Formamide-based prebiotic chemistry

Formamide-based prebiotic chemistry is a hypothesis about the abiogenesis of life on Earth from non-living chemical precursors which assumes that the chemical compound formamide (NH₂CHO), the simplest naturally occurring amide, could have accumulated in sufficiently high amounts to serve as a building block and reaction medium for the synthesis of the first biogenicmolecules.^[1]

Formamide contains all of the elements required for the synthesis of basic biomolecules (hydrogen, carbon, oxygen, and nitrogen) and is a ubiquitous molecule in the universe.^[2] It has been detected in galactic centers,^[3][4] star-forming regions of dense molecular clouds,^[5] high-mass young stellar objects,^[6] the interstellar medium,^[7]comets,^[8][9][10] and satellites.^[11] In particular, dense clouds containing formamide, with sizes on the order of kiloparsecs, have been observed in the vicinity of the Solar System.^[5]

Formamide forms under a variety of conditions corresponding to both terrestrial environments and interstellar media: e.g., upon high-energy particle irradiation of binary mixtures of ammonia (NH₃) and carbon monoxide (CO),^[12] or from the reaction of formic acid (HCOOH) with NH₃.^[13] It has been suggested that formamide may accumulate in hydrothermal vents in sufficiently high concentrations to enable synthesis of biogenic molecules.^[14]Ab initiomolecular dynamics simulations suggest that formamide may have been a key intermediate of the Miller–Urey experiment as well.^[15]

تتجلى القدرة التركيبية للكربون في تكوين التجمعات الجزيئية المكتشفة في الأوساط المحيطة بالنجوم وبين النجوم . ^{[ 16 ]} يفوق عدد الجزيئات المحتوية على الكربون وتعقيدها بكثير عدد المركبات غير العضوية وتعقيدها ، على الأرجح في جميع أنحاء الكون. يُعد سيانيد الهيدروجين (HCN) أحد أكثر الجزيئات ثلاثية الذرات المحتوية على الكربون وفرةً في الفضاء. ^{[ 17 ]} ولذلك، استقطبت كيمياء سيانيد الهيدروجين اهتمامًا في دراسات أصل الحياة منذ أقدم العصور، وقد أُبلغ عن التخليق المختبري للأدينين من سيانيد الهيدروجين في ظل ظروف ما قبل الحياة المفترضة في وقت مبكر من عام 1961. ^{[ 18 ]} يكمن القيد الجوهري لسيانيد الهيدروجين في تفاعليته العالية، مما يؤدي بدوره إلى عدم استقراره والصعوبة المرتبطة بتركيزه وتراكمه في صورته غير المتفاعلة. ^{[ 19 ]} من المرجح أن "البركة الصغيرة الدافئة" التي يُفترض أن الحياة بدأت فيها، كما تخيلها تشارلز داروين ^{[ 20 ] [ 21 ]} وأعاد صياغتها ألكسندر أوبارين ^{[ 22 ]} ، قد وصلت إلى تركيزات عالية بما يكفي لبدء تكوين مستويات التعقيد التالية. ومن هنا تبرز الحاجة إلى مشتق من سيانيد الهيدروجين (HCN) يتمتع بثبات كافٍ للبقاء لفترات زمنية طويلة تسمح بتركيزه في الظروف الفيزيائية والكيميائية الفعلية ، ولكنه في الوقت نفسه يتمتع بنشاط كافٍ لتكوين مركبات جديدة في بيئات ما قبل الحياة المحتملة. ^{[ 19 ]} من الناحية المثالية، ينبغي أن يكون هذا المشتق قادرًا على الخضوع لتفاعلات في اتجاهات مختلفة، دون حواجز طاقة عالية للغاية ، مما يسمح بإنتاج فئات مختلفة من المركبات التي يُحتمل أن تكون ما قبل الحياة. يُلبي الفورماميد جميع هذه المتطلبات، وبفضل درجة غليانه الأعلى بكثير (210  درجة مئوية)، فإنه يُتيح التخليق الكيميائي في نطاق درجة حرارة أوسع بكثير من الماء. ^{[ 1 ] [ 23 ]}

