生命の火花：最初の有機物の起源の理論

宇宙の基準による人間の生活はほんの一瞬ですが、夜のフライの基準によると、それは永遠です。私たちにとって、私たち自身の人生の道の長さの評価は、その過程で起こる出来事、私たちが出会う人々、私たちが別れる人、私たちが経験する感情によって複雑になります。結局のところ、クリーチャーの脳が複雑になるほど、その自己認識は複雑になります。ただし、パスは、その豊富さだけでなく、遅かれ早かれ終了するという事実によっても決定されます。何世紀にもわたって、人々は人生の瀬戸際に何があるのか​​という質問に答えようとしてきました、そして誰も明確な明確な答えを持っていません。それにもかかわらず、「前」は「後」と同じくらい神秘的で神秘的です。アメリカ自然史博物館（ニューヨーク、アメリカ）の科学者が研究を行い、これは、数十億年前の有機分子の起源の可能な変種を説明しています。地球上での生活の始まり、それが起こった場所として何が役立った可能性があり、この知識が今ここで私たちの世界を理解するのにどのように役立つでしょうか？これらの質問に対する答えは、科学者の報告に隠されています。行く。

研究基盤

先に述べたように、人の体が活力を失った後、人や他の生物が何を待っているのかは定かではありません。この質問は、物理学者、生物学者、神学者、哲学者によって尋ねられます。それらはすべて答えを持っており、それぞれが存在する権利を持っていますが、これらは明白な理由でまだ経験的に確認されていない理論にすぎません。



すべてが始まる前に何が起こったのかについては、この質問は同じように複雑で曖昧です。ビッグバン理論は私たちに宇宙の起源のアイデアを与えましたが、それ以前に何が起こったのかについては疑問が残ります。ダーウィンの進化論は、地球上の種がどのように相互に関連しているか、どのように進化したか、ある種が別の種にどのように変化したかを理解するのに役立ちました。しかし、ここでも疑問が生じます。最初に何が、誰が、なぜ人生が生まれたのか、どのような状況で、このイベントは偶然だったのか、それとも誰かの素晴らしい計画だったのか。何世紀にもわたる質問。



それにもかかわらず、現代人が持っている知識は、生命の誕生につながった一連の出来事を構築するためのツールとして役立つことができます。私たちは、水素、窒素、酸素が生命の起源と維持の基本的な要素であることを知っています。現代の生活では、ほとんどの有機分子は、いくつかの「炭素固定」経路（たとえば、植物の光合成）による二酸化炭素（CO ₂）の還元によって形成されます。しかし、これらの経路のほとんどは、細胞からのエネルギーを必要とするか、比較的遅く現れました。疑問が生じます-以前に何が起こったのですか？



科学者によると、有機物質の形成のための方法の一つは、COの削減可能性があり₂ Hの助けを借りて₂。地質学的研究は、COが₂は、カタチアン*の間に海洋で比較的高濃度で発見されましたが、H ₂は地殻内の複数のプロセスの産物であり、熱水ベントによって外部に放出されました。

Katarchei *は、地球の存在の最初の6億年続いた地質学的な時代（期間）です。

その結果、2つの環境（海と地殻）の接合部で、2つの溶存ガス間で反応が起こり、炭化水素が形成され、その後、地球化学から生化学への移行に重要な役割を果たしました。





画像№1



標準条件下（AT 1、25°C、pHが7）、COとの反応₂及びH ₂蟻酸の形成を伴う（HCOOは、^-）ΔGと熱力学的に不利である^{0 '} = + 3.5キロジュール/モル。しかし、古代のアルカリ性ばね（内1A）、H _{2であった}OH中に存在する^-リッチ水への酸化に寄与水源の水。また、CO ₂比較的酸性の海に溶解し、HCOOへの還元においてプロトン化を促進します^-。



海と地殻の境界面に堆積したFe（Ni）Sミネラルの助けを借りて、反応の生存率を約180 mV増加させるには、3単位を超えるpH勾配で十分であり、有機物の形成に有利になります。



一旦形成されると、ギ酸は十分な非生物的化学的可能性を持ちます。例えば、ホルミル基はトリカルボン酸の還元サイクル*と還元アセチル-CoA経路*の中間化合物を形成することが知られており、生物学的代謝の発達のための可能な経路を示唆している。

* — .

