Många konstnärer har försökt skildra hur jorden kan ha sett ut för miljarder år sedan, innan livet dök upp. Många scener byter ut snötäckta berg mot lava-forsande vulkaner och blå himmel mot blixtar som slår det som är nedanför från en disig himmel.
Men hur såg den tidiga jorden ut egentligen? Denna fråga har varit föremål för intensiv vetenskaplig forskning i decennier.
En publikation ledd av Sukrit Ranjan, en biträdande professor vid University of Arizona's Lunar and Planetary Laboratory, riktar strålkastarljuset på svavel, ett kemiskt element som – även om det är bekant – har visat sig överraskande motståndskraftigt mot vetenskapliga ansträngningar för att undersöka dess roll i livets ursprung .
Uppsatsen är publicerad i tidskriften AGU Advances .
"Vår bild av den tidiga jorden är ganska suddig", säger Ranjan, som utforskar svavelkoncentrationer i tidiga jordens vatten och atmosfär. Samma processer som gör vår planet beboelig – flytande vatten och plattektonik – förstör ständigt de stenar som håller jordens geologiska rekord, hävdar han. "Det är bra för oss eftersom det återvinner näringsämnen som annars skulle låsas in i jordskorpan, men det är fruktansvärt för geologer i den meningen att det tar bort budbärarna."
Ranjans tidning valdes ut som redaktörens höjdpunkt, som ett erkännande av "experiment som var extremt svåra att utföra men som ger begränsningar för pågående laboratorieprebiotiska kemiexperiment."
Kärnan i ansträngningarna för att dra tillbaka gardinen för uppkomsten av liv på jorden har varit ett koncept som kallas "RNA-världen", sa Ranjan, med hänvisning till ribonukleinsyra, en klass av molekyler som finns i varje levande cell och avgörande. till livet som vi känner det.
RNA-världshypotesen är baserad på en intressant egenskap hos modern biologi, som är den av de fyra huvudkategorierna av biomolekyler – aminosyror, kolhydrater, lipider och nukleinsyror – RNA är det enda som kan utföra rollen som ett enzym och lagring och replikering av genetisk information, genom att göra kopior av sig själv, helt av sig själv. Det finns bara ett problem:Det är verkligen svårt att göra.
"I ungefär 50 år har människor försökt ta reda på hur man gör RNA utan enzymer, vilket är hur biologi gör det," sa Ranjan och förklarade att det inte var förrän de senaste fem åren som forskare hittade ut icke-enzymatiska vägar till göra RNA.
"Om vi kan få RNA, så ser vi vid horisonten en väg för att få igång allt annat," sa han. "Och detta väcker frågan:Var den här molekylen faktiskt tillgänglig tidigare i några som helst kvantiteter? Och det här är faktiskt en stor öppen fråga."
Nyligen har forskare slutfört ett halvt sekels strävan att göra RNA-molekyler utan biologiska enzymer, ett stort steg framåt för att demonstrera RNA-världen. Men alla dessa kemiska vägar är beroende av en kritisk svavelmolekyl, kallad sulfit.
Genom att studera stenprover från några av jordens äldsta stenar vet forskarna att det fanns gott om svavel att gå runt på den tidiga, prebiotiska jorden. Men hur mycket av det fanns i atmosfären? Hur mycket av det hamnade i vattnet? Och hur mycket av det slutade som RNA-producerande sulfit? Det är frågorna Ranjan och hans team försökte svara på.
"När den väl är i vattnet, vad händer med den? Sitter den kvar länge eller går den över snabbt?" han sa. "För den moderna jorden vet vi svaret - sulfit älskar att oxidera eller reagera med syre, så det försvinner supersnabbt."
Däremot, som geologiska bevis indikerar, fanns det mycket lite syre i den tidiga jordens atmosfär, vilket kunde ha gjort att sulfit kunde ackumuleras och hålla mycket längre. Men även i frånvaro av syre är sulfit mycket reaktivt, och många reaktioner kunde ha skrubbat bort det från den tidiga jordmiljön.
En sådan reaktion är känd som disproportionering, en process genom vilken flera sulfiter reagerar med varandra och omvandlar dem till sulfat och elementärt svavel, som inte är användbara för livets ursprungskemi. Men hur snabb är denna process? Skulle det ha tillåtit tillräckliga mängder sulfiter att byggas upp för att kickstarta livet?
"Ingen har faktiskt undersökt detta på djupet utanför andra sammanhang, främst avloppsvattenhantering," sa Ranjan.
Hans team satte sig sedan för att undersöka detta problem under olika förhållanden, en ansträngning som tog fem år från design av experimenten till publicering av resultaten.
