Een onderzoeksteam aan de Texas A&M University heeft een fysiek mechanisme ontdekt dat kan helpen bij het beantwoorden van een van de belangrijkste vragen over het ontstaan ​​van leven, "Hoe zijn de bouwstenen ontstaan?"

Het onderzoeksteam wordt geleid door Dr. Victor Ugaz, hoogleraar en houder van het Charles D. Holland '53 Professorship en het Thaman Professorship in de Artie McFerrin Department of Chemical Engineering. Het team omvat ook Dr. Yassin A. Hassan, hoogleraar en houder van de Sallie &Don Davis '61 Professorship en afdelingshoofd van de afdeling Nuclear Engineering.

Wetenschappers weten al lang dat de bouwstenen van het leven – aminozuren, nucleobasen en suikers - waren aanwezig in de vroege oceaan, maar ze waren erg laag in concentratie. Om het leven te laten ontstaan, deze bouwstenen moesten worden gecombineerd en verrijkt tot macromoleculen met een lange keten. Het identificeren van het proces en het mechanisme dat deze synthese aandrijft, was een van de grootste vragen over de oorsprong van het leven.

"In de vroege oceaan, die bouwstenen waren aanwezig in de omgeving, " zei Ugaz. "Ze waren daar, maar ze waren zo verdund; er is een vraag over hoe ze gecombineerd. Dus een van de interessegebieden is wat voor soort concentratiemechanisme had kunnen bestaan ​​om die componenten te verrijken tot een punt waarop ze langere ketens zouden kunnen gaan vormen, complexere moleculen."

In een artikel dat verschijnt in Proceedings van de National Academy of Sciences van de Verenigde Staten van Amerika, het Texas A&M-onderzoeksteam beschrijft een mechanisme dat mogelijk een belangrijke rol heeft gespeeld bij het combineren van deze verdunde chemische bouwstenen tot de lange-keten macromoleculen die nodig zijn voor het leven.

Het onderzoeksteam heeft dit onderzocht door een modelsysteem van cilindrische cellen te creëren die de structuur van poriën in minerale formaties nabootsen die zijn gevonden in de buurt van een recent ontdekte, nieuw type onderzeese hydrothermale ontluchting. De temperatuurgradiënten in deze ventilatieopeningen werken net als een gewone lavalamp, circulerende vloeistof in de kleine poriënruimten. Het team ontdekte dat deze stromen verrassend complex en chaotisch zijn - wat betekent dat individuele paden een ruw algemeen patroon volgen, maar geen trajecten zijn identiek. Deze ontdekking maakte het mogelijk om omstandigheden te identificeren waarin deze stromen in staat zijn om bulkhomogenisatie te bieden van de verschillende organische moleculen die aanwezig zijn in de ventilatieopeningen, terwijl ze ze tegelijkertijd naar katalytisch actieve porieoppervlakken transporteren waar ze absorberen en reageren.

Volgens Ugaz, er is een gemakkelijke manier om dit fenomeen voor te stellen. "Stel je voor dat je koffie roert, en je doet er wat room in of iets dat aan de zijkant van de beker blijft plakken. Als je het op een bepaalde manier roert, er gebeuren eigenlijk twee dingen tegelijk:je mengt het grootste deel van de vloeistof, maar je laat het ook naar een bepaalde plek op het oppervlak van de beker gaan."

Deze stromen komen van nature voor in hydrothermale porienetwerken en bieden een intrigerend mechanisme om te verklaren hoe verdunde organische voorlopers in de vroege oceaan zich zouden kunnen hebben geassembleerd tot complexe biomacromoleculen. Dit is een van de belangrijkste onbeantwoorde vragen over de oorsprong van het leven op aarde, en in buitenaardse systemen waar soortgelijke hydrothermale omgevingen zijn ontdekt. Buiten deze bevinding, het onderzoek is op een aantal andere manieren van belang.

Naast de biotische en prebiotische chemie zijn er een hele reeks verschillende processen die in deze omgevingen kunnen worden gekatalyseerd. Eerst, deze poreuze formaties spelen een belangrijke rol bij het omzetten van kooldioxide in verschillende carbonaten. De exacte mechanismen die deze koolstofdioxide-afvang aandrijven, zijn momenteel niet goed beschreven. Echter, de resultaten van dit onderzoek geven aan dat deze chaotische stromen mogelijk kunnen helpen bij het beschrijven van dit fenomeen.

Verder, met een beter begrip van deze stromen en hoe ze reacties aan een oppervlak sturen, het is mogelijk dat ze een nieuw type reactor zouden kunnen aandrijven. Omdat de stromen afhankelijk zijn van warmteverschillen, zo'n reactor zou volledig passief kunnen zijn, gebruik van restwarmte om reacties te stimuleren.

Dit onderzoek werd mede mogelijk gemaakt door de National Science Foundation.