Atmospheric UV synthesis of aldehydes and oxidant from CO2, CO and H2O initiating the first ancestral metabolism
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि प्रारंभिक पृथ्वी या मंगल पर CO₂, CO और H₂O के वायुमंडलीय UV विकिरण से एल्डिहाइड, कार्बनिक अम्ल और अमीनो एसिड का एक स्वतःस्फूर्त "आदिम श्वसन चक्र" (प्रिमिटिव रेस्पिरेशन साइकिल) उत्पन्न हो सकता है, जो भू-रसायन विज्ञान और पूर्वज चयापचय के उद्भव के बीच एक सेतु के रूप में एक संभावित गैर-एंजाइमी मार्ग प्रदान करता है।
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जीवन शुरू होने से पहले, पृथ्वी को सरल, निर्जीव गैसों को जीव विज्ञान के जटिल निर्माण खंडों में बदलने के लिए एक तरीके की आवश्यकता थी। वैज्ञानिक लंबे समय से इस बात पर बहस कर रहे हैं कि यह संक्रमण कैसे हुआ, जिसमें दो मुख्य संभावनाओं पर ध्यान केंद्रित किया गया: या तो आरएनए (RNA) जैसे आनुवंशिक अणु पहले आए, या चयापचय (metabolism) का एक नेटवर्क जिसे हम अब चयापचय कहते हैं, पहले आया। दोनों ही परिदृश्यों में, शुरुआती बिंदु समान है: प्रारंभिक वातावरण कार्बन डाइऑक्साइड, कार्बन मोनोऑक्साइड और जल वाष्प से भरा था। प्रश्न यह है कि कैसे सूर्य का प्रकाश इन सामग्रियों पर कार्य करके उन शर्कराओं, अम्लों और प्रोटीन को बना सका जो जीवन को शुरू करने के लिए आवश्यक थे। दशकों तक, शोधकर्ताओं को पता था कि सूर्य का प्रकाश कार्बन मोनोऑक्साइड और पानी को फॉर्मल्डिहाइड, एक सरल चीनी जैसे अणु में बदल सकता है। हालांकि, यह स्पष्ट नहीं था कि क्या यह प्रक्रिया एक जीवित प्रणाली को शुरू करने के लिए आवश्यक रसायनों की समृद्ध विविधता उत्पन्न कर सकती है, या प्रारंभिक पृथ्वी का कठोर, ऑक्सीकरण वाला वातावरण इन नाजुक अणुओं को कुछ भी उपयोगी करने से पहले ही नष्ट कर देगा।
इंस्टीट्यूट ऑफ साइंस टोक्यो में युइचिरो उएनो के नेतृत्व में शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब यह प्रदर्शित किया है कि यह वायुमंडलीय रसायन विज्ञान पहले की तुलना में कहीं अधिक उत्पादक और जटिल है। प्रारंभिक पृथ्वी के वातावरण की स्थितियों को एक कांच के फ्लास्क में सिम्युलेट करके, उन्होंने दिखाया कि सूर्य का प्रकाश न केवल फॉर्मल्डिहाइड बनाता है; यह एल्डिहाइड का एक पूरा परिवार बनाता है, जिसमें एसिटाल्डिहाइड और ग्लायऑक्सल शामिल हैं। जब ये गैसें पानी में घुलती हैं, तो वे केवल वहीं नहीं रहतीं या टूटती नहीं हैं। इसके बजाय, वे एक-दूसरे के साथ एक स्व-निरंतर चक्र में प्रतिक्रिया करना शुरू कर देती हैं जो आधुनिक जैविक श्वसन की मुख्य प्रक्रियाओं की नकल करती है। जर्नल PEPS के लिए एक संशोधित संस्करण में प्रकाशित यह अध्ययन बताता है कि सूर्य के प्रकाश, पानी और कार्बन गैसों की परस्पर क्रिया से एक आदिम चयापचय का रूप स्वतः उभर सकता था, जो जीवन के स्थापित होने के लिए एक स्थिर रासायनिक आधार प्रदान करता है।
