Καυτή αρχή για την προέλευση της ζωής; Ερευνητές χαρτογράφησαν τους πρώτους χημικούς δεσμούς που οδήγησαν στο DNA.

Το DNA είναι συνώνυμο με τη ζωή, αλλά το ερώτημα είναι: πώς προέκυψε;

Ένας τρόπος για να απαντηθεί το ερώτημα αυτό είναι να γίνει προσπάθεια να αναδημιουργηθούν οι συνθήκες που διαμόρφωσαν τους μοριακούς προδρόμους του DNA. Αυτοί οι πρόδρομοι είναι οι κυκλικές δομές άνθρακα με ενσωματωμένα άτομα αζώτου, βασικά συστατικά των νουκλεοβάσεων, που οι ίδιες είναι δομικά στοιχεία της διπλής έλικας.

Τώρα, για πρώτη φορά, ερευνητές του Εθνικού Εργαστηρίου Lawrence Berkeley, του Τμήματος Ενέργειας των ΗΠΑ (Berkeley Lab) και του Πανεπιστημίου της Χαβάης στη Manoa, έδειξαν ότι κοσμικά καυτά σημεία, όπως αυτά κοντά σε άστρα, θα μπορούσαν να είναι εξαιρετικά περιβάλλοντα για τη δημιουργία αυτών των μοριακών δακτυλίων που περιέχουν άζωτο.

Σε μια νέα εργασία που δημοσιεύεται στο Astrophysical Journal, η ομάδα περιγράφει το πείραμα στο πλαίσιο του οποίου αναδημιούργησε τις συνθήκες που επικρατούν γύρω από πλούσια σε άνθρακα αστέρια που πεθαίνουν, για να βρει μονοπάτια σχηματισμού των σημαντικών μορίων.

«Αυτή είναι η πρώτη φορά που κάποιος κοίταξε σε μια καυτή αντίδραση όπως αυτή», λέει ο Musahid Ahmed, επιστήμονας στο Τμήμα Χημικών Επιστημών στο Berkeley Lab. «Δεν είναι εύκολο στα άτομα του άνθρακα να σχηματίσουν δακτυλίους που περιέχουν άζωτο», λέει. Αλλά αυτή η καινούρια εργασία αποδεικνύει την δυνατότητα μιας (θερμού αερίου) φάση αντίδρασης, που ο Ahmed αποκαλεί «κοσμικό μπάρμπεκιου».

Για δεκαετίες, οι αστρονόμοι έχουν κατευθύνει τα τηλεσκόπιά τους στο διάστημα για να ψάξουν για σημάδια αυτού του διπλού δακτυλίου του άνθρακα που περιέχει άζωτο και ονομάζεται κινολίνη, εξηγεί ο Ahmed. Έχουν επικεντρωθεί κυρίως στο χώρο ανάμεσα στα άστρα που ονομάζεται διαστρικό μέσο. Ενώ το αστρικό περιβάλλον έχει θεωρηθεί ως πιθανός υποψήφιος για το σχηματισμό κυκλικών δομών άνθρακα, κανείς δεν είχε διαθέσει πολύ χρόνο ψάχνοντας εκεί για δακτυλίους άνθρακα που περιέχουν άζωτο.

Για να αναδημιουργήσουν τις συνθήκες που επικρατούν κοντά σε ένα άστρο, ο Ahmed και ο, για πολλά χρόνια συνεργάτης του, Ralf Kaiser, καθηγητής χημείας στο Πανεπιστήμιο της Χαβάης, στη Manoa, καθώς και οι συνάδελφοί τους, στους οποίους περιλαμβάνονται ο Dorian Parker στη Χαβάη, και οι Oleg Kostko και Tyler Troy του Berkeley Lab, στράφηκαν στο Advanced Light Source (ALS), που είναι εγκατεστημένο στο Berkeley Lab.

Στο ALS, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μια συσκευή που ονομάζεται καυτό ακροφύσιο, που στο παρελθόν χρησιμοποιήθηκε για να επιβεβαιώσει επιτυχώς το σχηματισμό αιθάλης κατά την καύση. Στην παρούσα μελέτη το καυτό ακροφύσιο χρησιμοποιήθηκε για να προσομοιώσει τις πιέσεις και τις θερμοκρασίες σε αστρικά περιβάλλοντα πλούσιων σε άνθρακα άστρων. Στο καυτό ακροφύσιο, οι ερευνητές ενέχυσαν αέριο που συγκροτείται από ένα απλό κυκλικό μόριο άνθρακα που περιέχει άζωτο και δύο μόρια υδρογονάνθρακα που ονομάζεται ακετυλένιο.

Στη συνέχεια, χρησιμοποιώντας ακτινοβολία σύγχροτρον από το ALS, η ομάδα εξέτασε το θερμό αέριο για να δει ποια μόρια σχηματίστηκαν. Βρήκαν ότι οι 700 βαθμοί Kelvin, στο ακροφύσιο, μετέτρεψαν το αρχικό αέριο σε κυκλικά μόρια που περιέχουν άζωτο που ονομάζονται κινολίνη και ισοκινολίνη, θεωρούμενα ως το επόμενο βήμα όσον αφορά την πολυπλοκότητα.

«Υπάρχει ένα ενεργειακό φράγμα για να λάβει χώρα αυτή η αντίδραση και θα μπορείς να υπερβείς το φράγμα αυτό κοντά σε ένα άστρο ή στην πειραματική μας διάταξη», λέει ο Ahmed. «Αυτό δείχνει ότι μπορούμε τώρα να αρχίσουμε να ψάχνουμε για αυτά τα μόρια γύρω από τα άστρα».

«Αυτά τα πειράματα παρέχουν αδιάσειστα στοιχεία ότι τα μόρια-κλειδιά της κινολίνης και της ισοκινολίνης, μπορούν να συντεθούν σε αυτά τα καυτά περιβάλλοντα και στη συνέχεια να εκτιναχθούν με τον αστρικό άνεμο στο διαστρικό μέσο, το χώρο ανάμεσα στα άστρα», σημειώνει ο Kaiser. «Από τη στιγμή εκτινάσσονται στο διάστημα, σε κρύα μοριακά νέφη, τα μόρια αυτά μπορούν στη συνέχεια να συμπυκνωθούν σε κρύα διαστρικά νανοσωματίδια, όπου μπορούν να υποστούν επεξεργασία και να ενεργοποιηθούν». προσθέτει ο Kaiser. «Αυτές οι διαδικασίες θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε πιο πολύπλοκα, σχετικά με τη ζωή, μόρια όπως νουκλεοβάσεις που είναι ζωτικής σημασίας για το σχηματισμό των DNA και RNA».

Πηγή: Lawrence Berkeley National Laboratory

Περισσότερα στο άρθρο: Gas Phase Synthesis of (Iso)Quinoline and Its Role in the Formation of Nucleobases in the Interstellar Medium, Dorian S. N. Parker et al. 2015 ApJ 803 53

Εικόνα: Σύνθεση εικόνας μιας έκρηξης ενεργού άστρου που λήφθηκε από το Hubble Space Telescope τον Μάρτιο του 1997. Credit: NASA