Asteroider, nukleobaser og grensene for kjemisk tilstrekkelighet: En klassisk vitenskapelig vurdering av Ryugu, abiogenese og opprinnelsen til biologisk orden
Fra Creationism på FB, v. Danny Roberts.

Sammendrag

Nylig analyse av prøver returnert fra asteroiden Ryugu av JAXAs Hayabusa2-oppdrag rapporterer tilstedeværelsen av alle de fem kanoniske nukleobasene som brukes i DNA og RNA: adenin, guanin, cytosin, tymin og uracil. Denne oppdagelsen er vitenskapelig viktig fordi den viser at viktige molekylære ingredienser assosiert med genetiske systemer kan dannes abiotisk i utenomjordiske miljøer og kan bevares i primitive solsystemlegemer. Funnet styrker hypotesen om at karbonholdige asteroider bidro til den prebiotiske kjemiske beholdningen av den tidlige jorden. Likevel må betydningen av oppdagelsen angis nøye. Nukleobaser er ikke nukleotider, nukleotider er ikke RNA- eller DNA-polymerer, polymerer er ikke kodede genetiske systemer, og kodede genetiske systemer er ikke levende celler. Fra et klassisk vitenskapelig perspektiv gir oppdagelsen viktig materiale og effektive årsaker til prebiotisk kjemi, men den forklarer ikke i seg selv den formelle og endelige organiseringen som er karakteristisk for liv. Abiogenese krever ikke bare tilgjengeligheten av ingredienser, men også fremveksten av ordnede kjemiske systemer som er i stand til konsentrasjon, polymerisering, sekvensspesifisitet, replikasjon, kompartmentalisering, metabolisme, feilhåndtering og arv. Ryugu-dataene øker derfor sannsynligheten for utenomjordisk bidrag til jordens prebiotiske kjemi, men de fastslår ikke at liv var sannsynlig, uunngåelig eller tilstrekkelig forklart av den rene tilstedeværelsen av dets molekylære forløpere.

Innledning
Rapporten om at alle fem "genetiske bokstaver" av DNA og RNA er funnet i asteroidemateriale er en viktig utvikling innen astrobiologi. Prøver fra Ryugu, en karbonholdig asteroide, ble returnert til jorden av Hayabusa2-oppdraget og analysert under forhold som er utformet for å begrense terrestrisk forurensning. Forskere identifiserte adenin, guanin, cytosin, tymin og uracil i prøvene. Dette er de kanoniske nukleobasene som brukes av terrestrisk liv i DNA og RNA. Tidligere arbeid hadde oppdaget uracil i Ryugu, og analyser av karbonholdige meteoritter og asteroiden Bennu hadde allerede vist at utenomjordisk organisk kjemi kan produsere et bredt spekter av prebiotiske molekyler. Den nyere Ryugu-studien legger vekt på konklusjonen om at alle de fem kanoniske nukleobasene kan forekomme i utenomjordisk materiale.

Oppdagelsen er relevant for abiogenese fordi den adresserer en nødvendig del av livets opprinnelsesproblem: kilden til biologisk relevante organiske forbindelser på den tidlige jorden. Hvis asteroider, meteoritter og kometer leverte nukleobaser, aminosyrer, karboksylsyrer, aminer, ammoniakkholdige forbindelser og andre løselige organiske stoffer til den tidlige jorden, startet ikke prebiotisk kjemi fra en kjemisk tom planet. Den tidlige jorden kan ha mottatt en kontinuerlig tilførsel av reaktive molekyler utenfra seg selv.

Men oppdagelsen må ikke overdrives. å finne nukleobaser på en asteroide er ikke det samme som å finne DNA eller RNA. Det er ikke det samme som å finne en genetisk kode. Det er ikke det samme som å finne et levende system. Det vitenskapelige spørsmålet er ikke om livet bruker naturlig forekommende kjemi. Vi vet at det gjør det. Det virkelige spørsmålet er hvordan naturlig forekommende kjemi blir organisert til en selvopprettholdende, reproduserende, informasjonsbærende, utviklende celle.

