Uudet laboratoriokokeet viittaavat siihen, että Maan varhainen ilmakehä saattoi synnyttää rikkiä sisältäviä biomolekyylejä — mukaan lukien aminohapot, kuten kysteeni — yksinkertaisista kaasuista ja valosta. Tämä havainto muuttaa käsitystämme siitä, miten ja missä elämän rakennusaineet alun perin saattoivat syntyä ja kertyä.

Taivas, joka valmisti monimutkaisia rikkiyhdisteitä

Colorado Boulderin yliopiston (University of Colorado Boulder) tutkijat ja heidän yhteistyökumppaninsa raportoivat Proceedings of the National Academy of Sciences -lehdessä, että simuloitu prebioottinen ilmakehä tuotti yllättävän laajan joukon rikkiä sisältäviä molekyylejä. Valaisemalla seosta, joka sisälsi metaania, hiilidioksidia, rikkivetyä ja typpeä — kaasuja, joita pidetään plausibelina varhaisella Maalla — tutkijaryhmä tuotti yhdisteitä, joita on pitkään pidetty elollisen kemian tuotteina.

Aikaisemmin monet tutkijat uskoivat, että orgaaniset rikkiyhdisteet, kuten tietyt aminohapot, syntyivät pääasiassa biologisten reitistöjen kautta. Varhaiset laboratoriokokeet tuottivat harvoin näitä molekyylejä merkittävissä määrissä, elleivät ne nojanneet hyvin spesifisiin ja paikallisiin olosuhteisiin, kuten syvänmeren hydrotermisiin purkauskohtiin, kuumiin lähteisiin tai vulkaanisiin ympäristöihin. CU Boulderin kokeet kumoavat tuon kapeamman näkemyksen: tavallinen ilmakehän kemia, jota ohjaa valo ja fotokemialliset reaktiot, saattoi toimia globaaleina "tehtaina" biologisesti merkityksellisille rikkilajeille.

Mitä koe osoitti ja miten se toteutettiin

Laboratoriossa tutkijat altistivat kontrolloidun kaasuseoksen ultraviolettia muistuttavalle valolle jäljitelläkseen auringonvalon vaikutusta varhaiseen ilmakehään. Fotokemia voi avata reitit, joissa yksinkertaiset molekyylit muuttuvat monimutkaisemmiksi radikaali- ja ionivälitteisten reaktioiden kautta. Rikki on tunnetusti haastava elementti analysoida: se tarttuu pintoihin, kondensoituu ja esiintyy tyypillisesti paljon pienempinä pitoisuuksina kuin typpi tai hiilidioksidi. Näiden ongelmien voittamiseksi tiimi hyödynsi erittäin herkkiä masspektrometrimenetelmiä ja tarkkoja näytönottoprotokollia, jotka mahdollistivat jälkituotteiden havaitsemisen alhaisissa pitoisuuksissa.

Mitatuissa reaktiotuotteissa oli muun muassa aminohappo kysteeni sekä muita rikkiä kantavia biomolekyylejä, kuten tauriinia ja koentsyymi M:ää. Nämä yhdisteet ovat tärkeitä nykyisessä aineenvaihdunnassa: kysteeni osallistuu proteiinien rakenteeseen ja redoksitilaan, tauriini vaikuttaa solusignaaliin ja säätelyyn, ja koentsyymi M on osa monimutkaisia mikrobiologisia reittejä. Molekyylien esiintyminen simuloidussa ilmakehässä viittaa siihen, että tällaiset yhdisteet olisivat voineet muodostua ennen elämän syntyä ja sadella alas valtameriin ja mantereille, toimittaen esimuotoisia rakennuspalikoita ympäristöihin, joissa elämä saattoi saada alkunsa.

Kokeellinen lähestymistapa sisälsi toistettavia kontrollikokeita, altistuksen eri valospektrien simuloimista sekä aineiden stabiilisuuden arviointia. Tutkijat mallinsivat myös mahdollisia kemiallisia reittiä, joissa rikin atomit liittyvät hiili- ja typpipohjaisiin radikaaleihin muodostaen thioliryhmiä ja muita funktionaalisia ryhmiä. Nämä mekanistiset arviot lisäävät tulosten uskottavuutta ja selittävät, miten yksinkertaisista lähtömolekyyleistä saattoi syntyä biologisesti relevantteja rikkiyhdisteitä.

Nate Reed ja Ellie Browne työskentelevät laboratoriossa.

Kemian skaalaaminen planeettakontekstiin

Havaittujen yksittäisten molekyylien lisäksi tutkijaryhmä arvioi, kuinka paljon kysteeniä koko primitiivinen ilmakehä mahdollisesti tuottaisi ajan myötä. Heidän laskelmansa viittasivat siihen, että kysteeniä olisi voinut syntyä määrällisesti riittävästi kattaakseen suunnilleen yhden oktillionin (1 × 10^27) solun tarpeet — suuri määrä, mutta silti pienempi kuin nykyinen arvioitu maailman biomassa (~1 × 10^30 solua). Tämä tarkoittaa sitä, että pelkkä ilmakehä olisi voinut toimittaa globaalin varaston rikkiaminohappoja, joka olisi voinut siirtyä ekosysteemien alkumuotoihin ja edistää molekyylien kasaantumista elinkelpoisiin mikroympäristöihin.

Arviossa otettiin huomioon useita oletuksia: kaasu- ja valo-intensiteettien vaihtelut, fotolyysin ja fotokemiallisen hajoamisen taso, sadannan tehokkuus sekä molekyylien säilyvyys pinnalla ja vesissä. Mallit arvioivat myös deposiittinopeuksia, jotka määrittävät kuinka nopeasti ilmakehässä syntyneet molekyylit siirtyvät vesistöihin ja sedimentteihin. Vaikka laskelmat ovat altistettuja epävarmuudelle, ne tarjoavat kvantitatiivisen tavan vertailla ilmakehästä peräisin olevaa orgaanista syöttöä muihin hypothesoituihin lähteisiin, kuten hydrotermisiin purkautumiin tai meteoriittien tuomaan materiaaliin.

