世界綜合

科學家發現可能引發地球「生命起源」的地質環境

近日,一項發表在《eLife》上的研究揭示了一種可能引發地球上生命起源的地質環境。研究人員發現,在特定的地質條件下,「核酸」——生命的基本遺傳構建塊,可以實現自我複製,這或許為解開生命起源之謎提供了新的線索。

眾所周知,生命的起源一直是科學界未解的謎團。其中一個廣為接受的理論是,遺傳物質的複製,即DNA和RNA的複製,是生命起源的關鍵步驟。RNA分子不僅可以儲存遺傳信息,還能催化自身的複製,這使得它們能夠突變、演化並適應多種環境,最終編碼出生命的蛋白質構建塊。

然而,為了實現這一過程,RNA鏈需要在高鹽和高核酸濃度的環境下完成複製並進行「鏈分離」。但在這樣的環境中,鏈分離是一項艱巨的任務,通常需要溫度變化來實現,這又可能導致核酸的降解。

為了解決這一難題,慕尼黑大學的研究團隊模擬了一種簡單而普遍存在的地質場景:水通過岩石孔隙向上流動,並在與橫向氣體流相交的地方蒸發。這種設置在早期地球的火山島上非常常見,提供了核酸合成所需的乾燥條件。

環境渦旋流動和鹽濃度變化可促進DNA雙鏈分離

在氣體和水的界面處的複製過程。設想一種地質場景:在火山的多孔岩石中,含有生物分子的水被公釐尺度級別的氣流蒸發。氣流誘發了水的對流並導致蒸發。即使下方流入的是純水,溶解的核酸和鹽類也會因界面處的流動而在氣-水界面積聚。通過產生的渦流,核酸經過不同鹽濃度區域,促進了鏈條分離,允許它們以指數方式複製。實驗在微觀尺度上重現了這種環境,將特定體積的樣本置於連續的純水流入中,同時有氣流從上方掠過。圖片來源:《eLife》 (2024)。

在實驗室中,他們構建了這一模型,觀察氣體和水的流動如何影響核酸的行為。通過使用螢光標記的DNA片段,他們發現核酸確實在氣水界面處積累。在實驗開始的五分鐘內,DNA鏈的積累增加了三倍;一小時後,這一數字達到了30倍。

更有趣的是,他們發現這種環境下的渦旋流動和鹽濃度的變化可以促進DNA雙鏈的分離,而無需溫度的變化。這是通過FRET光譜技術測量DNA鏈的分離程度得出的結果。數據顯示,在氣水界面處,DNA雙鏈最初形成,但隨著時間推移,單鏈DNA的比例增加,表明雙鏈正在分離。

為了進一步驗證這一環境能否支持核酸的複製,他們添加了帶有螢光標記的核酸和能夠合成雙鏈DNA的酶。在恆定的溫度下,經過兩個小時,他們觀察到螢光信號增強,這意味著雙鏈DNA的數量增加了。而當他們關閉氣體和水的流動時,沒有觀察到這種現象。

這項研究的重要性在於,它為生命如何在地球上起源提供了一種可行的物理機制。研究團隊指出,這種簡單的地質結構可能在早期地球上廣泛存在,為核酸的富集、複製和分離提供了理想的環境。正如研究的資深作者Dieter Braun教授所說:「我們的發現大大擴展了可能支持早期生命複製的環境範圍,為理解生命在其他星球上如何可能出現提供了新的視角。」

這項研究發表在最新一期的《eLife》。

更多科學與科技新聞都可以直接上 明日科學網 http://www.tomorrowsci.com

圖片來源:eLIFE  (CC BY 4.0)

參考論文:
Prebiotic gas flow environment enables isothermal nucleic acid replication eLIFE

延伸閱讀:
當星際外客撞擊地球:探索宇宙生命起源的新理論