Fri energi og livets opprinnelse: Naturlige motorer til redning
Brian Miller; 22. juni 2017
Oversatt herfra.

Bilde 1. Kreditt: Hvite skorstener, Eifuku vulkan, ved NOAA [Public domain], via Wikimedia Commons.

I tidligere artikler skisserte jeg de termodynamiske utfordringene til livets opprinnelse -her, og forsøkte å håndtere dem ved å fremkalle selvorganiserende prosesser . Nå vil jeg takle forsøk på å overvinne fri-energi barrierer gjennom bruk av naturlige motorer. For å oppsummere, er en grunnleggende hindring som står overfor livets teorier det faktum at den første cellen må ha hatt en fri energi langt større enn sine kjemiske forløpere. Og spontane prosesser beveger seg alltid fra høyere fri energi for å redusere fri energi -her. Nærmere bestemt krever livets opprinnelse grunnleggende kjemikalier å samle seg i en tilstand av både lavere entropi og høyere energi, og ingen slike overganger forekommer noensinne uten hjelp i noen situasjon, selv på mikroskopisk nivå.
Forsøkte løsninger som involverer eksterne energikilder, feiler da inntaket av rå energi faktisk øker entropien i systemet, og beveger den i feil retning. Denne utfordringen gjelder også for alle appeller til selvreplikerende molekyler, auto-katalytiske kjemiske systemer og selvorganisasjon -her. Siden alle disse prosessene går spontant, beveger de alle fra høyere til lavere fri energi, lik steiner som ruller nedover i fjellet {lavere potensiell energi-oversetters kommentar}. Livet ligger imidlertid på toppen av fjellet. De eneste mulige løsningene må anta eksistensen av maskiner som behandler energi og styrer det mot å utføre det nødvendige arbeidet for å ordentlig organisere og vedlikeholde den første cellen.

Moderne celler utfører disse oppgavene ved hjelp av en rekke molekylære oppbygninger, som ATP-produksjon (syntase) og kloroplaster. Gamle celler har kanskje ikke brukt disse verktøyene, men de måtte ha noen analoge som kunne trekke ut fri energi fra slike kilder som høy-energi kjemikalier, varme eller sollys. Problemet er at denne maskinen kun kunne monteres i celler som hadde slike maskiner allerede i full drift. Men ingen slike maskiner på den tidlige jord kunne ha eksistert.

I det man har kjent til dette problemet, har mange opphavsforskere foreslått eksistensen av naturlig forekommende innstillinger som effektivt har fungert som termodynamiske motorer (sykluser) eller deres nærstående -her. Foreslåtte systemer driver en konstant gjentakende syklus som inkluderer tre grunnleggende komponenter:
1. Energi og/eller materiale samles inn fra en ekstern kilde.
2. Energi og/eller materiale slippes ut i omgivelsene.
3. Energi er hentet fra strømmen av energi og materie gjennom systemet og omdirigert mot kjøring av kjemiske reaksjoner eller fysiske prosesser som fremmer dannelsen av den første cellen.

Bilde 2. Planers måte å nyttigjøre seg energi på

Et godt eksempel er et forslag fra geologen Anthonie Muller -her, om at termisk kretser genererer ATP-molekyler -her, som er en primær energikilde for cellulær metabolisme. Muller hevder at vulkanske varme kilder oppvarmet nærliggende vann som kjørte en konveksjonssyklus med oppvarmet vann som beveget seg bort fra kilden, deretter avkjøling, og retur til regionen nær kilden for å varme den opp. Vannet inneholdt fortløpende ADP-molekyler, fosfat og et enzym (pF1) som kombinerer ADP og fosfat for å danne ATP. Den termiske syklusen synkronisert med enzym/reaksjonssyklusen som følger (komponenter fra termisk syklus beskrevet ovenfor er merket):
1. PF 1- enzymet bundet til ADP og til fosfat, og deretter ble enzymet foldet for kjemisk å binde de to molekylene sammen, for å danne ATP. Denne reaksjonen beveger seg mot høyere fri energi, så den vil normalt ikke oppstå spontant. Men foldingen av enzymet gir den nødvendige energien (komponent 3).
2. Konformasjonsendringen av enzymet gir bort varme i prosessen (komponent 2).
3. Det bundne komplekset av ATP og enzymet går inn i det oppvarmede området nær den varme kilden. Varmen får enzymet til å utfolde og frigjøre ATP, og i prosessen med å utvikle enzymet, absorberer den varme (Komponent 1). Enzymet er igjen i stand til å binde seg til ADP og fosfat, og gjentar dermed syklusen.

Nettoresultatet er at energi trekkes ut av varmestrømmen og omdirigeres mot produksjonen av ATP. ATP kan da gi den nødvendige frie energi til å organisere den første cellen.

Dette scenariet har imidlertid mange åpenbare problemer. For det første ville den abiotiske produksjonen av ADP ha vært i ekstremt små mengder, om noe, på grunn av utfordringene ved å produsere sine nøkkelkomponenter, spesielt adenin og ribose, og deretter koble alle molekylene riktig sammen. Deretter er eksistensen av noen lange aminosyrekjeder svært lite sannsynlig nær en varm kilde, så det nødvendige enzymet ville ikke ha eksistert. Selv om slike kjeder fantes i overflod, er sjansene for aminosyrene snublet over den riktige sekvensen for å danne den riktige 3D-strukturen for å drive ATP-reaksjonen, nærmest null.

