รูปแบบของพลังงาน

จุดเริ่มต้นของเมแทบอลิซึมดั้งเดิมของจุลินทรีย์ตัวแรกคือก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์และก๊าซไฮโดรเจน จุลินทรีย์ที่อาศัยอยู่จากสารเหล่านี้จะแปลงก๊าซทั้งสองเป็นกรดฟอร์มิก (ฟอร์เมต) อะซิเตตและไพรูเวต (เกลือของกรดอะซิติกและกรดไพรูวิก) ก่อน จากนั้นพวกเขาใช้สิ่งเหล่านี้เพื่อสร้างสารอินทรีย์ทั้งหมดผ่านแผนการทำงานที่ซับซ้อนของปฏิกิริยาที่ซับซ้อน สิ่งที่นักเคมี Dr. Martina Preiner จาก Institute of Molecular Evolution of Heinrich Heine University Düsseldorf (HHU) และทีมงานระหว่างประเทศแสดงให้เห็นก็คือ ส่วนประกอบพื้นฐานของสิ่งมีชีวิตเหล่านี้เกิดขึ้นเองในสภาพแวดล้อมของห้องปฏิบัติการเมื่อ H2 และ CO 2 เหลืออยู่ เพื่อทำปฏิกิริยากับแร่ธาตุอย่างง่ายในสภาวะไฮโดรเทอร์มอล ในช่วง 20 ปีที่ผ่านมา ศ.ดร. วิลเลียม มาร์ติน หัวหน้าสถาบันวิวัฒนาการโมเลกุล ได้จัดทำรายการความคล้ายคลึงกันมากมายระหว่างปฏิกิริยาที่เร่งปฏิกิริยาด้วยโลหะในเมแทบอลิซึมกับปฏิกิริยาเคมีที่ปล่องไฮโดรเทอร์มอล ศาสตราจารย์มาร์ตินกล่าวว่า "ปฏิกิริยาเหล่านี้ขึ้นอยู่กับ H2 และ CO 2ซึ่งสะท้อนถึงต้นกำเนิดของกระบวนการทางชีวเคมีแรกสามารถจำลองได้ในห้องทดลองในเมืองดุสเซลดอร์ฟ ทำให้เราสามารถเลียนแบบขั้นตอนการพัฒนาชีวิตในช่วงแรกสุดได้" ร่วมกับนักวิจัยจาก Max Planck Institute for Coal Research ใน Mülheim/Ruhr, University of Strasbourg และ National Institute of Advanced Industrial Science and Technology ในญี่ปุ่น Dr. Preiner ได้จำลองปฏิกิริยาง่ายๆ เหล่านี้ในสภาพแวดล้อมของห้องปฏิบัติการ พวกเขาสามารถแสดงให้เห็นว่า H2 และ CO 2รวมตัวกันเป็นฟอร์เมต อะซิเตต และไพรูเวตในชั่วข้ามคืนที่อุณหภูมิ 100 องศาเซลเซียส ตราบใดที่ยังมีตัวเร่งปฏิกิริยาแร่ธาตุง่ายๆ อยู่สองสามตัว นั่นคือตัวเร่งปฏิกิริยาที่ก่อตัวขึ้นในช่องระบายความร้อนด้วยความร้อน Martina Preiner เน้นความจริงที่ว่าไม่จำเป็นต้องมีการเผาผลาญของจุลินทรีย์ "ปฏิกิริยาเคมีนั้นเรียบง่ายอย่างน่าประหลาดใจ ผลิตภัณฑ์หลักที่สร้างขึ้นนั้นเป็นปฏิกิริยาที่ใช้โดยเซลล์แรกสุดเพื่อเป็นพื้นฐานสำหรับการเผาผลาญอาหารต่อไป" ดร. Harun Tüysüz และทีมงานของเขาจาก Max Planck Institute ในเมือง Mülheim ได้ออกแบบตัวเร่งปฏิกิริยาของแข็งที่มีโครงสร้างระดับนาโนสำหรับการทดลองนี้: "เราสังเกตเห็นความสัมพันธ์ระหว่างโครงสร้างและกิจกรรมที่ชัดเจนของตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นของแข็งสำหรับการลดลงของ CO 2 ในบริบทต้นกำเนิดของชีวิต " Serendipity ต้องการให้คณะทำงานอีกสองกลุ่มกำลังศึกษากระบวนการที่คล้ายกัน ทีมนักเคมีในเมืองสตราสบูร์กซึ่งทำงานภายใต้การนำของศาสตราจารย์ ดร. โจเซฟ โมแรน และ ดร. คามิลา มูโชวสกา ได้ใช้โลหะเหล็กแทน H2 ทีมงานชาวญี่ปุ่นที่ทำงานร่วมกับนักจุลชีววิทยา Dr. Kensuke Igarashi พลังงาน กำลังตรวจสอบปฏิกิริยาของ H2 และ CO 2บนตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีธาตุเหล็ก-ซัลไฟด์ ทุกกลุ่มสังเกตเห็นผลิตภัณฑ์เดียวกัน ศาสตราจารย์มอแรนกล่าวว่า "ระบบเผาผลาญดูเหมือนจะพัฒนาไปในทางที่เป็นธรรมชาติอย่างน่าประหลาดใจ" จุดกำเนิดของชีวิตนำไปสู่ปัญหา 'ไก่หรือไข่' นอกจากปฏิกิริยา CO 2 -H2 อย่างง่ายแล้ว เซลล์ยังต้องสร้างโมดูลที่ซับซ้อนขึ้นจำนวนมากเพื่อที่จะเติบโตและทำงานได้ โดยทั่วไปแล้วเซลล์สมัยใหม่จะมีโปรตีนเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา ซึ่งโครงสร้างดังกล่าวจะถูกเข้ารหัสในยีน แต่อะไรมาก่อน โปรตีนหรือกรดนิวคลีอิก? การศึกษาที่เผยแพร่ในขณะนี้ชี้ให้เห็นว่าพวกมันมีวิวัฒนาการมาก่อนด้วยปฏิกิริยาที่เร่งปฏิกิริยาด้วยโลหะและแร่ธาตุ และทั้งโปรตีนและกรดนิวคลีอิกก็เกิดขึ้นจากปฏิกิริยาเหล่านั้น โลหะที่พบในโปรตีนสมัยใหม่เป็นแหล่งกำเนิดทางชีวเคมีเหล่านี้ การศึกษายังให้ความกระจ่างที่สำคัญเกี่ยวกับปัญหาคลาสสิกในการวิจัยต้นกำเนิดของสิ่งมีชีวิต: พลังงานใดที่มีให้ในรูปแบบชีวิตแรกสุด? Preiner และเพื่อนร่วมงานแสดงให้เห็นว่าปฏิกิริยาของ H2 กับ CO 2ภายใต้สภาวะเดียวกันกับที่เกิดขึ้นในช่องระบายความร้อนใต้พิภพยังปล่อยพลังงานออกมาด้วย เมื่อผลิตสารประกอบอย่างง่าย เช่น อะซีเตต จะมีการสร้างพลังงานที่เพียงพอเพื่อให้จุลินทรีย์ดั้งเดิมกระตุ้นการเผาผลาญของพวกมันต่อไป ซึ่งหมายความว่าเชื้อเพลิงสำหรับเซลล์ดั้งเดิมคือไฮโดรเจน ซึ่งก่อตัวขึ้นในปริมาณมหาศาลในสภาพแวดล้อมใต้ทะเลเมื่อโลกยังเด็กและยังคงก่อตัวขึ้นในปัจจุบัน ไฮโดรเจนไม่เพียงแต่เป็นพลังงานที่สะอาดที่สุดในบรรดารูปแบบพลังงานทั้งหมด ซึ่งผลิตเพียงน้ำเมื่อถูกเผาไหม้ แต่ยังเป็นประกายไฟที่สร้างชีวิตขึ้นมาเองอีกด้วย ปัจจัยชี้ขาดคือสภาวะที่เหมาะสมและตัวเร่งปฏิกิริยาที่เหมาะสม การศึกษาได้รับทุนสนับสนุนจาก European Research Council, Volkswagen Foundation, German Research Foundation, Max Planck Society, Japan Society for the Promotion of Science และกระทรวงศึกษาธิการ วัฒนธรรม กีฬา วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีของญี่ปุ่น