實(shí)驗(yàn)室搜索中創(chuàng)造了栩栩如生的化學(xué)物質(zhì) 以研究生命起源

威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的研究人員培養(yǎng)了逼真的化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)開創(chuàng)了研究生命起源的新策略。

這項(xiàng)工作遠(yuǎn)非要啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)室的工作。然而，它表明，簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)室技術(shù)可以激發(fā)可能的反應(yīng)，這些反應(yīng)可能是解釋大約40億年前地球上生命如何開始的必要條件。

研究人員通過不斷削減化學(xué)物質(zhì)的數(shù)量，并通過添加新資源使其重新建立起來，對(duì)豐富的有機(jī)化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行反復(fù)選擇。經(jīng)過幾代的選擇，該系統(tǒng)似乎消耗了其原材料，這表明選擇可能導(dǎo)致了能夠傳播自身的化學(xué)網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)散。

在更長(zhǎng)的時(shí)間尺度上，這些化學(xué)變化以重復(fù)的方式振蕩。這種興衰周期尚未得到充分解釋，但是有力證據(jù)表明，化學(xué)湯建立了類似于在生物體中發(fā)現(xiàn)的反饋回路。威斯康星大學(xué)麥迪遜分校植物學(xué)教授大衛(wèi)·鮑姆(David Baum)和他的團(tuán)隊(duì)于2019年10月23日在《生活》雜志上發(fā)表了他們的發(fā)現(xiàn)。這項(xiàng)工作是由美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)和美國(guó)宇航局資助的。

現(xiàn)在，其他研究人員可以使用這種實(shí)驗(yàn)方法，并幫助弄清鼓勵(lì)形成栩栩如生的化學(xué)系統(tǒng)所需的成分，以及這些化學(xué)網(wǎng)絡(luò)是否可以繼續(xù)發(fā)展更復(fù)雜的特征。

如果該系統(tǒng)能夠產(chǎn)生更大的復(fù)雜性，那么它可能會(huì)幫助解決這樣一個(gè)難題，即簡(jiǎn)單的化學(xué)物質(zhì)最終如何產(chǎn)生出像今天產(chǎn)生了所有生命的細(xì)胞祖先那樣復(fù)雜的東西。

當(dāng)研究人員將實(shí)驗(yàn)擴(kuò)展到40代時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)磷酸鹽濃度是其化學(xué)湯中的關(guān)鍵原料之一，其濃度反復(fù)波動(dòng)。這些振蕩表明反饋回路的發(fā)展，這是生活的特征之一。圖片來源：David Baum實(shí)驗(yàn)室

“ 生命起源中的一個(gè)核心問題是：在DNA或RNA中存在遺傳信息之前，如何獲得進(jìn)化?” 鮑姆說。“我們現(xiàn)在已經(jīng)意識(shí)到，化學(xué)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展可能會(huì)解決該問題，而這是我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室中可以解決的問題。”

為了測(cè)試化學(xué)生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)化的想法，研究人員組裝了豐富的化學(xué)藥品湯。它們?cè)诤Ｋ腥芙獍被?，糖，常見的有機(jī)化合物，微量礦物質(zhì)和核酸的組成部分。為了使該系統(tǒng)更具優(yōu)勢(shì)，科學(xué)家將富含海水的ATP摻入其中，ATP是一種高能分子，可驅(qū)動(dòng)當(dāng)今幾乎所有生命的反應(yīng)，但不太可能在原始時(shí)代存在。

鮑姆(Baum)也是威斯康星研究所的發(fā)現(xiàn)研究員。發(fā)現(xiàn)。

研究小組將他們的原始湯料與細(xì)顆粒的黃鐵礦混合，黃鐵礦是鐵和硫的礦物，也被稱為傻瓜的黃金。根據(jù)德國(guó)化學(xué)家GünterWächtershäuser1988年提出的化學(xué)演化建議，鮑姆的研究小組認(rèn)為黃鐵礦是培養(yǎng)栩栩如生的化學(xué)反應(yīng)的理想材料。

鮑姆實(shí)驗(yàn)室的研究生，研究的主要作者莉娜·文森特說：“黃鐵礦是原始地球上的一種常見礦物質(zhì)，它可以與許多有機(jī)化合物結(jié)合，并且可以催化它們之間的反應(yīng)。” “而且，非常優(yōu)雅地，生命中許多高度保守的酶的核心與黃鐵礦非常相似。它們基本上是包裹在蛋白質(zhì)中的黃鐵礦。”

研究人員在小瓶中的少量碎黃鐵礦中添加了幾滴濃縮海水湯，并將溶液混合了幾天。這是第一代。為了開始下一代，Vincent吸收了少量的第一種溶液，并將其與新鮮的湯和黃鐵礦混合到一個(gè)小瓶中。在十幾代或更多的世代中，只有那些傳播速度可能比其稀釋速度快的化學(xué)網(wǎng)絡(luò)才能生存和傳播。

在12或18代之后，研究人員發(fā)現(xiàn)有效磷酸鹽(一種ATP的使用)和溶解的有機(jī)物質(zhì)的含量下降，這表明化學(xué)物質(zhì)可能會(huì)粘附并沿黃鐵礦晶粒擴(kuò)散。

當(dāng)他們以超高倍率檢查黃鐵礦時(shí)，研究人員在實(shí)驗(yàn)樣品中發(fā)現(xiàn)大量的分形形狀沿礦物表面擴(kuò)散，但在沒有選擇歷史的對(duì)照樣品中卻沒有。

盡管這些分形看起來像是鹽，但它們本身并不像栩栩如生，但研究人員懷疑它們可能是由與谷物結(jié)合的有機(jī)化合物的薄薄涂片引起的。當(dāng)有機(jī)物質(zhì)不留在溶液中時(shí)，分形就不會(huì)出現(xiàn)。

東京工業(yè)大學(xué)地球生命科學(xué)研究所(ELSI)的合著者吉姆·克萊夫斯(Jim Cleaves)說：“長(zhǎng)期以來，科學(xué)家一直在尋找能使有機(jī)化學(xué)物自發(fā)復(fù)雜化和組織的反應(yīng)實(shí)例。”日本。“基于這項(xiàng)工作，以及我們?cè)贓LSI進(jìn)行的其他實(shí)驗(yàn)，看來這種反應(yīng)可能根本不是非常罕見，這可能只是使用正確工具找到它們的問題。”

當(dāng)研究人員將實(shí)驗(yàn)進(jìn)行40代時(shí)，他們觀察到逐漸變化的時(shí)期被突然顛倒到起始條件所穿插。盡管這些碰撞的原因仍然未知，但這種非線性反饋回路在整個(gè)生命過程中都被發(fā)現(xiàn)，并且證明了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在化學(xué)湯中引起了復(fù)雜的行為。

Vincent說：“這種非線性是我們正在尋找的所有有趣的逼真的行為(包括自我傳播和進(jìn)化)的先決條件。” 鮑姆和他的團(tuán)隊(duì)對(duì)最初的成功感到非常興奮，現(xiàn)在他們急于招募其他人來幫助他們完善他們的系統(tǒng)。

鮑姆說：“我們想開發(fā)一個(gè)系統(tǒng)，我們可以對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的探索，以解決有關(guān)可演化性的問題。希望其他實(shí)驗(yàn)室可以使用該協(xié)議并對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)。” “這正是我們想要成為的地方。”