प्रयोग की शुरुआत एक कांच के पात्र को कार्बन मोनोऑक्साइड, कार्बन डाइऑक्साइड और जल वाष्प से भरकर की गई, फिर इस मिश्रण को पराबैंगनी प्रकाश के संपर्क में लाया गया जो प्रारंभिक पृथ्वी के तीव्र सूर्य के प्रकाश की नकल करता था। शोधकर्ताओं ने देखा कि जब प्रकाश ने पानी के अणुओं को तोड़ा, तो अत्यधिक प्रतिक्रियाशील अंश बने जिन्होंने कार्बन गैसों पर हमला किया। उन्होंने पाया कि इस प्रक्रिया ने न केवल अपेक्षित फॉर्मल्डिहाइड का उत्पादन किया, बल्कि पर्याप्त मात्रा में एसिटाल्डिहाइड और ग्लायऑक्सल भी बनाए। ये अणु महत्वपूर्ण हैं क्योंकि वे बड़ी, अधिक जटिल संरचनाओं के निर्माण के लिए शुरुआती बिंदु के रूप में कार्य करते हैं। टीम ने फिर इस बात को ट्रैक किया कि जब ये गैसें फ्लास्क के नीचे मौजूद तरल पानी में घुल गईं तो उनका व्यवहार कैसा रहा। पानी में, रसायन विज्ञान और भी गतिशील हो गया। घुले हुए एल्डिहाइड हाइड्रोक्सी एल्डिहाइड बनाने के लिए प्रतिक्रिया करते हैं, जो शर्करा के अग्रदूत हैं, साथ ही विभिन्न अम्ल जैसे ग्लाइकोलिक एसिड और लैक्टिक एसिड भी बनते हैं।
इस खोज को जो बात विशेष रूप से उल्लेखनीय बनाती है, वह है समय के साथ सिस्टम का व्यवहार। शोधकर्ताओं ने देखा कि जबकि सूर्य के प्रकाश ने शक्तिशाली ऑक्सीडेंट्स का उत्पादन किया जो कार्बनिक अणुओं को नष्ट कर सकते थे, एक विशिष्ट रसायनों के समूह ने जीवित रहने और यहाँ तक कि खुद को पुनर्जीवित करने में सफलता प्राप्त की। यह प्रणाली संघनन (condensation), ऑक्सीकरण (oxidation), और डीकार्बोक्सीलेशन (decarboxylation) के एक चक्र के माध्यम से संचालित हुई, जहाँ छोटे अणु मिलकर बड़े अणु बनाते हैं; ऑक्सीकरण, जहाँ वे ऑक्सीजन प्राप्त करके अम्ल बनते हैं; और डीकार्बोक्सीलेशन, जहाँ वे एक छोटा रूप लेने के लिए कार्बन परमाणु खो देते हैं। इस चक्र ने विशिष्ट अणुओं, जैसे ग्लाइकोलएल्डिहाइड और एसिटाल्डिहाइड, को निरंतर पुनर्चक्रित करने की अनुमति दी। लेखक इसे 'प्रिमिटिव रेस्पिरेशन साइकिल' (आदिम श्वसन चक्र) कहते हैं। यह एक रासायनिक इंजन की तरह कार्य करता है जो अणुओं के एक विशिष्ट सेट को निरंतर चलन में रखता है, जिससे उन्हें कार्बन डाइऑक्साइड में पूरी तरह से टूटने से बचाया जा सके, जब तक कि वातावरण ताज़ा एल्डिहाइड की आपूर्ति करता रहता है।
