معلومة

8.2: علم الأحياء - علم الأحياء

8.2: علم الأحياء - علم الأحياء


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

8.2: علم الأحياء الفلكي

30.2 علم الأحياء الفلكي

يتخذ العلماء اليوم نهجًا متعدد التخصصات لدراسة أصل الحياة وتطورها وتوزيعها ومصيرها النهائي في الكون ، يُعرف هذا المجال من الدراسة باسم علم الأحياء الفلكي. قد تسمع أحيانًا هذا الحقل المشار إليه باسم علم الأحياء الخارجية أو علم الفلك الحيوي. يجمع علم الأحياء الفلكي بين علماء الفلك وعلماء الكواكب والكيميائيين والجيولوجيين وعلماء الأحياء (من بين آخرين) للعمل على نفس المشكلات من وجهات نظرهم المختلفة.

من بين القضايا التي يستكشفها علماء الأحياء الفلكية هي الظروف التي نشأت فيها الحياة على الأرض وأسباب التكيف غير العادي للحياة على كوكبنا. كما أنهم يشاركون في تحديد عوالم صالحة للسكن خارج الأرض ومحاولة فهم من الناحية العملية كيفية البحث عن الحياة في تلك العوالم. دعونا نلقي نظرة على بعض هذه القضايا بمزيد من التفصيل.

اللبنات الأساسية للحياة

في حين أنه لم يتم العثور على دليل واضح على وجود الحياة في أي مكان خارج الأرض ، فقد تم اكتشاف اللبنات الكيميائية الأساسية للحياة في مجموعة واسعة من البيئات خارج كوكب الأرض. تم العثور على النيازك (التي تعلمت عنها في العينات الكونية وأصل النظام الشمسي) تحتوي على نوعين من المواد التي تحدد هياكلها الكيميائية أنها ذات أصل خارج كوكب الأرض - الأحماض الأمينية والسكريات. الأحماض الأمينية هي مركبات عضوية هي اللبنات الجزيئية للبروتينات. البروتينات هي جزيئات بيولوجية أساسية توفر بنية ووظيفة أنسجة وأعضاء الجسم وتقوم بشكل أساسي بـ "عمل" الخلية. عندما نفحص الغاز والغبار حول المذنبات ، نجد أيضًا عددًا من الجزيئات العضوية - وهي مركبات مرتبطة على الأرض بكيمياء الحياة.

التوسع خارج نظامنا الشمسي ، كانت إحدى النتائج الأكثر إثارة للاهتمام لعلم الفلك الراديوي الحديث هي اكتشاف الجزيئات العضوية في سحب عملاقة من الغاز والغبار بين النجوم. تم تحديد أكثر من 100 جزيء مختلف في هذه الخزانات من المواد الخام الكونية ، بما في ذلك الفورمالديهايد والكحول وغيرها من الجزيئات التي نعرفها كنقاط انطلاق مهمة في تطور الحياة على الأرض. باستخدام التلسكوبات الراديوية ومقاييس الطيف الراديوي ، يمكن لعلماء الفلك قياس وفرة المواد الكيميائية المختلفة في هذه السحب. نجد الجزيئات العضوية بسهولة أكبر في المناطق التي يكون فيها الغبار البينجمي أكثر وفرة ، واتضح أن هذه هي المناطق التي يحدث فيها تكوين النجوم (وربما تكون الكوكب على الأرجح) بسهولة (الشكل 30.4).

من الواضح أن الأرض المبكرة نفسها أنتجت بعض اللبنات الجزيئية الأساسية للحياة. منذ أوائل الخمسينيات من القرن الماضي ، حاول العلماء أن ينسخوا في مختبراتهم المسارات الكيميائية التي أدت إلى الحياة على كوكبنا. في سلسلة من التجارب المعروفة باسم تجارب ميلر أوريقام علماء الكيمياء الحيوية ، الذي ابتكره ستانلي ميلر وهارولد أوري في جامعة شيكاغو ، بمحاكاة الظروف على الأرض في وقت مبكر وتمكنوا من إنتاج بعض اللبنات الأساسية للحياة ، بما في ذلك تلك التي تشكل البروتينات والجزيئات البيولوجية الكبيرة الأخرى المعروفة باسم الأحماض النووية (الذي سنناقشه بعد قليل).

على الرغم من أن هذه التجارب أسفرت عن نتائج مشجعة ، إلا أن هناك بعض المشاكل معها. تحدث الكيمياء الأكثر إثارة للاهتمام من منظور بيولوجي باستخدام الهيدروجين الغني أو تقليص الغازات ، مثل الأمونيا والميثان. ومع ذلك ، ربما كان ثاني أكسيد الكربون يهيمن على الغلاف الجوي المبكر للأرض (كما هو الحال اليوم في الغلاف الجوي للزهرة والمريخ) وربما لا يحتوي على كمية كبيرة من الغازات المختزلة المماثلة لتلك المستخدمة في تجارب نوع ميلر أوري. المنافذ الحرارية المائية - أنظمة قاع البحر التي يتم فيها تسخين مياه المحيط بشكل كبير ويتم تداولها عبر صخور القشرة الأرضية أو الوشاح قبل أن تطفو مرة أخرى في المحيط - تم اقتراحها أيضًا كمساهمين محتملين للمركبات العضوية على الأرض في وقت مبكر ، وهذه المصادر لن تتطلب الأرض لتكون في وقت مبكر تقليل الجو.

ربما تكون المصادر الأرضية وخارج الأرض قد ساهمت في إمداد الأرض المبكر بالجزيئات العضوية ، على الرغم من أن لدينا المزيد من الأدلة المباشرة على هذه الأخيرة. حتى أنه من المتصور أن الحياة نفسها نشأت في مكان آخر وزُرعت على كوكبنا - على الرغم من أن هذا بالطبع لا يحل مشكلة كيف نشأت تلك الحياة أصلاً.

ارتباط بالتعلم

بدأت الفتحات المائية الحرارية في الظهور على الأرجح كمساهمات مبكرة للمركبات العضوية الموجودة على الأرض. اقرأ عن الفتحات المائية الحرارية وشاهد مقاطع الفيديو وعروض الشرائح حول هذه العجائب وغيرها من عجائب أعماق البحار على موقع معهد وودز هول لعلوم المحيطات.

جرب محاكاة تفاعلية لدوران الفتحات الحرارية المائية على موقع Dive and Discover.

أصل الحياة وتطورها المبكر

قد تكون مركبات الكربون التي تشكل الأساس الكيميائي للحياة شائعة في الكون ، لكنها لا تزال خطوة عملاقة من هذه اللبنات الأساسية إلى الخلية الحية. حتى أبسط جزيئات الجينات (الوحدات الوظيفية الأساسية التي تحمل المادة الجينية أو الوراثية في الخلية) تحتوي على ملايين الوحدات الجزيئية ، كل منها مرتبة في تسلسل دقيق. علاوة على ذلك ، حتى الحياة الأكثر بدائية تتطلب قدرات خاصة: وسيلة لاستخراج الطاقة من بيئتها ، ووسيلة لترميز المعلومات وتكرارها من أجل عمل نسخ وفية من نفسها. يمكن لعلماء الأحياء اليوم أن يروا الطرق التي ربما تكونت بها أي من هذه القدرات في بيئة طبيعية ، لكننا ما زلنا بعيدين عن معرفة كيف اجتمع الاثنان معًا في أشكال الحياة الأولى.

ليس لدينا دليل قوي على المسار الذي أدى إلى نشأة الحياة على كوكبنا باستثناء التاريخ المبكر الذي يمكن الاحتفاظ به في الكيمياء الحيوية للحياة الحديثة. في الواقع ، لدينا القليل جدًا من الأدلة المباشرة على ما كانت عليه الأرض نفسها خلال تاريخها المبكر - كوكبنا فعال جدًا في الظهور مرة أخرى من خلال الصفائح التكتونية (انظر الفصل الخاص بالأرض ككوكب) حيث لم يتبق سوى عدد قليل جدًا من الصخور من هذه الفترة المبكرة. في الفصل السابق عن العوالم المليئة بالحفر ، علمت أن الأرض تعرضت لقصف شديد - فترة من الأحداث المؤثرة الكبيرة - منذ حوالي 3.8 إلى 4.1 مليار سنة. كان من الممكن أن تكون التأثيرات الكبيرة نشطة بما يكفي لتعقيم الطبقات السطحية للأرض بالحرارة ، بحيث أنه حتى لو بدأت الحياة بحلول هذا الوقت ، فقد يكون قد تم القضاء عليها.

عندما توقفت التأثيرات الكبيرة ، تم إعداد المشهد لبيئة أكثر سلامًا على كوكبنا. إذا كانت محيطات الأرض تحتوي على مواد عضوية متراكمة من أي من المصادر التي سبق ذكرها ، فإن المكونات كانت متاحة لصنع كائنات حية. نحن لا نفهم بأي تفصيل تسلسل الأحداث التي أدت إلى انتقال الجزيئات إلى علم الأحياء ، ولكن هناك أدلة أحفورية على وجود حياة ميكروبية في صخور عمرها 3.5 مليار سنة ، وأدلة محتملة (محل نقاش) على الحياة تعود إلى 3.8 مليار. سنوات.

