慕尼黑路德维希·马西米兰大学 热流体遭遇冷海:地球早期多孔火山岩中的局部温度梯度可能促进了核糖核酸链的自我复制
信用:图片联盟 早期地球地质条件驱动的化学反应可能导致了自我复制分子的前生物进化
LMU路德维希-马克西米利安大学的科学家们现在报道了一种可能促进这一过程的热液机制
生命是自然选择进化的产物
这是查尔斯·达尔文150多年前出版的《物种起源》一书中的一课
但是我们星球上的生命历史是如何开始的呢？什么样的过程可能导致我们现在知道的生物分子的最早形式的形成，随后产生了第一个细胞？科学家认为，在(相对)年轻的地球上，一定存在有利于益生元分子进化的环境
一个专门的研究小组正致力于确定从简单的化学前体进化出复杂的多聚体分子的第一步是可行的条件
LMU生物物理学家迪特·布劳恩解释说:“为了启动整个过程，益生元化学必须嵌入一个环境中，在这个环境中，物理参数的适当组合会导致非平衡状态的出现。”
他和他在圣地亚哥索尔克研究所的同事一起，朝着这样一个国家的定义迈出了一大步
他们的最新实验表明，温水(由墨西哥湾流的微观版本提供)通过火山岩孔隙的循环可以刺激核糖核酸链的复制
新的发现发表在《物理评论快报》杂志上
作为所有已知生命形式中遗传信息的载体，核糖核酸和脱氧核糖核酸是生命起源研究的核心
两者都是由四种叫做碱基的亚单位组成的线性分子，两者都可以复制，因此可以传递
碱基序列编码遗传信息
然而，核糖核酸链的化学性质与脱氧核糖核酸链的化学性质有细微的不同
当脱氧核糖核酸链配对形成著名的双螺旋时，核糖核酸分子可以折叠成三维结构，这种结构更加多样，功能更加多样
事实上，特定折叠的核糖核酸分子已经被证明可以催化试管和细胞中的化学反应，就像蛋白质一样
因此，这些核糖核酸的作用类似于酶，被称为核酶
复制和加速化学转化的能力推动了“核糖核酸世界”假说的形成
这个想法假设，在早期的分子进化过程中，核糖核酸分子既是像脱氧核糖核酸一样的信息储存者，也是化学催化剂
后一种作用是由今天生物体中的蛋白质来完成的，其中核糖核酸是由被称为核糖核酸聚合酶的酶合成的
能够将短核糖核酸链连接在一起的核酶——以及一些能够复制短核糖核酸模板的核酶——是通过实验室中的突变和达尔文选择创造出来的
新的研究中使用了一种“核糖核酸聚合酶”核酶
获得核糖核酸的自我复制能力被认为是益生元分子进化的关键过程
为了模拟这一过程得以建立的条件，布劳恩和他的同事们进行了一项实验，在这个实验中，一个5毫米的圆柱形小室相当于火山岩中的一个孔隙
在地球早期，多孔岩石会暴露在自然温度梯度下
例如，穿过海底岩石的热流体在海底会遇到较冷的水
这解释了为什么海底热液喷口是许多研究者最青睐的生命起源的环境背景
在微小的孔隙中，温度波动可能非常大，并引起热传递和对流
这些条件很容易在实验室重现
在新的研究中，LMU团队证实了这种梯度可以极大地刺激核糖核酸序列的复制
核酶驱动的核糖核酸复制的一个主要问题是这个过程的最初结果是双链核糖核酸
为了实现循环复制，必须将链分开(“熔化”)，这需要更高的温度，这可能会使核酶展开并失活
布劳恩和他的同事已经展示了如何避免这种情况
“在我们的实验中，反应室的局部加热产生了一个陡峭的温度梯度，这建立了对流、热泳和布朗运动的组合，”布朗说
对流搅动系统，而热泳以尺寸依赖的方式沿着梯度输送分子
结果是像墨西哥湾流这样的洋流的微观版本
这是必不可少的，因为它将短的核糖核酸分子运输到较温暖的区域，而较大的热敏核酶积累在较冷的区域，并被保护免受熔化
事实上，研究人员惊讶地发现，核酶分子聚集形成更大的复合物，这进一步提高了它们在寒冷地区的浓度
这样，尽管温度相对较高，不稳定核酶的寿命可以显著延长
“这是一个完全的惊喜，”布朗说
获得的复制链的长度仍然相对有限
最短的核糖核酸序列比较长的更有效地复制，因此复制的主要产物被减少到最小长度
因此，真正的达尔文进化，即倾向于合成逐渐变长的核糖核酸链，不会在这些条件下发生
“然而，基于我们的理论计算，我们相信进一步优化我们的温度陷阱是可行的，”布劳恩说
核酶是由较短的核糖核酸链组装而成的系统，它可以单独复制，这也是一种可能的发展方向
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