अध्ययन में यह भी पता लगाया गया कि जब इस मिश्रण में अमोनिया मिलाया गया, जो प्रारंभिक वातावरण में नाइट्रोजन की उपस्थिति का अनुकरण करता है, तो क्या हुआ। परिणाम समान रूप से सम्मोहक थे। कार्बन-आधारित अणुओं के मौजूदा नेटवर्क ने अमोनिया के साथ प्रतिक्रिया करके अमीनो एसिड का उत्पादन किया, जो प्रोटीन के निर्माण खंड हैं, साथ ही हेटरोसाइक्लिक नाइट्रोजन यौगिक भी बनाए। ये नाइट्रोजन रिंग संरचनात्मक रूप से कोएंजाइम के समान हैं, जो आधुनिक जैविक चयापचय में आवश्यक सहायक होते हैं। शोधकर्ताओं ने पाया कि सिस्टम ने स्वाभाविक रूप से विशिष्ट प्रकार के अमीनो एसिड का चयन किया, विशेष रूप से वे जिनका उपयोग आज जीवन द्वारा किया जाता है, जबकि वैकल्पिक रूपों का कम उत्पादन किया। यह सुझाव देता है कि रासायनिक वातावरण स्वयं एक फिल्टर के रूप में कार्य कर सकता था, जो उन अणुओं को प्राथमिकता देता था जो अंततः जीवित कोशिकाओं का हिस्सा बनेंगे।
शोधकर्ता सावधानीपूर्वक यह नोट करते हैं कि यह इस बात को सिद्ध नहीं करता है कि जीवन ठीक इसी तरह शुरू हुआ था, लेकिन यह एक संभावित और मजबूत तंत्र प्रदान करता है कि कैसे पहले चयापचय नेटवर्क बन सकते थे। जो सिस्टम उन्होंने देखा वह स्व-संगठित (self-organizing) है, जिसका अर्थ है कि यह एंजाइमों या आनुवंशिक निर्देशों की आवश्यकता के बिना अपना क्रम स्वयं बनाता है। यह पूरी तरह से रसायन विज्ञान के भौतिक नियमों और सूर्य द्वारा प्रदान की गई ऊर्जा पर निर्भर करता है। अध्ययन इस विचार को खारिज करता है कि फॉर्मल्डिहाइड वायुमंडलीय फोटोकेमिस्ट्री का एकमात्र महत्वपूर्ण उत्पाद था, यह दिखाने के बजाय कि प्रतिक्रियाशील अणुओं का एक विविध मिश्रण अपरिहार्य था। यह इस धारणा को भी चुनौती देता है कि प्रारंभिक वातावरण की ऑक्सीकरण प्रकृति ने कार्बनिक पदार्थों के संचय को रोका होगा; इसके बजाय, अध्ययन दिखाता है कि वही ऑक्सीडेंट जो इन अणुओं को नष्ट करने का खतरा पैदा करते हैं, वे ही चक्र को चालू रखने वाले चालक भी हैं।
अंत में, यह कार्य एक ऐसे पूर्व-जैविक (prebiotic) पृथ्वी की तस्वीर पेश करता है जहाँ वायुमंडल और महासागर एक निरंतर रासायनिक संवाद में लगे हुए थे। सूर्य के प्रकाश ने सरल गैसों को एक जटिल कार्बनिक मिश्रण में बदलने के लिए प्रेरित किया, जो फिर पानी में स्थिर होकर एक पुनर्चक्रण नेटवर्क बनाने के लिए जम गए। यह नेटवर्क लंबे समय तक बना रह सकता था, जिससे जीवन के लिए आवश्यक सामग्रियाँ एकत्र हो सकें। जब सही स्थितियाँ उत्पन्न हुईं, जैसे कि फॉस्फेट की उपलब्धता या विभाजनों (compartments) का निर्माण, तो यह रासायनिक प्रणाली उस एंजाइमेटिक और आनुवंशिक प्रणालियों में परिवर्तित हो सकती थी जिन्हें हम जीवन के रूप में पहचानते हैं। निष्कर्ष बताते हैं कि चयापचय का ब्लूप्रिंट कोई दुर्लभ दुर्घटना नहीं था, बल्कि सूर्य के प्रकाश से स्नान करती एक ग्रह की रसायन विज्ञान का एक स्वाभाविक परिणाम था, जो विकास के अगले चरण के शुरू होने की प्रतीक्षा कर रहा था।
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