生命起源开创性研究创造的栩栩如生的化学

研究人员通过从一个小瓶中取出少量材料并将其放入装有新鲜黄铁矿和化学药品的新小瓶中，对化学汤进行选择。经过几代人的研究，他们发现了以黄色表示的化学网络证据，其传播速度足够快，可以避免稀释。

威斯康星大学麦迪逊分校的研究人员培养了栩栩如生的化学反应，同时开创了研究生命起源的新策略。

这项工作远没有像在实验室中那样开始崭新的生活。然而，它表明，简单的实验室技术可以激发可能发生的各种反应，这些反应可能是解释大约40亿年前地球上生命如何开始的原因。

研究人员通过不断削减化学物质的数量，并通过添加新资源使其重新建立起来，对丰富的有机化学物质进行反复选择。经过几代的选择，该系统似乎消耗了其原材料，这表明选择可能导致了能够传播自身的化学网络的扩散。

在更长的时间尺度上，这些化学变化以重复的方式振荡。这种兴衰周期尚未得到充分的解释，但是有力的证据表明，化学汤建立了类似于在生物体中发现的反馈回路。

在超高放大倍率下，研究人员发现化学汤经历了多代之后，沿黄铁矿颗粒扩散的独特的分形形状。研究人员认为，这些分形是盐矿床，这些矿床是由沿矿物分布的有机材料薄层诱导形成的。

威斯康星大学麦迪逊分校植物学教授大卫·鲍姆（David Baum）和他的团队于2019年10月23日在MD​​PI杂志《生活》上发表了他们的发现。这项工作是由美国国家科学基金会和美国国家航空航天局资助的。

现在，其他研究人员可以使用这种实验方法，并帮助弄清鼓励形成栩栩如生的化学系统所需的成分，以及这些化学网络是否可以继续发展更复杂的特征。

如果这个系统能够产生更大的复杂性，那么它可能会帮助解决这样一个难题，即简单的化学物质最终会产生出像今天产生了所有生命的细胞祖先那样复杂的东西。

“生命起源的一个核心问题是：在DNA或RNA中存在诸如遗传信息之类的信息之前，您如何获得进化？”鲍姆说。“我们现在已经意识到，化学网络的发展可能会解决该问题，而这是我们在实验室中可以解决的问题。”

为了测试化学生态系统进化的想法，研究人员组装了丰富的化学药品汤。在海水中，它们溶解了氨基酸，糖，常见的有机化合物，微量矿物质和核酸的组成部分。为了使系统更具优势，科学家将富含海水的ATP掺入了ATP，ATP是一种高能分子，可驱动当今几乎所有生命的反应，但不太可能在原始时代存在。

“并非所有这些化学物质都可能在地球早期获得，但是我们正在努力加速从理论上讲甚至可以从更简单的构造块开始的过程，”鲍姆说，他也是威斯康星州研究所的发现研究员。发现。

研究小组将他们的原始汤料与细颗粒的黄铁矿混合，黄铁矿是铁和硫的矿物质，也被称为傻瓜黄金。根据德国化学家GünterWächtershäuser1988年提出的化学演化建议，鲍姆研究小组认为，黄铁矿是培养栩栩如生的化学反应的理想材料。

当研究人员将实验扩展到40代时，他们发现磷酸盐浓度是其化学汤中的关键起始原料之一，其浓度反复波动。这些振荡表明反馈回路的发展，这是生活的特征之一。

鲍姆实验室的研究生，研究的主要作者莉娜·文森特说：“黄铁矿是原始地球上的一种常见矿物质，它可以与许多有机化合物结合，并且可以催化它们之间的反应。”“而且，非常优雅地，生命中许多高度保守的酶的核心与黄铁矿非常相似。它们基本上是包裹蛋白质的黄铁矿。”

研究人员在小瓶中的少量碎黄铁矿中添加了几滴浓缩海水汤，并将溶液混合了几天。这是第一代。为了开始下一代，Vincent吸收了少量的第一溶液，并将其与新鲜的汤和黄铁矿混合到一个小瓶中。在十几代或更多的世代中，只有那些传播速度快于被稀释的化学网络才能生存和传播。

在经过12或18代之后，研究人员发现有效磷酸盐（一种ATP的使用量）和溶解的有机物质均下降了，这表明化学物质可能会粘附并沿黄铁矿晶粒扩散。

当他们以超高倍率检查黄铁矿时，研究人员在实验样品中发现大量的分形形状沿矿物表面散布，但在没有选择历史的对照样品中却没有。

尽管这些分形看起来像是盐，但它们本身并不像栩栩如生，但研究人员怀疑它们可能是由与谷物结合的有机化合物的薄薄涂片引起的。当有机物质不留在溶液中时，分形就不会出现。

东京工业大学地球生命科学研究所（ELSI）的合著者吉姆·克莱夫斯（Jim Cleaves）说：“长期以来，科学家一直在寻找能使有机化学物质复杂化和组织的反应实例。”日本。“基于这项工作以及我们在ELSI进行的其他实验，看来这种反应可能根本不是非常罕见，这可能只是使用正确的工具来找到它们的问题。”

当研究人员将实验进行40代时，他们观察到逐渐变化的时期被突然颠倒到起始条件所穿插。尽管这些崩溃的原因仍然未知，但这种非线性反馈回路在整个生命过程中都得到了发现，这证明了实验系统在化学汤中引起了复杂的行为。

Vincent说：“非线性是我们正在寻找的所有有趣逼真的行为（包括自我传播和进化）的先决条件。”

鲍姆和他的团队对最初的成功感到非常兴奋，现在他们急于招募其他人来帮助他们完善他们的系统。

“我们想开发一个系统，我们可以对其进行进一步的研究，以解决有关可演化性的问题。希望其他实验室将使用此协议并对其进行改进。” Baum说。“这正是我们想要成为的地方。”

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参考：Lena Vincent，Michael Berg，Mitchell Krismer，Samuel T.Saghafi，Jacob Cosby，Talia Sankari，Kalin Vetsigian和H. James Cleaves II撰写的“矿物表面上的化学生态系统选择揭示了与相互催化的自发出现相一致的长期动力学”和大卫·鲍姆（David A.Baum），2019年10月23日，Life.DOI：
10.3390 / life9040080

威斯康星大学麦迪逊分校植物学教授大卫·鲍姆（David Baum）及其团队于2019年10月23日在《生活》杂志上发表了他们的发现。这项工作是由美国国家科学基金会和美国国家航空航天局资助的。

这项工作得到了NSF EAGER资助（编号1624562）和NASA-NSF CESPOoL（生命起源的化学生态系统选择范式）思想实验室，NASA资助（编号80NSSC17K0296）的支持。