- ( - WL-)* — , ₂ .

別の理論は、アルカリ水の推定成分でもあるアンモニアの存在下で加熱すると、ギ酸はホルムアミド[HC（O）NH ₂ ]を形成することを示唆しています。これは、生命の起源（ホルムアミドと生命の起源）の理論の1つの基礎である反応性の高い分子です。）。この混合物のさらなる反応により、シアン化水素（HCN）が得られます。これは、有機物の形成に関する別の理論の基礎でもあります（シアノ硫化物代謝におけるRNA、タンパク質、および脂質前駆体の一般的な起源）。次に、ギ酸の脱水により、一酸化炭素（CO）（原始条件下での（Fe、Ni）Sへの炭素固定による活性化酢酸）の形成がもたらされます。）。ご覧のとおり、有機化合物の起源については多くの理論があり、それぞれに非常に論理的な説明があります。



初期の地球にはいくつかの還元炭素源があり、豊富な化学物質が存在する可能性のある多くの環境がありましたが、上記のアルカリ熱水シナリオは、炭素固定のWL経路に類似しているため、科学者にとってはるかに興味深いものです。



有機物の形成に対するアルカリ熱水シナリオの潜在的な重要性を支持する追加の議論は、WLプロセスが、エネルギーを消費するのではなく、一般にエネルギーを放出する炭素固定の6つの既知の生物学的経路の1つであり、そのバリエーションが両方の古生物の既存の代表に存在するという事実です（メタノゲン*）および細菌（アセトゲン*）。

メタノゲン*は、無酸素状態での代謝の副産物としてメタンを形成する古風なものです。

* Acetogens細菌であることをリリースアセテート（CH ₃ COO ^- ）嫌気呼吸又はhomoacetate発酵の最終生成物として。

この方向での最初のステップは、COの減少である₂ Hと₂（HCOO蟻酸を形成するために^-またはその脱水電子同等、すなわちCO）。



この反応はエンダーゴニック*であるため、古細菌と細菌の両方の一部のメンバーは、細胞膜を横切る電子分岐*または化学浸透*のいずれかを使用してこのプロセスをトリガーします。

エンダーゴニック反応* -コースのために外部からのエネルギーを必要とする化学反応。

電子分岐* -レドックス反応における電子の分離のメカニズム。

Chemiosmos * -電子輸送チェーンのエネルギーのATP（アデノシン三リン酸）のエネルギーへの変換。

ただし、電子分岐や化学浸透などの細胞融合メカニズムがない場合、この最初のエンダーゴニック段階はWL経路の重要なエネルギーボトルネックであり、生物学的炭素固定の起源の研究における主要な未解決の問題のままです。



本研究では、CO非生物間接的減少を示した₂ HCOOに^- H用いて₂流路がWL電子を分離似機構を介して、マイクロ流体堆積物のFe（Ni）のSに誘起されるpH勾配を。

研究成果

まず、地球の地殻と海水との界面をシミュレーションして、実験室でアルカリ性の熱水媒体に相当するものを準備しました。アルカリ成分には、脱気水中のNa ₂ S（100 mM）、K ₂ HPO ₄（10 mM）、およびNa ₂ Si ₃ O ₇（10 mM）が含まれていました。海洋類似体には、FeCl ₂（50 mM）とNiCl ₂（5 mM）が含まれていました。両方の液体は、Y字型のホウケイ酸塩マイクロ流体リアクター（1B）に供給されました。



Hの周囲圧力₂及びCO _2はCO低減するには不十分であった₂排出量したがって、反応前にバブリング*によってガスを溶解しようとする代わりに、ガス圧で動作するマイクロ流体ポンプを使用することにしました。

バブリング（バブリング）* -ガスを液体の層に通すプロセス。

アルカリ性液体は、Hによって押し出された₂ 1.5バールの圧力で、及び海洋アナログは、COによって押し出された₂同じ圧力で。



反応器の各サイクルは、2つの連続した段階に分けられました。1つは、2つの液体の接合部（界面）でのFe（Ni）S堆積物の堆積です。第二（「ポスト沈殿」） - COとの間の反応を作成しようとする₂とH ₂（または他の試薬）。



