O nouă descoperire a cercetătorilor pune la îndoială teoria veche de 160 de ani privind originea vieții

O descoperire a oamenilor de știință de la Scripps Research și Georgia Institute of Technology ar putea face lumină în ceea ce privește evoluția vieții pe Pământ și ar putea deschide calea către o producție mai eficientă de biocombustibili, transmite SciTechDaily.

Pământul timpuriu era un loc volatil și neospitalier, marcat de temperaturi extreme, activitate vulcanică generalizată și o atmosferă primitivă. Totuși, cumva, componentele moleculare de bază ale vieții, cum ar fi zaharurile, aminoacizii și nucleotidele, au apărut din acest haos. O teorie veche în rândul chimiștilor susține că riboza, un zahăr care formează coloana vertebrală structurală a ARN, a apărut spontan printr-un proces chimic. Cu toate acestea, noi cercetări contestă această idee.

Ce este „reacția Butlerov”

Într-un studiu publicat în Chem, în luna aprilie, oamenii de știință de la Scripps Research și Georgia Institute of Technology pun la îndoială validitatea ipotezei „reacției Butlerov”. Această ipoteză propune ca molecule simple de formaldehidă să reacționeze în condițiile Pământului timpuriu pentru a forma riboza. Dar noile descoperiri dezvăluie o limitare esențială: în condiții experimentale controlate, „reacția Butlerov” nu produce zaharuri liniare precum riboza. În schimb, aceasta produce predominant structuri de zahăr ramificate, care sunt incompatibile cu formarea ARN-ului.

Aceste rezultate nu numai că ne remodelează înțelegerea modului în care moleculele esențiale ale vieții ar fi putut lua naștere, dar oferă și perspective care ar putea influența biologia sintetică și strategiile de producere a biocombustibililor.

„Conceptul reacției Butlerov ca sursă prebiotică de riboză trebuie serios reconsiderat”, spune autorul Ramanarayanan Krishnamurthy, profesor de chimie la Scripps Research. „Ar trebui explorate alte modele și opțiuni dacă dorim să înțelegem cum au apărut aceste molecule de zahăr pe Pământul timpuriu”.

Reacția Butlerov a fost descoperită în mod întâmplător în 1861 și, de atunci, a fost o ipoteză principală pentru formarea zahărului prebiotic. În timpul reacției, moleculele de formaldehidă reacționează spontan și în mod repetat între ele pentru a crea molecule mai mari: mai întâi, două formaldehide reacționează pentru a crea o moleculă cu două atomi de carbon, care apoi reacționează cu o altă formaldehidă pentru a crea o moleculă cu trei atomi de carbon și așa mai departe, până când toată formaldehida a fost consumată.

Reacția este lentă la început, dar apoi se accelerează necontrolat. Pe măsură ce se produc zaharuri din ce în ce mai complexe, amestecul de reacție trece de la incolor, la galben, la maro, la negru. „Este aproape ca o caramelizare”, spune Krishnamurthy.

Explorarea condițiilor controlate

„Problema este că este o reacție foarte dezordonată, iar dacă se formează riboza, aceasta este o parte minusculă și doar una dintre sutele și miile de compuși care se vor forma”, spune Krishnamurthy. „Am vrut să înțelegem de ce această reacție este atât de complexă și dacă poate fi controlată”.

De obicei, reacția Butlerov se desfășoară la temperaturi ridicate și într-un mediu foarte bazic (la un pH ridicat de 12 sau 13). În acest caz, cercetătorii au decis să testeze reacția în condiții mai blânde: la temperatura camerei și la un pH de aproximativ 8, care, potrivit lor, este probabil să fie mai apropiat de condițiile prezente pe Pământul prebiotic timpuriu.

Pentru a monitoriza abundența și tipurile de zaharuri produse, cercetătorii au utilizat o tehnică analitică de mare putere cunoscută sub numele de spectroscopie prin rezonanță magnetică nucleară (RMN) și au marcat moleculele inițiale. Amestecul a fost monitorizat pe parcursul mai multor zile.

Ei au arătat că reacția este posibilă chiar și în condiții blânde, dar că rezultatele sunt la fel de complexe și de necontrolabile ca de obicei.

„Reactivitatea formaldehidei nu îți permite să te oprești la un anumit stadiu”, spune Krishnamurthy. „Chiar și în condiții foarte blânde de reacție, aceasta continuă până când toată formaldehida este consumată, ceea ce înseamnă că este foarte dificil să controlezi sau să oprești reacția pentru a forma zaharuri intermediare.”

Implicații pentru originea vieții și a industriei

Datele RMN au arătat că toate zaharurile mari produse aveau structuri ramificate. Deoarece aproape toate zaharurile care sunt utilizate ca blocuri moleculare în organismele vii sunt liniare și neramificate, acest lucru sugerează că reacția formose nu poate explica originea zaharurilor biotice.

„Rezultatele noastre pun sub semnul întrebării reacția Butlerov ca bază pentru formarea zaharurilor liniare”, spune coautorul principal Charles Liotta, Regents' Professor Emeritus al Georgia Institute of Technology.

Deși condițiile blânde de reacție ale studiului nu au reușit să creeze zaharurile liniare necesare pentru a explica originile ARN-ului, metodele ar putea fi utile pentru industria biocombustibililor, unde zaharurile ramificate sunt o marfă de dorit.

„Munca noastră ar putea fi utilă pentru producția de biocombustibili, deoarece am constatat că, în condiții mai blânde, putem produce mai curat zaharuri ramificate care pot fi utilizate pentru combustibil verde”, spune Krishnamurthy.

Acesta nu este neapărat sfârșitul cercetării originilor vieții privind reacția Butlerov, dar cercetătorii speră să stimuleze diferite linii de gândire.

„Scopul nostru a fost să subliniem toate problemele cu care vă veți confrunta dacă vă gândiți la reacția Butlerov în contextul sintezei zahărului prebiotic, dar nu spunem că acesta este punctul final. Rezultatele noastre ar putea inspira pe cineva să vină cu o modalitate mai bună de a depăși cumva aceste probleme”, spune Krishnamurthy. „Încurajăm comunitatea să gândească diferit și să caute soluții alternative pentru a explica modul în care moleculele de zahăr au apărut pe Pământul timpuriu.”