新研究论证:海洋气泡是生命出现的关键

在地球上的生命出现之前,大约35亿年前,海洋是随机混乱分子的汤。然后,不知何故,这些分子中的一些将自己排列成组织良好的DNA,保护性细胞壁和能够保持细胞活力和功能的微小器官样结构。但他们如何完成这个组织一直困扰着科学家们。现在,慕尼黑Ludwig-Maximilians大学的生物物理学家认为他们有一个答案:海洋气泡。

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,”该研究的第一作者,路德维希马克西米利安大学的Dieter Braun告诉记者。

布劳恩说 ,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。

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,它们也会因为任何有趣的事情而过于分散。

“分子迷失了。它们分散了,”布劳恩说。“反应不会自己发生。”

东京工业大学的化学家亨德森克利夫斯告诉Live Science,科学家们一致认为,分子聚合和相互反应需要一些力量。研究人员只是不同意这种力量是什么。

这就是气泡进来的地方。

地球早期海景中到处都是气泡。温暖的深海火山喷出了嘶嘶作响的羽毛。那些通风的球体,落在多孔的火山岩上。这些是布朗和他的同事试图复制的条件。他们用多孔材料制造了一个容器,模仿火山岩的纹理,然后用六种不同的解决方案填充它,每个解决方案在生命形成过程中建立不同的阶段。代表早期步骤的一种解决方案包含称为RAO的糖,这在构建核苷酸(RNA和DNA的构建模块)中是必需的。代表后期阶段的其他解决方案包含RNA本身,以及构建细胞壁所需的脂肪。[ 7关于生命起源的理论 ]

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,类似于深海热通风口附近的水从热到冷逐渐变化的方式。

“这就像一个微海洋,”布劳恩说。

在每种溶液中,温度变化迫使分子结块 – 并且它们被吸引向在这些条件下自然形成的气泡。几乎立即,他们开始反应。

糖形成晶体,一种RNA和DNA核苷酸的骨架。酸形成更长的链,朝着形成复杂的RNA样分子迈出了另一步。最后,分子将自身排列成类似于简单细胞的结构。布劳恩说,从基本的意义上讲,细胞是被脂肪包裹的袋子。这正是他的气泡表面发生的事情:脂肪在RNA和其他分子周围的球体中排列。

他说,布劳恩及其同事最令人惊讶的是这些变化在30分钟内发生的速度有多快。

“我很惊讶,”他说。虽然这是他和他的同事第一次专注于气泡,但研究人员之前曾试图复制这些生物分子如何经历生命所需的复杂反应。通常,他说,这些反应需要数小时。

然而,一些化学家持怀疑态度,布劳恩的气泡是原始环境的准确表示。布劳恩和他的同事用他们生活所需的许多复杂分子来解决他们的解决方案。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,Scripps海洋学研究所的化学家Ramanarayanan Krishnamurthy没有参与这项研究,他告诉Live Science。这有点像用盒子混合物烘烤蛋糕,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,Krishnamurthy说。

此外,泡沫实验发生的规模很小。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,Cleaves说,海洋下的热梯度更为渐进。

不过,布劳恩认为,为什么泡沫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,生活所必需的许多反应都不会发生。例如,磷酸化是使小分子形成复杂分子串的反应,必须在至少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,气泡也为这些反应干燥提供了完美的环境,至少是暂时的。

但泡沫可以发挥另一个重要作用:它们创造秩序。在静水中,分子通常在没有特定排列的情况下展开。然而,气泡给分子 – 也许是生命的开始 – 在混乱的世界中有所依据。