干燥过程可能是生命发展的关键步骤

新的研究可能有助于解释生命之路的关键早期步骤，从充满简单氨基酸的水池到细菌、红杉树和人类。

　　

   

   

图片:Hayley Boigenzahn是威斯康星大学麦迪逊分校化学与生物工程系的博士生。她对地球上生命出现过程中潜在环境过程的调查发表在2020年12月的《生命起源与生物圈进化》杂志上。    

150年前，查尔斯·达尔文推测生命可能起源于一个温暖的小池塘。达尔文认为，在那里，化学反应和奇怪的闪电可能导致了氨基酸链的形成，随着时间的推移，氨基酸链变得越来越复杂，直到生命的起源。

从那以后，研究人员一直在研究这种生命前或“前生命”化学，试图找出从充满简单氨基酸的池到细菌、红杉树和人类的化学途径。经过一系列实验，研究人员可以解释生命道路上可能至关重要的早期步骤之一是如何发生的。他们在2022年12月的杂志上发表了他们的发现生命的起源与生物圈的进化．  

在1952年一项名为米勒-尤里实验的著名研究中，研究人员模拟了被认为存在于生命起源前的地球上的条件，包括一定比例的水、甲烷、氢和其他元素。当用电来模拟闪电时，研究人员发现这种反应产生了氨基酸，这表明这些分子广泛存在于生命起源前的地球上。

“我们知道氨基酸是蛋白质的组成部分，而蛋白质对生命至关重要。”“在生命起源之前的化学中，长期以来一直是一个问题，即我们如何才能让这些东西以一种可能最终导致活细胞的方式形成键和弦。这个问题很难回答，因为所涉及的特定化学物质在有水的情况下往往会失效。”

在她的实验中，Boigenzahn研究了这些氨基酸是否有可能在环境变化期间聚集在一起——例如，当一池水蒸发时。在一种化学活化剂的存在下，这些氨基酸可以结合在一起形成肽，或氨基酸的短链。

为了研究氨基酸在干燥过程中如何形成键，Boigenzahn创造了氨基酸甘氨酸和三甲磷酸盐的溶液，这是火山过程中自然产生的一种活化剂。用加热器蒸发溶液，Boigenzahn观察了氨基酸在24小时内的变化。

她发现了一个两阶段的过程。在第一阶段，当溶液的pH值为碱性时，甘氨酸结合成称为二聚体的两分子单位，二聚体也产生质子，使溶液的pH值为中性。在第二阶段，随着蒸发的发生，二聚体开始结合在一起形成更长的肽链，称为寡甘氨酸。

很容易想象这样一种场景:在火山般的温暖温泉中，含有激活剂的氨基酸首先结合成二聚体。然后，随着水的蒸发和化学性质的变化，二聚体结合并开始形成更长的氨基酸链。

“我们在这里展示的是，在所有的反应中，不一定要在相同的环境中进行。”“它们可以发生在不同的环境中，只要正在发生的反应有助于创造一个对下一步有益的环境。”

经过多次干湿循环，肽链可能变得越来越长。最终，它们可能开始自我折叠，形成催化化学反应的酶或蛋白质。这可能为更复杂的蛋白质和新陈代谢的开始奠定了基础。

Boigenzahn和Yin都表示，研究人员还需要很长时间才能找到从达尔文温暖的小池塘到生命起源的可能路径。但是，特别是对化学工程师来说，研究生命起源化学的努力可能会有很大的回报。

“如果你真正理解了这种不同于传统生物学的化学，最终你可能会创造出能够存储信息、适应和进化的化学系统，DNA存储信息的密度是电脑芯片的数千倍。如果我们能让系统在不一定是活细胞的情况下做到这一点，那么你就可以开始思考在分子水平上发生的各种新功能和过程。”