Οι κοσμικές ακτίνες μπορούν να εξηγήσουν την προκατάληψη της ζωής για το DNA του δεξιόχειρα

Αν μπορούσατε να συρρικνωθείτε αρκετά για να κατεβείτε τη γενετική έλικα οποιουδήποτε ζώου, φυτού, μύκητα, βακτηρίου ή ιού στη Γη σαν να ήταν μια σπειροειδής σκάλα, θα βρίσκατε πάντα τον εαυτό σας να στρίβει δεξιά - ποτέ αριστερά. Είναι ένα παγκόσμιο χαρακτηριστικό που δεν υπάρχει εξήγηση.

Οι χημικοί και οι βιολόγοι δεν βλέπουν προφανή λόγο για τον οποίο όλη η γνωστή ζωή προτιμά αυτή τη δομή. Τα «χειραλικά» μόρια υπάρχουν σε ζευγαρωμένες μορφές που αντικατοπτρίζουν το ένα το άλλο με τον τρόπο που ένα δεξιόχειρο γάντι ταιριάζει με ένα αριστερόχειρα. Ουσιαστικά όλες οι γνωστές χημικές αντιδράσεις παράγουν ομοιόμορφα μείγματα και των δύο. Κατ' αρχήν, ένας κλώνος DNA ή RNA που κατασκευάζεται από αριστερόστροφα τούβλα νουκλεοτιδίων θα πρέπει να λειτουργεί εξίσου καλά με έναν από δεξιόχειρες τούβλα (αν και μια χίμαιρα που συνδυάζει αριστερή και δεξιά υπομονάδα πιθανότατα δεν θα τα πήγαινε τόσο καλά).

Ωστόσο, η ζωή σήμερα χρησιμοποιεί μόνο ένα από τα δύο διαθέσιμα σετ Lego της χημείας. Πολλοί ερευνητές πιστεύουν ότι η επιλογή είναι τυχαία:αυτοί οι δεξιόχειρες γενετικοί κλώνοι έτυχε να εμφανιστούν πρώτα ή σε ελαφρώς μεγαλύτερους αριθμούς. Αλλά για περισσότερο από έναν αιώνα, μερικοί αναρωτιούνται εάν η έμφυτη ικανότητα της βιολογίας έχει βαθύτερες ρίζες.

«Αυτός είναι ένας από τους δεσμούς μεταξύ της ζωής στη Γη και του Κόσμου», έγραψε ο Λουί Παστέρ, ένας από τους πρώτους επιστήμονες που αναγνώρισαν την ασυμμετρία στα μόρια της ζωής, το 1860.

Τώρα δύο φυσικοί μπορεί να έχουν επικυρώσει τα ένστικτα του Παστέρ συνδέοντας την απαράλλαχτη συστροφή στο φυσικό DNA με τη συμπεριφορά των θεμελιωδών σωματιδίων. Η θεωρία, η οποία εμφανίστηκε τον Μάιο στο The Astrophysical Journal Letters , δεν εξηγεί κάθε βήμα του τρόπου με τον οποίο η ζωή απέκτησε τη σημερινή της δύναμη, αλλά υποστηρίζει ότι το σχήμα του επίγειου DNA και RNA δεν είναι τυχαίο. Οι σπείρες μας μπορεί όλες να εντοπίζονται σε μια απροσδόκητη επιρροή από τις κοσμικές ακτίνες.

Αυτή η εργασία «υποδεικνύει έναν νέο χειρόμορφο παράγοντα που δεν εξετάζαμε», είπε ο Dimitar Sasselov, αστρονόμος στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ και διευθυντής της Πρωτοβουλίας Origins of Life του σχολείου, ο οποίος δεν συμμετείχε στην έρευνα. "Φαίνεται να είναι πολύ καλό."

Οι κοσμικές ακτίνες είναι σφαίρες από το βαθύ διάστημα, τα ατομικά σκάγια πέφτουν βροχή συνεχώς στα κεφάλια μας. Αυτά τα βίαια αντικείμενα είναι το μακροχρόνιο λατομείο του Noémie Globus, ενός αστροφυσικού υψηλής ενέργειας στο Πανεπιστήμιο της Νέας Υόρκης και του Κέντρου Υπολογιστικής Αστροφυσικής στο Ινστιτούτο Flatiron. (Περιοδικό Quanta είναι μια εκδοτικά ανεξάρτητη έκδοση που χρηματοδοτείται από το Ίδρυμα Simons, το οποίο χρηματοδοτεί επίσης το Ινστιτούτο Flatiron.) Αλλά η Globus δεν σκέφτηκε πολύ πώς οι κοσμικές ακτίνες θα μπορούσαν να επηρεάσουν τη ζωή μέχρι το 2018, όταν ήταν επισκέπτρια μελετητής στο Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology , όπου γνώρισε τον Roger Blandford, έναν συνάδελφο αστροφυσικό και πρώην διευθυντή του πανεπιστημιακού ινστιτούτου του Στάνφορντ.

