BAGIKAN

Sekitar 4 miliar tahun yang lalu, Bumi adalah tempat yang tidak ramah, tanpa oksigen, penuh dengan letusan gunung berapi, dan dihujani oleh asteroid, tanpa tanda-tanda kehidupan bahkan dalam bentuk yang paling sederhana sekalipun. Tetapi di suatu tempat di tengah periode yang kacau ini, kimia Bumi berubah mendukung kehidupan, bagaimanapun mustahilnya bagi organisme pertama di planet ini.

Apa yang mendorong titik balik kritis ini? Bagaimana organisme hidup berunjuk rasa di dunia yang bergejolak seperti itu? Dan apa reaksi kimia yang mendidihkan asam amino, protein, dan blok bangunan kehidupan yang pertama? Ini adalah beberapa pertanyaan yang ditanyakan para peneliti selama berpuluh-puluh tahun dalam mencoba menyatukan asal-usul kehidupan di Bumi.

Sekarang para ilmuwan planet dari MIT dan Pusat Harvard-Smithsonian untuk Astrofisika telah mengidentifikasi bahan-bahan utama yang hadir dalam konsentrasi besar tepat di sekitar waktu ketika organisme pertama muncul di Bumi.

Para peneliti menemukan bahwa kelas molekul yang disebut sulfidic anion mungkin berlimpah di danau dan sungai Bumi. Mereka menghitung bahwa, sekitar 3,9 miliar tahun yang lalu, letusan gunung berapi memancarkan sulfur dioksida dalam jumlah besar ke atmosfer, yang akhirnya menetap dan larut dalam air sebagai anion sulfida – khususnya, sulfit dan bisulfit. Molekul-molekul ini kemungkinan memiliki kesempatan untuk terakumulasi di perairan dangkal seperti danau dan sungai.

Pekerjaan awal oleh Ranjan dan rekan-rekannya menunjukkan bahwa anion sulfida akan mempercepat reaksi kimia yang diperlukan untuk mengubah molekul prebiotik yang sangat sederhana menjadi RNA, blok bangunan genetik kehidupan.

“Sebelum pekerjaan ini, orang-orang tidak tahu apa tingkat anion sulfida yang hadir di perairan alami di awal Bumi; sekarang kita tahu apa itu,” kata Ranjan. “Ini secara fundamental mengubah pengetahuan kita tentang Bumi awal dan memiliki dampak langsung pada penelitian laboratorium tentang asal usul kehidupan.”

Ranjan dan rekan-rekannya mempublikasikan hasil mereka di jurnal Astrobiology.

Pada tahun 2015, ahli kimia dari Universitas Cambridge, yang dipimpin oleh John Sutherland, yang merupakan penulis bersama pada studi saat ini, menemukan cara untuk mensintesis prekursor RNA hanya dengan menggunakan hidrogen sianida, hidrogen sulfida, dan sinar ultraviolet – semua bahan yang diperkirakan telah tersedia di Bumi awal, sebelum munculnya bentuk kehidupan pertama.

Dari sudut pandang kimia, kasus peneliti meyakinkan: Reaksi kimia yang mereka lakukan di laboratorium mengatasi tantangan kimia yang sudah berlangsung lama, untuk berhasil menghasilkan blok bangunan genetik untuk hidup. Tetapi dari sudut pandang ilmu planet, tidak jelas apakah bahan-bahan seperti itu akan cukup melimpah untuk memulai kehidupan organisme hidup yang pertama.

Misalnya, komet mungkin harus menghujani terus menerus untuk membawa cukup hidrogen sianida ke permukaan Bumi. Sementara itu, hidrogen sulfida, yang akan dilepaskan dalam jumlah besar oleh letusan gunung berapi, sebagian besar akan tetap di atmosfer, karena molekulnya relatif tidak larut dalam air, dan karenanya tidak akan memiliki kesempatan reguler untuk berinteraksi dengan hidrogen sianida.

Alih-alih mendekati teka-teki asal-usul kehidupan dari perspektif kimia, Ranjan melihatnya dari perspektif planet, mencoba mengidentifikasi kondisi sebenarnya yang mungkin ada di Bumi awal, sekitar waktu organisme pertama muncul.

