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生命起源进展:模拟早期地球大气碰撞可产生所有4种 RNA 碱基

2017/05/12 来源:科研圈
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导读
并没有多少实验能够进入高中课本,但 Stanley Miller 和 Harold Urey 是个例外。他们将一种混合气体密封在容器中,来模拟地球早期大气,然后在其中释放电火花。实验产生出一些混合化学物质,包括构成蛋白质的基础——氨基酸。

研究人员利用激光系统模拟了天梯撞击产生的冲击波。在冲击波反应中也产生了甲酰胺,并继续反应形成了 RNA 的全部四种碱基。

作者:JOHN TIMMER

翻译:逸轩

审校:陈月欣


地球生命起源于大碰撞Don Davis/NASA

并没有多少实验能够进入高中课本,但 Stanley Miller 和 Harold Urey 是个例外。他们将一种混合气体密封在容器中,来模拟地球早期大气,然后在其中释放电火花。实验产生出一些混合化学物质,包括构成蛋白质的基础——氨基酸。

这项开创性的实验提供了首个通过实验研究早期生命起源的途径,但由于随之而来的研究将我们的理论逐渐精细化,反而让人们越来越觉得这项实验与实际生命起源的关联不大。一个法国-捷克联合实验团队决定使用 Miller 和 Urey 未考虑过的一种能量来源,重新审视了这一实验:太空来源物体的影响。结果呢?产生出了所有4种 RNA 碱基,DNA 的化学近亲和生命的必需品。

概念性的转变

Miller-Urey 实验的热度逐渐退去有两个原因。首先是概念上的。在那个时候,人们主要关注生命纷繁的化学反应网络,几乎所有这些反应都是由蛋白质催化的,所以很难想象没有蛋白质生命如何存在。氨基酸的形成让蛋白质合成成为可能,因而貌似提供了一条原始生命化学过程的明显路线。至于基因材料可以随后添加。

Miller 和 Urey 所不知道、而我们花费数十年才明白的是蛋白质并未垄断细胞化学过程的催化。我们已经发现细胞中许多关键反应可以由 RNA 催化,一些研究还表明,RNA 和 DNA 可以参与各种化学反应。这些发现引出了 RNA 世界假说,认为生化过程和遗传同时始于有催化作用的 RNA 分子的形成。

氨基酸可能是于 RNA 有益的辅助因子或反应的副产物,但不是生命起源的中心。这个挑战并没有指出氨基酸如何在简单反应条件下形成,而是将关注点从 Miller-Urey 实验转移到形成 RNA 所需基本化学物质的合成上。

除了概念的问题,生命起源实验还遇到了实际性的问题。Miller 和 Urey 假设早期地球具有“还原性”大气,这与当前的氧化性大气不同。实际上,这与土星的卫星泰坦的情形相似,即大气中的主要成分与氢原子相关——也就是说,氨气代替了氮气,水和甲烷代替二氧化碳,并且不含氧气。这个观点越来越受到认可,并且有证据显示早期地球的大气很可能是中性的,介于还原性和氧化性之间。

回归

支持新研究的人们认为,当前的证据显示36亿年前,大气可能是中性略偏还原性的。无论怎样,早期地球显然会经常遭受彗星等天体的撞击,而它们携带着大量还原性的物质。因此尽管 Miller-Urey 型的大气并不占主导,研究人员依然认为是与早期大气相关连的。

研究人员重新进行了 Miller-Urey 实验,但这一次他们试图寻找不同的化学物质的存在:甲酰胺,含有碳、氮、氧原子各一个和三个氢原子。虽然结构简单,但它是非常重要的基础物质。其他实验显示,在适当的条件下,甲酰胺可以与自身反应,合成所有4种 RNA 碱基。

Miller 和 Urey 不会知道这是多么重要的一个发现,但新研究已经给出了答案。新实验没有直接合成任何 RNA 碱基,但鉴于这些反应需要特定的催化剂或紫外线辐射,这样的结果也在意料之中。然而作者指出,已经有研究人员描述了催化甲酰胺反应的另一种途径:冲击波,正如地外天体撞击所引起的那样。

巧的是,研究团队取得了 Prague Asterix 激光系统(Prague Asterix Laser System)的使用权,它能够产生兆兆瓦等级的脉冲。他们利用这一系统模拟了撞击将会产生的冲击波。

在冲击波反应中也产生了甲酰胺。但它还继续反应形成了RNA的四种碱基。这些碱基的量都非常少,某些甚至刚刚达到检测阈值。当然,实际撞击产生的冲击波会更大而且持续更久,因而会产生相当规模的产物。

这一崭新的研究工作并没有解答早期地球有多大可能存在这种大气。但关键是这一研究扩展了合成 RNA 的途径。它还增加了寻找到地外生物的期望。即使并不能确定早期地球具有 Miller-Urey 型大气,在数以亿万计的备选地外行星中,机会还是很多的。

论文基本信息

【题目】Formation of nucleobases in aMiller–Urey reducing atmosphere

【作者】Martin Ferusa, Fabio Pietruccib,Antonino Marco Saittab, Antonín Knížeka,c, Petr Kubelíka, Ondřej Ivaneka,Violetta Shestivskaa, and Svatopluk Civiša,1

【期刊】PNAS

【日期】March 13, 2017

【DOI】10.1073/pnas.1700010114

【摘要】

The Miller–Urey experiments pioneeredmodern research on the molecular origins of life, but their actual relevance inthis field was later questioned because the gas mixture used in their researchis considered too reducing with respect to the most accepted hypotheses for theconditions on primordial Earth. In particular, the production of only aminoacids has been taken as evidence of the limited relevance of the results. Here,we report an experimental work, combined with state-of-the-art computational methods,in which both electric discharge and laser-driven plasma impact simulationswere carried out in a reducing atmosphere containing NH3 + CO. We showthat RNA nucleobases are synthesized in these experiments, strongly supportingthe possibility of the emergence of biologically relevant molecules in areducing atmosphere. The reconstructed synthetic pathways indicate that smallradicals and formamide play a crucial role, in agreement with a number ofrecent experimental and theoretical results.

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