Ξεκίνησαν από το γεγονός ότι τα ντους με κοσμικές ακτίνες, όπως και οι κλώνοι του DNA, έχουν χεριά. Τα φυσικά γεγονότα συνήθως σπάνε δεξιά όσο συχνά σπάνε προς τα αριστερά, αλλά μερικά από τα σωματίδια στα ντους κοσμικών ακτίνων εμπίπτουν σε μια από τις σπάνιες εξαιρέσεις της φύσης. Όταν τα υψηλής ενέργειας πρωτόνια στις κοσμικές ακτίνες προσκρούουν στην ατμόσφαιρα, παράγουν σωματίδια που ονομάζονται πιόνια και η ταχεία διάσπαση των πιονίων διέπεται από την ασθενή δύναμη - τη μόνη θεμελιώδη δύναμη με γνωστή ασυμμετρία καθρέφτη. Τα πιόνια που χτυπούν στην ατμόσφαιρα παράγουν βροχές σωματιδίων, συμπεριλαμβανομένων των ηλεκτρονίων και των βαρύτερων αδερφών τους, μιόνια, τα οποία είναι όλα εξοπλισμένα από την ασθενή δύναμη με τον ίδιο χειρόμορφο μαγνητικό προσανατολισμό σε σχέση με την πορεία τους. Τα σωματίδια αναπηδούν καθώς διασχίζουν την ατμόσφαιρα, είπε ο Globus, αλλά γενικά τείνουν να διατηρούν την προτιμώμενη χειρομορφία τους όταν πέφτουν στο έδαφος.

Οι πρώτοι οργανισμοί της Γης - οι οποίοι ήταν ίσως κάτι περισσότερο από γυμνοί κουρείς πόλοι γενετικού υλικού - πιθανότατα εμφανίστηκαν σε δύο ποικιλίες, υπέθεσαν οι ερευνητές. Μερικοί είχαν κλώνους DNA ή RNA που κουλουριάστηκαν όπως ο δικός μας, τους οποίους η ίδια και ο Blandford ονόμασαν «ζωντανά» μόρια (οι συμβάσεις χειρομορφικής ονομασίας διαφέρουν ανάλογα με το πεδίο), και άλλοι είχαν αντιστρεπτικές αλυσίδες - «κακή» ζωή. Με μια σειρά μοντέλων παιχνιδιών, οι ερευνητές υπολόγισαν ότι τα προκατειλημμένα σωματίδια της κοσμικής ακτίνας ήταν πολύ πιο πιθανό να χτυπήσουν ένα ηλεκτρόνιο από μια «ζωντανή» έλικα παρά από μια «κακή», ένα γεγονός που θεωρητικά προκαλεί μεταλλάξεις.

Το αποτέλεσμα θα ήταν μικροσκοπικό:Εκατομμύρια αν όχι δισεκατομμύρια χτυπήματα κοσμικής ακτίνας θα μπορούσαν να απαιτηθούν για να δώσουν ένα επιπλέον ελεύθερο ηλεκτρόνιο σε μια «ζωντανή» αλυσίδα, ανάλογα με την ενέργεια του γεγονότος. Αλλά αν αυτά τα ηλεκτρόνια άλλαξαν γράμματα στους γενετικούς κώδικες των οργανισμών, αυτές οι τροποποιήσεις μπορεί να έχουν προστεθεί. Πάνω ίσως από ένα εκατομμύριο χρόνια, προτείνει ο Globus, οι κοσμικές ακτίνες μπορεί να έχουν επιταχύνει την εξέλιξη των πρώτων προγόνων μας, αφήνοντάς τους να ανταγωνιστούν τους «κακούς» αντιπάλους τους. «Αν δεν έχεις μεταλλάξεις, δεν εξελίσσεσαι», είπε.

Το επόμενο καθήκον των ερευνητών είναι να δουν εάν η ευαισθησία των πραγματικών σωματιδίων μπορεί πράγματι να προκαλέσει την ταχεία μετάλλαξη που φαίνεται στο μοντέλο τους. Αφού δημοσίευσαν την έρευνά τους, ο Globus πλησίασε τον David Deamer, βιολόγο και μηχανικό στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, Santa Cruz, για βοήθεια. Εντυπωσιασμένος από τις ιδέες της, πρότεινε το απλούστερο βιολογικό τεστ που μπορούσε να σκεφτεί:μια δοκιμασία εκτός ραφιού γνωστή ως τεστ Ames που εκθέτει μια βακτηριακή αποικία σε μια χημική ουσία για να ανακαλύψει εάν η ουσία προκαλεί μεταλλάξεις. Αλλά αντί να αξιολογήσουν μια χημική ουσία, οι ερευνητές σχεδιάζουν να ψήσουν τα μικρόβια με δέσμες χειρόμορφων ηλεκτρονίων ή μιονίων.

