العلماء يكشفون عن الدور السري لليوريا في أصل الحياة

طور الباحثون طريقة جديدة لمراقبة التفاعلات الكيميائية في السوائل، وتسليط الضوء على التفاعلات التي تنطوي على جزيئات مثل اليوريا التي ربما تكون قد ساهمت في ظهور الحياة على الأرض. تتضمن هذه التقنية جهازًا خاصًا ينتج نفثًا سائلًا دقيقًا وتحليلًا طيفيًا للأشعة السينية، مما يسمح للعلماء بدراسة التفاعلات التي تحدث في مجرد فمتوثانية.

طور علماء من ETH Zurich وجامعة جنيف تقنية جديدة تسمح لهم بمراقبة التفاعلات الكيميائية التي تحدث في السوائل بدقة زمنية عالية للغاية. يمكّنهم هذا الابتكار من تتبع كيفية تغير الجزيئات داخلها في مجرد فمتوثانية – وبعبارة أخرى، في غضون بضعة أجزاء من كوادريليون من الثانية.

يعتمد هذا الإنجاز على بحث سابق أجراه نفس الفريق بقيادة هانز جاكوب ورنر، أستاذ الكيمياء الفيزيائية في ETH زيورخ. وقد أسفر هذا العمل عن نتائج مماثلة للتفاعلات التي تحدث في البيئات الغازية.

ولتوسيع ملاحظات التحليل الطيفي للأشعة السينية لتشمل السوائل، كان على الباحثين تصميم جهاز قادر على إنتاج نفث سائل بقطر أقل من ميكرومتر واحد في الفراغ. وكان هذا ضروريًا لأنه إذا كان التدفق أوسع، فإنه سيمتص بعضًا من الأشعة السينية المستخدمة لقياسه.

رائد جزيئي في الكيمياء الحيوية

وباستخدام الطريقة الجديدة، تمكن الباحثون من الحصول على نظرة ثاقبة للعمليات التي أدت إلى ظهور الحياة على الأرض. يفترض العديد من العلماء أن اليوريا لعبت دورًا محوريًا هنا. وهو أحد أبسط الجزيئات التي تحتوي على الكربون والنيتروجين.

علاوة على ذلك، من المحتمل جدًا أن تكون اليوريا موجودة حتى عندما كانت الأرض صغيرة جدًا، وهو الأمر الذي اقترحته أيضًا تجربة مشهورة أجريت في الخمسينيات من القرن الماضي: قام العالم الأمريكي ستانلي ميلر بتحضير خليط من تلك الغازات التي يعتقد أنها شكلت العناصر البدائية للكوكب. الجو وتعريضه لظروف العواصف الرعدية. أنتج هذا سلسلة من الجزيئات، أحدها كان اليوريا.

ووفقاً للنظريات الحالية، فمن الممكن أن تكون اليوريا قد تم إثراءها في برك دافئة – تسمى عادة الحساء البدائي – على الأرض التي كانت بلا حياة آنذاك. ومع تبخر الماء الموجود في هذا الحساء، زاد تركيز اليوريا. من خلال التعرض للإشعاعات المؤينة مثل الأشعة الكونية، من الممكن أن تكون هذه اليوريا المركزة قد أنتجت المالونيك حامض عبر خطوات تركيبية متعددة. وهذا بدوره قد يكون قد خلق اللبنات الأساسية لـ الحمض النووي الريبي و الحمض النووي.

لماذا حدث رد الفعل هذا بالضبط

باستخدام طريقتهم الجديدة، قام الباحثون من ETH Zurich وجامعة جنيف بالتحقيق في الخطوة الأولى في هذه السلسلة الطويلة من التفاعلات الكيميائية لمعرفة كيف يتصرف محلول اليوريا المركز عند تعرضه للإشعاع المؤين.

من المهم معرفة أن جزيئات اليوريا الموجودة في محلول اليوريا المركز تتجمع في أزواج، أو ما يعرف بالدايمرات. وكما تمكن الباحثون الآن من إثبات أن الإشعاع المؤين يسبب الهيدروجين ذرة داخل كل من هذه الثنائيات للانتقال من جزيء يوريا إلى آخر. وهذا يحول جزيء اليوريا إلى جزيء يوريا بروتوني، والآخر إلى جذر اليوريا. هذا الأخير شديد التفاعل كيميائيًا – شديد التفاعل، في الواقع، أنه من المحتمل جدًا أن يتفاعل مع جزيئات أخرى، وبالتالي يشكل أيضًا حمض المالونيك.

تمكن الباحثون أيضًا من إظهار أن هذا النقل لذرة الهيدروجين يحدث بسرعة كبيرة، حيث يستغرق حوالي 150 فيمتو ثانية فقط، أو 150 كوادريليون من الثانية. يقول فورنر: “إن هذا سريع جدًا لدرجة أن رد الفعل هذا يستبق جميع ردود الفعل الأخرى التي قد تحدث أيضًا من الناحية النظرية”. “وهذا ما يفسر لماذا تنتج محاليل اليوريا المركزة جذور اليوريا بدلا من استضافة تفاعلات أخرى من شأنها أن تنتج جزيئات أخرى.”

التفاعلات في السوائل ذات أهمية كبيرة

في المستقبل، يريد فورنر وزملاؤه دراسة الخطوات التالية التي تؤدي إلى تكوين حمض المالونيك. ويأملون أن يساعدهم هذا على فهم أصول الحياة على الأرض.

أما بالنسبة لطريقتهم الجديدة، فيمكن أيضًا استخدامها بشكل عام لفحص التسلسل الدقيق للتفاعلات الكيميائية في السوائل. يقول فورنر: «تحدث مجموعة كاملة من التفاعلات الكيميائية المهمة في السوائل، وليس فقط جميع العمليات الكيميائية الحيوية في جسم الإنسان، ولكن أيضًا العديد من التركيبات الكيميائية ذات الصلة بالصناعة». “ولهذا السبب من المهم جدًا أن نقوم الآن بتوسيع نطاق التحليل الطيفي للأشعة السينية بدقة زمنية عالية ليشمل التفاعلات في السوائل.”

المرجع: “نقل بروتون الفيمتو ثانية في محاليل اليوريا التي تم فحصها بواسطة التحليل الطيفي للأشعة السينية” بقلم تشونغ يين، يي-بينج تشانغ، تاداس بالسيوناس، ياشوج شاكيا، أليكسا دجوروفيتش، جيفري جولير، جوزيبي فازيو، روبن سانترا، لودجر إنهيستر، جان بيير وولف وهانز جاكوب فيرنر، 28 يونيو 2023، طبيعة.
دوى: 10.1038/s41586-023-06182-6

وقد ساعد الباحثين من ETH Zurich وجامعة جنيف في هذا العمل زملاء من Deutsches Elektronen-Synchrotron ديسي في هامبورغ، الذي أجرى الحسابات اللازمة لتفسير بيانات القياس.