Livet på den tidiga jorden verkar ha börjat med en paradox:medan livet behöver vatten som lösningsmedel, de väsentliga kemiska ryggraden i tidiga livsbildande molekyler faller isär i vatten. Vårt universella lösningsmedel, det visar sig, kan vara extremt frätande.

Vissa har pekat på denna paradox som ett tecken på att livet, eller livets föregångare, härstammade någon annanstans och levererades hit via kometer eller meteoriter. Andra har letat efter lösningsmedel som kan ha de nödvändiga egenskaperna hos vatten utan den bindningsbrytande korrosiviteten.

Under de senaste åren har lösningsmedlet ofta framställts som det kvalificerade alternativet till vatten är formamid, en klar och måttligt irriterande vätska bestående av väte, kol, kväve och syre. Till skillnad från vatten, det bryter inte ner de långkedjiga molekylerna som behövs för att bilda de nukleinsyror och proteiner som utgör livets viktigaste första bruksanvisning, RNA. Under tiden omvandlas den också via andra användbara reaktioner till nyckelföreningar som behövs för att göra nukleinsyror i första hand.

Även om formamid är vanligt i stjärnbildande områden i rymden, forskare har kämpat för att hitta vägar för att det ska vara vanligt, eller till och med lokalt koncentrerad, på tidig jord. Faktiskt, det är knappast närvarande på jorden idag förutom som en syntetisk kemikalie för företag.

Ny forskning presenterad av Zachary Adam, en jordvetare vid Harvard University, och Masashi Aono, en komplex systemvetare vid Earth-Life Science Institute (ELSI) vid Tokyo Institute of Technology, har producerat formamid genom en överraskande och reproducerbar väg:bombardering med radioaktiva partiklar.

De två och deras kollegor exponerade vatten och en blandning av två kemikalier som man visste ha funnits på den tidiga jorden (vätecyanid och vattenhaltig acetonitril) för de högenergipartiklar som avges från en cylinder av kobolt-60, en artificiellt producerad radioaktiv isotop som vanligtvis används vid cancerterapi. Resultatet, de rapporterar, var produktionen av betydande mängder formamid snabbare än tidigare försök av forskare med teoretiska modeller och i laboratoriemiljöer.

Det är fortfarande oklart om tidig jord hade tillräckligt med radioaktivt material på rätt ställen för att producera de kemiska reaktioner som ledde till bildandet av formamid. Och även om förutsättningarna var rätt, forskare kan ännu inte dra slutsatsen att formamid spelade en viktig roll för livets ursprung.

Fortfarande, den nya forskningen ger ytterligare bevis för alternativa lösningsmedels möjliga roll och ger en annorlunda bild av livets grund. Vidare, det är tydligt för processer som kan fungera på andra exoplaneter också - där andra lösningsmedel än vatten kan, med energi från radioaktiva källor, ge den nödvändiga inställningen för att enkla föreningar ska omvandlas till långt mer komplexa byggstenar.

"Tänk dig att vattenbaserat liv föregicks av helt unika nätverk av interagerande molekyler som närmade sig, men skilde sig från och följde olika kemiska regler, än livet som vi känner det, "sa Adam.

Deras arbete presenterades vid de senaste sammankomsterna i International Society for the Study of the Origin of Life, och Astrobiology Science Conference.

Få alltid att falla på plats

Teamet av Adam och Aono är knappast de första att lägga fram formamidhypotesen som en lösning på vattenparadoxen, och de är inte heller de första att spela en roll för hög energi, radioaktiva partiklar i livets ursprung.

Ett italienskt team under ledning av Rafaelle Saladino från Tuscia University föreslog nyligen formamid som en kemikalie som skulle leverera nödvändiga element för livet och skulle undvika "vattenparadoxen". Sedan den tid som Marie Curie beskrev fenomenet radioaktivitet, forskare har föreslagit otaliga sätt att utsläpp av atomkärnor med partiklar som kan ha spelat roller, antingen stora eller små, i att initiera livet på jorden.

Att sätta ihop formamid och radioaktivitet, som Adam och Aono har gjort, är ett potentiellt viktigt steg framåt, fast en som behöver djupare studier.

