PAH world hypothesis

PAH world hypothesis (hipoteza świata WWA) – hipoteza, wedle której wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne (WWA, ang. polycyclic aromatic hydrocarbons, czyli PAH), miały odegrać istotną rolę w powstaniu życia na Ziemi. Mogły one występować w znacznych ilościach zupie pierwotnej i mieć udział w syntezie cząsteczek RNA, prowadzącej z kolei do świata RNA. Hipoteza nie została dotychczas przetestowana^[1].

Eksperyment Stanleya Millera z 1952 pokazał, że związki organiczne, jak zasady azotowe, aminokwasy, formaldehyd i cukry można zsytezować z pierwotnych nieorganicznych prekursorów, których obecność podejrzewa się w pierwotnej zupie. Hipoteza świata RNA tłumaczy, jak kwas rybonukleinowy może stać się swym własnym katalizatorem (rybozymem), kładąc się u podłoża życia. Brakuje jednak pewnych ogniw w rozumowaniu, wyjaśniających, jak powstały pierwsze cząsteczki RNA. Hipoteza mówiąca o świecie WWA została przedstawiona przez Simona Nicholasa Plattsa w maju 2004 w celu wypełnienia luki^[2]. Bardziej dopracowany pomysł opublikowała Pascale Ehrenfreund ze współpracownikami^[3].

Wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne są najbardziej zróżnicowanymi i najpowszechniej występującymi związkami organicznymi we Wszechświecie. Prawdopodobnie stanowiły składnik tzw. zupy pierwotnej^[4]. WWA, razem z fulerenami, wykryto niedawno w mgławicach^[5]. Fulereny również wiąże się z powstaniem życia, a amerykańska astronom Letizia Stanghellini określiła je „nasieniem dla życia na Ziemi”^[6]. We wrześniu 2012 naukowcy NASA donieśli, że WWA w warunkom przestrzeni międzygwiezdnej przekształcają się – poprzez uwodornienie, utlenienie i hydroksylację – w bardziej złożone związki organiczne. Określono to zjawisko jako „krok na ścieżce w kierunku aminokwasów i nukleotydów, materiałów budulcowych, odpowiednio, białek i DNA”^[7][8]. W wyniku przereagowania WWA traciły swe właściwości spektroskopowe, co może stanowić jedną z przyczyn braku detekcji WWA wśród międzygwiezdnego lodu, zwłaszcza w zewnętrznych rejonach zimnych, gęstych chmur wyższych warstw molekularnych dysków protoplanetarnych^[7][8].

WWA nie wykazują dużej rozpuszczalności w wodzie morskiej. Jednak poddane napromieniowaniu, np. przez UV, zewnętrzne atomy wodoru mogą odrywać się i ulegać zastępowaniu przez grupy hydroksylowe, znacznie zwiększające rozpuszczalność związku w wodzie.

Takie zmodyfikowane WWA wykazują własności amfifilowe, mając fragmenty o właściwościach hydrofobowych, jak i hydrofilowych.

W samoorganizującym się „stosie” WWA, przylegające do siebie pierścienie dzieli 0,34 nm. W podobnej odległości znajdują się zasady nukleotydowe w helisach DNA czy RNA. Uprawdopodobnia to przyłączanie do WWA cząsteczek płaskich, jak zasady azotowe, zbudowane na bazie pirymidyny czy puryny, kluczowe składniki i przenośniki informacji w RNA i DNA. Zasady te również są amfifilowe i także wykazują tendencję do tworzenia „stosów”.

Zgodnie z rzeczoną hipotezą, gdy zasady azotowe łączą się poprzez wiązania wodorowe z rusztowaniem z WWA, odległość pomiędzy sąsiadującymi zasadami wymusi dobranie odpowiednich cząsteczek tworzących mostki odpowiedniej wielkości, jak oligomery formaldehydu, także dostępne w pierwotnej zupie, mogące wiązać się kowalencyjnie z zasadami azotowymi, tworząc odpowiednik giętkiego szkieletu^[1][2].

Następnie przejściowa zmiana w pH otoczenia, wzrost kwasowości mogący stanowić skutek wybuchów wulkanów uwalniających gazy takie, jak dwutlenek siarki czy dwutlenek węgla, pozwoliła zasadom odłączyć się od rusztowania z WWA z wytworzeniem cząsteczek przypominających RNA. Miejsce szkieletu rybozowo-fosforanowego dzisiejszego RNA zajmowałby szkielet z formaldehydu, odstęp pomiędzy zasadami byłby analogiczny, wynosząc 0,34 nm^[1].

Hipoteza zakłada dalej, że kiedy pojedynczy długi łańcuch przypominający RNA odłączył się od stosów WWA, a następnie pH otoczenia stało się mniej kwaśne, łańcuch uległ sfałdowaniu z zachowaniem zasady komplementarności: komplementarne do siebie sekwencje odszukały się wzajemnie, po czym wytworzyły wiązania wodorowe, tworząc stabilną, przynajmniej częściowo dwułańcuchową strukturę przypominającą RNA, podobną do rybozymu. Oligomery formaldehydu zostały następnie zastąpione stabilniejszymi resztami fosforanu rybozy. W ten sposób mógł wyglądać wstęp do świata RNA^[1][2][9].