تستخدم الحياة كما نعرفها نظامين جزيئيين رئيسيين: الجزيئات الوظيفية المعروفة بالبروتينات ، والتي تقوم بالعمل الكيميائي للخلية ، والجزيئات المحتوية على المعلومات من الحمض النووي (حمض الديوكسي ريبونوكلييك) التي تخزن المعلومات حول كيفية تكوين الخلية وخصائصها. المكونات الكيميائية والهيكلية. يعتبر أصل الحياة أحيانًا "مشكلة دجاجة وبيضة" لأنه في علم الأحياء الحديث ، لا يعمل أي من هذين النظامين دون الآخر. إن بروتيناتنا هي التي تجمع خيوط الحمض النووي بالترتيب الدقيق المطلوب لتخزين المعلومات ، ولكن يتم إنشاء البروتينات بناءً على المعلومات المخزنة في الحمض النووي. الذي جاء أولا؟ يعتقد بعض الباحثين في أصل الحياة أن كيمياء البريبايوتك كانت مبنية على جزيئات يمكنها تخزين المعلومات والقيام بالعمل الكيميائي للخلية. لقد تم اقتراح أن الحمض النووي الريبي (الحمض النووي الريبي) ، وهو جزيء يساعد في تدفق المعلومات الجينية من الحمض النووي إلى البروتينات ، ربما يكون قد خدم مثل هذا الغرض. أصبحت فكرة "عالم RNA" المبكر مقبولة بشكل متزايد ، ولكن لا يزال هناك الكثير مما يجب فهمه حول أصل الحياة.

ربما كان أهم ابتكار في تاريخ علم الأحياء ، بصرف النظر عن أصل الحياة نفسها ، هو اكتشاف عملية التمثيل الضوئي ، التسلسل المعقد للتفاعلات الكيميائية التي يمكن من خلالها لبعض الكائنات الحية استخدام ضوء الشمس لتصنيع المنتجات التي تخزن الطاقة (مثل ككربوهيدرات) ، وإطلاق الأكسجين كمنتج ثانوي. في السابق ، كان على الحياة أن تكتفي بمصادر الطاقة الكيميائية المتاحة على الأرض أو المنبعثة من الفضاء. لكن الطاقة الوفيرة المتاحة في ضوء الشمس يمكن أن تدعم محيطًا حيويًا أكبر وأكثر إنتاجية ، بالإضافة إلى بعض التفاعلات الكيميائية الحيوية التي لم تكن ممكنة من قبل للحياة. كان أحد هذه العوامل هو إنتاج الأكسجين (كمنتج نفايات) من ثاني أكسيد الكربون ، والزيادة في مستويات الأكسجين في الغلاف الجوي منذ حوالي 2.4 مليار سنة تعني أن عملية التمثيل الضوئي المنتجة للأكسجين لابد أن تكون قد ظهرت وأصبحت ذات أهمية عالمية بحلول هذا الوقت. في الواقع ، من المحتمل أن تكون عملية التمثيل الضوئي المنتجة للأكسجين قد ظهرت في وقت سابق إلى حد كبير.

يُعتقد أن بعض أشكال الأدلة الكيميائية الموجودة في الصخور القديمة ، مثل التكوينات الصخرية الصلبة ذات الطبقات المعروفة باسم ستروماتوليت ، هي أحافير بكتيريا التمثيل الضوئي المنتجة للأكسجين في الصخور التي يبلغ عمرها 3.5 مليار سنة تقريبًا (الشكل 30.5). يُعتقد عمومًا أن شكلًا أبسط من التمثيل الضوئي لا ينتج الأكسجين (ولا تزال تستخدمه بعض البكتيريا حتى اليوم) ربما سبق عملية التمثيل الضوئي المنتجة للأكسجين ، وهناك دليل أحفوري قوي على أن نوعًا أو نوعًا آخر من التمثيل الضوئي كان يعمل على الأرض. على الأقل منذ 3.4 مليار سنة.

بدأ الأكسجين الحر الناتج عن عملية التمثيل الضوئي في التراكم في غلافنا الجوي منذ حوالي 2.4 مليار سنة. يمكن أن ينتج عن تفاعل ضوء الشمس مع الأكسجين الأوزون (الذي يحتوي على ثلاث ذرات من الأكسجين لكل جزيء ، مقارنة بالذرتين لكل جزيء في الأكسجين الذي نتنفسه) ، والذي تراكم في طبقة عالية في الغلاف الجوي للأرض. كما هو الحال على الأرض اليوم ، يوفر هذا الأوزون الحماية من أشعة الشمس فوق البنفسجية الضارة. سمح هذا للحياة باستعمار مساحات اليابسة في كوكبنا بدلاً من البقاء في المحيط فقط.

كان الارتفاع في مستويات الأكسجين مميتًا لبعض الميكروبات لأنه ، باعتباره مادة كيميائية شديدة التفاعل ، يمكن أن يتسبب في إتلاف بعض الجزيئات الحيوية التي طورتها الحياة المبكرة في غياب الأكسجين بشكل لا رجعة فيه. بالنسبة للميكروبات الأخرى ، كان الأمر بمثابة نعمة: الجمع بين الأكسجين والمواد العضوية أو غيرها من المواد الكيميائية المختزلة يولد الكثير من الطاقة - يمكنك أن ترى هذا عندما تحترق جذوع الأشجار ، على سبيل المثال - وتبنت العديد من أشكال الحياة طريقة العيش هذه. أتاح مصدر الطاقة الجديد هذا انتشارًا كبيرًا للكائنات الحية ، والتي استمرت في التطور في بيئة غنية بالأكسجين.

تفاصيل هذا التطور هي موضوع دورات علم الأحياء بشكل صحيح ، لكن عملية التطور عن طريق الانتقاء الطبيعي (البقاء للأصلح) تقدم تفسيرًا واضحًا لتطور التنوع الرائع في أشكال الحياة على الأرض. ومع ذلك ، فهو لا يحل بشكل مباشر لغز البدايات الأولى للحياة. نحن نفترض أن الحياة ستنشأ عندما تكون الظروف مناسبة ، لكن هذه الفرضية هي مجرد شكل آخر من أشكال مبدأ كوبرنيكوس. لدينا الآن القدرة على معالجة هذه الفرضية بالملاحظات. إذا تم العثور على مثال ثان للحياة في نظامنا الشمسي أو نجم قريب ، فهذا يعني أن الحياة تظهر بشكل شائع بما يكفي بحيث يمتلئ الكون على الأرجح بالبيولوجيا. ومع ذلك ، لإبداء مثل هذه الملاحظات ، يجب علينا أولاً أن نقرر أين نركز بحثنا.

ارتباط بالتعلم

كيف نشأت الحياة في المقام الأول؟ وهل يمكن أن يحدث مع نوع مختلف من الكيمياء؟ شاهد مقطع الفيديو الذي تبلغ مدته 15 دقيقة Make Matter Come Alive والذي يستكشف فيه خبير الكيمياء بعض الإجابات على هذه الأسئلة ، من TED Talk 2011.

البيئات الصالحة للسكن

من بين العدد المذهل للأجسام في نظامنا الشمسي ، المجرة ، والكون ، قد يكون لبعضها ظروف مناسبة للحياة ، بينما البعض الآخر ليس كذلك. إن فهم الظروف والميزات التي تجعل البيئة الصالحة للسكن - بيئة قادرة على استضافة الحياة - أمر مهم لفهم مدى انتشار البيئات الصالحة للسكن في الكون وللتركيز على البحث عن الحياة خارج الأرض. هنا ، نناقش القابلية للسكن من منظور الحياة التي نعرفها. سوف نستكشف المتطلبات الأساسية للحياة ، وفي القسم التالي ، سننظر في النطاق الكامل للظروف البيئية على الأرض حيث توجد الحياة. بينما لا يمكننا استبعاد احتمال وجود كيمياء حيوية لأشكال أخرى من الحياة بناءً على بدائل الكربون والماء السائل ، فإن مثل هذه الحياة "التي لا نعرفها" لا تزال تخمينية تمامًا. في مناقشتنا هنا ، نركز على قابلية الحياة للحياة التي تشبه كيميائيًا تلك الموجودة على الأرض.

تتطلب الحياة مذيبًا (سائلًا يمكن أن تذوب فيه المواد الكيميائية) يمكن من تكوين الجزيئات الحيوية والتفاعلات بينها. للحياة كما نعرفها ، هذا المذيب هو الماء ، الذي يحتوي على مجموعة متنوعة من الخصائص التي تعتبر حاسمة لكيفية عمل الكيمياء الحيوية لدينا. الماء وفير في الكون ، لكن الحياة تتطلب أن يكون الماء في صورة سائلة (بدلاً من الجليد أو الغاز) من أجل ملء دوره بشكل صحيح في الكيمياء الحيوية. هذا هو الحال فقط ضمن نطاق معين من درجات الحرارة والضغوط - مرتفع جدًا أو منخفض جدًا في أي من المتغيرين ، ويتخذ الماء شكل مادة صلبة أو غاز. وبالتالي فإن تحديد البيئات التي يوجد فيها الماء ضمن النطاق المناسب لدرجة الحرارة والضغط هو خطوة أولى مهمة في تحديد البيئات الصالحة للسكن. في الواقع ، كانت استراتيجية "اتباع المياه" ، ولا تزال ، محركًا رئيسيًا في استكشاف الكواكب داخل وخارج نظامنا الشمسي.

تعتمد الكيمياء الحيوية لدينا على جزيئات مصنوعة من الكربون والهيدروجين والنيتروجين والأكسجين والفوسفور والكبريت. الكربون هو جوهر الكيمياء العضوية. تسمح قدرته على تكوين أربع روابط ، سواء مع نفسه أو مع عناصر الحياة الأخرى ، بتكوين عدد كبير من الجزيئات المحتملة التي تعتمد عليها الكيمياء الحيوية. تساهم العناصر المتبقية في التركيب والتفاعل الكيميائي لجزيئاتنا الحيوية ، وتشكل الأساس للعديد من التفاعلات فيما بينها. هذه "العناصر الحيوية" ، التي يشار إليها أحيانًا بالاختصار CHNOPS (الكربون ، والهيدروجين ، والنيتروجين ، والأكسجين ، والفوسفور ، والكبريت) ، هي المواد الخام التي يتم تجميع الحياة منها ، وإمدادها الذي يمكن الوصول إليه هو مطلب ثانٍ لصلاحية السكن .

