ארובות הידרותרמיות
פעולות נוספות
ארובות הידרותרמיות נוצרות כאשר גזים לוהטים פורצים מתחת למים באוקיינוסים עמוקים, בעקבות פעילות געשית. מים קרים חודרים לתחתית הארובות ומקררים את הדפנות. פעילות כימית יוצרת מולקולות מורכבות. מהוות את הבסיס ליצירת מערכת ביוכימית שמובילה ליצירת מטבוליזם.[1]
מודל הארובות ההידרותרמיות עריכה
אחת התיאוריות המרכזיות באשר למקום ולתנאים שבהם נוצרו החיים הראשונים על פני כדור הארץ לפני כ 3.5מיליארד שנים היא השערת הארובות ההידרותרמיות (Hydrothermal vent hypothesis). על פי מודל זה, החיים נוצרו בסביבת ארובות הידרותרמיות בקרקעית האוקיינוס בפתחים גאותרמיים בקרקעית הים העמוק שנמצאים לרוב בסמוך לרכסים אוקייניים פעילים, מהם נפלטים גזים חמים ואדי מים ועשירים במינרלים[2].הארובות ההידרותרמיות נוצרות כאשר מים קרים חודרים אל תוך הקרום האוקייני, מתחממים כתוצאה ממגע עם מגמה לוהטת ויוצאים חזרה דרך סדקים בלחץ גבוה ובטמפרטורות של עד 400 מעלות צלזיוס. המים הנפלטים נושאים עמם מינרלים שונים, בהם תרכובות גופרית, ברזל, מימן מולקולרי (H2), מתאן (CH4), אמוניה (NH3) ומולקולות נוספות שיכולות לשמש חומרי מוצא לתגובות כימיות קדם-ביולוגיות.[3]
יתרונות סביבת הארובות עריכה
תומכי השערה זו מציינים כי סביבת הארובות ההידרותרמיות מציעה תנאים יציבים יחסית לאורך מיליוני שנים, אשר אפשרו לתהליכים כימיים ראשוניים להתרחש בהדרגה. הארובות מספקות מקור אנרגיה כימי (כגון תגובות חיזור־חימצון של גופרית וברזל), טווחי טמפרטורות מגוונים, סביבה מוגנת מקרינת השמש המזיקה ומבנים מינרליים נקבוביים שיכולים לשמש כ"נשאים" להצטברות מולקולות אורגניות.
מודל הארובות האלקליות עריכה
מודל הארובות ההידרותרמיות האלקליות (alkaline hydrothermal vents),הוצע בשנים האחרונות כפתרון לשאלות הקשורות לאנרגיה זמינה ולשימור מולקולות אורגניות. בארובות אלה, ה-pH של הנוזלים גבוה במיוחד (בסביבות 9–11), והן עשירות במימן ובברזל דו-ערכי (Fe+2) תנאים המספקים מנגנוני חיזור חיוניים להיווצרות מולקולות קדם-ביולוגיות. יש המציעים כי ממברנות תאיות פרימיטיביות נוצרו לראשונה במיקרו-מבנים (מיצלות) שנוצרו בארובות אלה.[4]
עדויות מודרניות עריכה
מחקרים שנעשו בארובות הידרותרמיות עמוקות, כגון אלו הנמצאות באוקיינוס האטלנטי ובאוקיינוס השקט, גילו קהילות מיקרוביאליות עשירות המתבססות על כימוסינתזה – כלומר, הפקת אנרגיה מתרכובות כימיות ולא מאור השמש. עובדה זו מצביעה על כך שגם החיים הראשונים לא היו בהכרח תלויים בפוטוסינתזה, ומחזקת את האפשרות שסביבת הארובות שימשה אתר הולדתם של החיים על פני כדור הארץ.[5]
היווצרות מולקולות RNA ו-DNA – עקרון ההכפלה התרמית עריכה
.png){kind=link}
במסגרת השערת הארובות ההידרותרמיות, מוצע כי תנאי הסביבה המיוחדים של אזורים אלו – ובעיקר השינויים המחזוריים בטמפרטורת המים: בתוך הנקבים הזעירים בדפנות הארובה מתקיימים הבדלים קיצוניים בטמפרטורה בין פנים הארובה לבין המים החיצוניים הקרים. הבדלים אלה יוצרים זרמים מיקרוסקופיים ("מיקרו-קונבקציה") המעבירים מולקולות קדימה ואחורה דרך אזורים חמים וקרים לסירוגין. במעברים אלו מתרחשים תהליכים הבאים:
- בטמפרטורות גבוהות יחסית, במרכז הארובה קשרי מימן בין גדילים של נוקלאוטידים נחלשים, והשרשראות נפרדות (בדומה לשלב הדנטורציה ב-PCR).