"Av alla atomer som lagrar det prebiotiska varvet, inklusive kol, väte, kväve, syre, fosfor och svavel, är svavel kanske den törstigaste", skrev Sonny Harman från NASA:s Ames Research Center i en synvinkelartikel som åtföljde publikationen. På grund av dess iver att gå in i kemiska reaktioner, "svavelföreningar tenderar att vara mer instabila, utgöra faror för laboratoriepersonal och utrustning, täpper till instrumentering och försvårar experiment."
I sin uppställning löste Ranjan och hans medförfattare sulfit i vatten vid olika nivåer av surhet eller alkalinitet, låste in den i en behållare under en syrefri atmosfär och lät den "åldras", som Ranjan uttryckte det. Varje vecka mätte teamet koncentrationerna av olika sulfiter med ultraviolett ljus. I slutet av experimentet utsatte de dem för en serie analyser, alla inriktade på att svara på en relativt enkel fråga, han sa:"Precis hur mycket av denna ursprungliga molekyl finns kvar, och vad blev det till?"
Sulfiter, visade det sig, oproportionerliga mycket långsammare än vad konventionell visdom innehöll. Tidigare studier, till exempel, hade spridit idén om ett svaveldimma som uppslukade den tidiga jorden, men Ranjans team fann att sulfiter bryts ner under ultraviolett ljus snabbare än förväntat. I avsaknad av ett ozonskikt under jordens tidiga dagar skulle denna process, känd som fotolys, snabbt ha rensat ut svavelföreningar från atmosfären och vattnet, om än inte riktigt lika effektivt som det rikliga syret i dagens värld.
Även om det är troligt att långsam disproportionering kunde ha tillåtit sulfiter att ackumuleras, skulle fotolys ha gjort det mycket osannolikt förutom i vissa miljöer som grunda vattenpooler, skuggade från UV-strålning, särskilt om de matas av ytavrinning för att ge mineralsköldar. Exempel inkluderar underjordiska bassänger eller slutna bassängkarbonatsjöar, dräneringsfria sänkor där sediment samlas men vatten bara kan lämna genom avdunstning.
"Tänk vattendrag som Great Salt Lake i Utah eller Mono Lake i Kalifornien," sa Ranjan och tillade att hydrotermiska miljöer dyker upp som heta kandidater för livets första framträdande. Här kommer grundvatten som transporterar lösta mineraler i kontakt med värme från vulkanisk aktivitet, vilket skapar unika mikromiljöer som erbjuder "säkra utrymmen" för kemiska processer som inte kunde inträffa någon annanstans.
Sådana platser kan hittas vid medelhavsryggar i djuphavet, men också på land, sa Ranjan.
"Ett modernt exempel på detta är Yellowstone National Park, där vi hittar pooler som ackumulerar massor av sulfit, trots syret," sa han, "och det kan hända bara för att sulfiten ständigt fylls på av vulkanisk utgasning."
Studien ger möjligheter att testa hypotesen om sulfittillgänglighet i utvecklingen av livets första molekyler experimentellt, påpekar författarna. Ranjan sa att ett forskningsområde i synnerhet har gjort honom upphetsad – fylogenetisk mikrobiologi, som använder genomanalys för att rekonstruera ritningarna av svavelanvändande mikroorganismer som tros representera den äldsta filan på jorden.
Det finns bevis för att dessa bakterier får energi genom att reducera starkt oxiderade former av svavel till mindre oxiderade. Spännande, påpekade Ranjan, är de beroende av ett ganska komplext enzymmaskineri för det första steget, vilket reducerar sulfat, svavels rikliga "moderna" form, till sulfit, vilket tyder på att dessa enzymer är produkten av en lång evolutionär process. Däremot är endast ett enzym involverat i omvandlingen från sulfit – den föreslagna nyckelingrediensen i "prebiotiska pölmiljöer" – till sulfid.
"Om det är sant, innebär detta att sulfit fanns i den naturliga miljön i åtminstone vissa vattendrag, liknande det vi hävdar här," sa han. "Geologer vänder sig just nu till detta. Kan vi använda uråldriga bergarter för att testa om de är rika på sulfit? Vi vet inte svaret ännu. Detta är fortfarande banbrytande vetenskap."
Mer information: Forskning:Sukrit Ranjan et al, Geochemical and Photochemical Constraints on S[IV] Concentrations in Natural Waters on Prebiotic Earth, AGU Advances (2023). DOI:10.1029/2023AV000926
Synpunktsartikel:Sonny Harman, The Search for Slow Sulphur Sinks, AGU Advances (2023). DOI:10.1029/2023AV001064
Tillhandahålls av University of Arizona