كما تعلمنا في الفصول السابقة عن الاندماج النووي وقصة حياة النجوم ، يتشكل الكربون والنيتروجين والأكسجين والفوسفور والكبريت عن طريق الاندماج داخل النجوم ثم يتم توزيعها في مجرتهم مع موت تلك النجوم. ولكن كيف يتم توزيعها بين الكواكب التي تتشكل داخل نظام نجمي جديد ، وبأي شكل ، وكيف يمكن للعمليات الكيميائية والفيزيائية والجيولوجية على تلك الكواكب أن تدور حول العناصر إلى هياكل يمكن الوصول إليها من قبل علم الأحياء ، يمكن أن يكون لها تأثيرات كبيرة على التوزيع. من الحياة. في محيطات الأرض ، على سبيل المثال ، يمكن أن تختلف وفرة العوالق النباتية (الكائنات الحية البسيطة التي هي أساس السلسلة الغذائية للمحيطات) في المياه السطحية بألف ضعف لأن إمداد النيتروجين يختلف من مكان إلى آخر (الشكل 30.6). وبالتالي فإن فهم العمليات التي تتحكم في إمكانية الوصول إلى العناصر على جميع المستويات هو جزء مهم من تحديد البيئات الصالحة للسكن.

مع هذين المطلبين الأولين ، لدينا المواد الخام الأولية للحياة ومذيب لتجميعها في الجزيئات المعقدة التي تحرك الكيمياء الحيوية لدينا. لكن تنفيذ هذا التجميع والحفاظ على الآلية الكيميائية الحيوية المعقدة للحياة يتطلب طاقة. أنت تفي بمتطلباتك الخاصة من الطاقة في كل مرة تأكل فيها طعامًا أو تأخذ نفسًا ، ولن تعيش طويلًا إذا فشلت في القيام بأي منهما بشكل منتظم. تستخدم الحياة على الأرض نوعين رئيسيين من الطاقة: بالنسبة لك ، هذه هي الأكسجين الموجود في الهواء الذي تتنفسه والجزيئات العضوية في طعامك. لكن الحياة بشكل عام يمكن أن تستخدم مجموعة واسعة من المواد الكيميائية ، وبينما تحتاج جميع الحيوانات إلى الأكسجين ، فإن العديد من البكتيريا لا تفعل ذلك. واحدة من أقدم عمليات الحياة المعروفة ، والتي لا تزال تعمل في بعض الكائنات الحية الدقيقة الحديثة ، تجمع بين الهيدروجين وثاني أكسيد الكربون لإنتاج الميثان ، وإطلاق الطاقة في هذه العملية. هناك كائنات دقيقة "تتنفس" معادن قد تكون سامة بالنسبة لنا ، وحتى بعض الكائنات الحية الدقيقة التي تتنفس الكبريت وتتنفس حامض الكبريتيك. كما طورت النباتات والكائنات الحية الدقيقة في التمثيل الضوئي آليات لاستخدام الطاقة في الضوء بشكل مباشر.

الماء في المرحلة السائلة ، والعناصر الحيوية ، والطاقة هي المتطلبات الأساسية لصلاحية السكن. لكن هل هناك قيود بيئية إضافية؟ نحن نعتبر هذا في القسم التالي.

الحياة في ظروف قاسية

على المستوى الكيميائي ، تتكون الحياة من أنواع عديدة من الجزيئات التي تتفاعل مع بعضها البعض لتنفيذ عمليات الحياة. بالإضافة إلى الماء والمواد الخام الأولية والطاقة ، تحتاج الحياة أيضًا إلى بيئة تكون فيها هذه الجزيئات المعقدة مستقرة (لا تتفكك قبل أن تتمكن من القيام بوظائفها) وتكون تفاعلاتها ممكنة. تعمل الكيمياء الحيوية الخاصة بك بشكل صحيح فقط في نطاق ضيق جدًا يبلغ حوالي 10 درجات مئوية في درجة حرارة الجسم وعشر من وحدة في الرقم الهيدروجيني للدم (الرقم الهيدروجيني هو مقياس رقمي للحموضة ، أو كمية أيونات الهيدروجين الحرة). أبعد من هذه الحدود ، فأنت في خطر جسيم.

يجب أن يكون للحياة بشكل عام حدود للظروف التي يمكن أن تعمل فيها بشكل صحيح ، لكنها ، كما سنرى ، أوسع بكثير من حدود الإنسان. يتم توزيع الموارد التي تعمل على الوقود عبر مجموعة واسعة جدًا من الظروف. على سبيل المثال ، هناك طاقة كيميائية وفيرة يمكن الحصول عليها في الينابيع الساخنة والتي هي أساسًا حمض مغلي (انظر الشكل 30.7). يوفر هذا حافزًا كبيرًا للتطور لملء أكبر قدر ممكن من هذا النطاق بالحياة قدر الإمكان من الناحية الكيميائية الحيوية. يُعرف الكائن الحي (عادة ما يكون ميكروبًا) الذي يتحمل أو حتى يزدهر في ظل ظروف يعتبرها معظم الحياة من حولنا معادية ، مثل درجة الحرارة المرتفعة أو المنخفضة جدًا أو الحموضة ، متطرفًا (حيث تكون اللاحقة ملف يعني "عاشق"). دعونا نلقي نظرة على بعض الظروف التي يمكن أن تتحدى الحياة والكائنات الحية التي تمكنت من تكوين مكانة مناسبة في أبعد مدى ممكن.

يمكن أن تسبب كل من درجات الحرارة المرتفعة والمنخفضة مشكلة للحياة. بصفتك كائنًا كبيرًا ، يمكنك الحفاظ على درجة حرارة ثابتة تقريبًا لجسمك سواء كانت أكثر برودة أو دفئًا في البيئة المحيطة بك. لكن هذا غير ممكن في الحجم الصغير للكائنات الحية الدقيقة مهما كانت درجة الحرارة في العالم الخارجي هي أيضًا درجة حرارة الميكروب ، ويجب أن تكون الكيمياء الحيوية الخاصة به قادرة على العمل في درجة الحرارة تلك. درجات الحرارة المرتفعة هي عدو التعقيد - تميل الطاقة الحرارية المتزايدة إلى تفتيت الجزيئات الكبيرة إلى أجزاء أصغر وأصغر ، وتحتاج الحياة إلى تثبيت الجزيئات بروابط أقوى وبروتينات خاصة. لكن هذا النهج له حدوده.

ومع ذلك ، كما ذكرنا سابقًا ، غالبًا ما توفر البيئات ذات درجات الحرارة المرتفعة مثل الينابيع الساخنة والفتحات الحرارية المائية مصادر وفيرة للطاقة الكيميائية ، وبالتالي تدفع تطور الكائنات الحية التي يمكنها تحمل درجات الحرارة المرتفعة (انظر الشكل 30.8). حاليًا ، حامل سجل درجات الحرارة المرتفعة عبارة عن كائنات دقيقة منتجة للميثان يمكن أن تنمو عند 122 درجة مئوية ، حيث يكون الضغط مرتفعًا أيضًا لدرجة أن الماء لا يزال لا يغلي. هذا مذهل عندما تفكر فيه. نقوم بطهي طعامنا - بمعنى أننا نغير كيمياء وبنية الجزيئات الحيوية - بغليها عند درجة حرارة 100 درجة مئوية. في الواقع ، يبدأ الطعام في الطهي في درجات حرارة أقل بكثير من هذا. ومع ذلك ، هناك كائنات حية تظل كيميائها الحيوية سليمة وتعمل بشكل جيد عند درجات حرارة أعلى بمقدار 20 درجة.

يمكن أن يكون البرد مشكلة أيضًا ، جزئيًا لأنه يبطئ عملية التمثيل الغذائي إلى مستويات منخفضة جدًا ، ولكن أيضًا لأنه يمكن أن يسبب تغيرات فيزيائية في الجزيئات الحيوية. أغشية الخلايا - الأغشية الجزيئية التي تحيط بالخلايا وتسمح لها بتبادل المواد الكيميائية مع العالم الخارجي - تتكون أساسًا من جزيئات شبيهة بالدهون. ومثلما تتجمد الدهون عندما تبرد ، تتبلور الأغشية ، وتغير طريقة عملها في تبادل المواد داخل وخارج الخلية. بعض الخلايا المتكيفة مع البرودة (تسمى نفسية) قاموا بتغيير التركيب الكيميائي لأغشيتهم من أجل التعامل مع هذه المشكلة ولكن مرة أخرى ، هناك حدود. حتى الآن ، تبلغ درجة الحرارة الأبرد التي ثبت أن أي ميكروب يتكاثر فيها حوالي -25 درجة مئوية.

يمكن أيضًا أن تكون الحالات الحمضية أو القلوية جدًا مشكلة للحياة لأن العديد من جزيئاتنا المهمة ، مثل البروتينات والحمض النووي ، تتحلل في ظل هذه الظروف. على سبيل المثال ، منظف الصرف المنزلي ، الذي يؤدي وظيفته عن طريق تحطيم التركيب الكيميائي لأشياء مثل قباقيب الشعر ، هو محلول قلوي للغاية. أكثر الكائنات الحية مقاومة للأحماض (حامضة) قادرة على العيش عند قيم pH قريبة من الصفر - حمضية أكثر بحوالي عشرة ملايين مرة من دمك (الشكل 30.9). في الطرف الآخر ، البعض القلويات يمكن أن ينمو عند مستويات pH تبلغ حوالي 13 ، وهو ما يماثل الرقم الهيدروجيني للتبييض المنزلي وما يقرب من مليون مرة من القلوية أكثر من دمك.

يمكن أن تسبب المستويات العالية من الأملاح في البيئة أيضًا مشكلة للحياة لأن الملح يعيق بعض الوظائف الخلوية. لقد أدرك البشر هذا منذ قرون ، وبدأوا في معالجة الطعام بالملح لمنعه من التلف - بمعنى ، منعه من استعمار الكائنات الحية الدقيقة. ومع ذلك ، فقد تطورت بعض الميكروبات لتنمو في الماء المشبع بكلوريد الصوديوم (ملح الطعام) - حوالي عشرة أضعاف مالح مياه البحر (الشكل 30.10).