Tällainen ilmasta peräisin oleva synteesi muuttaa kertomusta siitä, missä elämälle relevantit molekyylit saattoivat esiintyä. Sen sijaan, että oltaisiin riippuvaisia harvinaisista ja kemiallisesti erityisistä lokeroinneista, tietty tärkeä orgaaninen rikki-kemia saattoi olla laajalti saatavilla planeetan eri alueilla. Tämä lisää mahdollisten alkuelämän syntyskenaarioiden määrää ja viittaa siihen, että varhainen ympäristö saattoi olla suopeampi elämän synnylle kuin aiemmin on usein ajateltu.

Merkitykset alkuperätutkimukselle ja eksoplaneettojen biosignaaleille

Tuloksilla on kahdenlaisia välittömiä merkityksiä: (1) alkuperätutkimuksessa on huomioitava ilmakehän tuotantoreitit potentiaalisina monimutkaisten orgaanisten yhdisteiden merkittävinä lähteinä; ja (2) tiettyjen rikkiyhdisteiden havaitseminen muilla maailmoilla ei välttämättä yksiselitteisesti indikaoi elämää. Esimerkiksi aiemmassa samojen tekijöiden työssä osoitettiin, että dimetyylisulfidi (DMS) — yksi rikkiä sisältävä kaasu, jota nykymaapallolla tuottavat pääasiassa meribiologiset prosessit — voi myös muodostua abioottisesti yksinkertaisesta ilmakehäkemian ja valoaltistuksen yhteisvaikutuksesta. Tämä havainto, yhdistettynä uusiin tuloksiin, tekee tulkinnasta vivahteikkaampaa, kun tutkijat analysoivat rikkiyhdisteitä, joita esimerkiksi James Webb -avaruusteleskooppi (JWST) ja muut etähavaintolaitteet voivat tunnistaa eksoplaneettojen atmosfääreissä.

Rikkiyhdisteiden löytäminen eksoplaneetalta on edelleen kiinnostavaa ja huomionarvoista, mutta nämä kokeet muistuttavat, että on arvioitava huolellisesti, ovatko kyseiset molekyylit biogeenisiä vai fotokemiallisen abioottisen tuotannon tuotteita. Erottaminen vaatii monipuolista lähestymistapaa, joka yhdistää planeettojen ilmakehämamallinnuksen, laboratoriosimulaatiot ja herkät spektroskooppiset havainnot. Konteksti on ratkaisevaa: muiden kaasujen, kuten hapen, metaanin ja hiilidioksidin suhteet, alenemis- tai hapettumisasteet (redox state), sekä planeetan pinta- ja vesistöolosuhteet auttavat määrittämään, mikä provosoitu tuotantomekanismi on todennäköisin.

Asiantuntijan näkemys

Dr. Mira Patel, astrobiologi (ei mukana tutkimuksessa), kommentoi: "Tämä työ muistuttaa meitä siitä, että planeettojen ilmakehät ovat reaktiivisia kemiallisia järjestelmiä. Kun yksinkertaisia kaasuja altistetaan valolle, tuloksena voi olla yllättävän monimutkaisia lopputuotteita. Tämä vaikuttaa sekä siihen, miten ajattelemme elämän syntyä Maassa, että siihen, miten etsimme kemiaa, joka saattaisi viitata elämään muilla planeetoilla."

CU Boulderin tutkimus korostaa myös tarkkojen instrumenttien merkitystä prebioottisissa kemiasimulaatioissa. Rikin jälkilajien havaitseminen vaati analyysien herkkyyden työntämistä eturajoille, ja kehitetyillä tekniikoilla voi olla laaja soveltuvuus muihin simulaatioihin, jotka tutkivat typen, fosforin tai rikin kaltaisten atomien yhdistymistä monimutkaisemmiksi biomolekyyleiksi planeettaympäristöissä. Parannettu analytiikka mahdollistaa pienten mutta merkittävien reittien tunnistamisen, joita perinteiset menetelmät eivät välttämättä paljasta.

Tulevissa kokeissa tutkijat laajentavat laboratorio-olosuhteita ottamalla huomioon vaihtelevia aurinkoaltistuksia, erilaisia ilmakehäkoostumuksia, paineita, lämpötiloja ja pinta-väliintulemisreaktioita. Näiden parametrien systemaattinen tutkiminen auttaa selvittämään, kuinka robusti ilmakehän reitti on elämän rakennusaineiden tuottajana. Jos ilmakehä todellakin oli tehokas aminohappojen ja kofaktorien toimittaja, alkuelämän synty ei ehkä ollut yhtä riippuvainen harvinaisista geologisista asetelmista, vaan se saattoi hyödyntää laaja-alaisia planeettakemiallisia prosesseja.

Lopuksi on syytä korostaa, että tällaiset löydökset vaikuttavat myös astrobiologiseen etsintään: eksoplaneettojen tutkijat seuraavat rikkiyhdisteiden ja muiden orgaanisten signaalien yhdistelmiä, jotta voidaan erottaa mahdolliset biologiset jäljet abioottisista taustoista. Ymmärtämällä ilmakehän fotokemian mahdollisuudet voimme kehittää parempia malleja ja havaintostrategioita, jotka vähentävät väärien positiivisten tulkintojen riskiä ja parantavat todennäköisyyttä löytää aitoja biosignaaleja kaukaisista maailmoista.