מחקר חדש חושף את תפקידו של גז מימן כמקור אנרגיה עם שחר החיים, ומדגיש את הפוטנציאל שלו כדלק בר-קיימא. באמצעות בחינת התהליכים הטבעיים בפתחי אוורור הידרותרמיים והמנגנונים הסלולריים המוקדמים לרתימת המימן, החוקרים השיגו תובנות לגבי מקורות החיים והניצול הקדום של המימן כמקור אנרגיה. מחקר זה לא רק מאיר את המשמעות ההיסטורית של המימן אלא גם את תפקידו העתידי באנרגיה בת קיימא.
גז מימן, המכונה אנרגיית העתיד, מספק אנרגיה מלפני 4 מיליארד שנים.
מחקר שנערך לאחרונה חושף כיצד גז מימן, הנחשב לעתים קרובות כמקור האנרגיה של המחר, סיפק אנרגיה בעבר, במקור החיים לפני 4 מיליארד שנים. גז מימן הוא דלק נקי. זה נשרף עם חמצן באוויר כדי לספק אנרגיה ללא CO2.
מימן הוא מפתח לאנרגיה בת קיימא לעתיד. למרות שבני אדם רק עכשיו מתחילים להבין את היתרונות של גז מימן (H2 בקיצור כימי), חיידקים ידעו כי H2 הוא דלק טוב כל עוד היו חיים על פני כדור הארץ. מימן הוא אנרגיה עתיקה.
התאים הראשונים על פני כדור הארץ חיו מ-H2 מיוצר בפתחי אוורור הידרותרמיים, תוך שימוש בתגובה של H2 עם CO2 ליצור את מולקולות החיים. חיידקים המשגשגים מהתגובה של H2 ו-CO2 יכולים לחיות בחושך מוחלט, להתגורר בבתי גידול מפחידים וראשוניים כמו פתחי אוורור הידרותרמיים בים עמוקים או תצורות סלע חמות עמוק בתוך קרום כדור הארץ, סביבות שבהן מדענים רבים חושבים שהחיים עצמם התעוררו.
גילוי תפקידו של מימן בקצירת אנרגיה סלולרית מוקדמת
תובנות חדשות מפתיעות לגבי האופן שבו התאים הראשונים על פני כדור הארץ הגיעו לרתום את H2 כמקור אנרגיה מדווחים כעת ב PNAS. המחקר החדש מגיע מצוותם של וויליאם פ. מרטין מאוניברסיטת דיסלדורף ומרטינה פרינר במכון מקס פלנק (MPI) למיקרוביולוגיה יבשתית במרבורג עם תמיכה משתפי פעולה בגרמניה ובאסיה.
על מנת לקצור אנרגיה, תחילה על התאים לדחוף את האלקטרונים מ-H2 בעלייה אנרגטית. "זה כמו לבקש מנהר לזרום בעלייה במקום במורד, אז תאים צריכים פתרונות מהונדסים", מסביר אחד משלושת הכותבים הראשונים של המחקר, מקס ברבנדר.
תמונה מתצורת Sulis בשדה ההידרותרמי של העיר האבודה, פתח הידרותרמי אלקליין המייצר מימן. קרדיט: באדיבות סוזן לאנג, ארצות הברית מדרום קרוליינה /NSF/ROV Jason 2018 © Woods Hole Oceanographic Institution
איך תאים פותרים את הבעיה הזו גילה רק לפני 15 שנה וולפגנג בוקל יחד עם עמיתו רולף תאור במרבורג. הם גילו שתאים שולחים את שני האלקטרונים במימן בשבילים שונים. אלקטרון אחד הולך הרבה בירידה, כל כך הרבה בירידה שהוא מניע משהו כמו גלגלת (או סיפון) שיכול למשוך את האלקטרון השני במעלה הגבעה. תהליך זה נקרא התפצלות אלקטרונים.