- במעבר למים קרים הטמפרטורה נמוכה יותר וקיים ריכוז גבוה של נוקלאוטידים חופשיים שמאפשר קשרים מחודשים בין הבסיסים המתאימים. תהליך הדומה לשלב הפתיחה והארכה של שרשרת RNA או DNA.
תהליך זה – גם אם התרחש באופן איטי וספונטני – מהווה מנגנון טבעי אפשרי להכפלה עצמית של מולקולות נוקלאוטידיות, ללא צורך באנזימים. החוקרים מציעים כי באמצעות מחזורים תרמיים מסוג זה, התאפשרה סלקציה מוקדמת לגדילים יציבים יותר או בעלי יכולת קיפול עצמי כמו ריבוזים (תלכידים שלRNA וחלבונים, שקדמו לריבוזומים), דבר שהאיץ את התפתחות עולם ה-RNA הקדם-ביולוגי. חלבונים בעלי פעילות אנזימטית עשויים להתקבל גם ביצירת שרשרות פוליאמיניות באקראי במהלך מיליוני שנים,[6]ובהמשך, על פי הקוד שבRNA. בדומה לאנזימים פולימרז וטרנסקריפטז החיוניים להכפלת DNA.מכאן גם נובעת תמיכה בהשערת עולם ה-RNA, לפיה מולקולות RNA קדמו ל-DNA ולחלבונים,[7] ושימשו הן כמאגר מידע גנטי והן כזרזים כימיים (אנזימים טבעיים). בהמשך, תחת תנאים דומים, התפתחו גם אנלוגים ראשוניים של DNA – מולקולה יציבה יותר – אשר אפשרה שמירת מידע גנטי לטווח ארוך יותר והובילה בהדרגה להופעת המנגנונים הגנטיים המוכרים של החיים כיום.[3]
חקר הארובות עריכה
הארובות הידרותרמיות התגלו לראשונה בשנות ה־70 של המאה ה־20 במהלך מסעות מחקר באוקיינוס השקט באמצעות צוללות מחקר. מאז נערכו מחקרים רבים בעזרת רובוטים תת-ימיים וצוללות מאוישות, כמו Alvin. גילוים שינה את ההבנה המדעית על התנאים לקיום חיים בכדור הארץ ואף על האפשרות לקיום חיים בגופים שמימיים אחרים, כגון הירח אירופה של צדק או אנקלדוס של שבתאי.
ראו גם עריכה
הערות שוליים עריכה
- ^ Rachel Brazil2017-04-16T09:15:00+01:00, Hydrothermal vents and the origins of life, Chemistry World (ב־English)
- ^ Magdalena N. Georgieva, Crispin T. S. Little, Valeriy V. Maslennikov, Adrian G. Glover, Nuriya R. Ayupova, Richard J. Herrington, The history of life at hydrothermal vents, Earth-Science Reviews 217, 2021-06-01, עמ' 103602 doi: 10.1016/j.earscirev.2021.103602
- ^ 1 2 William Martin, Michael J. Russell, On the origins of cells: a hypothesis for the evolutionary transitions from abiotic geochemistry to chemoautotrophic prokaryotes, and from prokaryotes to nucleated cells, Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series B, Biological Sciences 358, 2003-01-29, עמ' 59–83; discussion 83–85 doi: 10.1098/rstb.2002.1183
- ^ Katrina I. Twing, L. M. Ward, Zachary K. Kane, Alexa Sanders, Roy Edward Price, H. Lizethe Pendleton, Donato Giovannelli, William J. Brazelton, Shawn E. McGlynn, Microbial ecology of a shallow alkaline hydrothermal vent: Strýtan Hydrothermal Field, Eyjafördur, northern Iceland, Frontiers in Microbiology 13, 2022-11-17 doi: 10.3389/fmicb.2022.960335
- ^ Maximilian Weingart, Siyu Chen, Clara Donat, Vanessa Helmbrecht, William D. Orsi, Dieter Braun, Karen Alim, Alkaline vents recreated in two dimensions to study pH gradients, precipitation morphology, and molecule accumulation, Science Advances 9, 2023-09-29, עמ' eadi1884 doi: 10.1126/sciadv.adi1884
- ^ איך נוצרו החלבונים הראשונים? - R & E
- ^ מכון ויצמן, איך חלבון נולד?, באתר הידען - Hayadan, 2016-10-11