生命如何從各種非生命分子中出現在地球上仍是一個頑固而持久的謎團。實驗可以向我們展示這關鍵步驟是如何發生的,但每一次的耀進都是令人困惑的死路。

例如,水似乎從一開始就是組成生命的重要成分。然而,一些生命中最重要的組成成分的生長過程卻令人心煩的厭惡潮濕。

威斯康星大學麥迪遜分校生化工程師 John Yin 說:「我們知道氨基酸是蛋白質的組成成分,而蛋白質是生命所必需的,在生命起源前的化學中,長期以來,我們如何讓這些東西以一種可能最終導致活細胞的方式形成鍵和串的問題。這個問題很難,因為所涉及的特定化學是一種在有水的情況下,往往會失敗的化學。」

自查爾斯·達爾文時代以來的主流理論是,生命是從一個潮濕的「原始湯」(primordial soup)中所誕生,因此很難調和水在最初持續、自我複制反應的起源中可能扮演的確切角色。

因此,威斯康星大學麥迪遜分校的化學工程師 Hayley Boigenzahn 領導了一項針對模擬變化環境的研究——探究環境在潮濕和乾燥條件之間變化,這種環境在自然界中很容易複製,有潮汐和晝夜循環以及天氣變化。

Boigenzahn 的團隊結合了一系列已被證明很容易自然產生的氨基酸。作為蛋白質的組成成分——能夠執行生命過程的機械工作單元——由此產生的結構是在早期形式的生物學中發揮重要作用的一個可靠賭注。

不幸的是,讓這些單元連接成更長的鏈是一個挑戰。因此在這種情況下,研究人員使用了氨基酸甘氨酸。

然後他們在原始湯中加入了三偏磷酸鈉,這是一種在火山中自然產生的分子。

最後,在原始湯中加入氫氧化鈉 (NaOH) 以增加其 pH 值。

在實驗的第一個小時內,甘氨酸偶聯形成一個雙單元分子,稱為二聚體。該反應釋放質子,進而中和發生二聚反應所需的 pH 值,有效地制止了整個過程。

因此研究團隊懷疑,正如在之前的研究中發現的那樣,隨著溶液的 pH 值變得更加中性,二聚體慢慢地開始相互連接成稍長的鏈。 然而,隨著溶液變乾,反應速率增加,這可能是由於分子的濃度靠得更近。

Boigenzahn 說:「我們在這裡展示的是,所有反應中,不一定必須是相同的環境,它們可以發生在不同的環境中,前提是正在發生的反應有助於創造一個有利於下一步的環境。」

潮濕和乾燥條件之間的循環轉變可以使分子成長成更複雜的蛋白質,其中一些可能會促進參與生命中其他的化學反應。

Boigenzahn 和研究團隊指出:「事實上,這些反應機制已經知道很多年,而且人們對它們之間聯繫的認識有限,這表明除了環境對反應的影響外,可能值得更多關注擬議的益生元反應對環境之影響。」

這也不是生命起源可能發生在潮濕邊緣的第一個線索。在今年初早,化學家發現自由漂浮的氨基酸在微小水滴的空氣-水邊界處更容易產生反應性。更重要的是,這些反應發生在正常環境條件下,不需要其他化學物質或輻射。

在理解所有相關內容之前還有很長的路要走,但理解生命創造背後的過程也可能為新的、更強大的化學技術打開大門。

Yin説:「最終可能會創造出能夠儲存信息、適應和進化的化學系統。DNA 儲存信息的密度是計算機芯片的數千倍。如果能夠在不一定是活細胞的情況下獲得執行此操作的系統,那麼就能開始考慮在分子水平上發生的各種新功能和過程。」

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參考資料:

  1. Koumoundouros,T., (2022,Dec 26). Frequent Dry Spells Could Have Been Essential For Life to Emerge on Earth. ScienceAlert
  2. Boigenzahn, H., & Yin, J. (2022). Glycine to Oligoglycine via Sequential Trimetaphosphate Activation Steps in Drying Environments. Origins of Life and Evolution of Biospheres, 52(4), 249-261. https://doi.org/10.1007/s11084-022-09634-7 
  3. 圖片來源:https://www.sciencealert.com/frequent-dry-spells-could-have-been-essential-for-life-to-emerge-on-earth(圖:Lukas Bischoff/iStock/Getty Images Plus)
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