يمكن للضغوط العالية جدًا أن تضغط حرفيًا على الجزيئات الحيوية للحياة ، مما يجعلها تتبنى أشكالًا أكثر إحكاما لا تعمل بشكل جيد. لكننا ما زلنا نجد الحياة - ليس فقط الكائنات الميكروبية ، ولكن حتى الحياة الحيوانية - في قيعان خنادق المحيط ، حيث يزيد الضغط عن 1000 مرة من الضغط الجوي. كما أن العديد من التكيفات الأخرى مع "الظواهر البيئية المتطرفة" معروفة أيضًا. يوجد حتى كائن حي ، Deinococcus radiodurans ، يمكنه تحمل الإشعاع المؤين (مثل الإشعاع المنبعث من العناصر المشعة) بكثافة أكبر بألف مرة مما يمكنك تحمله. كما أنه جيد جدًا في النجاة من الجفاف الشديد (الجفاف) ومجموعة متنوعة من المعادن التي قد تكون سامة للإنسان.

من العديد من هذه الأمثلة ، يمكننا أن نستنتج أن الحياة قادرة على تحمل مجموعة واسعة من الظواهر البيئية المتطرفة - لدرجة أنه يتعين علينا العمل بجد لتحديد الأماكن التي لا يمكن أن توجد فيها الحياة. بعض هذه الأماكن معروفة - على سبيل المثال ، تبدو مياه الفتحات الحرارية المائية عند أكثر من 300 درجة مئوية شديدة الحرارة بحيث لا تدعم أي حياة - ويساعد العثور على هذه الأماكن في تحديد إمكانية الحياة في مكان آخر. لقد وسعت دراسة الأشخاص المتطرفين على مدى العقود القليلة الماضية من إحساسنا بمجموعة الظروف التي يمكن للحياة أن تحياها ، وبذلك جعل العديد من العلماء أكثر تفاؤلاً بشأن إمكانية وجود الحياة خارج الأرض.


8.2: علم الأحياء - علم الأحياء

оличество зарегистрированных تاريخ: 15 سنة.

Участвовать бесплатно

كيف نشأت الحياة على الأرض؟ كيف تطورت الحياة والأرض معًا عبر الزمن الجيولوجي؟ هل الحياة في مكان آخر من الكون؟ ألق نظرة على 4 مليارات سنة من تاريخ الحياة على الأرض من خلال عدسة شجرة الحياة الحديثة! ستقيم هذه الدورة التدريبية التاريخ الكامل للحياة على الأرض في سياق فهمنا المتطور لشجرة الحياة. يتضمن هذا العمل الرائد للبروفيسور كارل ووز في حرم جامعة إلينوي في أوربانا شامبين الذي أحدث ثورة في فهمنا مع & quot؛ شجرة الحياة الجديدة. & quot

تطوير حياة أحادية الخلية ومتعددة الخلايا لمدة 4 مليارات سنة من خلال عدسة شجرة الحياة - تأثير عمليات نظام الأرض (تأثيرات النيازك والبراكين والصفائح الجليدية) على تشكيل وهيكلة شجرة الحياة. عالمية ظهور الحياة كمقدمة للبحث عن حياة خارج كوكب الأرض.

Рецензии

استمتعت بكل دقيقة من الدورة وتعلمت الكثير في نفس الوقت!

محاضرات ممتازة. لوحظ التحول الشخصي أثناء المشاهدة.

الأسبوع الثامن - علم الأحياء الفلكي والبحث عن الحياة في الكون

بغض النظر عن مكانك أو ما تؤمن به ، في وقت ما من حياتك سوف تنظر إلى السماء وتسأل: ماذا يوجد هناك؟ إلى أين نحن ذاهبون؟ هل توجد حياة في مكان آخر من الكون؟ هذه الدورة مخصصة للبحث عن إجابات لهذه الأسئلة. ستوجهنا المفاهيم الأساسية للحياة والبيئات الصالحة للسكن ، والتي تأسست على التوليف الحديث لشجرة الحياة ، في التعرف على المحيطات الحيوية التي قد تكون مختلفة تمامًا عن محيطنا. في الأسبوع الأخير من هذه الدورة ، سننظر بالتفصيل في ما يخبئه المستقبل لاستكشاف الفضاء والبحث عن الحياة في الكون.


2. القسم الأول

2.1. النظر في أصل الحياة من خلال استعارات علوم الكمبيوتر

يتعلق السؤال الأول الذي نتطرق إليه بآلية يمكن من خلالها أن يبدأ الاختيار والتطور. في كتابه الحياة: طبيعتها وأصلها وتطورها، سأل Oparin (1962) عما إذا كان يمكن فهم الحياة في الواقع كآلية. حتى أنه اعتبر علم التحكم الآلي ، وهو أمر وثيق الصلة بالتجربة الفكرية التي نصفها لاحقًا. قرر أوبارين أن خصائص الحياة تجاوزت التفسيرات الميكانيكية:

"بالطبع ، يمكننا ويجب علينا أن نحاول فهم الأساس الفيزيائي والكيميائي لمختلف الظواهر الحيوية من خلال بناء ودراسة النماذج التي ستعيد إنتاج نفس الظواهر التي تحدث في الكائنات الحية ولكن في شكل مبسط. ومع ذلك ، عند القيام بذلك ، يجب أن نتذكر دائمًا أننا نتعامل مع نماذج ولا نخلط بينها وبين الكائنات الحية ".

مع وضع تحذير Oparin في الاعتبار ، نلاحظ أن الأساليب الحسابية قد تجاوزت بكثير علم التحكم الآلي البدائي الذي تصوره. لقد تسللت أدوات البرامج الحاسوبية والاستعارات إلى جميع فروع المؤسسة العلمية. من منظور علوم الكمبيوتر ، تمت مقارنة عمليات الحياة داخل الخلايا بشكل مناسب بوظيفة نظام تشغيل الكمبيوتر (Bray، 2011 Pang and Maslov، 2013). إنه تمرين مثير للاهتمام وربما مفيد للمقارنة في السيليكو برامج لنظام تشغيل الحياة. بدلاً من أنماط الإلكترونات المتدفقة في دوائر السيليكون ، يتم تضمين برامج الخلية في تسلسلات أحادية من البوليمرات الحيوية. التسلسلات الأساسية في الحمض النووي عبارة عن مخازن بيانات خطية ، مماثلة لذاكرة القراءة فقط ، والتي يتم نسخها إلى تسلسلات أساسية في الحمض النووي الريبي المرسال ، ثم يتم تحميلها في الريبوسومات ، والتي تولد برامج تطبيقية مصنوعة من البروتينات. مثل قوائم انتظار وبروتوكولات رسائل نظام التشغيل ، فإن الشبكة الكيميائية المضبوطة بدقة للإشارات والتغذية المرتدة تمكن الخلية من تنفيذ برامج بروتينية محددة بطريقة منظمة للغاية.

تقودنا هذه المقارنة إلى السؤال الذي نتناوله هنا: هل يمكن أن يظهر الكمبيوتر الكيميائي تلقائيًا على كوكب معقم ولكنه صالح للسكن مثل الأرض المبكرة؟ من الواضح أن الإجابة هي نعم ، لأن الحياة بدأت بالفعل ، لكن العملية التي حدث بها ذلك تظل مشكلة أساسية في علم الأحياء. نحن نجادل بأنه ، على سبيل المقارنة مع تطور أجهزة الكمبيوتر ، يتم تمثيل أجهزة الأشكال الأولى من الحياة بجزيئات عضوية تصبح منظمة ذاتيًا في هياكل فوق الجزيئات (Lehn ، 2002) قادرة على التقاط الطاقة المجانية المتوفرة في البيئة واستخدامها في دفع البلمرة والنمو. تم تطوير برامج الحياة تلقائيًا عندما خضعت الأنظمة العشوائية للجزيئات البوليمرية لدورات من الاختيار والتضخيم للتعبير عن الوظائف داخل نظام أجهزة التجميع الذاتي.

ومع ذلك ، كيف يمكن للبرامج أن تظهر في غياب المبرمج؟ يوضح الشكل 1 كيف يمكن أن يعمل ذلك من خلال الإشارة إلى أجهزة الكمبيوتر القديمة التي استخدمت ثقوبًا مثقوبة في شريط ورقي كطريقة لتشفير التعليمات باستخدام البتات الثنائية. الهدف هو إنشاء برنامج تلقائيًا يقوم بتشغيل سلسلة من الصمامات الثنائية الباعثة للضوء (LED) في اللوحة الأمامية المتصلة بالكمبيوتر. في البداية ، يتم ربط أداة تثقيب الشريط بمولد رقم عشوائي. ثم يتم قراءة الأشرطة المثقوبة واحدة تلو الأخرى في جهاز كمبيوتر بسيط يستخدم الطاقة الكهربائية لقراءة كل شريط ثم تنفيذ التعليمات العشوائية البحتة من خلال معالج بدائي. معظم البرامج "تتعطل" لأنها لا تقوم بتشغيل أي مصابيح LED وبالتالي يتم تجاهلها. ومع ذلك ، إذا حدث عن طريق الصدفة أن أضاء برنامج عشوائي نادر (مثل "A" في المثال) مؤشر LED واحد على الأقل ، يتم اختياره تلقائيًا وإعادته إلى المثقب. يخزن المثقاب البرنامج "A" ويثقبه عدة مرات ، مضيفًا تعليمات عشوائية جديدة "B" و "C" و "D" على أقسام موسعة من الشريط. تعمل الدورة التالية على تشغيل البرامج الجديدة A-B و A-C و A-D و A-C التي تم اختيارها بالمثل للمضي قدمًا في جيل جديد من البرامج المثقوبة. بمرور الوقت ، سيظهر برنامج موسع إضافي (A-C-F) ، والذي يشغل عددًا أكبر من مصابيح LED على اللوحة الأمامية. طريقة البرمجة هذه غير فعالة ، ولكن مع الوقت الكافي ، ستنشئ برنامجًا يقوم بتشغيل جميع مصابيح LED.

