسسة العلوم الوطنية الأمريكية (1415189 و 1724300) ، والجمعية اليابانية لتعزيز العلوم (FY2016-PE- 16047 و FY2016-PE-16721) ، والمعهد الوطني للعلوم الطبية العامة التابع للمعاهد الوطنية للصحة (P20GM103423) ، والمنظمة الأوروبية للبيولوجيا الجزيئية (ALTF- 725 1455-2015) ، ومعهد الدراسات المتقدمة في برلين ، وعائلة جيرستنر مؤسسة.

ترجمة : الحجوي محمد عالي

مصدر القصة:

المواد المقدمة من مجلة Science Daily

المواد التي قدمها المتحف الأمريكي للتاريخ الطبيعي.

مرجع المجلة:

Reuben Hudson, Ruvan de Graaf, Mari Strandoo Rodin, Aya Ohno, Nick Lane, Shawn E. McGlynn, Yoichi M. A. Yamada, Ryuhei Nakamura, Laura M. Barge, Dieter Braun, Victor Sojo. CO2 reduction driven by a pH gradient. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2020; 202002659 DOI: 10.1073/pnas.2002659117

American Museum of Natural History. "Process that might have led to first organic molecules: New research could have relevance to search for extraterrestrial life, green chemistry." ScienceDaily. ScienceDaily, 8 September 2020. www.sciencedaily.com/releases/2020/09/200908170535.htm