Et klassisk vitenskapelig perspektiv er nyttig her fordi det nekter å redusere forklaringen til bare én type årsak. Den materielle årsaken spør hva systemet er laget av. Den effektive årsaken spør gjennom hvilke prosesser det blir til. Den formelle årsaken spør hvilken organisasjon som gjør systemet til den typen ting det er. Den endelige årsaken spør hvilke operasjoner systemet er beordret til å utføre. Ryugu-oppdagelsen bidrar sterkt til den materielle og effektive-kausale historien om prebiotisk kjemi. Men livets opprinnelse krever også formell og funksjonell organisering. Det er der den forklarende utfordringen gjenstår.

1. Hva Ryugu-studien fant
Ryugu-prøvene inneholdt de fem kanoniske nukleobasene: adenin og guanin, som er puriner; og cytosin, tymin og uracil, som er pyrimidiner. Disse basene er uunnværlige for terrestriske nukleinsyrer. I DNA pares adenin med tymin, og guanin pares med cytosin. I RNA erstatter uracil tymin og pares med adenin.
Den nye Ryugu-analysen er viktig fordi prøvene ikke var vanlige meteoritter samlet inn etter å ha falt til jorden. Meteoritter kan være forurenset av jordisk vann, mikrober, jord og organisk materiale. Ryugu-materiale ble samlet direkte fra asteroiden og returnert i et kontrollert oppdrag. Det eliminerer ikke alle analytiske vanskeligheter, men det gjør prøvene langt mer verdifulle for å avgjøre om de oppdagede molekylene genuint er utenomjordiske.

Forskerne sammenlignet også Ryugu med annet utenomjordisk materiale, inkludert Murchison- og Orgueil-meteorittene og prøver fra asteroiden Bennu. Sammenligningen avdekket forskjeller i nukleobasefordelingen. Ryugu inneholdt omtrent sammenlignbare mengder puriner og pyrimidiner, mens Murchison var anriket med puriner og Bennu og Orgueil var relativt anriket med pyrimidiner. Dette er viktig fordi det antyder at forskjellige morlegemer opplevde ulik kjemisk historie.
Poenget er ikke bare at de samme ingrediensene forekommer overalt i identiske mengder. Snarere antyder dataene at nukleobaser kan dannes under en rekke utenomjordiske forhold, mens deres relative forekomster gjenspeiler forskjellige fysisk-kjemiske miljøer. Ammoniaktilgjengelighet, vandig endring, bestråling, morlegeme-mineralogi, temperatur og kjemiske råstoffer kan alle forme det resulterende organiske beholdningen.

2. Hva studien ikke fant
Studien fant ikke DNA. Den fant ikke RNA. Den fant ikke kromosomer, gener, kodoner, ribosomer, membraner, metabolske sykluser eller celler. Den fant nukleobaser. Denne forskjellen er avgjørende.

En nukleobase er bare én komponent av et nukleotid. Et nukleotid krever en nukleobase, et sukker og en fosfatgruppe som er bundet sammen i riktig kjemisk arrangement. RNA krever deretter nukleotider polymerisert til kjeder med fosfodiesterbindinger. Et funksjonelt RNA-system krever også sekvensavhengig folding, katalytisk eller informativ funksjon, kjemisk stabilitet, replikasjon og noen måter å bevare nyttige sekvenser gjennom sykluser av kopiering og seleksjon.
Derfor reduserer oppdagelsen én vanskelighetsgrad, men etterlater mange andre. Den bidrar til å svare på spørsmålet: "Kan den tidlige jorden ha mottatt biologisk relevante organiske molekyler fra utenomjordiske kilder?" Svaret er ja. Den svarer ikke på det større spørsmålet: "Hvordan ble disse molekylene et levende system?"

En bunke med brev er ikke en bok. En bunke med nukleobaser er ikke et genetisk system. Dette er ikke en retorisk avvisning. Det er et kjemisk og biologisk skille. Livet avhenger ikke bare av molekylær sammensetning, men av en ordnet relasjonsstruktur. De samme atomene som er arrangert forskjellig, produserer radikalt forskjellige funksjonelle virkeligheter. I biologi er arrangement, sekvens, kiralitet, katalyse, kompartmentalisering og regulering viktige.