تين. 1. استعارة عن كيفية تطوير برنامج كمبيوتر بدون مبرمج.

لتلخيص الخطوات الأربع الواضحة ، (1) أ مصدر للطاقة (تيار كهربائي) يقود عملية تثقب ثقوبًا عشوائية في شريط ، وتغذي الشريط في جهاز الكمبيوتر البسيط لدينا ، وتشغل وحدة المعالجة المركزية للكمبيوتر. في مرحلة ما ، تحدث مجموعة واحدة من الثقوب لتضيء مؤشر LED وهذه المجموعة هي (2) المحدد, (3) منسوخةو (4) وسعوا، وبالتالي يتم استخلاص التعليمات الوظيفية من مجموعة من الأشرطة المثقوبة بشكل عشوائي. يؤدي تسلسل فرصة أخرى من الثقوب في شريط ممدود إلى إضاءة مصباح LED ثانٍ ، وهكذا ، حتى تعمل جميع مصابيح LED. الخطوة الخامسة التي غالبًا ما يتم تجاهلها ضرورية ، وهي ردود الفعل حلقة بين حالة LED وجهاز التثقيب ، روتين فرعي للاختبار يوجه النظام إلى حفظ ودمج وتضخيم أي برنامج فرصة يحدث لتشغيل LED. يمكن استدعاء هذا الاختبار البسيط اختيار اندماجي ويمكنه تمكين البرمجة دون الحاجة إلى مبرمج ، مما يشير إلى كيف يمكن أن تؤدي الخطوات المماثلة التي تقود الكيمياء التوافقية إلى أصل الحياة. في نظام كيميائي ، مصادر الطاقة هي الماء الساخن وأشعة الشمس ، والأشرطة الورقية عبارة عن بوليمرات مثل الأحماض النووية أو البروتينات ، والثقوب هي نماذج فرصة في تسلسل المونومر. البرامج عبارة عن مجموعات من البوليمرات المتفاعلة التي تخضع للاختيار والتضخيم إذا كان لها وظائف تزيد من بقاء تلك البوليمرات نفسها بمرور الوقت. يتم تضمين المجموعات داخل مقصورات محاطة بغشاء ويشار إليها باسم الخلايا الأولية.

يتيح استخدام هذا الاستعارة لرمز الكمبيوتر المكتوب ذاتيًا إعادة صياغة أصل الحياة كفرضية قابلة للاختبار تتضمن الفيزياء الحيوية للتجميع الذاتي ، وكيمياء البلمرة ، والخصائص الجيوفيزيائية المرتبطة بكتل الأرض البركانية على الأرض المبكرة. Although this reframing provides a new perspective for life's origin, it also raises many questions. First, we must define an التشغيل protocell. The sole measure of operability of a microbial cell is that encapsulated systems of catalytic polymers use nutrients and energy to undergo growth by polymerization, supporting an eventual division into viable daughter cells. Akin to the punched paper tapes, the system we propose generates immense numbers of microscopic protocells, each different in composition from all the rest, and these protocell populations must then undergo a primitive version of Darwinian selection we have termed combinatorial selection, at the molecular and supramolecular level.

How can the earliest protocells composed of primitive, self-assembled membranes encapsulate cargoes of random polymers?

How can functional chemical “programs” spontaneously emerge by selection and begin to operate?

What environmental stresses provide selective factors and how can polymer programs be extended so that protocells can survive these factors and propagate sets of polymers into subsequent generations?

Are there prebiotically plausible natural environments in which protocells can emerge and then undergo evolution through a primitive form of selection before the emergence of life?

How can such populations of primitive protocells eventually evolve into the self-sustaining and self-reproducing forms that comprise living systems?

We first address the question of a plausible environment that is conducive to the emergence of protocells. Darwin (1871) provided a clue in an insightful sentence written in a letter to his friend J.D. Hooker:

“But if (& oh what a big if) we could conceive in some warm little pond with all sorts of ammonia & phosphoric salts,—light, heat, electricity & etc. present, that a protein compound was chemically formed, ready to undergo still more complex changes [..]”

Most readers are probably familiar with this quote, but we reiterate it here because Darwin's intuition of a warm little pond makes perfect sense. In contrast to the dilution that inevitably would occur in a global salty ocean, potential organic reactants can accumulate and be concentrated sufficiently for reactions to occur in small bodies of fresh water on volcanic land masses emerging from the ocean (Pearce وآخرون., 2017 Ranjan وآخرون., 2019). Darwin also proposed that a “protein compound” must first form, “ready to undergo still more complex changes.” Although he did not know that proteins were linear chains composed of linked amino acids, Darwin intuitively understood that proteins were important, and that they could somehow be synthesized by an unspecified source of energy. Darwin also hinted that the proteins must be able to undergo evolutionary cycles generating more complex changes, which today is described as an away-from-equilibrium chemical system.

This brings us to a conundrum known as the “water problem” (Benner وآخرون., 2012). Proteins and the other key polymers of life, RNA and DNA, must function in an aqueous medium, but in the absence of continuous synthesis, they undergo hydrolytic decomposition at varying rates depending on temperature and pH. In life today, polymers are continuously synthesized and repaired by enzyme-catalyzed condensation reactions driven by adenosine triphosphate (ATP) as an energy source. However, there were no enzymes or ATP available on the prebiotic Earth, so how could the first polymers form? It has long been understood that condensation reactions can occur if monomers undergo dehydration at elevated temperatures (Fox and Harada, 1958 Lohrmann and Orgel, 1971 Lahav وآخرون.، 1978). However, a single cycle might lead to a few oligomers, but these would begin to undergo hydrolysis upon rehydration. We propose that not just a single cycle but instead continuous wet-dry cycles would allow polymers to exist in a steady state and grow more complex as solutes in a prebiotic warm little pond (Hargrave وآخرون.، 2018). As long as the rate of synthesis exceeds the rate of hydrolysis, multiple cycles operating in conjunction with a kinetic trap will inevitably produce an accumulation of polymers (Higgs, 2016). In other words, a kinetic trap emerges in a reaction or a series of linked reactions if the rate of synthesis exceeds the rate of a back reaction (Ross and Deamer, 2016). All life on Earth incorporates a kinetic trap because the rate of synthesis of biopolymers by condensation reactions exceeds the rate of their hydrolysis.

One possible site for the emergence of a kinetic trap would be mineral surfaces where fluctuating water levels cause cycles of wetting and drying that localize concentrated, dry solutes. Fast wet-dry cycles happening in seconds to minutes occur when geysers splash water on surrounding hot rocks, medium duration cycles measured in minutes to hours occur with the rise and fall of pool levels caused by regularly fluctuating hot springs, and slower cycles measured in hours to days would be associated with complete evaporation of smaller pools followed by refilling during precipitation.

Volcanoes emerging through a global ocean would be the original land masses on the Hadean Earth (Van Kranendonk, 2010 Bada and Korenaga, 2018), analogous to Hawaii and Iceland today. If we were to travel 4 billion years back in time to visit volcanic landscapes on the Hadean Earth (Fig. 2), we would see abundant hydrothermal fields with multiple hot spring systems replenished by precipitation evaporating from the surrounding ocean. The distilled fresh water would percolate into hot rocks and then circulate back to the surface as springs and geysers. Hydrothermal fields provide sources of heat and chemical energy to drive polymerization reactions in films of concentrated organic solutes that form on mineral surfaces during repeated cycles of wetting and drying (inset A). Inset B shows an example of such a pool on Mount Mutnovsky, an active volcano in Kamchatka, Russia (Kompanichenko وآخرون.، 2015). The recent discovery of a 3.5-billion-year-old hot spring setting on a volcanic plateau that formed in the absence of direct plate tectonic involvement is a good analog for an early Earth volcanic landscape emerging from a global ocean just 500 million years after the approximate time frame we are proposing for life's origins (Pearce وآخرون., 2018 Van Kranendonk وآخرون., 2020).

FIG. 2. An artist's conception of a geyser-driven Hadean volcanic hot spring system in which cycles of evaporation and rehydration can occur. Inset A shows a ring of dried solutes on the mineral surfaces at the edge of a fluctuating pool. Inset B shows a boiling pool associated with a hot spring site on Mount Mutnovsky in Kamchatka, Russia. (Art credit Ryan Norkus Photo credit Tony Hoffman.)

In summary, the primary polymers of life today—proteins and nucleic acids—are synthesized enzymatically by condensation reactions. The chemical energy of ATP is used to remove the equivalent of water molecules from the amine and carboxyl groups on amino acids to form peptide bonds, or the phosphate and ribose hydroxyl groups on nucleotides to form ester bonds. A certain degree of caution should be exercised when envisaging prebiotic versions of condensation reactions driving polymerization processes. For instance, Krishnamurthy (2018) wrote: “Coincidentally, it turns out that this ester-to-amide mechanism is part of extant biology, with more evolved molecules, as exemplified by (a) the peptidyl-transfer reaction within the confines of the ribosome and (b) the thioester-amide exchange equivalent in the nonribosomal peptide synthesis pathway. Whether this is a ‘preservation’ of a primordial reaction mechanism or a case of convergence due to chemical contingency is an open-ended debate.”

