På en labbbänk, en handfull glasflaskor tejpade på en rocker svajar försiktigt fram och tillbaka. Inuti flaskorna, en blandning av organiska kemikalier och små partiklar av dårguld ställer en fråga som till synes bortom deras ödmjuka utseende:Var kom livet ifrån?

Att kombinera teori med experiment, University of Wisconsin–Madison forskare försöker förstå hur liv kan uppstå från icke-liv. Forskare vid UW – Madison Wisconsin Institute for Discovery genomför experiment för att testa idén om att verklighetstrogna kemiska reaktioner lätt kan utvecklas under rätt förhållanden. Verket tar upp några av de djupaste mysterierna inom biologi, och har konsekvenser för att förstå hur vanligt liv kan vara i universum.

David Baum, ordförande och professor i botanik vid UW – Madison och en Discovery Fellow på WID, tror att det tidigaste livet kan ha förlitat sig på en primitiv metabolism som ursprungligen startade på mineralytor. Många centrala reaktioner i moderna celler är beroende av järn-svavelkatalysatorer. Detta beroende av järn och svavel kan vara ett rekord som stämplas in i cellerna i de miljöer där själva ämnesomsättningen först utvecklades. Baum testar denna idé genom att vända sig till järnkis, ett mineral av järn och svavel bättre känt som dårguld.

Tillsammans med Mike Berg, en doktorand som forskar om livets ursprung, Baum blandar mikroskopiska pärlor av järnkis med en källa till kemisk energi och enkla molekylära byggstenar. När flaskor med denna blandning gungar fram och tillbaka i labbet, små grupper av kemikalier bundna till mineralytan kan samlas och börja hjälpa varandra att producera fler kemikalier. Om så är fallet, de kommer sannolikt att spridas till andra pyritpärlor, kolonisera nya ytor.

När Berg överför några pärlor till en ny flaska, de kemiska grupperna kunde fortsätta att spridas. Generation efter generation, flaska efter flaska, de mest effektiva och konkurrenskraftiga kemiska blandningarna skulle kolonisera mest järnkis. Detta är urval. Som naturligt urval, som har skapat mångfalden och komplexiteten i livet på jorden, Att välja för koloniserande förmåga hos dessa kemiska grupper kan avslöja verklighetstrogna kemiska cykler som kan förändras över tiden.

"Den syn som jag har kommit till är att verklighetstrogen kemi kan dyka upp relativt lätt hos många, många geologiska miljöer, "säger Baum." Problemet ändras sedan. Det är inte längre ett problem med 'kommer det att hända, "men hur ska vi veta att det hände?"

De har gått igenom mer än 30 generationer hittills, och letar efter tecken på förändring över tid, om det är värmeutveckling, energiförbrukning eller mängden material bundet till pärlorna.

Baum och UW–Madison mikrobiolog och WID systembiolog Kalin Vetsigian publicerade en artikel förra året som beskrev experimenten, som delvis bygger på principen om grannskapsval. I vanliga fall, naturligt urval fungerar på en befolkning av individer. Men forskarna föreslog att även om det inte finns några väldefinierade individer i de kemiska blandningarna, de molekylära samhällen som är bäst på att kolonisera nya ytor kommer att råda, och troligen bli bättre med tiden. Framgångsrika drag i samhället som helhet kan väljas ut och föras vidare.

"Det här urvalet på samhällsnivå kunde ha ägt rum innan det fanns individer med egenskaper som var både ärftliga och varierande, " säger Vetsigian. "Om du har bra samhällen, de kommer att bestå."

Projektet fick nyligen 2,5 miljoner dollar i finansiering från NASA. Baum är den ledande utredaren av forskningen, som inkluderar Vetsigian, UW – Madison kemist Tehshik Yoon, och medarbetare från sju andra institutioner.

Celler behöver de typer av metaboliska reaktioner som Baum studerar för att producera energi och komponenterna i mer komplexa molekyler. De behöver också ett sätt att lagra information. Alla levande celler förmedlar sin genetiska information med DNA. Men UW–Madison professor i kemisk och biologisk teknik och WID-systembiolog John Yin undersöker alternativa sätt att lagra och bearbeta information med enklare molekyler i ett försök att förstå hur informationslagring kan utvecklas utan celler eller DNA.

Med hjälp av datavetenskap, Yin arbetar med den mest grundläggande metoden för att koda information, binär. I stället för elektroniska bitar, hans ettor och nollor är de två enklaste aminosyrorna, glycin och alanin. Genom att använda en unik form av kemi, Yin torkar ut blandningar av aminosyrorna för att uppmuntra dem att gå ihop.

"Vi ser reproducerbart olika strängar av alanin och glycin under olika typer av förhållanden, " förklarar Yin. "Så det är ett första tips om att produkten på något sätt är ett sätt att representera en viss miljö."

Yins grupp arbetar med den tekniskt utmanande uppgiften att läsa dessa sekvenser av aminosyror så att de kan hålla reda på den molekylära informationen. Yin-labbet hoppas så småningom att upptäcka grupper av kemikalier som kan bygga vidare på denna molekylära information för att reproducera sig själva. För både Baum och Yin, valbara system kräver dessa cykler av kemikalier som kan göra mer av varandra, vad Yin kallar "att stänga slingan".

Det kommer sannolikt att bli svårt att stänga öglan i labbet. Bara experiment kommer att utvisa säkert.

Yin, Baum och Vetsigian är inte bara intresserade av hur livet på jorden började, men hur det kunde komma igång – var som helst. Om verklighetstrogna kemiska reaktioner och molekylär information lätt produceras i laboratoriet, som kan förändra kalkylen för hur vanligt liv kan vara i andra världar.

"Om vi ​​hittar många olika kemier som stöder verklighetstrogna reaktioner, vi kan förvänta oss fler ursprung till liv någon annanstans i universum, säger Baum.