Jak se objevil nepravděpodobný chemický hrdina na rané Zemi

Ilustrace naznačuje, jak mohla vypadat raná Země. Nový výzkum ukazuje, jak se mohla objevit důležitá prebiotická chemikálie kyanovodík (HCN). HCN je důležitým prekurzorem aminokyselin a nukleových kyselin a bez něj by život možná nikdy nevznikl. V chemické polévce rané Země byl toxický kyanovodík nepravděpodobnou hrdinskou složkou. Ačkoliv je HCN zabijákem téměř všech forem života, je základem řady prebiotických chemických reakcí.

Ačkoliv je to jen jednoduchá molekula se třemi atomy, její význam v chemii nelze přeceňovat. Chemici se dohadují, zda je definována jako organická či nikoliv, ale její role při vytváření stavebních kamenů života je nesporná. Je prekurzorem aminokyselin i nukleových kyselin.

Otázky týkající se HCN a jeho role ve vzniku života se zaměřují na jeho původ a chování na primitivní Zemi. Nový výzkum publikovaný v časopise Proceedings of the National Academy of Sciences tvrdí, že vyřešil záhadu týkající se HCN a jeho původu. Výzkum nese název „Minerálně usnadněná vodná syntéza kyanovodíku z prebioticky hojných aminokyselin pro chemickou evoluci“ a prvním autorem je Zening Yang z Earth-Life Science Institute in the Institute of Future Science, Institute of Science Tokyo.

Jeden z dlouhodobých modelů vzniku života se týká HCN a toho, jak se objevil. Raná Země měla redukční atmosféru a spolu s přítomností metanu poskytovala podmínky pro vznik HCN. Nedávný výzkum však tuto teorii potenciálně vyvrátil a ukázal, že v atmosféře pravděpodobně chyběl hojný metan, čímž se zablokovala cesta pro vznik HCN a všeho, co po něm následovalo.

„Vznik života silně závisí na reaktivních prekurzorech uhlíku a dusíku, mezi nimiž je kyanovodík (HCN) jednou z nejvšestrannějších molekul, které lze použít k syntéze téměř všech esenciálních biomolekul,“ píší autoři. „Nedávné geochemické studie však vyvolaly obavy ohledně dostupnosti HCN, jelikož vysoce redukční atmosféra bohatá na metan, která je pro syntézu HCN nezbytná, byla považována za nejistou.“

Ale v tomto výzkumu autoři objevili způsob, jakým se HCN mohl objevit bez metanu: s pomocí samotných aminokyselin. HCN je prekurzorem některých aminokyselin, ale i jiné aminokyseliny byly ve vesmíru široce detekovány. Byly nalezeny v oblacích plynu a na asteroidech a kometách. Tyto aminokyseliny mohly být na rané Zemi hojné a mohly být klíčové pro vznik HCN, i když metan chyběl.

„Na rozdíl od metanu mohou být aminokyseliny syntetizovány různými chemickými cestami a dodávány mimozemským způsobem; aminokyseliny jsou tedy pravděpodobně prebioticky hojné,“ vysvětlují autoři. Uvádějí novou vodnou cestu pro tvorbu HCN z aminokyselin, kterou podporuje minerál: oxid manganičitý (MnO2).

Začali teorií, že minerály přítomné na rané Zemi mohly hrát roli v přeměně HCN na aminokyseliny za přítomnosti vody, a to i přes nedostatek atmosférického metanu v té době. Poté laboratorně otestovali 38 přirozeně se vyskytujících minerálů, aby zjistili, zda by mohly přeměnit glycin na HCN v bezkyslíkových podmínkách. Glycin si vybrali z několika důvodů. „Glycin byl vybrán, protože to byla nejjednodušší a nejhojnější aminokyselina na rané Zemi a lze jej generovat cestami nezávislými na metanu, včetně elektrického výboje, UV záření a hydrotermálních reakcí,“ vysvětlují vědci. Glycin byl také detekován v meteoritu na Zemi, ve vzorku z komety Wild 2 a na kometě 67P/Čurjumov-Gerasimenko kosmickou sondou Rosetta Evropské kosmické agentury (ESA) a tyto detekce posilují jeho vhodnost pro tyto experimenty.

Mezi testovanými minerály byly silikáty, jako je olivín a serpentin, spolu s oxidy, sulfidy a elementárními kovy. Z 38 minerálů tři – oxid manganičitý (MnO2), oxid měďný a hydroxid měďnatý – produkovaly významné množství HCN. MnO2 však produkoval o dva řády vyšší koncentrace HCN než ostatní.

Vložený obrázek ukazuje 38 testovaných minerálů a množství HCN, které každý z nich produkoval. Pouze tři z nich produkovaly významné množství této chemické látky (větší než 0,002 mM). Důležité je, že produkce HCN nebyla omezena na jednu specifickou sadu podmínek. „Reakce produkce kyanidu podporovaná MnO2 probíhala za širokého spektra geologicky pravděpodobných podmínek od alkalických po kyselé (pH 2,0 až 12,6), a také vykazovala širokou teplotní toleranci (6 až 60 °C),“ píší autoři.

To samozřejmě závisí na přítomnosti MnO2 na rané Zemi. „Mangan (Mn) je třetím nejhojnějším přechodným kovem v zemské kůře po železe a titanu a předpokládá se, že byl na rané Zemi rozšířený,“ vysvětlují autoři. Vzhledem k tomu, že UV záření bylo na povrchu rané Země všudypřítomné a mohlo snadno pronikat do mělkých vod, vědci tvrdí, že MnO2 se mohl tvořit fotochemií v mělkých sladkovodních a alkalických uhličitanových jezerech. „Prostřednictvím těchto procesů mohla být redukovaná zásoba MnO2 glycinem omlazena, aby se udržela tvorba HCN na povrchu Země v éře Hadean,“ vysvětlují vědci.

„Naše výsledky společně ukazují, že HCN mohl být na rané Zemi nepřetržitě zásobován bez nutnosti působení atmosféry bohaté na metan, ale mohl vznikat z hojného množství aminokyselin produkovaných prebiotickými cestami nezávislými na metanu nebo dodáván meteority,“ vysvětlil v tiskové zprávě spoluautor studie profesor Ryuhei Nakamura. Nakamura z Earth-Life Science Institute at the Institute of Science Tokyo vede výzkumný tým zodpovědný za tuto práci.

Spoluautor Yamei Li, rovněž z institutu Earth-Life Science, poukázal na to, jak i moderní biologie produkuje HCN podobnou cestou, a tím posílil své výsledky. „Protože moderní biologické systémy také generují HCN z aminokyselin prostřednictvím podobných meziproduktů, nově identifikovaná reakce poskytuje nápadnou chemickou paralelu mezi prebiotickými procesy a současnými cestami evoluce života a nabízí nový pohled na chemickou evoluci,“ řekl Li.

Možná se nikdy přesně nedozvíme, jak nebo kdy se život na Zemi poprvé objevil. Pokud k tomuto porozumění někdy dosáhneme, bude to díky postupné práci, jako je tato. Chemie je jako spojovací most, kde je biologie na jedné straně a geologie na straně druhé. Vědci se nikdy nebudou moci vrátit v čase a sekvenovat první DNA a neexistují žádné fosilie z raných dnů pozemské laboratoře.

V chemii neexistují žádné mutace a chemické vazby se chovají stejně po miliardy let. Byla to chemie, která vytvořila život na Zemi, a právě takto fungující proces je způsob, jakým ji můžeme chápat.

Zdroj: https://www.universetoday.com/articles/how-early-earths-unlikely-chemical-hero-appeared

autor: František Martinek