沈殿の段階でアルカリ性液体と海洋類似体を15〜60秒間相互作用させた結果、2つの液体の界面に幅30〜60μmの堆積物が形成され、デジタル光学顕微鏡で見ることができました（中央の1B）。沈殿後の海洋アナログ側からの金属の除去は、原子炉チャネル遮断の臨界値までの沈殿の増加を防いだ。



堆積物の形成後、第2段階でのさらなる沈降によるマイクロ流体チャネルの詰まりを防ぐために、海洋流体はCO ₂によって置き換えられたきれいな脱気水に切り替えられました（1Bの右側）。この場合、アルカリ性液体のアナログをNaと同じまま₂ S、K ₂ HPO ₄およびNa ₂のSi ₃ O ₇ Hによって押し出さ₂。



次に、入口点で入ってくる液体のpHレベルが決定されました：海洋の類似物-pH 3.9、アルカリ水-pH12.3。各入口の流量が5μL/分の場合、中央チャネル内の液体の滞留時間は約3.3秒であったため、出力データを収集する前に、システムを少なくとも2分間稼働させました。次に、全反応器出力（液体混合物）を収集し、NMR分光法によって分析した。分析は、HCOOの濃度の平均値があることを示した^- μM1.5でした。





表1：実験結果。





画像＃2 ¹ H NMRスペクトル（8.42 ppm; 2A）および^13の



一重項ピークC NMR（165.8 ppm）は、純粋な（> 98％）ギ酸サンプルに対応します。同位体濃縮（99％¹³ C）13CO ₂（実験2）で沈殿と反応のステップを実行すると、¹³ Cスペクトル（165.8 ppm; 2B）でより強いシングレットが得られ、ホルミルシングレットがダブレット（2つのピークに分割された信号）に分割されることが予想されました。スペクトル¹ H起因の相互作用（J = 195 Hz）で^1つのH - ¹³ホルミル基（中C 2C）。



結局のところ、H _{2をされて}CO削減するために必要な₂排出量を。 Nによって制御される出口側の液体と₂の代わりにH ₂（すなわち、沈殿中および沈殿後の両方にH ₂がない場合）、還元生成物は検出されませんでした（実験3; 2Eおよび2F）。



進行中のプロセスをより詳細に理解するために、すべての実験を通じて同位体変異体を使用して、重水素（² HまたはD）による標識に関する追加の実験（実験4および5）を実施しました。



かかわらず、使用タグなしHかどうかの₂（実験1）またはD ₂（実験4）アルカリ性液体のみ観察された非同位顕著HCOOの側にポンプを制御する^-流体出口。この観察は、COの減少が₂は海側でのみ発生する可能性があります。



逆に、Dと₂ Oは、従来のHの代わりに使用する₂海側と未標識HとO ₂アルカリ液側ポンプを駆動する（実験5）、排他的に重水素化蟻酸（DCOOは、^{- ）}によって証明されるように、発見されました¹³ C NMR（J = 33 Hz）でトリプレット、その他の目立ったピークはありません（2D）。これはさらに、CO _2の減少が、地殻側ではなく海側の同位体組成に対応していることを確認しています。



研究の次の段階では、シミュレートされた水中アルカリ熱水システムのpH勾配の役割がテストされました。成功したCO ₂削減量を表1に示すが海洋アナログpHを3.9と放電アナログpHは12.3で発生しました。



混合すると、8.4単位のこの初期ΔpHは必然的に低下しますが、特に界面に沈殿物が存在する場合、マイクロ流体スケールで数単位のpH勾配が経時的に正常に維持されます。



それは低減システムにおいて、このようなpH勾配は、Hの酸化を促進するために必要とされるかどうかを理解することが必要であった₂アルカリ側及びCOの削減に₂酸側を（1A）。実験1と同じ条件下で沈降させた後、2つの液体のそれぞれの異なるpHレベルと組成の影響を評価しました（表＃2）。純粋なHで模擬アルカリ源を置き換える₂ Hによって駆動されるO ₂なかった（表2、実験例6）。