המנגנונים של התפצלות אלקטרונים ופאזל אבולוציוני מוקדם
בתאים הוא מצריך מספר אנזימים ששולחים את האלקטרונים במעלה הגבעה אל נושא אלקטרונים ביולוגי עתיק וחיוני בשם פרדוקסין. המחקר החדש מראה כי ב-pH 8.5, אופייני לפתחי אוורור אלקליים טבעיים, "אין צורך בחלבונים", מסביר בוקל, מחבר שותף במחקר, "קשר H-H של H2 מתפצל על פני הברזל, יוצר פרוטונים הנצרכים על ידי המים האלקליים ואלקטרונים אשר מועברים לאחר מכן בקלות ישירות לפרדוקסין."
איך תגובה אנרגטית בעלייה יכולה הייתה לעבוד באבולוציה המוקדמת, לפני שהיו אנזימים או תאים, הייתה חידה קשה מאוד. "כמה תיאוריות שונות הציעו כיצד הסביבה עשויה לדחוף אלקטרונים במעלה הגבעה אנרגטית לפרדוקסין לפני המקור של התפצלות אלקטרונים," אומר מרטין, "זיהינו תהליך שלא יכול להיות פשוט יותר ועובד בתנאים הטבעיים של פתחי אוורור הידרותרמיים" .
מאז גילוי התפצלות אלקטרונים, מדענים מצאו שהתהליך הוא עתיק וחיוני לחלוטין בחיידקים החיים מ-H2. הבעיה המטרידה עבור כימאים בעלי אופקים אבולוציוניים כמו מרטינה פרינר, שהצוות שלה במרבורג מתמקד בהשפעת הסביבה על תגובות שמיקרובים משתמשים בהן כיום ואולי נעשה בהן שימוש במקור החיים, היא: איך היה H2 רתום עבור CO2 לתקן מסלולים לפני שהיו חלבונים מסובכים?
"מתכות מספקות תשובות", היא אומרת, "בתחילת החיים, מתכות בתנאי סביבה עתיקים יכולות לשלוח את האלקטרונים מ-H2 במעלה הגבעה, ואנחנו יכולים לראות שרידים של הכימיה הקדמונית ההיא שנשמרה בביולוגיה של תאים מודרניים." אבל מתכות לבדן אינן מספיקות. "ה2 צריך להיות מיוצר גם על ידי הסביבה" מוסיפה המחברת הראשונה דלפינה פריירה מהמעבדה של פרינר. סביבות כאלה נמצאות בפתחי אוורור הידרותרמיים, שבהם מים מקיימים אינטראקציה עם סלעים המכילים ברזל כדי ליצור H2, והיכן חיידקים חיים עד היום מהמימן הזה כמקור האנרגיה שלהם.
התפקיד המפתיע של מימן ביצירת ברזל מתכתי
פתחי אוורור הידרותרמיים, מודרניים ועתיקים כאחד, יוצרים H2 בכמויות כה גדולות שהגז יכול להפוך מינרלים המכילים ברזל לברזל מתכתי מבריק.
"שמימן יכול לייצר ברזל מתכתי ממינרלים זה לא סוד", אומר הארון טויסוז, מומחה לחומרי היי-טק במכון מקס-פלנק ל-Kohlenforschung Mülheim ומחבר שותף במחקר. "תהליכים רבים בתעשייה הכימית משתמשים ב-H2 לייצר מתכות ממינרלים במהלך התגובה." ההפתעה היא שגם הטבע עושה זאת, במיוחד בפתחי אוורור הידרותרמיים, ושהברזל המושקע באופן טבעי יכול היה למלא תפקיד מכריע במקור החיים.
ברזל הייתה המתכת היחידה שזוהתה במחקר החדש שהצליחה לשלוח את האלקטרונים ב-H2 במעלה הגבעה לפרדוקסין. אבל התגובה פועלת רק בתנאים בסיסיים כמו אלה בסוג מסוים של פתחי אוורור הידרותרמיים.
נטליה מרניאבק מקבוצת דיסלדורף והכותבת הראשונה במחקר מציינת: "זה מתאים היטב לתיאוריה שחיים התעוררו בסביבות כאלה. הדבר המרגש ביותר הוא שתגובות כימיות פשוטות כאלה יכולות לסגור פער חשוב בהבנת התהליך המורכב של מקורות, ושאנחנו יכולים לראות את התגובות הללו פועלות בתנאים של פתחי אוורור הידרותרמיים עתיקים במעבדה כיום".
