科學(xué)家發(fā)現(xiàn)可能引發(fā)地球生命出現(xiàn)的地質(zhì)環(huán)境

研究人員發(fā)現(xiàn)了一種合理的進(jìn)化環(huán)境，其中核酸——生命的基本遺傳組成部分——可以實(shí)現(xiàn)自身的復(fù)制，可能從而導(dǎo)致地球上的生命。

這項(xiàng)研究今天以預(yù)印本的形式發(fā)表在eLife上，編輯們認(rèn)為這是一項(xiàng)重要的工作，它提供了令人信服的證據(jù)，表明一個(gè)簡(jiǎn)單的地球物理環(huán)境，即氣流通過(guò)狹窄的水道，可以創(chuàng)造出一個(gè)導(dǎo)致核酸復(fù)制的物理環(huán)境。這項(xiàng)研究將引起研究生命起源的科學(xué)家的興趣，更廣泛地說(shuō)，也會(huì)引起研究核酸和診斷應(yīng)用的科學(xué)家的興趣。

地球上生命的出現(xiàn)仍是一個(gè)未解之謎，但一個(gè)普遍的理論認(rèn)為，遺傳物質(zhì)(核酸 DNA 和 RNA)的復(fù)制是一個(gè)核心且關(guān)鍵的過(guò)程。RNA 分子可以存儲(chǔ)遺傳信息，并通過(guò)形成雙鏈螺旋來(lái)催化自身的復(fù)制。這些能力的結(jié)合使它們能夠變異、進(jìn)化并適應(yīng)不同的環(huán)境，并最終編碼生命的蛋白質(zhì)組成部分。

為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，RNA 鏈不僅需要復(fù)制成雙鏈形式，還需要再次分離以完成復(fù)制周期。然而，在復(fù)制所需的高鹽和核酸濃度下，鏈分離是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。

“人們研究了各種機(jī)制，以了解它們?cè)谏鹪磿r(shí)分離 DNA 鏈的潛力，但它們都需要溫度變化，而這會(huì)導(dǎo)致核酸降解，”主要作者、德國(guó)慕尼黑路德維希馬克西米利安大學(xué)系統(tǒng)生物物理學(xué)博士生 Philipp Schwintek 說(shuō)道。

“我們研究了一種簡(jiǎn)單而普遍的地質(zhì)情景，即水通過(guò)巖石孔隙流動(dòng)，被一種氣體通過(guò)巖石滲透到地表而干燥。這種環(huán)境在早期地球的火山島上非常常見(jiàn)，為 RNA 合成提供了必要的干燥條件。”

研究團(tuán)隊(duì)建立了巖石孔隙的實(shí)驗(yàn)室模型，其中向上的水流在與垂直氣體流的交匯處蒸發(fā)，導(dǎo)致溶解氣體分子在表面積聚。同時(shí)，氣體流在水中引起環(huán)流，迫使分子回到體內(nèi)。為了了解該模型如何影響環(huán)境中的核酸，他們使用珠子監(jiān)測(cè)水流的動(dòng)態(tài)，然后跟蹤熒光標(biāo)記的短 DNA 片段的運(yùn)動(dòng)。

“我們?cè)绢A(yù)期持續(xù)蒸發(fā)會(huì)導(dǎo)致 DNA 鏈在界面處積聚，”Schwintek 說(shuō)道。“事實(shí)上，我們發(fā)現(xiàn)水在界面處持續(xù)蒸發(fā)，但水面中的核酸在氣體/水界面附近積聚。”在開(kāi)始實(shí)驗(yàn)的五分鐘內(nèi)，DNA 鏈的積聚量增加了三倍，而一小時(shí)后，界面處積聚的 DNA 鏈增加了 30 倍。

雖然這表明氣體/水界面允許足夠的核酸濃度以進(jìn)行復(fù)制，但雙鏈 DNA 的分離也是必要的。通常需要改變溫度，但當(dāng)溫度恒定時(shí)，需要改變鹽濃度。

“我們假設(shè)，由氣體通量提供的界面處的循環(huán)流體流動(dòng)與被動(dòng)擴(kuò)散一起，將通過(guò)迫使核酸通過(guò)具有不同鹽濃度的區(qū)域來(lái)驅(qū)動(dòng)鏈分離，”資深作者、慕尼黑大學(xué)系統(tǒng)生物物理學(xué)教授迪特爾·布勞恩 (Dieter Braun) 解釋道。

為了驗(yàn)證這一點(diǎn)，他們使用了一種稱(chēng)為 FRET 光譜的方法來(lái)測(cè)量 DNA 鏈分離——高 FRET 信號(hào)表明 DNA 鏈仍然結(jié)合，而低 FRET 則表明鏈分離。正如預(yù)期的那樣，F(xiàn)RET 信號(hào)最初在氣水界面附近增加，表明形成了雙鏈 DNA。但在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)水向上流動(dòng)時(shí)，F(xiàn)RET 信號(hào)很低——表明是單鏈 DNA。

此外，當(dāng)研究小組將這些數(shù)據(jù)與水流和鹽濃度的模擬結(jié)果疊加時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)氣水界面處的渦流導(dǎo)致鹽濃度變化高達(dá)三倍，有可能導(dǎo)致鏈分離。

盡管核酸和鹽在氣水界面附近聚集，但在大部分水中，鹽和核酸的濃度仍然非常低。這促使研究小組測(cè)試核酸復(fù)制是否真的可以在這種環(huán)境中發(fā)生，方法是將用熒光染料標(biāo)記的核酸和可以合成雙鏈 DNA 的酶添加到巖石孔隙的實(shí)驗(yàn)室模型中。與正常的實(shí)驗(yàn)室 DNA 合成反應(yīng)不同，溫度保持在恒定溫度，反應(yīng)暴露在水和氣體的混合流入中。

兩小時(shí)后，熒光信號(hào)增加，表明雙鏈 DNA 分子復(fù)制數(shù)量增加。然而，當(dāng)關(guān)閉氣體和水流入時(shí)，沒(méi)有觀(guān)察到熒光信號(hào)的增加，因此也沒(méi)有看到雙鏈 DNA 的增加。

“在這項(xiàng)研究中，我們調(diào)查了一個(gè)可能引發(fā)早期生命復(fù)制的合理而豐富的地質(zhì)環(huán)境，”布勞恩總結(jié)道。“我們考慮了一種氣體流過(guò)充滿(mǎn)水的開(kāi)放巖石孔隙的環(huán)境，溫度沒(méi)有任何變化，我們發(fā)現(xiàn)氣體和水的結(jié)合流動(dòng)可以引發(fā)支持 DNA 復(fù)制的鹽波動(dòng)。

“由于這是一個(gè)非常簡(jiǎn)單的幾何形狀，我們的發(fā)現(xiàn)極大地?cái)U(kuò)展了可以在早期行星上復(fù)制的潛在環(huán)境的范圍。”

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