Små gasfyllda bubblor i den porösa berget som finns runt varma källor tros ha spelat en viktig roll för livets ursprung. Temperaturskillnader vid gränssnittet mellan vätskefaser kunde därför ha initierat prebiotisk kemisk utveckling.

En uppsjö av fysikalisk -kemiska processer måste ha skapat de förutsättningar som gjorde det möjligt för levande system att växa fram på den tidiga jorden. Med andra ord, den biologiska evolutionens era måste ha föregåtts av en - förmodligen långvarig - fas av "prebiotisk" kemisk utveckling, under vilken de första informationsmolekylerna som kan replikera sig själva monterades och valdes. Detta scenario väcker omedelbart en annan fråga:Under vilka miljöförhållanden kunde prebiotisk utveckling ha ägt rum? En möjlig miljö har länge diskuterats och utforskats - små porer i vulkaniska bergarter. Ett internationellt team av forskare under ledning av Dieter Braun (professor i systembiofysik vid Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU) i München) har nu tittat närmare på vatten-luft-gränssnitten i dessa porer. De bildas spontant vid gasfyllda bubblor och visar en intressant kombination av effekter.

De fann att de kunde ha spelat en viktig roll för att underlätta de fysikalisk -kemiska interaktioner som bidrog till livets ursprung. Specifikt, Braun och hans kollegor frågade om sådana gränssnitt kunde ha stimulerat den typ av kemiska reaktioner som utlöste de inledande stadierna av prebiotisk kemisk utveckling. Deras resultat visas i den ledande tidskriften Naturkemi .

Studien stöder starkt tanken att små gasfyllda bubblor som fastnade i, och reagerade med, ytorna på porerna i vulkaniska bergarter kunde verkligen ha påskyndat bildandet av de kemiska nätverk som slutligen gav upphov till de första cellerna. Således, författarna kunde experimentellt verifiera och karakterisera de underlättande effekterna av luft-vatten-gränssnitt på de relevanta kemiska reaktionerna. Om det finns en temperaturskillnad längs ytan på en sådan bubbla, vatten tenderar att avdunsta på den varmare sidan och kondensera på den svalare sidan, precis som en regndroppe som landar på ett fönster rinner ner på glasets plana yta och förångas så småningom. "I princip, denna process kan upprepas ad infinitum, eftersom vattnet kontinuerligt kretsar mellan gasformig och flytande fas, säger Braun, som har karaktäriserat mekanismen och de underliggande fysiska processerna i detalj, tillsammans med sin doktorand Matthias Morasch och andra medlemmar i hans forskargrupp. Resultatet av detta cykliska fenomen är att molekyler ackumuleras till mycket höga koncentrationer på bubblans varmare sida.

"Vi började med att göra en serie mätningar av reaktionshastigheter under olika förhållanden, för att karakterisera karaktären hos den bakomliggande mekanismen, "säger Morasch. Fenomenet visade sig vara förvånansvärt effektivt och robust. Även små molekyler kunde koncentreras till höga nivåer." Vi testade sedan en hel rad fysikaliska och kemiska processer, som måste ha spelat en central roll i livets ursprung-och alla var påtagligt accelererade eller möjliga alls under de förhållanden som rådde vid luft-vatten-gränssnittet. "Studien gynnades av interaktioner mellan Brauns grupp av biofysiker och specialisterna inom discipliner som kemi och geologi som arbetar tillsammans med honom i Collaborative Research Center (SFB/TRR) om Livets ursprung (som finansieras av DFG), och från samarbeten med medlemmar i internationella team.

Till exempel, LMU -forskarna visar att fysikalisk -kemiska processer som främjar bildandet av polymerer antingen stimuleras - eller möjliggörs i första hand - av att det finns ett gränssnitt mellan den vattenhaltiga miljön och gasfasen, vilket markant ökar hastigheterna på kemiska reaktioner och katalytiska mekanismer. Faktiskt, i sådana experiment, molekyler kunde ackumuleras till höga koncentrationer i lipidmembranen när forskarna tillsatte lämpliga kemiska beståndsdelar. "The vesicles produced in this way are not perfect. But the finding nevertheless suggests how the first rudimentary protocells and their outer membranes might have been formed, " says Morasch.

Whether or not this sort of process can take place in such vesicles "does not depend on the nature of the gas within the bubble. What is important is that, owing to differences in temperature, the water can evaporate in one location and condense in another, " Braun explains. In earlier work, his group has already described a different mechanism by which temperature differences in water bodies can serve to concentrate molecules. "Our explanatory model enables both effects to be combined, which would enhance the concentrating effect and thus increase the efficiency of prebiotic processes, " han lägger till.