3. Klassisk fysikk: Materie, energi og termodynamiske begrensninger
Fra klassisk fysikks ståsted er ikke livets opprinnelsesproblem bare et spørsmål om hvorvidt de riktige atomene finnes. Karbon, hydrogen, nitrogen, oksygen, fosfor og svovel er allment tilgjengelige. Det vanskeligere spørsmålet er om materie kan organiseres i stabile, energibearbeidende, selvopprettholdende systemer under plausible fysiske forhold.
Prebiotisk kjemi må operere innenfor termodynamiske og kinetiske begrensninger. Termodynamikk handler om hvilke reaksjoner som er energetisk gunstige eller ugunstige. Kinetikk handler om reaksjonshastigheter, veier, katalysatorer, barrierer og konkurrerende sidereaksjoner. En reaksjon som er termodynamisk mulig, kan ikke forekomme med en nyttig hastighet. Et molekyl som kan dannes under én betingelse, kan raskt brytes ned under en annen. En konsentrasjon som er tilstrekkelig for laboratoriedeteksjon, kan være altfor lav for vedvarende polymerisering i naturlige omgivelser med mindre lokale konsentreringsmekanismer finnes.

Dette er viktig for nukleobaser. Deres utenomjordiske tilgjengelighet er viktig, men deres tilstedeværelse i lave konsentrasjoner gir ikke i seg selv nukleotider, polymerer eller replikatorer. Prebiotiske systemer ville kreve mekanismer for konsentrasjon, beskyttelse, aktivering og selektiv reaksjon. Mulige mekanismer inkluderer våt-tørr-sykluser, mineraloverflater, eutektisk frysing, hydrotermiske gradienter, lipidrom, fordampende dammer, miljøer generert av støt eller alkaliske hydrotermiske åpninger. Hvert forslag har styrker og begrensninger.
Klassisk fysikk støtter derfor en forsiktig konklusjon. Ryugu-dataene viser at prebiotiske ingredienser kan dannes naturlig og overleve i asteroidemateriale. Men fysikken minner oss også om at liv krever en svært begrenset ordning av materie og energi. Livets opprinnelse er ikke bare tilstedeværelsen av molekyler; det er fremveksten av et langt fra likevektssystem som er i stand til å opprettholde organisering gjennom energiflyt.

4. Klassisk biologi: Livet som organisert operasjon
Klassisk biologi forstår levende ting som organiserte helheter. En levende celle er ikke bare en pose med kjemikalier. Det er en strukturert enhet av gjensidig avhengige prosesser: membranintegritet, metabolisme, informasjonslagring, replikasjon, translasjon, reparasjon, regulering og reproduksjon.
I klassiske årsakssammenhenger omfatter den materielle årsaken til liv organiske molekyler som aminosyrer, nukleobaser, sukkerarter, lipider, mineraler, vann og ioner. De effektive årsakene omfatter kjemiske reaksjoner, bestråling, katalyse, vandig endring, konsentrasjonssykluser, termiske gradienter og til slutt naturlig seleksjon som virker på reproduserende systemer. Men disse uttømmer ikke forklaringen.Den formelle årsaken til liv er organiseringen som disse materialene blir ett levende system gjennom, snarere enn en kjemisk blanding. Den endelige årsaken er systemets ordnede drift: selvvedlikehold, vekst, reparasjon, reproduksjon og adaptiv kontinuitet. Dette er ikke subjektive projeksjoner. De er de biologiske operasjonene som levende ting gjenkjennes som levende gjennom.
Dette er grunnen til at Ryugu-oppdagelsen er viktig, men ikke tilstrekkelig. Den bidrar til materialbeholdningen. Den kan bidra til å spesifisere effektive veier som nukleobaser ble dannet og levert gjennom. Men det sentrale biologiske spørsmålet er fortsatt overgangen fra kjemi til organisert liv.

5. Abiogenese og det kjemiske gapet mellom ingredienser og systemer
Abiogenese krever flere store overganger.
For det første må det være dannelse eller levering av biologisk relevante monomerer: aminosyrer, nukleobaser, sukkerarter, fettsyrer og fosfatholdige forbindelser.
For det andre må det være konsentrasjon av disse molekylene i miljøer der ytterligere reaksjoner kan forekomme. Fortynnede hav er generelt ugunstige for mange polymerisasjonsreaksjoner fordi vann også kan fremme hydrolyse.
For det tredje må monomerer aktiveres og kobles til polymerer. For RNA-verdensscenarier betyr dette å danne nukleotider og deretter RNA-lignende polymerer.
For det fjerde må noen polymerer ha funksjonelle sekvenser. Tilfeldige polymerer er ikke automatisk katalytiske, informative eller replikative. Sekvens er viktig.
For det femte må informative polymerer kobles til en eller annen form for kopiering, arv og variasjon.
For det sjette må disse systemene bli oppdelt i kompartmenter slik at gunstig kjemisk organisering bevares og selekteres på protocellenivå i stedet for å gå tapt i miljøet.
For det syvende må energiflyt utnyttes. En levende celle er ikke statisk orden. Det er dynamisk orden som opprettholdes av metabolisme.

