Ett forskarlag vid Texas A&M University har upptäckt en fysisk mekanism som kan hjälpa till att svara på en av de stora frågorna om livets ursprung, "Hur bildades byggstenarna?"

Forskargruppen leds av Dr Victor Ugaz, professor och innehavare av Charles D. Holland '53-professuren och Thaman-professuren vid Artie McFerrin-avdelningen för kemiteknik. I teamet ingår också Dr. Yassin A. Hassan, professor och innehavare av Sallie &Don Davis '61-professuren och avdelningschef för institutionen för kärnteknik.

Forskare har länge vetat att livets byggstenar – aminosyror, nukleobaser och sockerarter – fanns i det tidiga havet, men de var väldigt låga i koncentration. För att livet ska växa fram, dessa byggstenar behövde kombineras och berikas till långkedjiga makromolekyler. Att identifiera processen och mekanismen som driver denna syntes har varit en av de största frågorna om livets ursprung.

"I det tidiga havet, dessa byggstenar fanns i miljön, " sa Ugaz. "De var där, men de var så utspädda; det finns en fråga om hur de kombineras. Så ett område av intresse är vilken typ av koncentrationsmekanism som kunde ha funnits för att berika dessa komponenter till en punkt där de kunde börja bilda längre kedjor, mer komplexa molekyler."

I en artikel som förekommer i Proceedings of the National Academy of Sciences av Amerikas förenta stater, forskargruppen från Texas A&M beskriver en mekanism som kan ha spelat en viktig roll i att kombinera dessa utspädda kemiska byggstenar till de långkedjiga makromolekyler som är nödvändiga för livet.

Forskargruppen undersökte detta genom att skapa ett modellsystem av cylindriska celler som efterliknar strukturen av porer i mineralformationer som finns nära en nyligen upptäckt, ny typ av hydrotermisk undervattensventil. Temperaturgradienterna i dessa ventiler fungerar precis som en vanlig lavalampa, cirkulerande vätska i de små porutrymmena. Teamet fann att dessa flöden är förvånansvärt komplexa och kaotiska – vilket innebär att individuella vägar följer ett grovt allmänt mönster, men inga banor är identiska. Denna upptäckt gjorde det möjligt att identifiera förhållanden där dessa flöden kan ge bulkhomogenisering av de olika organiska molekylerna som finns i ventilerna, samtidigt som de transporteras till katalytiskt aktiva porytor där de absorberar och reagerar.

Enligt Ugaz, det finns ett enkelt sätt att föreställa sig detta fenomen. "Föreställ dig att du rör om kaffe, och du lägger i lite grädde eller något som skulle fastna på sidan av koppen. När du rör om det på ett visst sätt, två saker händer faktiskt samtidigt:du blandar huvuddelen av vätskan, men du får det också att gå till en viss plats på ytan av koppen."

Dessa flöden förekommer naturligt i hydrotermiska pornätverk och ger en spännande mekanism för att förklara hur utspädda organiska prekursorer i det tidiga havet kunde ha samlats till komplexa biomakromolekyler. Detta har varit en av de viktigaste obesvarade frågorna i livets ursprung på jorden, och i utomjordiska system där liknande hydrotermiska miljöer har upptäckts. Utöver detta fynd, forskningen är betydelsefull på en rad andra sätt.

Det finns en mängd olika processer utöver den biotiska och prebiotiska kemin som kan katalyseras i dessa miljöer. Först, dessa porösa formationer spelar en viktig roll för att omvandla koldioxid till olika karbonater. De exakta mekanismerna som driver denna koldioxidavskiljning är för närvarande inte väl beskrivna. Dock, resultaten av denna studie indikerar att dessa kaotiska flöden kanske kan hjälpa till att beskriva detta fenomen.

Ytterligare, med en bättre förståelse för dessa flöden och hur de driver reaktioner på en yta, det är möjligt att de skulle kunna driva en ny typ av reaktor. Eftersom flödena är beroende av värmeskillnader, en sådan reaktor kan vara helt passiv, utnyttjar spillvärme för att driva reaktioner.

Denna forskning stöddes delvis av National Science Foundation.