As noted earlier, heating dry amino acids at elevated temperatures was among the first and most obvious energy sources to be tested as a way to drive polymerization. Over ensuing years, dry heat was abandoned because the yields were minimal and products were too short to be able to fold into catalytically active structures such as ribozymes. Furthermore, the bonds formed were often not related to the kinds of bonds used in biology and there was a concern that intractable “tars and asphalts” were the most likely products (Benner وآخرون., 2012). Therefore, researchers went on to explore condensing agents, activated mononucleotides, and mineral surfaces as a way to generate longer polymers.

We do not intend to exclude other versions of activated polymerization or possible involvement of condensing agents, but it seems appropriate to focus first on polymerization that does not require activated monomers or condensing agents. Wet-dry cycles in fresh water would be abundant in the prebiotic environment as long as volcanic land masses had emerged from the global ocean, and a surprising amount of chemical energy is introduced by concentrating potential reactants in dilute solutions as they evaporate to form dry films on mineral surfaces (Ross and Deamer, 2016). Furthermore, wet-dry cycles pump mixtures of reactants toward ever increasing complexity as products accumulate in kinetic traps. Such cycles have the additional advantage that if amphiphilic compounds are present in the mixture of reactants, encapsulation of polymers in membranous compartments occurs as a system goes through cycles of hydration and dehydration.

We conclude that hot springs and fluctuating freshwater pools are plausible candidates for prebiotic sites supporting the assembly of protocells, defined as encapsulated systems of random polymers forming in numerous pools over many millions of years. As described in the next section, protocell populations can be exposed to a variety of environmental stresses. Most protocells are likely to be unstable and their components will be dispersed, but a few will have properties that enhance their robustness. These will be selected in a process representing the first step in a pre-Darwinian version of evolution.


8.2: Astrobiology - Biology

Chris Chyba, Cynthia Phillips, Kevin Hand- The project has two components. The first, an overview of the astrobiological potential of various geological features on Europa, is proceeding well — we are continuing the study of various proposed formation mechanisms for different feature types such as ridges, bands, and chaotic terrain.

Project Progress

Chris Chyba, Cynthia Phillips, Kevin Hand- The project has two components. The first, an overview of the astrobiological potential of various geological features on Europa, is proceeding well — we are continuing the study of various proposed formation mechanisms for different feature types such as ridges, bands, and chaotic terrain. The second, a search for current geological activity by comparing Galileo images taken on different orbits, is also in progress. We have completed a first-stage search of the Galileo Europa images to find overlapping images, and are continuing to work on improving our automated search method to make sure that we find all possible comparison images. We have processed a number of comparison pairs, and are currently working on automated techniques for speeding up the comparison process.

Max Bernstein- As part of performing lab measurements to enable the detection of signs of life and the discrimination between these and false biomarkers we have measured IR spectra of Nitrogen Heterocycles, the class of compounds found in meteorites that include nucleobases. We have been concentrating on the kind of conditions found on icy outer Solar System bodies such as Europa.

Rocco Mancinelli and Amos Banin- In a set of soil samples from the Yungay region of the Atacama desert we have conducted detailed analyses of organic and inorganic C and N concentrations. Organic carbon (OC) and organic nitrogen (ON) were low, especially in the soils from the most extreme arid region. OC/ON ratio was in the range typical for biotically synthesized organic matter. Comparison to estimates of C content in the Mars soil analyzed by the Viking Landers show that the Atacama soils, even in the hard-core extreme desert sites, have very low biological activity as terrestrial soils are concerned, but still have higher concentrations of total organic carbon compared to the Mars soils analyzed by the Viking Pyrolytic experiment.

When soil samples collected from the Yungay region of Atacama desert were analyzed for DNA encoding the genes for the nitrite reductase S gene the gene encoding for the key denitrification enzyme, it was not found. These data combinded with last years data where no trace of nitrogen cycling was detected in the field, even under wet conditions suggests that that either there are no organisms capable of N-cyclein in the soil, or the soil contains somethin inhibiting their activity.

Peter Backus, Jill Tarter, Rocco Mancinelli – We held a two and a half day workshop on July 18-20, 2005 on the topic of the Habitability of Planets Orbiting M Stars. Thirty scientists from nineteen institutions in the US and UK participated. Thirteen of the participants were from six other NAI Teams. Results of the workshop are reported in a paper submitted to the journal Astrobiology. The paper was written over many months through the use of email lists and a secure private web site. Another web site http://mstars.seti.org provided information for the general public.

Nathalie Cabrol- Despite harsh weather conditions in the altiplano this year, both planned ascents were completed successfully, one on the Licancabur volcano to continue our work from previous years, and the other one on our new site (Poquentica), another volcano hosting a lake located 800 km north of Licancabur. During our one-month, 800 km, trek through the Bolivian altiplano, the team also sampled about a half-a-dozen new sites (evaporating lakes, salars, and geothermal centers) Achievements include: (1) a new stratigraphical transect in the geological record of Laguna Verde to study the evolution of paleohabitats and life during fast changing climate conditions (2) Biological sampling and water chemistry of the summit and lower lakes (3) Retrieval of data from the meteorological station at the summit of Licancabur which logged for one year (4) Geophysics: Measurements of UVA , UVB , PAR and UVC were performed (5) Sampling of frozen soil (or permafrost) on the shore of the Licancabur and Poquentica lakes and sampling of ice from those lakes which were both frozen to depth this year preventing diving. Bin Chen has analyzed salt samples from the 2005 trip. She has identified organic composition in the Laguna Blanca samples. She is using the database to characterize the concentration and structure stability of biogenic carbonaceous contents, especially biomarkers such as hopane and the derivatives, which likely existed in the prokaryotic and eukaryotic membranes study the chemical structures of the organic species and their interactions with the host environment (as in rock, salt and soil mixtures) to understand the preservation and evolution of the life in local conditions that include extremes of UV radiation, desiccation, cold temperature and salinity. She investigates abiogenic organics and components such as carbonate, oxyanionic mineral groups, sulfides and hydroxides produced from the biological activities. The next step will be to study the chemical stability and relative abundance of the biomarkers in the samples obtained from the geological transects in conjunction with the geochemistry, temperatures, pH (current lakes), salinity, UV radiation level, elevation in the transect and paleoenvironment. The correlation will help us understand how both extant and extinct life adapt to changes.

David Summers & Bishun Khare- A paper is currently under review in the journal Astrobiology. Effort has partially turned to study of the stable isotope fractionation and the effects of water layers on mineral surfaces. (This data could then be combined with future isotopic composition work from the Atacama where nitrates may be of abiotic origin.) This included designing and constructing a new irradiation apparatus (now finished). Work also contributed to the study of the isotope fractionation in next step in the reaction sequence, reduction of nitrite to ammonia FeS + NO 2 at pH

5, shows an average fractionation of +6 per mil FeCl 2 + NO 2 at pH 8.2 shows an average fractionation of -4 per mil). This work will also contributes to experiments to include the action of Fe(II) in the aqueous phase on the fixation processes.

Emma Bakes- Our mapping of the chemical sequences for anions, neutrals and cationic nitrogenated aromatic molecules in Titan’s organic haze layer is well underway, utilizing the participation of quantum chemist Alessandra Ricca. We are mapping the chemical energetics and the plausibility of each suggested reaction pathway for bicyclic nitrogenated aromatics suggestive of purine and pyrimidine bases of RNA and DNA molecules to probe the plausibility of their photochemical formation in an atmsosphere. UV penetration directly affects the survival or destruction of organic molecules and the irradiation of potential life forms and we have completed and published our investigation of how the UV radiation interacts with large molecules, tholins and the gas phase and to what degree it penetrates to the surface of Titan. Our laboratory study of hydrogen molecule synthesis on aromatics and aerosols to seek a physically plausible pathway to the accelerated oxidation of Titan and the early Earth is complete and published.

Friedemann Freund & Lynn Rothschild – The major objective of this task is to study the causes for the slow but inextricable oxidation of the Earth over the first 3 Gyr of its history. Contrary to the widely held belief that planet Earth became oxidized due to the activity of early photosynthetic microorganisms (akin to present-day blue-green algae and cyanobacteria), we have convincingly shown that there is an alternative and entirely abiogenic pathway toward global oxidation: the presence of oxygen anions in the minerals of common igneous rocks that have converted from a valence of 2— to a valence of 1— (peroxy). Upon weathering this peroxy fraction hydrolyzes to hydrogen peroxide, which in turn oxidizes reduced transition metal cations, foremost ferrous iron to ferric iron. This leads to the precipitation of ferric oxides in the ocean and, hence, to the deposition of Banded Iron Formations ( BIF ). After this process has gone on for sufficiently long time, 1-2 billion years, the rocks on the continents will evolve toward andesitic-granitic compositions and free oxygen will begin to be injected into the atmosphere.

Janice Bishop & Lynn Rothschild- This year we completed analyzing the data from our initial lab experiments and summarized our results in a paper that is in press in the International Journal of Astrobiology. This work showed that nanophase iron oxide-bearing minerals can facilitate growth of photosynthetic organisms by providing protection from UV radiation. Based on the spectral properties of iron oxides and the results of experiments with two photosynthetic organisms, we propose a scenario where photosynthesis, and ultimately the oxygenation of the atmosphere, depended on the protection of early microbes by nanophase ferric oxides/oxyhydroxides. Such niches may have also existed on Mars.

We have begun evaluating the OMEGA hyperspectral visible/near-infrared ( VNIR ) spectra of Mars in an effort to characterize deposits of nanophase ferric oxide-bearing minerals that could provide UV protected niches for photosynthetic microbes if they were present on Mars. This part of the project will be expanded this year as the CRISM hyperspectral VNIR images become available. Concurrent with other projects, we are evaluating the spectral properties of Fe-bearing Mars analog sites on earth and analyzing spectra of Mars for Fe oxide-bearing components. We have collected some material containing nanophase ferric oxides/oxyhydroxides from Yellowstone that we have begun analyzing. From the chemical and spectral data this sample appears interesting and we are hoping to perform some in situ field measurements during the next year.

