Fri energi og livets opprinnelse: Naturens motorer til redning
Brian Miller; 22. juni 2017
Oversatt herfra.

Bilde 1. Hvite skorstener, Eifuku vulkan, - kreditt: NOAA [Public domain], via Wikimedia Commons.

I tidligere artikler skisserte jeg de termodynamiske utfordringene til livets opprinnelse og forsøkte å håndtere dem ved å fremkalle selvorganiserende prosesser . Nå vil jeg takle forsøk på å overvinne frie energi barrierer gjennom bruk av naturlige motorer. For å oppsummere, er en grunnleggende hindring som står overfor alle opprinnelige livs teorier det faktum at den første cellen må ha hatt en fri energi langt større enn sine kjemiske forløpere. Og spontane prosesser beveger seg alltid fra høyere fri energi for å redusere fri energi . Nærmere bestemt krever livets opprinnelse grunnleggende kjemikalier å samle seg i en tilstand av både lavere entropi og høyere energi, og ingen slike overganger skjer uten hjelp i alle situasjoner, selv på mikroskopisk nivå.

Bilde 2. Cellens motorer kan ikke hjelpe før de finnes..

Forsøkte løsninger som involverer eksterne energikilder, feiler da inntaket av rå energi faktisk øker entropien i systemet, og beveger den i feil retning. Denne utfordringen gjelder også for alle appeller til selvreplikerende molekyler, auto-katalytiske kjemiske systemer og selvorganisasjon. Siden alle disse prosessene går spontant, beveger de alle fra høyere til lavere fri energi, som om bergarter ruller ned i fjellet. Livet ligger imidlertid på toppen av fjellet. De eneste mulige løsningene må anta eksistensen av maskiner som behandler energi og styrer det mot å utføre det nødvendige arbeidet for å ordentlig organisere og vedlikeholde den første cellen.
Moderne celler utfører disse oppgavene ved hjelp av en rekke molekylære samlinger, som ATP-syntase og kloroplaster. Gamle celler har kanskje ikke brukt disse verktøyene, men de måtte ha noen analoge som kunne trekke ut fri energi fra slike kilder som høy-energi kjemikalier, varme eller sollys. Problemet er at denne maskinen kun kunne monteres i celler som hadde slike maskiner allerede i full drift. Men ingen slike maskiner kunne ha eksistert på den tidlige jord -før livet oppsto.
er

I det de kjenner til dette problemet, har mange opphavsforskere foreslått eksistensen av naturlig forekommende innstillinger som effektivt fungert som termodynamiske motorer (sykluser) eller nærliggende. Foreslåtte systemer driver en konstant gjentakende konjunktur som inneholder tre grunnleggende komponenter:
1. Energi og / eller materiale samles inn fra en ekstern kilde.
2. Energi og / eller materiale slippes ut i omgivelsene.
3. Energi er hentet fra strømmen av energi og materie gjennom systemet og omdirigert mot kjøring av kjemiske reaksjoner eller fysiske prosesser som fremmer dannelsen av den første cellen.

Et godt eksempel er et forslag fra geologen Anthonie Muller om at termisk syklus genererer ATP-molekyler , som er en primær energikilde for cellulær metabolisme. Muller hevder at vulkanske varme kilder oppvarmet nærliggende vann som kjørte en konveksjonssyklus med oppvarmet vann som beveget seg bort fra kilden, deretter avkjøling, og deretter gjenkomst til regionen nær kilden for oppvarming. Vannet inneholdt tilfeldigvis ADP-molekyler, fosfat og et enzym (pF 1 ) som kombinerer ADP og fosfat til å danne ATP. Termisk syklus synkronisert med enzym/reaksjons-syklusen som følger (komponenter fra termisk syklus beskrevet ovenfor er merket):
1. PF 1- enzymet ble bundet til ADP og til fosfat, og deretter ble enzymet brettet for kjemisk å binde de to molekylene sammen for å danne ATP. Denne reaksjonen beveger seg mot høyere fri energi, så det vil ikke normalt oppstå spontant. Men foldingen av enzymet gir den nødvendige energien (komponent 3).
2. Konformasjonsendringen av enzymet gir varme i prosessen (komponent 2).
3. Det bundne komplekset av ATP og enzymet går inn i det oppvarmede området nær varme fjæren. Varmen fører til at enzymet utfolder og frigjør ATP, og i prosessen med å utvikle enzymet absorberer varme (komponent 1). Enzymet er igjen i stand til å binde seg til ADP og fosfat, og gjenoppretter dermed syklusen.