表2：さまざまなpH値での実験結果。



同様に、アルカリ源アナログ液体をHClでpH3.9およびpH7.0に酸性化しても、ギ酸の形成は生じませんでした（実験7および8）。



100mMのNa添加₂ CO ₃ COを使用しながら海洋流体に₂推進ガス（実験9）が海のpHを9.8に上昇させたため、これらの条件下では生成物は見つかりませんでした。 Na ₂ Sのみでケイ酸塩とリン酸塩を除去した場合（実験11）と同様に、沈殿後のソース側からのケイ酸塩の除去でもギ酸が生成されました（実験10 ）。



唯一のKと₂ HPO ₄、アルカリ源側に堆積した後、（0.37μMの定量限界以下）のギのみ残存量は、おそらく不十分なアルカリ性のpH 9.1（実験12）に、検出されました。一方、アルカリ性の高いK ₃ PO ₄は、pHを12.1に上げ、かなり多くのギ酸を形成しました（実験13）。



科学者たちは、沈殿物バウンド硫化物がHに加えて、還元剤として作用することを、彼らは完全に可能性を排除することはできませんと言う₂。しかし、上記の結果は同時にpH勾配の役割を確認し、システムに硫化物水溶液の連続供給が必要ないことを示しています。



海洋堆積液からNiを除去すると（実験14）、形成されるギ酸はごく少量でした。逆に、海洋堆積流体（のNiClにのみ金属としてNiを残すためのFeを置換₂、55 mMの、実験15）は堆積物組成中のNiのために決定的な役割を示し、1.4μMメートを得ました。



FeClの除去₂とのNiCl ₂予想通り、海洋流体からの抽出物は、検出可能なギ酸と沈殿物の形成をもたらさなかった（実験16）。



科学者は何が起こっているかのために最も適切な説明は、電気化学プロセス（であると信じ1A）が、CO低減するためのいくつかの代替のメカニズムが存在する₂排出量Hの酸化に伴う₂にくいです。



これらのメカニズムの1つは「最も単純な」と呼ぶことができますが、生化学的に最も相同性が低い-直接水素化による炭素還元（3A - 3C）。この場合には、Hから水素_2は、 COに直接転送される₂原子水素（古典的な水素化）または水素化物（イオン水素化）のいずれかとして。





画像＃3



換言すれば、このような機構からの出力がHの同位体シグネチャに対応しなければならない₂ / D ₂放出されたガス。代わりに、この場合に生成されたギ酸は、熱水源側のガスまたは水の組成に関係なく、海洋側の水の同位体組成のみに一致します。



直接水素化メカニズムでは、吸着された水素粒子が周囲の液体と交換する可能性があるため、元の同位体シグネチャが失われます。ただし、このようなプロセスでは、堆積物を介して大量の液体が移動します。液体の実質的な混合は、水素化を完全に除いて、実際の実験では観察されなかったホルミルの混合H / D信号を引き起こしたはずです。



別の可能なオプションは、形成されたギ中の水素原子は、Hから直接来ていない可能性があることである₂。代わりに、機構は、エッジまたはコーナーのFeやNi原子（Mの酸化還元サイクルを介して行うことができる²⁺ ⇄M ⁰金属が最初Hによって還元されています）、₂（希釈用の2個のプロトンを残して）、次いで金属がCOに取得された電子を伝達する₂ローカル水性媒体（からのプロトンの除去に伴うと3C - 3E）。



ただし、このシナリオは、実験中にあった実際のpH値と比較するのは困難です。 3.9のpHは、CO溶解することによってのみ達成された_2を水に。 ：これにより、海側から任意のプロトンはを通じて炭酸の解離の結果として発生した



H ₂ O + CO ₂ ⇌H ₂ CO ₃ ⇌H ⁺ + HCO ^- ₃



この反応は、Dを用いて行ったときに₂海側溶剤、唯一DCOOとしてO（実験5）^-た出力ストリームに見出されます。 COことになる₂還元がソース側に発生しなかった場合、通常の水（H ₂ O）及びH _2が存在しました。



このような局所的なレドックスサイクル（3Dおよび3E）にはいくつかのシナリオがありますが、それらはすべて共同配置が必要なため、実験中に観察された海側のみの同位体シグネチャを提供することはできません。