PROJECT INVESTIGATORS:

Rocco Mancinelli
Project Investigator

Sciences

This page is a gateway to the resources I have curated for the various integrated MYP science classes I teach.

Science is the process by which we learn how our world works. We call this process “the scientific method”. It involves asking questions, generating hypotheses (making predictions), designing investigations to test those hypotheses, collecting and analyzing data, and evaluating the results and the procedure to reach conclusions about our hypotheses. The presentation embedded below shows how the scientific method is applied within the context of my MYP science classes.

You’ll find almost all the resources you need for MYP general sciences on their respective pages: astronomy, biology, chemistry, earth science and ecology, and physics. I’ve tried to make navigation through the notes, videos, homework, and summative tasks as easy as possible by extensively hyperlinking within the “official class notes” presentations shared through Google Drive and Google Classroom. If you’re visiting this site from a school other than where I teach, you may not be able to navigate through all those hyperlinks.

Below you’ll find scoring rubrics for all 4 assessment criteria in MYP sciences. The rubrics are intended for MYP years 4 & 5 but may easily be scaled for MYP years 1 to 3.

Criterion A: Knowing and understanding

MYP Criterion A assesses students’ ability to explain scientific concepts, solve problems, and evaluate information.

Criterion B: Inquiring and designing

MYP Criterion B assesses students’ ability to design scientific investigations. It’s about explaining the question, developing testable hypotheses, changing and measuring variables, and designing safe, logical methods using appropriate materials and equipment.

Criterion C: Processing and evaluating

MYP Criterion C assesses students’ ability to evaluate an investigation and reach a conclusion based on its results. It’s about collecting, organizing, and presenting data reliably, interpreting the results, and evaluating the investigation to determine how it could be improved or extended.

Criterion D: Reflecting on the impacts of science

MYP Criterion D assesses students’ ability to examine and evaluate how scientific innovations shape our planet and our society.


2) Planetary Driver of Environmental Change

The Earth has evolved dramatically over time, from a hot, molten ball (magma ocean) immediately following the giant Moon-forming Impact at c. 4.5 Ga, to the cool planet of today with a dozen or so large tectonic plates that are created at mid-ocean ridges and partly recycled back into the mantle across steep subduction zones. My research on early Earth has suggested that this “modern” (i.e. steep) style of subduction commenced at c. 3.1 Ga, due to a crossover point in time when the amount of conductive heat emanating from the mantle first declined to values beneath the capacity of the crust to lose that heat. This allowed the tectonic plates to grow and to cool and thicken away from mid-oceanic ridges, resulting in the onset of steep subduction (through plate sinking).

Ongoing research into the proposed Mesoarchean change in the tectonic style of the planet includes:

  • Analysis of geochemical proxies of subduction through time, specifically high field strength elements in magmatic rocks, and oxygen and Hf isotopes in zircons. Preliminary results show that onset of steep subduction is accompanied by the start of the supercontinent cycle, which evolved and changed over time, peaking at c. 1 Ga and declining in intensity thereafter (Fig. 1).
  • Analysis of a proposed Paleoarchean suture zone in South Africa, where high-P metamorphic mineral assemblages have been used to infer a suture zone. Detailed mapping in 2012 will be combined with geochronology and geochemistry to test this claim. Preliminary results suggest a more complex situation than previously reported.
  • Analysis of oxygen isotopes in zircons from dated samples from Pilbara, Western Australia. Samples were specifically identified to test the subduction-accretion model developed for this area. Preliminary results show evidence for both high and low oxygen isotope values in zircons dated at exactly the age identified independently for subduction and accretion of the West Pilbara Superterrane, and not from zircons of any other age.

Collaborators: Chris Kirkland (Geol. Survey Western Australia) John Cliff (U. Western Australia)

Figure 1: Schematic diagram of Earth evolution through time, showing steps in crustal growth following on from pulses of mantle heat arising from the aftermath of subduction avalanches during supercontinent amalgamation that were accompanied by changes to Earth tessellation (T1-T4).


8.2: Astrobiology - Biology

Abe, Y., Abe-Ouchi, A., Sleep, N. H., & Zahnle, K. J. (2011). Habitable Zone Limits for Dry Planets. Astrobiology, 11(5), 443–460. doi:10.1089/ast.2010.0545

Catling, D. C., & Zahnle, K. J. (2009). The Planetary Air Leak. Scientific American, 300(5), 36–43. doi:10.1038/scientificamerican0509-36

Catling, D. C., Claire, M. W., Zahnle, K. J., Quinn, R. C., Clark, B. C., Hecht, M. H., & Kounaves, S. (2010). Atmospheric origins of perchlorate on Mars and in the Atacama. Journal of Geophysical Research, 115. doi:10.1029/2009je003425

Goldblatt, C., & Zahnle, K. J. (2010). Clouds and the Faint Young Sun Paradox. Climate of the Past Discussions, 6(3), 1163–1207. doi:10.5194/cpd-6-1163-2010

Goldblatt, C., & Zahnle, K. J. (2011). Clouds and the Faint Young Sun Paradox. كليم. Past, 7(1), 203–220. doi:10.5194/cp-7-203-2011

Goldblatt, C., & Zahnle, K. J. (2011). Faint young Sun paradox remains. Nature, 474(7349), E1–E1. doi:10.1038/nature09961

Goldblatt, C., Claire, M. W., Lenton, T. M., Matthews, A. J., Watson, A. J., & Zahnle, K. J. (2009). Nitrogen-enhanced greenhouse warming on early Earth. Nature Geosci, 2(12), 891–896. doi:10.1038/ngeo692

Goldblatt, C., Zahnle, K. J., Sleep, N. H., & Nisbet, E. G. (2009). The Eons of Chaos and Hades. Solid Earth Discuss., 1(1), 47–53. doi:10.5194/sed-1-47-2009

Goldblatt, C., Zahnle, K. J., Sleep, N. H., & Nisbet, E. G. (2010). The Eons of Chaos and Hades. Solid Earth, 1(1), 1–3. doi:10.5194/se-1-1-2010

Konhauser, K. O., Pecoits, E., Lalonde, S. V., Papineau, D., Nisbet, E. G., Barley, M. E., … Kamber, B. S. (2009). Oceanic nickel depletion and a methanogen famine before the Great Oxidation Event. Nature, 458(7239), 750–753. doi:10.1038/nature07858

Marion, G. M., Catling, D. C., Zahnle, K. J., & Claire, M. W. (2010). Modeling aqueous perchlorate chemistries with applications to Mars. Icarus, 207(2), 675–685. doi:10.1016/j.icarus.2009.12.003

Tian, F., Claire, M. W., Haqq-Misra, J. D., Smith, M., Crisp, D. C., Catling, D., … Kasting, J. F. (2010). Photochemical and climate consequences of sulfur outgassing on early Mars. Earth and Planetary Science Letters, 295(3-4), 412–418. doi:10.1016/j.epsl.2010.04.016

Tian, F., Kasting, J. F., & Zahnle, K. (2011). Revisiting HCN formation in Earth’s early atmosphere. Earth and Planetary Science Letters, 308(3-4), 417–423. doi:10.1016/j.epsl.2011.06.011

Zahnle, K. (2008). Atmospheric chemistry: Her dark materials. Nature, 454(7200), 41–42. doi:10.1038/454041a

Zahnle, K., Freedman, R. S., & Catling, D. C. (2011). Is there methane on Mars?. Icarus, 212(2), 493–503. doi:10.1016/j.icarus.2010.11.027

Zahnle, K., Haberle, R. M., Catling, D. C., & Kasting, J. F. (2008). Photochemical instability of the ancient Martian atmosphere. Journal of Geophysical Research, 113(E11), None. doi:10.1029/2008je003160


Life in Extreme Conditions

At a chemical level, life consists of many types of molecules that interact with one another to carry out the processes of life. In addition to water, elemental raw materials, and energy, life also needs an environment in which those complicated molecules are stable (don’t break down before they can do their jobs) and their interactions are possible. Your own biochemistry works properly only within a very narrow range of about 10 °C in body temperature and two-tenths of a unit in blood pH (pH is a numerical measure of acidity, or the amount of free hydrogen ions). Beyond those limits, you are in serious danger.

Life overall must also have limits to the conditions in which it can properly work but, as we will see, they are much broader than human limits. The resources that fuel life are distributed across a very wide range of conditions. For example, there is abundant chemical energy to be had in hot springs that are essentially boiling acid (see [link]). This provides ample incentive for evolution to fill as much of that range with life as is biochemically possible. An organism (usually a microbe) that tolerates or even thrives under conditions that most of the life around us would consider hostile, such as very high or low temperature or acidity, is known as an extremophile (where the suffix -phile means “lover of”). Let’s have a look at some of the conditions that can challenge life and the organisms that have managed to carve out a niche at the far reaches of possibility.

Both high and low temperatures can cause a problem for life. As a large organism, you are able to maintain an almost constant body temperature whether it is colder or warmer in the environment around you. But this is not possible at the tiny size of microorganisms whatever the temperature in the outside world is also the temperature of the microbe, and its biochemistry must be able to function at that temperature. High temperatures are the enemy of complexity—increasing thermal energy tends to break apart big molecules into smaller and smaller bits, and life needs to stabilize the molecules with stronger bonds and special proteins. But this approach has its limits.

Nevertheless, as noted earlier, high-temperature environments like hot springs and hydrothermal vents often offer abundant sources of chemical energy and therefore drive the evolution of organisms that can tolerate high temperatures (see [link]) such an organism is called a thermophile. Currently, the high temperature record holder is a methane-producing microorganism that can grow at 122 °C, where the pressure also is so high that water still does not boil. That’s amazing when you think about it. We cook our food—meaning, we alter the chemistry and structure of its biomolecules—by boiling it at a temperature of 100 °C. In fact, food begins to cook at much lower temperatures than this. And yet, there are organisms whose biochemistry remains intact and operates just fine at temperatures 20 degrees higher.