Ryugu-dataene er først og fremst relevante for det første stadiet og kanskje indirekte for det andre, hvis utenomjordisk levering beriket lokale miljøer. De løser ikke de senere stadiene. Dette gjør ikke oppdagelsen uviktig. Det plasserer den bare på sin rette forklarende plassering.

6. Gjør oppdagelsen liv på jorden sannsynlig?
Det ansvarlige vitenskapelige svaret er: det gjør ett aspekt ved abiogenese mer plausibelt, men det lar oss ikke konkludere med at liv var sannsynlig i noen sterk probabilistisk forstand.
Oppdagelsen viser at kanoniske nukleobaser kan dannes abiotisk i utenomjordiske miljøer. Det reduserer byrden på ren jordisk syntese. Det antyder at den tidlige Jorden kan ha mottatt en tilførsel av prebiotiske organiske forbindelser fra karbonholdige asteroider, meteoritter og beslektede legemer. Det er vitenskapelig signifikant.
Sannsynligheten for liv avhenger imidlertid av hele veien fra molekyler til celler, ikke bare av tilgjengeligheten av nukleobaser. Eksistensen av murstein gjør ikke i seg selv en katedral sannsynlig. På samme måte gjør ikke eksistensen av nukleobaser i seg selv et genetisk system sannsynlig. Den relevante sannsynligheten må inkludere dannelse, bevaring, konsentrasjon, polymerisering, sekvensvalg, replikasjon, kompartmentalisering, metabolisme og arvelighet.
For tiden har ikke vitenskapen en komplett, empirisk demonstrert vei fra asteroideleverte nukleobaser til en levende celle. Ulike delvise veier er plausible. Noe laboratoriearbeid har vist at viktige prebiotiske forbindelser kan dannes under simulerte tidlige jord- eller utenomjordiske forhold. Men ingen eksperimenter har ennå vist en fullstendig naturlig overgang fra prebiotisk kjemi til autonomt cellulært liv.
Derfor støtter Ryugu-oppdagelsen tilgjengeligheten av prebiotiske ingredienser. Den demonstrerer ikke tilstrekkeligheten av disse ingrediensene. Den øker sannsynligheten for kjemiske forutsetninger for liv, ikke uunngåeligheten av selve livet.

7. Relevansen av Bennu, Murchison og Orgueil
Ryugu-funnene står ikke alene. Bennu-prøver viser også et rikt lager av organiske forbindelser, inkludert aminosyrer og alle fem nukleobaser. NASAs rapportering om Bennu understreket at disse prøvene inneholdt både livsrelevante organiske stoffer og mineralbevis fra gamle saltholdige miljøer. Bennu-dataene er spesielt viktige fordi de indikerer at vandig kjemi mellom morlegemet kan ha produsert eller modifisert organiske lagre før levering til jorden.
Murchison og Orgueil er fortsatt viktige fordi de er historisk betydningsfulle karbonholdige meteoritter rike på organiske molekyler. Men fordi de falt til jorden, er forurensning alltid en bekymring. Prøve-retur-ferder som Hayabusa2 og OSIRIS-REx gir mer pålitelig materiale for å teste om organiske forbindelser er naturlig forekommende i asteroider.
Sammen antyder disse objektene at prebiotisk kjemi ikke er sjelden i solsystemet. Men forskjellene mellom dem har også betydning. Hvis Ryugu, Bennu, Murchison og Orgueil har forskjellige purin-til-pyrimidin-forhold, ammoniakkinnhold, vandig endring og molekylær fordeling, så er "romkjemi" ikke én enkel prosess. Det er en familie av prosesser formet av lokale forhold.

