Деление должно быть асимметричным; для пребиотической атмосферы Земли с поверхностным давлением в один бар, большая дочерняя частица имеет бактериальный размер, а меньшая - виртуальный. Деление должно быть асимметричным, так как происходит при изменении свободной энергии сжимаемой амфифилической пленки, которая мала по сравнению со свободной энергией сферической родительской капли.
Используя имеющуюся литературу, мы попытаемся оценить количество возможностей, которые возникли бы для преобразования постоянно регенерируемого набора аэрозолей в самоорганизующуюся, самовоспроизводящуюся популяцию. Это означает, что первоначально успешные эволюции закончились в основном провалом, прежде чем появилось устойчивое живое население.
Последние данные наблюдений доказательства
Совсем недавно впервые появились прямые доказательства существования органической пленки на внешней стороне морских аэрозолей, состоящей в основном из пальмитиновой, олеиновой и стеариновой кислот. Морской аэрозоль - это аэрозоль, образующийся при взрыве пузырьков на поверхности моря. Это наблюдение подтверждает гипотезу о том, что такой должна быть структура морских аэрозолей, которая привела к связи с происхождением жизни.
В современной биотической атмосфере эти жирные кислоты образуются в результате распада липидов. Лабораторные работы недавно показали, что даже небольшие органические молекулы склонны концентрироваться на границе раздела вода-воздух и что присутствие солей в воде может привести к значительному увеличению поверхностной концентрации даже более коротких амфифилов.
Поставка пребиотиков для мономеров
В то время как сравнительно легкие пребиотические поставки мономеров аминокислот для полипептидов и белков были исследованы и рассмотрены, и более сложные поставки пуриновых и пиримидиновых мономеров для нуклеотидов были успешно проведены из такого простого раствора цианида аммония, есть основания для создания такой цепи. Однако известно, что широкий выбор щелочей образуется под действием воды на карбид железа, причем в некоторых случаях преобладают n-изомеры.
Существует кинетическое предпочтение образованию n-изомеров алкильных радикалов, но в них все равно было бы много разветвленных изомеров. Далее, на основе литературы, утверждалось, что разветвленные изомеры амфифилов, например, алканоидные кислоты, будут выбрасываться преимущественно из поверхностных пленок под давлением аэрозолей, оставляя n-изомеры в пленке.
В принципе снабжение n-алкановыми кислотами, содержащимися в морских аэрозолях, или аминокислотами, пуринами и пиримидинами, как представляется, не сопряжено с непреодолимыми трудностями. Это особенно верно в отношении состава метеоритов и производства на морском дне из термических источников. Доказано, что пребиотические амфифилы образуются сами по себе.
Термодинамика деления аэрозолей
Термодинамический анализ свободной энергии сжатия и разрушения амфифильных пленок показал недавно, что атмосферный аэрозоль может разделяться, если он имеет значительное покрытие такой пленкой поверхностно-активных веществ. Это новый результат, для однородного жидкого аэрозоля это невозможно, так как поверхностное напряжение (свободная энергия) такой сферической частицы уже имеет минимальное значение.
При использовании внешней органической пленки деление возможно, но оно должно быть асимметричным; если ввести типовые числа в уравнения, то видно, что для земной атмосферы с поверхностным давлением в один бар большая дочерняя частица имеет бактериальный размер, а меньшая - вирусный. Более подробное объяснение можно найти в работе. Конечно, термодинамический анализ простой системы с одним амфифилическим видом может только показать, что деление возможно для идеализированной аэрозольной частицы. Если принять асимметричное деление аэрозолей с органической оболочкой, то возможны некоторые интересные последствия.
Бактерии и вирусы имеют равную древность и неразрывно связаны между собой эволюцию. Возможно, потребовалось 1500 миллионов лет для преобразования геофизических и геохимических объектов, таких как дочери аэрозольного деления асимметричного размера, в биохимические и биологические объекты, такие как бактерии и вирусы. Другой вывод заключается в том, что химическая дифференциация возможна между крупными и мелкими дочерьми; опять же аргументом является возможность термодинамической адресации, а не кинетической.
Результаты исследований показали корреляцию между поверхностной активностью и гибкостью в составе селекции белков, более легко раскладывающихся и обладающих высокой поверхностной активностью, тогда как те, которые легко становятся шаровидными, имеют очень низкую поверхностную активность, т.е. не способны снизить поверхностное напряжение на границе воздух-вода.
Этот базовый физико-химический механизм обеспечивал бы как некоторую уединенность для отдельного химического выделения пептидов и олигонуклеотидов, так и периодическую связь и перемешивание посредством коагуляции инвертированных аэрозолей мицелл в атмосфере и их везикулярных наследников в океане. Будут учтены особенности доменной модели белка в клеточных липидных бислоях и образования рафтов в мембранных монослоях, а также более сложные топологии, возможные в бислоях.
Геохимическая и геофизическая среда для пробиотических аэрозолей
Вращение Земли вокруг наклонной оси обеспечило бы вращение ветров, океанских крышек и, следовательно, аэрозолей. Хотя, конечно, существует значительная неопределенность в отношении состава пребиотической атмосферы, мы предполагаем, что она содержит азот, диоксид углерода, воду и некоторые меньшие количества метана и аммиака.
Такая атмосфера, в зависимости от плотности залегания и вертикального распределения, будет иметь отсечение короткими волнами диоксида углерода на 174 нм или воды на 185 нм. Поскольку аммиак и аминокислоты поглощают на больших длинах волн, до 220 нм в ближнем УФ-излучении и видны для аминокислот с сопряженными двойными узами в их боковых цепях, необходимо учитывать влияние фотолиза. В настоящее время ультрафиолетовое излучение атмосферы в значительной степени определяется кислородом и озоном.
Молекулярные фотодиссоциаты кислорода для получения атомов кислорода на длинах волн менее 242 нм; атомы кислорода рекомбинируются с другими молекулами кислорода для получения озона. Хотя озон фотодиссоциаты в ближнем ультрафиолетовом диапазоне видимы на расстоянии около 1100 нм, существует динамический баланс между фотохимическими и транспортными процессами для получения слоя озона, сосредоточенного в числовом выражении на высоте около 24 км над уровнем моря в стратосфере.
Экспериментальные испытания
Возможно, основным обоснованием для предложения аэрозолей в качестве пробиотических химических реакторов, которые осуществили переход от геохимии к биохимии, является то, что многие из первых шагов в механизмах могут быть экспериментально опробованы. Это возможно благодаря тому, что механизм основан на атмосферных наблюдениях и опирается на известные физико-химические принципы.
Примерами могут служить наличие щелочных и алкеновых кислот в качестве внешних пленок на морских аэрозолях, полимеризация карбоновых кислот в пленках, облученных УФ-лучами, и предпочтительный выброс разветвленных изомеров из пленок Лангмуира. Непроверенными идеями являются полимеризация мономеров реакциями конденсации в гидрофобной среде амфифильных пленок, асимметричное деление аэрозолей с органическим покрытием на пару бактериальных и вирусных дочерей, а также возможность химического разделения в процессе такого деления.
Возможно, труднее проверить интуитивное предположение о совместной эволюции предшественников белков и нуклеиновых кислот. Должна быть возможность испытать получение второго липидного слоя аэрозолями, поступающими обратно на границу раздела воздух-вода.