Bilde 3. Spontane reaksjoner -frigjør energi

Selv om alle disse problemene blir ignorert, vil termiske kretser (cycling) fortsatt ikke vise seg å være en levedyktig energikilde. Eksistensen av ATP gjør ingenting for å bidra til å fremme livet, med mindre den energi som frigjøres av ATP bryter ned i ADP og fosfat, kan kobles direkte til nyttige reaksjoner, som for eksempel å kombinere aminosyrer til kjeder. Imidlertid er slik kopling bare mulig hvis den støttes av informasjonsrike enzymer med den presise strukturen for å binde til de riktige molekylene assosiert med mål-reaksjonene. Av de ovennevnte årsaker ville ingen slike enzymer ha eksistert.

Et annet scenario er fremmet av biokjemikeren Nick Lane og geo-kjemikeren Michael Russell. I deres forslag kunne alkaliske hydrotermiske sjakter i sure hav ha tjent som inkubatorer for livet. Deres teori er at noen membranlignende film ble dannet på overflaten av en sjakt, og en proton-gradient (differanse i konsentrasjon) ble dannet mellom det sure utendørs havet og det grunnleggende interiøret. Protonene ville da ha blitt transportert over membranen (komponent 1 i en termodynamisk syklus) gjennom en del sprekker eller mikroporer, som tilfeldigvis hadde klar en tilførsel av katalysatorer som jernsvovel-mineraler, og deretter forsvant inn i sjaktens interiør (komponent 2). Katalysatorene kunne da ha drevet kjemiske reaksjoner som fikk tilgang til energi fra protongradienten, for å bygge cellulære strukturer og drive en primitiv cellulær metabolisme (komponent 3). Denne prosessen ville etterligne den moderne cellens evne til å få tilgang til energien fra protongradienter over membranen ved bruk av maskiner som ATP-syntase. Til slutt vil en fullt funksjonell celle dukke opp med sin egen serie protein-enzymer og evne til å skape protongradienter og høste sin energi.

Bilde 4. Proton-gradient på en side av membran

Å kalle dette scenariet usannsynlig ville være sjenerøst. Den står overfor alle utfordringene fra den forrige teorien pluss usannsynligheten av tilfeldige kjemiske katalysatorer som kjører nøyaktig de reaksjonene som trengs for livet -her. Opphavs-forskere vil utvilsomt komme med mange ytterligere kreative historier om hvordan naturlige prosesser kunne få tilgang til energi og hvordan livet kunne danne seg generelt.

Men de vil alle møte de samme grunnleggende problemene:
*Naturlige tendenser: De naturlige tendensene til organiske kjemiske reaksjoner er å bevege seg i retninger som er i strid med dem som trengs for livets opprinnelse -her. For eksempel er mindre organiske kjemikalier favorisert over de større som trengs for cellulære strukturer. Når større dannes, har de en tendens til å ligne biologisk tregt tjæreliknende stoff (tars). På samme måte har kjeder i livets byggesteiner en tendens til å brytes fra hverandre, ikke vokse seg lengre.
*Spesifisitet: Talløse molekyler kan dannes gjennom utallige kjemiske veier. Livet krever at et svært spesifikt sett velges og andre unngås. Slike selektivitet krever et presist sett av enzymer som hver inneholder svært spesifiserte aminosyresekvenser. En membran må også dannes som har en svært spesifisert struktur for å tillate de riktige materialene inn og ut.
*Koreografi: Ethvert scenario krever at mange handlinger finner sted i en svært spesifikk rekkefølge, på de riktige stedene og på de riktige måtene. Livets byggesteiner må dannes i egne spesial-miljøer med de riktige initial-forholdene. Etter at de dannes, må de deretter migrere til riktig tid til de rette stedene med en skikkelig samling av andre molekyler for å bistå i neste utviklingsstadium. (Se Shapiros Origins.)

*Effektivitet: Alle foreslåtte midlertidige scenarier for energiproduksjon er svært ineffektive. De ville være heldige å få tilgang til minimale mengder nyttig energi over lengre perioder. I motsetning kan bakterier danne milliarder av høyenergi-molekyler hver time. Deres samlede energiproduksjon når den er skalert, kan sammenlignes med den til en høy-ytelses sportsbil. Ingen naturlig prosess kunne nå nødvendig effektivitet.

*Lokalisering: Energiproduksjonen må være lokalisert inne i en cellemembran. Ingen tenkelig prosess kunne nedskalere noe slikt som termiske kretser eller protein-gradient produksjon, for å passe inn i et slikt lite, lukket volum.

Bilde 5. Energiproduksjon inne i cellemembran

Etter hvert som vitenskapen utvikler seg, blir behovet for intelligent styring stadig tydeligere. Dess mer vellykkede forsøkene er i å generere livets produkter, jo større er behovet for forsker- intervensjon og dess mer spesifiserte de nødvendige startbetingelsene og eksperimentelle protokoller. Denne trenden vil bare fortsette til forskerne ærlig anerkjenner bevisene for design som stirrer dem i ansiktet.

Tager: aminosyrer; ATP; enzymer