8. En klassisk årsakssammendrag
Ryugu-oppdagelsen kan oppsummeres gjennom de fire årsakene.
Materiell årsak: De relevante materialene inkluderer adenin, guanin, cytosin, tymin, uracil, beslektede heterosykler, aminosyrer, urea, ammoniakk, vann, mineraler og løselige organiske forbindelser.
Effektiv årsak: De sannsynlige prosessene inkluderer lavtemperaturkjemi, vandig endring, bestråling, mineralkatalyse, moderlegemekjemi og levering via asteroider og meteoritter til den tidlige jorden.
Formell årsak: Livet krever at disse materialene organiseres i strukturerte kjemiske systemer: polymerer, rom, katalytiske nettverk, informasjonssekvenser og til slutt celler.
Endelig årsak: Levende systemer er forståelige gjennom operasjoner som selvvedlikehold, metabolisme, replikasjon, reparasjon, reproduksjon og arvelighet.
Artikkelen og den underliggende studien støtter sterkt de to første årsaksdimensjonene. De forklarer ennå ikke den tredje og fjerde i en fullstendig biologisk forstand. Det er det sentrale vitenskapelige og filosofiske poenget. Og igjen hvorfor den nåværende evolusjonsmodellen som benekter to av de fire årsakene i naturvitenskapen er fattig og utilstrekkelig.

9. Hvorfor oppdagelsen ikke tilbakeviser design eller formell årsakssammenheng
Noen vil kanskje hevde at det å finne nukleobaser på asteroider viser at livet ikke trenger noen dypere forklaring fordi ingrediensene forekommer naturlig. Den konklusjonen følger ikke.
Naturlig forekommende ingredienser er ikke omstridt. Spørsmålet er hvordan disse ingrediensene blir ordnet til et levende system. Et hus er laget av naturlig forekommende elementer, men huset forklares ikke bare ved å peke på eksistensen av sand, jern, kalkstein, karbon og tre. På samme måte er en celle laget av kjemi, men en celle forklares ikke bare ved å liste opp dens kjemiske ingredienser.
Dette er ikke et argument mot kjemi. Det er et argument mot å redusere biologi til ingredienslister. Livet er avhengig av kjemi, men det er kjemi organisert i funksjonelle systemer. Problemet med livets opprinnelse er nettopp problemet med å forklare den organiseringen.
Et klassisk vitenskapelig syn benekter ikke naturlige prosesser. Det spør om prosessene er tilstrekkelige til å forklare ikke bare materie og bevegelse, men også ordnet form og biologisk operasjon. Ryugu-dataene er et bemerkelsesverdig bidrag til den materielle og effektive-kausale siden av spørsmålet. Men formell og endelig organisering er fortsatt essensiell for hva liv er.

Konklusjon
Oppdagelsen av alle fem kanoniske nukleobaser i Ryugu-prøver er et viktig vitenskapelig funn. Det viser at de molekylære komponentene assosiert med DNA og RNA kan dannes abiotisk i utenomjordiske miljøer og kan bevares i karbonholdig asteroidemateriale. Sammen med Bennu, Murchison og Orgueil styrker Ryugu hypotesen om at den tidlige jorden mottok et betydelig prebiotisk kjemisk inventar fra solsystemlegemer.
Men oppdagelsen må tolkes med presisjon. Nukleobaser er ikke nukleotider. Nukleotider er ikke RNA eller DNA. RNA og DNA er ikke genetiske koder utenom organiserte systemer for replikasjon og tolkning. Genetiske systemer er ikke levende celler utenom metabolisme, membraner, reparasjon og reproduksjon.

Derfor er funnet relevant for abiogenese, men ikke avgjørende for den. Det gjør tilgjengeligheten av råmaterialer mer sannsynlig. Det viser ikke at liv sannsynligvis oppsto ved en tilfeldighet eller fra selektivt press på disse materialene, og det gir heller ikke en komplett vei fra kjemi til biologi.
Fra et klassisk vitenskapelig perspektiv forstås Ryugu-oppdagelsen best som et kraftig materiale og effektivt kausalt bidrag til forskning på livets opprinnelse. Det forteller oss at naturen leverer noen av ingrediensene. Det forklarer ennå ikke fremveksten av den levende formen. Livets opprinnelse er fortsatt problemet med hvordan kjemi ble organisert, selvopprettholdende, informasjonsbærende og reproduktiv. Det er terskelen mellom prebiotisk kjemi og biologi.