Η απόδειξη ότι η ευαισθησία των σωματιδίων μπορεί πραγματικά να μεταλλάξει τα μικρόβια θα ενίσχυε την υπόθεσή τους ότι οι κοσμικές ακτίνες έσπρωξαν τους προγόνους μας από το εξελικτικό τετράγωνο, αλλά και πάλι δεν θα εξηγούσε πλήρως την ομοιόμορφη χειρομορφία της ζωής στη Γη. Η θεωρία δεν εξετάζει, για παράδειγμα, πώς «ζωντανοί» οργανισμοί και «κακοί» οργανισμοί κατάφεραν να υλοποιηθούν από ένα αρχέγονο smoothie που περιέχει και δεξιόχειρες και αριστερόχειρες δομικές μονάδες.

«Αυτό είναι ένα πολύ δύσκολο βήμα», είπε ο Jason Dworkin, ανώτερος αστροβιολόγος στο Κέντρο Διαστημικών Πτήσεων Goddard της NASA και ερευνητής της Simons Collaboration on the Origins of Life, «αλλά αν αυτή [η θεωρία] μπορεί να προσφέρει έναν διαφορετικό μηχανισμό, ένας άλλος Δαρβινική πίεση, αυτό θα ήταν ενδιαφέρον.»

Ακόμη και πριν η γενετική εξέλιξη εισέλθει στην εικόνα, μια άλλη άγνωστη διαδικασία φαίνεται να εμποδίζει την «κακή» ζωή. Τα απλά μόρια αμινοξέων που σχηματίζουν πρωτεΐνες υπάρχουν επίσης σε «ζωντανές» διαμορφώσεις που ευνοούνται από τη ζωή και «κακές» διαμορφώσεις που δεν είναι (αν και η προτιμώμενη χειραλικότητα για τα «ζωντανά» αμινοξέα είναι σχεδόν αποκλειστικά αριστερόχειρες). Η προσεκτική ανάλυση των μετεωριτών από τον Dworkin και άλλους έχει βρει ότι ορισμένα «ζωντανά» αμινοξέα υπερτερούν αριθμητικά των «κακών» κατά 20% ή περισσότερο, ένα πλεόνασμα που μπορεί να έχουν περάσει στη Γη. Τα πλεονάζοντα μόρια θα μπορούσαν να είναι οι τυχεροί που επέζησαν δισεκατομμυρίων ετών έκθεσης σε κυκλικά πολωμένο φως, μια συλλογή ακτίνων που όλες σπειροειδώς κινούνται προς την ίδια κατεύθυνση που, όπως έχουν δείξει πειράματα, μπορεί να καταστρέψει έναν τύπο αμινοξέων ελαφρώς πιο επιμελώς από τον άλλο. /P>

Όμως, όπως οι κοσμικές ακτίνες, οι δέσμες φωτός έχουν οριακή επίδραση. Θα χρειάζονταν αμέτρητες αλληλεπιδράσεις για να αφήσετε πίσω μια αξιοσημείωτη ανισορροπία, επομένως κάποια άλλη δύναμη μπορεί επίσης να λειτουργεί. Το φως θα έπρεπε να κονιοποιήσει αδικαιολόγητα τεράστιες ποσότητες μορίων για να εξηγήσει από μόνο του τις υπερβολές, λέει ο Dworkin.

Ο Sasselov ενθάρρυνε τον Globus και τον Blandford να εξετάσουν εάν οι κοσμικές ακτίνες θα μπορούσαν να ενώσουν τις δυνάμεις τους με το πολωμένο φως για να διαμορφώσουν τα αμινοξέα στους αστεροειδείς. Στη Γη, οι δόσεις των κοσμικών ακτίνων - τις οποίες παρομοιάζει με υπερηχητικές σφαίρες - που θα χρειάζονταν για να γίνει μια αισθητή χειρόμορφη διαφορά μπορεί να αποδειχθούν πολύ θανατηφόρες, υπέθεσε. «Καταστρέφετε τόσα πολλά από όλα», είπε. "Μπορεί να σας αφήσει το [σωστό] χέρι, αλλά ουσιαστικά πυροβολείτε τον εαυτό σας στο πόδι."

Τελικά, το γεγονός ότι οι ερευνητές αγωνίζονται να βρουν μια θεωρία που να εξισορροπεί την άνοδο της χειραλικότητας έναντι της καταστροφής βιολογικών υλικών υποδηλώνει ότι οι πρόγονοί μας μπορεί να ήταν τυχεροί που βρήκαν αυτή τη λεπτή γραμμή.

"Υπάρχει κάτι ιδιαίτερο σε πλανήτες όπως η Γη που προστατεύουν αυτό το είδος χημείας", είπε ο Sasselov.

Διόρθωση:1 Ιουλίου 2020
Αυτή η ιστορία διορθώθηκε για να διευκρινιστεί ότι τα πιόνια δεν βρίσκονται στις αρχικές κοσμικές ακτίνες αλλά παράγονται μάλλον από τη σύγκρουση των κοσμικών ακτίνων με την ατμόσφαιρα.