Bilde 3. Skisse av ATP-motor

Nettoresultatet er at energi trekkes ut av varmestrømmen og omdirigeres mot produksjonen av ATP. ATP kan da gi den nødvendige fri energi til å organisere den første cellen.
Dette scenariet har imidlertid mange åpenbare problemer. For det første ville den abiotiske produksjonen av ADP ha vært i ekstremt små mengder, om noe, på grunn av utfordringene ved å produsere sine nøkkelkomponenter, spesielt adenin og ribose , og deretter koble alle molekylene riktig sammen. Deretter er eksistensen av noen lange aminosyrekjeder svært lite sannsynlig nær en varm kilde, så det nødvendige enzymet ville ikke ha eksistert. Selv om slike kjeder fantes i overflod, er sjansene for aminosyrene snublet over den riktige sekvensen for å danne den riktige 3D-strukturen for å drive ATP-reaksjonen, tilnærmet null.
Selv om alle disse problemene blir ignorert, vil termisk syklus fortsatt ikke vise seg å være en levedyktig energikilde. Eksistensen av ATP gjør ingenting for å bidra til å fremme livet, med mindre energien som frigjøres av ATP og brytes ned i ADP og fosfat, kan kobles direkte til nyttige reaksjoner, for eksempel å kombinere aminosyrer i kjeder. Imidlertid er slik kopling bare mulig hvis den støttes av informasjonsrike enzymer med den presise strukturen for å binde til de riktige molekylene assosiert med mål-reaksjonene. Av de grunnene som er nevnt ovenfor, ville ingen slike enzymer ha eksistert.

Et annet scenario er avansert av biokjemikeren Nick Lane og geokjemiker Michael Russell -her. I deres forslag kunne alkaliske hydrotermiske ventiler i sure hav ha tjent som inkubatorer for livet. Deres teori er at en slags membranlignende film dannet på overflaten av en ventilsjakt, og en protongradient (differanse i konsentrasjon) dannet mellom det sure utendørs havet og det basiske interiøret. Protonene ville da bli transportert over membranen (komponent 1 av en termodynamisk syklus) gjennom en sprekk eller mikropore, som tilfeldigvis hadde en klar tilførsel av katalysatorer som jernsvovelmineraler, og deretter gå inn i ventilasjonens interiør (komponent 2 ). Katalysatorene kunne da ha drevet kjemiske reaksjoner som tilgang til energi fra protongradienten for å bygge cellulære strukturer og drive en primitiv cellulær metabolisme (komponent 3). Denne prosessen vil etterligne den moderne cellens evne til å få tilgang til energien fra protongradienter over membranen ved bruk av maskiner som ATP-syntase. Til slutt vil en fullt funksjonell celle komme frem med sin egen serie protein enzymer og evne til å skape protongradienter og høste sin energi.

Bilde 4. Eks. på spesifisitet i protein

Å kalle dette scenariet usannsynlig ville være sjenerøs. Den står overfor alle utfordringene fra den forrige teorien pluss usannsynligheten av tilfeldige kjemiske katalysatorer som driver de nøyaktige reaksjonene som trengs for livet . Opprinnelsesforskere vil utvilsomt komme med mange ytterligere kreative historier om hvordan naturlige prosesser kunne få tilgang til energi og hvordan livet kunne danne seg generelt. Men de vil alle møte de samme grunnleggende problemene:

*Naturlige tendenser: De naturlige tendensene til organiske kjemiske reaksjoner er å bevege seg i retninger som er i strid med dem som trengs for livets opprinnelse -her. For eksempel er mindre organiske kjemikalier favorisert over de større som trengs for cellulære strukturer. Når større de dannes, har de en tendens til biologisk inaktiv tjære. På samme måte har kjeder i livets byggesteiner en tendens til å bryte fra hverandre, ikke vokse lenger.

*Spesificitet: Tallrike molekyler kan dannes gjennom utallige kjemiske veier. Livet krever at et svært spesifikt sett velges og andre unngås. Slike selektivitet krever et presist sett av enzymer som hver inneholder svært spesifiserte aminosyresekvenser. En membran må også dannes som har en svært spesifisert struktur for å tillate de riktige materialene inn og ut.

Bilde 5. Spesifikk, effektiv koreografi og lokalisering kreves i cellen -epigenetikk

*Koreografi: Ethvert scenario krever at mange handlinger finner sted i en svært spesifikk rekkefølge, på de riktige stedene og på de riktige måtene. Livets byggeklosser må dannes i egne spesialmiljøer med de riktige innledende forholdene -her. Etter at de dannes, må de deretter migrere til riktig tid til de riktige stedene med en rett samling andre molekyler til å bistå i neste utviklingsstadium.

*Effektivitet: Alle foreslåtte nødløsnings-scenarier for energiproduksjon er svært ineffektive. De ville være heldige i å få tilgang til små mengder nyttig energi over lengre perioder. I motsetning kan bakterier danne milliarder av høyenergimolekyler hver time . Deres samlede energiproduksjon, skalert, kan sammenlignes med en høy-ytelses sportsbil. Ingen naturlig prosess kunne nå de nødvendige effektivitetene.

*Lokalisering: Energiproduksjonen må være lokalisert inne i en cellemembran. Ingen tenkelig prosess kunne nedskalere noe som termisk syklus eller proteingradient-produksjon for å passe inn i slikt et lite, lukket volum.

Etter hvert som vitenskapen utvikler seg, blir behovet for intelligent retning stadig tydeligere. De mer vellykkede forsøkene er å generere livets produkter, jo større er behovet for etterforsker-intervensjon og mer spesifisert de nødvendige startbetingelsene og eksperimentelle protokoller. Denne trenden vil bare fortsette til forskerne ærlig anerkjenner bevisene for design som stirrer dem i ansiktet.