الشكل 5. What appears to be black smoke is actually superheated water filled with minerals of metal sulfide. Hydrothermal vent fluid can represent a rich source of chemical energy, and therefore a driver for the evolution of microorganisms that can tolerate high temperatures. Bacteria feeding on this chemical energy form the base of a food chain that can support thriving communities of animals—in this case, a dense patch of red and white tubeworms growing around the base of the vent. (credit: modification of work by the University of Washington NOAA/OAR/OER)

Cold can also be a problem, in part because it slows down metabolism to very low levels, but also because it can cause physical changes in biomolecules. Cell membranes—the molecular envelopes that surround cells and allow their exchange of chemicals with the world outside—are basically made of fatlike molecules. And just as fat congeals when it cools, membranes crystallize, changing how they function in the exchange of materials in and out of the cell. Some cold-adapted cells (called psychrophiles) have changed the chemical composition of their membranes in order to cope with this problem but again, there are limits. Thus far, the coldest temperature at which any microbe has been shown to reproduce is about –25 ºC.

Conditions that are very acidic or alkaline can also be problematic for life because many of our important molecules, like proteins and DNA, are broken down under such conditions. For example, household drain cleaner, which does its job by breaking down the chemical structure of things like hair clogs, is a very alkaline solution. The most acid-tolerant organisms (acidophiles) are capable of living at pH values near zero—about ten million times more acidic than your blood ([link]). At the other extreme, some alkaliphiles can grow at pH levels of about 13, which is comparable to the pH of household bleach and almost a million times more alkaline than your blood.

الشكل 6. With a pH close to 2, Rio Tinto is literally a river of acid. Acid-loving microorganisms (acidophiles) not only thrive in these waters, their metabolic activities help generate the acid in the first place. The rusty red color that gives the river its name comes from high levels of iron dissolved in the waters.

High levels of salts in the environment can also cause a problem for life because the salt blocks some cellular functions. Humans recognized this centuries ago and began to salt-cure food to keep it from spoiling—meaning, to keep it from being colonized by microorganisms. Yet some microbes have evolved to grow in water that is saturated in sodium chloride (table salt)—about ten times as salty as seawater ([link]).

الشكل 7. The waters of an evaporative salt works near San Francisco are colored pink by thriving communities of photosynthetic organisms. These waters are about ten times as salty as seawater—enough for sodium chloride to begin to crystallize out—yet some organisms can survive and thrive in these conditions. (الائتمان: تعديل العمل من قبل وكالة ناسا)

Very high pressures can literally squeeze life’s biomolecules, causing them to adopt more compact forms that do not work very well. But we still find life—not just microbial, but even animal life—at the bottoms of our ocean trenches, where pressures are more than 1000 times atmospheric pressure. Many other adaptions to environmental “extremes” are also known. There is even an organism, Deinococcus radiodurans, that can tolerate ionizing radiation (such as that released by radioactive elements) a thousand times more intense than you would be able to withstand. It is also very good at surviving extreme desiccation (drying out) and a variety of metals that would be toxic to humans.

From many such examples, we can conclude that life is capable of tolerating a wide range of environmental extremes—so much so that we have to work hard to identify places where life can’t exist. A few such places are known—for example, the waters of hydrothermal vents at over 300 °C appear too hot to support any life—and finding these places helps define the possibility for life elsewhere. The study of extremophiles over the last few decades has expanded our sense of the range of conditions life can survive and, in doing so, has made many scientists more optimistic about the possibility that life might exist beyond Earth.


8.2: Astrobiology - Biology

Titan organics comprise a very complex mixture of compounds. Several approaches are being developed that provide targeted detection of specific functional groups, such as nitriles, imines, primary amines, and carbon-carbon multiple bonds.

Project Progress

Titan organics comprise a very complex mixture of compounds. Co-Investigator Jack Beauchamp and Graduate Student Kathleen Upton are developing several approaches that provide targeted detection of specific functional groups, such as nitriles, imines, primary amines, and carbon-carbon multiple bonds. Experiments for the selective and sensitive detection of primary amines through mass spectrometry are currently being conducted due to the biological prevalence of small molecule ( 1

This allows for the selective detection of primary amine functionality in a complex mixture of organic compounds. As a test of this idea, laboratory produced tholins from two different plasma discharge generators (Figure 2) were complexed with 18-Crown-6. These include synthesis as described by Saker et. al. (2003) and the generator most recently developed by Mark Smith and coworkers. 2,3

Each tholin was dissolved in dichloromethane at 2 mg/ml with 2mM 18-Crown-6 ether. Adduct formation with the Saker tholin is shown in Figure 3. The marked peaks in this figure, with M = 18-Crown-6 ether, correspond to two different series (triangles: NH2-(CH2)ن-CH2CN, where n=0 is the first in the series, and circles: NH2-(CH2)ن-CH(CN)2 ,where n=2 is the first in the series). The results of a similar experiment with the Smith tholin are shown in Figure 4, where several of the crown ether adduct peaks are labeled with an asterisk. Several of these match peaks observed in Figure 3 and others differ by two to six amu. These deviations could indicate the presence of unsaturation (CC or CN multiple bonds) or a different extent of nitrogen incorporation in the Smith tholins.

Complexation with 18-Crown-6 ether leads to the identification of primary amine functionality in both Tholin mixtures. It is particularly noteworthy that the two different preparations yield a very different mixture of primary amines. Beauchamp and Upton are currently trying to understand the origin of these differences in greater detail in addition to starting with fresh preparations of the tholins.

Primary amine functionality can also be selectively detected using an amine reactive reagent with a permanent charge. This can be accomplished with the quaternary ammonium tag , which reacts with primary amines in basic conditions as indicated in Figure 5. The tag is prepared in acetonitrile and is moisture sensitive. 4

They have tested the amine reactive tag illustrated in Figure 5 using a mixture of the neurotransmitters dopamine, serotonin, and norepinephrine, which are all important biological compounds with primary amine functionality. Solutions of 100uM of the neurotransmitter in 0.1M TRIS at a pH of 8.2 with 10ug of the quaternary ammonium tag were allowed to react for 1 hour, after which they were quenched with 0.1% formic acid, and then diluted for analysis. Mass spectrometric analysis using ESI provided excellent yields and greatly enhanced sensitivity for detection of all three neurotransmitters compared to ESI of the underivatized amines.

Unfortunately, due to tholin reactivity with water and acid, the buffer and quench used with the amine reactive tag could not be used to directly derivatize tholin samples. The procedure was modified to use acetonitrile as the solvent. Tholins dissolve well in acetonitrile, as does the amine reactive tag, and tholins are known to be slightly basic due to nitrogen content. 1mg/mL of the Smith tholin and 100uM quaternary ammonium tag were combined in acetonitrle and left at room temperature. Analysis was performed at various points over a two day period, during which no changes indicative of the derivatization were observed in the mass spectrum. Future studies will explore a wider range of reaction conditions to achieve enhanced yields of derivatized products.

Additional experiments in progress include the use of reactive desorption electrospray ionization ( DESI ) 5 for targeted identification of primary amines, using both of the reagents described above. By using this technique, exposure of the tholin to buffers or acids is minimized. The successful 18-Crown-6 adduct formation described earlier is being used as a starting point for reactive DESI , using neurotransmitters as test compounds. Once the ideal reactive DESI conditions are determined, the quaternary ammonium tag methodology will be attempted on neurotransmitters to determine any changes required in the experimental procedure. If successful they will again test the tholin samples to see if primary amines can be selectively detected.

مراجع:
1. Julian R. R. Beauchamp J. L. Int. J. Mass Spectrom. 2001, 210, 613-623.
2. N. Sarker, A. Somogyi, J. I. Lunine, and M. A. Smith, Astrobiology, 2003, 3(4), 719- 726.
3. A. Somogyi, C. Oh, M. A. Smith, J. I. Lunine, J. Am. شركة نفط الجنوب. Mass Spectrom., Vol. 16, 6, 2005, 850-859.
4. F. Che, L. D. Fricker, J. Mass Spectrom. 2005, 40, 238–249
5. I. Cotte-Rodríguez, Z. Takáts, N. Talaty, H. Chen, R. G. Cooks, Anal. Chem., 2005, 77 (21), 6755–6764

/> Figure 1. 18-Crown-6 ether complexed to protonated butylamine. The complex sequesters the proton at the primary amine site, preventing deprotonation during electrospray ionization. /> Figure 2. Tholin generators used to produce the two samples examined for primary amine content in this study. The Saker generator uses at gas flow system at atmospheric pressure and collects tholins below the discharge, while the Smith generator operates gas flow at low pressure and collects around the discharge

/> Figure 3. ESI/MS spectrum of 18-Crown-6 complexed Saker tholins. The triangles and circles indicated complexed species fitting a particular compound series.

/> Figure 4. ESI/MS spectrum of 18-Crown-6 complexed Smith tholins. The asterisks indicate identified crown ether adducts. /> Figure 5. a) Amine reactive tag for derivatizing primary amines with a permanent charge. b) Derivatization of an arbitrary primary amine RNH2.

PROJECT INVESTIGATORS:

Jesse Beauchamp
Project Investigator


شاهد الفيديو: مدخل إلى علم الأحياء (يوليو 2022).


تعليقات:

  1. Faulabar

    لا أعرف أي نوع من الأسلحة التي سيتم خوض الحرب العالمية الثالثة ، ولكن الرابع - بالعصي والحجارة.

  2. Amd

    في رأيي لم تكن على حق. أدخل سنناقشها. اكتب لي في PM.

  3. Etchemin

    لقد زارتك الفكرة التي تشرق ببساطة

  4. Farhan

    موضوع ملحوظ

  5. Yas

    أنا أفهم ذلك جيدًا. أنا يمكن أن تساعد مع قرار السؤال.



اكتب رسالة