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新研究认为:气泡是生命出现的关键

2019-8-7@艾米 0 评论

在地球上的生命出现之前,大约35亿年前,海洋是由随机混杂的分子组成的汤。然后,不知何故,这些分子中的一些将自己排列成有序的DNA串、保护性细胞壁和能够保持细胞活力和功能的微小器官状结构。但它们如何完成这个组织一直困扰着科学家们。现在,慕尼黑路德维希马克西米利安大学(Ludwig–Maximilians University)的生物物理学家认为他们有一个答案:气泡

生命的开始并非瞬间完成。早期的前体分子以某种方式转变为生命的基石,如RNA、DNA、盐和脂质。然后,这些分子组织形成第一个早期版本的细胞,然后成为第一个单细胞生物

“这是所有生物物种的基础。为了使细胞形成,开始复制并在原始地球上开始自己的生命,然而,所有化学部分首先需要聚集在一起。”该研究的第一作者,路德维希马克西米利安大学的Dieter Braun说到。

在深海中,许多科学家认为生命起源于此,可能存在脂类、RNA和DNA等分子;但即便如此,它们也太分散,不可能发生任何有趣的事情。“分子迷失了。它们分散了,反应不会自己发生。”

东京工业大学(Tokyo Institute of Technology)的化学家亨德森克利夫斯(Henderson Cleaves)说,科学家们一致认为,分子聚合和相互反应需要一些力量。研究人员只是对这种力量是什么不能取得一致意见。

气泡就是从这里冒出来的

地球早期的海景中到处都是气泡。温暖的深海火山喷发出气泡状的烟羽。那些通风的球体,落在多孔的火山岩上。这就是Braun和他的同事们想要复制的条件。他们用模仿火山岩结构的多孔材料制造了一个容器,然后依次用六种不同的溶液填充它,每个溶液都模拟了生命形成过程中的不同阶段。一种代表早期步骤的解决方案是含有一种叫做RAO的糖,这种糖在构建核苷酸(RNA和DNA的组成部分)中是必需的。其他代表后期阶段的溶液包含RNA本身以及构建细胞壁所需的脂肪。

然后,研究人员在一端加热溶液并在另一端冷却。他们创造了一种称为“热梯度”的东西,其中温度从一端逐渐变化到另一端,类似于深海热喷口附近的水从热到冷逐渐变化的方式。Braun说:“这就像一个微型海洋。”

在每一种溶液中,温度的变化都会迫使分子凝结:它们会被吸引到在这些条件下自然形成的气泡中。几乎立刻,它们开始发生反应。

糖形成晶体,一种RNA和DNA核苷酸的骨架。酸形成更长的链,朝着复杂的类RNA分子的形成又迈出了一步。最后,分子将自身排列成类似于简单细胞的结构。

Braun说,从基本的意义上讲,细胞是包裹在脂肪袋中的分子。这正是他的气泡表面发生的事情:脂肪围绕着RNA和其他分子排列成球形。

Braun和他的同事们最惊讶的是,这些变化在不到30分钟的时间里发生得如此迅速。

“我很惊讶,”他说。尽管这是他和他的同事们第一次专门研究气泡,但研究人员之前已经尝试复制这些生物分子是如何经历生命所需的复杂反应的。他说,正常情况下,这些反应需要几个小时。

然而,一些化学家怀疑Braun的气泡是原始环境的准确表征。Braun和他的同事们将许多生命所需的复杂分子混杂在他们的溶液中。即使他们最简单的解决方案仍然代表了生命形成过程的后期阶段。这有点像用盒子里的混合物烤蛋糕,而不是从头开始。相反,古代海洋可能没有形成这些初始分子的合适条件。

此外,气泡实验是在一个小尺度上进行的。这很重要,因为这意味着从测试的一端到另一端的温度变化非常突然。实际上,海洋下的热梯度更为渐进。

不过,Braun认为,为什么气泡可能是生命起源的理想场所,这有几个原因。首先,它们提供了空气和水之间的完美界面。如果没有空气,生命所必需的许多反应都不会发生。例如,磷酸化,一种使小分子形成复杂分子串的反应,至少在部分干燥的条件下发生。在气泡里面,这不是问题;即使它们很小,气泡为这些反应提供了完美的干燥环境,至少是暂时的。

但气泡可以发挥另一个重要作用:它们创造秩序。在静水中,分子通常以无特定排列的方式散开。然而,气泡给分子(也许是生命的开始)提供了一些可以依附的东西。

本文源自 Live Science ,由米粮仓 艾米 基于创作共用协议(CC BY-NC)发布。

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