تتألف أشكال الحياة الحالية على الأرض أساسًا من أربع فئات من الجزيئات الكبيرة: الأحماض النووية ، والبروتينات ، والكربوهيدرات ، والدهون . تحمل الأحماض النووية ( DNA و RNA ) المعلومات الوراثية وتُعبّر عنها ، وتشكل معًا الجينوم وجهاز التعبير عنها ( النمط الجيني ). تُشكّل البروتينات والكربوهيدرات والدهون هياكل تستغل الطاقة من البيئة وتُديرها لتنظيم المادة وفقًا للتعليمات التي يُحددها النمط الجيني ، بهدف حفظها ونقلها. يُشكّل مجموع البروتينات والكربوهيدرات والدهون والأحماض النووية النمط الظاهري . وهكذا، تتكون الحياة من تفاعل الأيض والوراثة ، أي من تفاعل النمط الجيني مع النمط الظاهري. وكلاهما مبني على كيمياء العناصر الأكثر شيوعًا في الكون (الهيدروجين والأكسجين والنيتروجين والكربون)، مع أدوار مهمة وإن كانت ثانوية يؤديها الفوسفور والكبريت وبعض العناصر الأخرى.

بالنظر إلى التنوع الهائل للجزيئات التي يمكن تصورها كيميائيًا، فإن حقيقة أننا لا نلاحظ في الأنظمة البيولوجية سوى مجموعة فرعية صغيرة من جميع الجزيئات العضوية الممكنة ، قد أثارت تساؤلات حول كيفية، وأي مسارات تفاعل مختلفة، كان من الممكن أن تؤدي إلى تخليق جزيئات ما قبل الحياة على الأرض البدائية. هذه هي الأهداف الرئيسية لأبحاث الكيمياء ما قبل الحيوية .

يلخص الشكل 1 الكيمياء الأساسية للفورماميد وعلاقته الكيميائية مع سيانيد الهيدروجين وفورمات الأمونيوم (NH4 ₊ ^HCOO− ) ^، مع الأخذ في الاعتبار أمثلة مختارة من التفاعلات التحضيرية والتحللية. ^{[ 1 ]}

تم الإبلاغ عن تخليق البيورين من الفورماميد لأول مرة في عام 1980. ^{[ 24 ]} بدأت سلسلة من الدراسات التي تستند إلى هذه الملاحظة بعد 20 عامًا: تم الإبلاغ عن تخليق مجموعة كبيرة من المركبات ذات الصلة بالبيئة الحيوية (بما في ذلك البيورين والأدينين والسيتوزين و4(3 H ) بيريميدينون ) بعوائد جيدة في عام 2001. ^{[ 25 ]} تم الحصول على هذه المنتجات عن طريق تسخين الفورماميد في وجود محفزات بسيطة مثل كربونات الكالسيوم (CaCO3 ₎ أو السيليكا (SiO2 ₎ أو الألومينا ( _Al2O3 ) _.

بالإضافة إلى القواعد النيتروجينية ، تم أيضًا تصنيع السكريات ^{[ 26 ]} ، والأحماض الكربوكسيلية ^{[ 27 ]} ، والأحماض الأمينية ^{[ 27 ]} ، ومركبات غير متجانسة من فئات مختلفة ^{[ 27 ]} (بما في ذلك اليوريا والكاربوديميد ) . وتشمل المحفزات المدروسة، بالإضافة إلى ما ذُكر، أكاسيد التيتانيوم ^{[ 28 ]} ، والطين ^{[ 29 ]} ، ونظائر الغبار الكوني ^{[ 30 ]} ، والفوسفات ^{[ 31 ]} ، ومعادن كبريتيد الحديد ^{[ 32 ]} ، ومعادن الزركونيوم ^{[ 33 ]} ، ومعادن البورات ^{[ 34 ]} ، والعديد من المواد ذات الأصل النيزكي ^{[ 26 ] [ 27 ]،} والتي تشمل نيازك الحديد ، والنيازك الحديدية الحجرية، والكوندريت ، والأكوندريت .

