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科学家发现一种奇特的化学循环,可能帮助了生命的起源

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像贝努这样的太空岩石含有糖等关键遗传成分,它们以爆炸性的方式将这些物质投送到早期地球,为生命友好型材料提供了又一来源。



核糖就是这样一种生物必需糖,其中一些可能在地球自身过程开始制造它之前就从太空抵达了。

它就是RNA(核糖核酸)中的那个“R”,在物理上构成其骨架,而它的一种修饰版本则为DNA(脱氧核糖核酸)提供骨架结构。

DNA更为著名,但它安稳地待在我们细胞的细胞核中,而单链的、看似冷漠的RNA则前往身体的工作岗位,传递基因组数据、构建蛋白质并调控基因活动。



但有一个问题:核糖很脆弱。有点像食糖,高温和其他因素会把它变成焦糖——不是那种美味的东西,而是一种焦油状的“棕色黏稠物”。

这并不理想,尽管我们人类自身就由(并制造)许多黏稠状物质构成。

然而,这可能不再是个问题:生命科学家报告称,在一个旨在解释化学如何变成生物学、生命如何从泥沼中诞生的地球化学难题上,可能取得了突破。

根据发表在《科学报告》上的一项新研究,澳大利亚新南威尔士大学的天体生物学家和化学家发现,古老的核糖可能被一种不起眼的元素剂阻止了焦糖化——而核糖本身也帮助维持了这种元素剂的可用性。

那种元素就是类金属硼,它也为火星上曾有大量蒸发的水提供了线索。

当核糖和硼化合物相遇时,它们会形成络合物。



但硼的可用性同样脆弱。它可能被钙之类的东西从水中拉出并锁在岩石中——从而对萌芽中的生命形式变得无用。

因此,过去二十年中的许多研究探索了各种核糖-硼相互作用的场景。

但研究人员指出,基于他们的方法,其中一些“实验可能因此并未反映真实的早期地球环境”。

于是,除了标准实验室级硼砂外,他们还使用了常见的“真实世界”含硼矿物:四水硼砂、硬硼钙石和钠硼解石——这些矿物还含有钠、钙或两者兼有——来测试硼根据其来源矿物不同而溶解到水中的方式。

他们在不含和含核糖的条件下进行了实验,前者作为对照。

瞧,核糖的加入以一种至关重要的方式改变了硼与钙之间的相互作用。

钙会将硼封存在顽固不溶的岩石中,而引入核糖,将这一组合变成化学三角恋,从而提供了溶解性解决方案。

核糖帮助将硼从其岩石牢笼中拉入水中,在研究人员使用的所有四种矿物中都如此——而且对含钙矿物尤其有效。

随后,该团队使用一块从印度拉达克高海拔普加热液系统采集的“蓬松蒸发结壳”重复了实验,作为早期地球的化学类似物。



当他们把这种物质浸入水中时,在没有核糖的情况下,一定量的硼被释放出来。当他们随后加入核糖时,释放到水中的硼量增加了约60%。

接着,研究人员探究了降解的核糖是否能提高硼的溶解度。

在他们通过加热和碱性条件,或化学方法将核糖“焦糖化”后,他们发现溶液中溶解硼的绝对量仅有轻微增加。

尽管加入焦糖化核糖后,硬硼钙石中溶解硼的浓度增加了50%,但这一增幅远小于新鲜核糖对同一矿物的提升效果(硼增加约3.5倍),这表明新鲜核糖效果最佳。

最后,研究人员以类似方式测试了蔗糖和葡萄糖,发现它们能提高硼的溶解度,但不如核糖。这很可能是因为核糖的分子几何结构特别适合与硼形成稳定络合物。



因此,研究人员提出了以下循环。

核糖拉取并保护硼,硼反过来保护核糖。所以更多核糖可能导致更多溶解硼,而更多溶解硼又能帮助更多核糖存活,为RNA世界假说乃至最终我们的出现奠定基础。

但等一下。这项研究还提出了一个有趣的细微之处:硼化合物是双刃剑。它们能稳定已有的核糖,但过量时实际上会抑制核糖最初的形成。

在这种背景下,钙突然变成了反派变英雄:它可能使硼水平保持较低,这样核糖就能形成,然后上述循环可能接管了过程。

最后,pH值的变化——这在温泉系统中可能很常见——可能帮助核糖从硼中释放出来,使其能够经历其他反应,比如,再次,造就我们。

因此,这项工作显示了使用天然矿物样本而非纯净合成材料的价值,尽管后者有助于保持控制并降低实验复杂性。

结果,我们又完整地(或半完整地)回到了卡尔·萨根那句关于我们都是星尘的名言——具体来说,是太空糖。

当然,我们容易受到糖那抚慰人心的甜味影响,这带来了许多健康后果。但也许它也提供了帮助我们存在并尝试适度享受它的物理支点。

该研究已发表在《科学报告》上。

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