"Om vi ​​har formamid som lösningsmedel, dessa prekursormolekyler kan hållas stabila, en slags vagga för att bevara mycket intressanta produkter, "sa Aono, som har flyttat till Tokyo-baserade Keio University medan han förblev stipendiat på ELSI.

Experimentet med kobolt-60 började inte som ett sökande efter ett sätt att koncentrera produktionen av formamid. Snarare, Adam undersökte mer allmänt effekterna av gammastrålning på en mängd olika molekyler och lösningsmedel, medan Aono utforskade radioaktiva källor för en roll i livets ursprung.

De två träffades något serendipitöst på ELSI, ett forskningscentrum för livets ursprung, skapat av den japanska regeringen. ELSI var utformat för att vara en plats för forskare från hela världen och från många olika discipliner för att ta itu med några av de notoriskt svåra frågorna om livforsknings ursprung. På ELSI, Adam, som inte kunde säkra webbplatser för att genomföra laboratorietester i USA, lärde mig av Aono om ett sparsamt använt (och gratis) kobolt-60 lab; de började snabbt samarbeta.

Det är välkänt att den tidiga jorden bombarderades av kosmiska partiklar och gammastrålar med hög energi. Så är det faktum att många element (aluminium-26, järn-60, jod-129) har funnits som radioaktiva isotoper som kan avge strålning i minuter till årtusende, och att dessa isotoper var vanligare på tidig jord än idag. Verkligen, de tre listade ovan är nu utdöda på jorden, eller nästan utrotad, i sina naturliga former

Mindre känt är förekomsten av "naturliga kärnreaktorer" som platser där en hög koncentration av uran i närvaro av vatten har lett till självbärande kärnklyvning. Endast en sådan plats har hittats - i Oklo -regionen i den afrikanska nationen Gabon - där använt radioaktivt material identifierades på 16 platser separata platser. Forskare drog slutligen slutsatsen att utbredda naturliga kärnreaktioner inträffade i regionen för cirka 2 miljarder år sedan.

Den tidsramen skulle innebära att platsen skulle ha varit aktiv långt efter att livet hade börjat på jorden, men det är ett potentiellt bevis på uppfattningen om vad som kunde ha funnits någon annanstans långt tidigare.

Reaktioner på nära håll

Adam och Aono förblir agnostiska om var de formamidproducerande radioaktiva partiklarna kommer ifrån. Men de är övertygade om att det är fullt möjligt att sådana reaktioner ägde rum och hjälpte till att skapa en miljö där var och en av ryggradsprekursorerna för RNA lätt kunde hittas på nära håll.

Nuvarande vetenskapligt tänkande om hur formamid uppträdde på jorden fokuserar på begränsad ankomst via asteroidpåverkan eller genom koncentrationen av kemikalien i förångade vatten-formamidblandningar i ökenliknande förhållanden. Adam erkänner att den rådande vetenskapliga konsensusen pekar på låga mängder formamid på tidig jord.

"Vi försöker inte argumentera för det motsatta, " han sa, "men vi försöker säga att det kanske inte spelar någon roll."

Om du har en unik plats (eller platser) på jorden som skapar betydande mängder formamid under en lång tidsperiod genom radiolys, då finns en möjlighet för början av någon unik kemi som kan stödja produktionen av väsentliga prekursorföreningar för livet, Sa Adam.

"Så, argumentet skiftar sedan till - hur troligt var det att denna unika plats existerade? Vi behöver bara en speciell plats på hela planeten för att möta dessa omständigheter, " han sa.

Efter det, systemet som sattes igång skulle ha förmågan att sammanföra de kemiska byggstenarna i livet.

"Det är den möjligheten som vi ser fram emot att undersöka under de kommande åren, "Sa Adam.

James Cleaves, en organisk kemist också vid ELSI och en medförfattare till kobolt-60-papperet, sagt medan produktion av formamid från mycket enklare föreningar representerar framsteg, "det finns inga silverkulor i livsverkets ursprung. Vi samlar fakta som dessa, och sedan se vart de leder. "

Denna berättelse publiceras på nytt med tillstånd av NASA:s Astrobiology Magazine. Utforska jorden och mer på www.astrobio.net.