تم اختبار مصادر طاقة متنوعة، بما في ذلك الطاقة الحرارية ^{[ 25 ]} ، والأشعة فوق البنفسجية ^{[ 31 ]} ، والإشعاع بنبضات ليزر عالية الطاقة (تيراواط) ^{[ 35 ]} ، أو البروتونات البطيئة ^{[ 26 ]} . أُعيد بناء نماذج محاكاة لسيناريوهات ما قبل الحياة المختلفة القائمة على الفورماميد، وجرى تحليلها، بما في ذلك إشعاع الرياح الشمسية الفضائي للنيازك ^{[ 26 ]} ، والحدائق الكيميائية الديناميكية ^{[ 36 ]} ، والنيازك في البيئات المائية ^{[ 37 ]} . وقد اقتُرح أن الانخفاض التدريجي في درجة حرارة بيئة ما قبل الحياة قد يُحفز سلسلة من الأحداث الكيميائية غير المتوازنة بشدة ، والتي أدت إلى ظهور أنواع أكثر تعقيدًا من الفورماميد على الأرض في بداياتها ^{[ 23 ] [ 38 ] .}

في كل توليفة دُرست من المحفز/مصدر الطاقة/البيئة، تكثف الفورماميد إلى مجموعة متنوعة من المركبات ذات الصلة بالظروف ما قبل الحيوية، حيث أدت كل توليفة إلى ظهور مجموعة محددة من الجزيئات المعقدة نسبيًا، والتي تشمل عادةً العديد من القواعد النيتروجينية والأحماض الأمينية والأحماض الكربوكسيلية . ^{[ 1 ]} وقد تحقق أعلى مستوى من التعقيد في نظام الفورماميد/النيزك، ^{[ 27 ]} باستخدام تشعيع البروتونات كمصدر للطاقة، حيث لوحظ تخليق أربعة نيوكليوزيدات ( يوريدين ، سيتيدين ، أدينوزين ، ثيميدين ) في وعاء واحد . ^{[ 26 ]} وحتى الآن، لم يُظهر أي مركب آخر يحتوي على ذرة كربون واحدة هذا التنوع في المنتجات التي يمكن تكوينها من الفورماميد في ظل ظروف ما قبل حيوية محتملة في عملية تخليق كيميائي في وعاء واحد (انظر الشكل 2). ^{[ 39 ]}

إضافةً إلى وظيفته المزدوجة كركيزة ومذيب في عمليات التخليق أحادية الوعاء التي تُنتج مركبات ما قبل حيوية معقدة كالنيوكليوسيدات والسلاسل الأليفاتية الطويلة ، ^{[ 37 ]} لوحظ أن الفورماميد يلعب دورًا في توليد جزيئات أقرب إلى المجال البيولوجي. ففي وجود مصدر للفوسفات (مثل معادن الفوسفات )، يُعزز الفورماميد فسفرة النيوكليوسيدات ، مما يؤدي إلى تكوين النيوكليوتيدات ، ^{[ 40 ] [ 41 ]} ويُحفز بقوة البلمرة غير الإنزيمية للنيوكليوتيدات الحلقية 3'،5' ، مما يؤدي إلى التخليق غير الحيوي لقليلات الحمض النووي الريبي (RNA) . ^{[ 42 ]} لهذا السبب، يُعتبر الفورماميد وسطًا مناسبًا لتفاعلات الفسفرة ما قبل الحيوية حتى في سيناريو "التخليق المتقطع" لأصل الحياة. ^{[ 43 ] [ 44 ]} بالإضافة إلى الفسفرة، ثبت أن الفورماميد وسط مناسب لإنتاج مشتقات الأحماض الأمينية من سلائفها البسيطة من الألدهيدات والنتريل ، مما يدل على أن الماء ليس المذيب الوحيد الذي يمكن أن تحدث فيه هذه العملية. ^{[ 45 ]} والأهم من ذلك، أن الفورماميد يوفر وسطًا للتخليق الحيوي الأولي لمشتقات السيستين ، وهو أمر لم يكن يُعتبر سابقًا ممكنًا في البيئات الحيوية الأولية المائية البحتة.