“Bidang asal-usul kehidupan secara tradisional telah dipimpin oleh ahli kimia, yang mencoba untuk mencari tahu jalur kimia dan melihat bagaimana alam mungkin telah beroperasi untuk memberi kita asal usul kehidupan,” kata Ranjan. “Mereka melakukan pekerjaan yang sangat hebat. Apa yang tidak mereka lakukan lebih detail adalah, mereka tidak bertanya bagaimana kondisi di Bumi awal seperti sebelum kehidupan? Mungkinkah skenario yang mereka ajukan benar-benar terjadi? Mereka tidak tahu sama sekali bagaimana setting panggungnya. ”

Pada bulan Agustus 2016, Ranjan memberi ceramah di Universitas Cambridge tentang vulkanisme di Mars dan jenis gas yang akan dipancarkan oleh letusan semacam itu di atmosfer tanpa oksigen planet merah. Ahli kimia pada pembicaraan itu menyadari bahwa kondisi umum yang sama akan terjadi di Bumi sebelum dimulainya kehidupan.

“Mereka mengambil dari [pembicaraan] bahwa, pada awal Bumi, Anda tidak memiliki banyak oksigen, tetapi Anda memiliki sulfur dioksida dari vulkanisme,” kenang Ranjan. “Sebagai akibatnya, Anda harus memiliki sulfit. Dan mereka berkata, ‘Bisakah Anda memberi tahu kami berapa banyak molekul ini di sana?’ Dan itulah yang kami tetapkan untuk membatasinya. ”

Dia berkonsultasi dengan catatan geologis untuk menentukan jumlah vulkanisme yang kemungkinan terjadi sekitar 3,9 miliar tahun yang lalu, waktu di sekitar bentuk kehidupan pertama diperkirakan telah muncul, kemudian mencari jenis dan konsentrasi gas yang akan dimiliki oleh jumlah vulkanisme ini. diproduksi sesuai dengan perhitungan sebelumnya.

Selanjutnya, ia menulis model geokimia sederhana berair untuk menghitung berapa banyak gas-gas ini akan dilarutkan dalam danau dan waduk dangkal – lingkungan yang akan lebih kondusif untuk memusatkan reaksi pembentuk kehidupan, versus lautan luas, di mana molekul dapat dengan mudah menghilang.

Akhirnya, ia menemukan bahwa, sementara letusan gunung berapi akan memuntahkan sejumlah besar sulfur dioksida dan hidrogen sulfida ke atmosfer, itu adalah bekas yang lebih mudah larut di perairan dangkal, menghasilkan konsentrasi besar anion sulfida, dalam bentuk sulfit dan bisulfit.

“Selama letusan gunung berapi besar, Anda mungkin memiliki hingga tingkat milimolar senyawa ini, yang merupakan konsentrasi tingkat laboratorium dari molekul-molekul ini, di danau,” kata Ranjan. “Itu jumlah yang sangat besar.”

Hasil baru menunjukkan sulfit dan bisulfit sebagai kelas baru molekul – molekul yang benar-benar tersedia di Bumi awal – bahwa ahli kimia sekarang dapat menguji di laboratorium, untuk melihat apakah mereka dapat mensintesis dari molekul ini sebagai prekursor untuk kehidupan.

Percobaan awal yang dipimpin oleh rekan Ranjan menunjukkan bahwa sulfit dan bisulfit mungkin memang mendorong biomolekul terbentuk. Tim melakukan reaksi kimia untuk mensintesis ribonukleotida dengan sulfit dan bisulfit, dibandingkan dengan hidrosulfida, dan menemukan yang pertama mampu menghasilkan ribonukleotida dan molekul terkait 10 kali lebih cepat daripada yang terakhir, dan pada hasil yang lebih tinggi.

Lebih banyak pekerjaan diperlukan untuk mengkonfirmasi apakah anion sulfat memang bahan awal dalam pembuatan bentuk kehidupan pertama, tetapi sekarang ada sedikit keraguan bahwa molekul-molekul ini adalah bagian dari lingkungan pendorong pertumbuhan mikroorganisme.