反応の強いpH依存性と組み合わされ、これらの結果は、COことを示唆している₂削減がHの酸化からの電子は、電気化学的機構を介して生じる₂ CO向かって鉄ニッケル（Ni）S析出介してアルカリ性ソース側移動に₂海側。 （1A）。



海水とアルカリ性熱水ベントの間の相互作用を活性化および維持するメカニズムがなければ、上記のプロセスは実行できなかったでしょう。さらに、形成された有機化合物の「活力」に関して疑問が生じます。なぜなら、それらは生化学的役割を担う前に、単に海水に溶解する可能性があるからです。



最初の質問に対する答えは、熱水ベントの構造の多孔性の増加によって引き起こされるベンチュリ効果*である可能性があります。ベント内に入ると、海洋二酸化炭素は熱水ベントチャネルの触媒鉱物を介して輸送された電子と反応する可能性があり、2つの液体が接触するとさらに時間内に新しい堆積物が発生する可能性があります。

ベンチュリ効果* -液体またはガスの流れがパイプのくびれた部分を流れるときの圧力降下。

この理論のモデリングは、幅300μmの実験用リアクターの場合、2つの試薬のマイクロ流体融合が実際に発生することを示しました。これは実際の実験の過程で示されました。



科学者たちはまた、この影響は水中のアルカリ性ベントに限定されず、どこでも、どの深さでも多孔質熱水系で発生する可能性が高く、生命の起源に関するさまざまな地球化学的シナリオを可能にすることにも注目しています。



COの低減のためのマイクロ流体システムに留意すべきである₂ H用いて_2であるだけではありません。シングルチャンネルの周期表を使用する手法もあります。



その他のミネラル（Fe ₃ Ni）、高圧（Hの場合は10バール₂）および実行された実験よりも高い温度（100°C）では、バッチシステムにより、はるかに多くのギ酸、およびさらに還元されたいくつかの生成物（酢酸塩、メタノール、ピルビン酸塩）を得ることができます。さらに、ギ酸の生成速度（5.21 x 10 ^-9 mol / s）は、マイクロ流体システムによって達成される速度よりも4桁高くなっています。



周期的システムの重要性は、その結果がマイクロ流体システムの性能を確認するという事実にあります。これは、無酸素アルカリ熱水ベントの条件における有機物の存在に関する理論を裏付けています。



研究のニュアンスを持つ、より詳細な知人のために、私は見てお勧めの科学者の報告とそれに追加の材料。

エピローグ

始まりのあるものにはすべて終わりがあります。映画「マトリックス」からピシアが話したこれらの言葉は、この映画が公開されるずっと前に、実際の哲学者や科学者によって話されていました。さらに、科学の基本原則の1つは、学校の化学の過程から想起されます。どこにも消えることはなく、痕跡がなければどこからも奪われることはありません。最後に、あるいはその後に何が起こるかで、人類は非常に長い間それに対処しなければなりません。しかし、最初に何があったかについてはすでにある程度の理解があります。



この研究では、科学者は最初の有機化合物の形成の可能な変形を説明しました。彼らの意見では、このプロセスは海水と熱水泉の合流点で起こった。実験の間、CO変換することが可能であった₂ Hによって有機分子中に₂制御されたpH。



この結果は、地球上の生命の起源を説明するだけでなく、COの排出量削減のための機器の開発に使用することができるだけでなく、₂現代世界の非常に悲惨な問題であり、。とりわけ、有機物が地球上でどのように出現したかを理解することで、私たちのような他の惑星に有機物が存在する可能性について、より費用効果の高い理論を構築することができます。



より哲学的な波に切り替えると、この作品は未来の形成を成功させるために過去を理解することの重要性を示していると自信を持って言えます。歴史は、同時代の人々が怠惰な好奇心と時間の浪費と呼んだ研究で満ちています。それらの大多数は、誰もが想像するよりもはるかに重要であることが判明しました。結論は簡単です。科学では、一見愚かに見えても、すべての質問に対する答えを探す必要があります。



ご清聴ありがとうございました。好奇心を持ち、良い一週間をお過ごしください。:)

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