生命的起源：热岩石中的裂缝如何启动生物化学

生命的组成部分是如何起源的？

这个问题长期以来一直困扰着科学家。早期地球上遍布着富含化学物质的水池——一种原始的汤。然而，支持生命的生物分子从混合物中出现，为第一个细胞的出现奠定了基础。

当两个成分形成时，生命就开始了。其中之一是分子载体，例如 DNA，用于传递和重新混合基因蓝图。另一种成分由蛋白质、身体的主力和结构元素组成。

两种生物分子都非常复杂。在人类中，DNA 有四种不同的化学“字母”，称为核苷酸，而蛋白质则由 20 种氨基酸组成。这些成分具有不同的结构，其制造需要稍微不同的化学物质。最终产品的数量需要足够大，才能将它们串在一起形成 DNA 或蛋白质。

科学家可以在实验室中使用添加剂纯化成分。但这引出了一个问题：这在早期地球上是如何发生的？

慕尼黑路德维希马克西米利安大学的研究员克里斯托夫·马斯特博士认为，答案可能是岩石中的裂缝，就像早期地球上丰富的火山或地热系统中出现的裂缝一样。沿着裂缝的温差可能会自然地分离和浓缩生物分子成分，从而提供一个净化生物分子的被动系统。

受地质学的启发，该团队开发了大约银行卡大小的热流室，每个热流室都包含具有温度梯度的微小裂缝。当给予氨基酸或核苷酸的混合物（“益生元混合物”）时，这些成分很容易分离。

添加更多的室进一步浓缩了化学物质，即使是那些结构相似的化学物质。断裂网络还使氨基酸能够键合，这是创造功能性蛋白质的第一步。

“相互连接的薄裂缝和裂缝系统……被认为在火山和地热环境中普遍存在，” 写 团队。通过丰富益生元化学物质，此类系统可以“为自然生命起源实验室提供稳定的驱动力”。

酿造人生

大约四十亿年前，地球环境恶劣，饱受陨石撞击，火山喷发频繁。然而不知何故，在混乱中，化学产生了第一个氨基酸、核苷酸、脂肪脂质和其他支持生命的构件。

哪 形成这些分子的化学过程存在争议。 什么时候 每一个出现的同时也是一个难题。就像“先有鸡还是先有蛋”的问题一样，DNA 和 RNA 指导细胞中蛋白质的产生，但这两种遗传载体也需要蛋白质才能复制。

一种理论表明 硫阴离子，这些分子在早期地球的湖泊和河流中大量存在，可能是其中的联系。它们在火山喷发中产生，一旦溶解到水池中，它们就可以加速化学反应，将益生元分子转化为 RNA。这个被称为“RNA世界”假说的想法表明，RNA是第一个造福地球的生物分子，因为它可以携带遗传信息并加速一些化学反应。

另一个主意 流星对早期地球的撞击同时产生了核苷酸、脂质和氨基酸，这一过程包括两种丰富的化学物质（一种来自流星，另一种来自地球）和少量紫外线。

但有一个问题：每组构件都需要不同的化学反应。根据结构或化学方面的细微差异，一个地理位置可能会偏向于一种类型的益生元分子而不是另一种类型。

如何？这项新研究发表于 自然，给出了答案。

隧道网络

模仿早期地球的实验室实验通常从已经纯化的明确成分开始。科学家们还清理中间副产物，特别是对于多个化学反应步骤。

该团队写道，这个过程通常会导致“所需产品的浓度变得极小”，或者甚至可能完全抑制其产生。这些反应还需要多个空间上分离的室，这与地球的自然环境很难相似。

这项新研究的灵感来自地质学。早期地球在火山和地热系统的各种岩石中发现了复杂的充满水的裂缝网络。岩石过热产生的裂缝形成了天然的“吸管”，可以利用热梯度过滤复杂的分子混合物。

每个分子根据其大小和电荷偏好一个优选的温度。当暴露在不同的温度下时，它自然会朝着理想的方向发展。这一过程称为热泳，一步将配料汤分成多个不同的层。

该团队使用热流室模拟了单个薄岩石裂缝。该腔室大约有银行卡大小，有 170 微米宽的微小裂缝，大约是人类头发的宽度。为了形成温度梯度，腔室的一侧被加热至 104 华氏度，另一端冷却至 77 华氏度。

在第一次测试中，研究小组将包括氨基酸和 DNA 核苷酸在内的益生元化合物混合物添加到腔室中。 18小时后，各成分像提拉米苏一样分层。例如，甘氨酸（最小的氨基酸）集中在顶部，而其他热泳强度较高的氨基酸则粘在底部。同样，DNA 字母和其他维持生命的化学物质也在裂缝中分离出来，其中一些物质的富集度高达 45%。

尽管前景广阔，但该系统与早期地球不同，早期地球具有高度互连的大小不一的裂缝。为了更好地模仿自然条件，研究小组接下来搭建了三个房间，第一个房间又分成另外两个房间。与单个室相比，其在富集益生元化学物质方面的效率大约高 23 倍。

然后，该团队使用计算机模拟，使用益生元化学物质的真实流速，对 20×20 互连室系统的行为进行了建模。这些室进一步丰富了酿造液，其中甘氨酸的含量是其他氨基酸的 2,000 多倍。

化学反应

清洁成分是形成复杂分子的良好开端。但许多化学反应需要额外的化学物质，这些化学物质也需要浓缩。在这里，研究小组专注于将两个甘氨酸分子缝合在一起的反应。

核心是三偏磷酸盐 (TMP)，它有助于引导反应。研究小组解释说，TMP 对于生命起源前的化学特别有趣，而且它在早期地球上很稀缺，这“使得它的选择性富集变得至关重要”。与其他化学品混合时，单室会增加 TMP 水平。

通过计算机模拟，TMP 和甘氨酸的混合物将最终产品（双甘氨酸）增加了五个数量级。

研究小组写道，“这些结果表明，通过选择性地富集不同区域的化学物质的热流，极大地促进了原本具有挑战性的益生元反应”。

他们总共测试了 50 多种益生元分子，发现断裂很容易将它们分开。由于每个裂缝都可能有不同的分子组合，因此它可以解释多种维持生命的构件的兴起。

尽管如此，生命的组成部分如何组合在一起形成有机体仍然是个谜。热流和岩石裂缝可能只是这个难题的一小部分。最终的测试将是看看这些纯化的益生元是否以及如何连接形成细胞。

图片来源：Christof B. Mast

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• Sumber: https://singularityhub.com/2024/04/05/lifes-origins-fissures-in-hot-rocks-may-have-kickstarted-biochemistry/