干燥过程可能是生命发展的关键步骤

一百五十年前，查尔斯达尔文推测生命可能起源于一个温暖的小池塘。达尔文推测，在那里，化学反应和奇怪的雷击可能导致氨基酸链随着时间的推移变得越来越复杂，直到生命开始出现。

从那时起，研究人员就开始研究这种生命前或“生命起源前”的化学反应，试图找出可能导致从充满简单氨基酸的水池到细菌、红木树和人类的化学途径。经过一系列实验，威斯康星大学麦迪逊分校化学工程博士。学生HayleyBoigenzahn和威斯康星发现研究所的化学与生物工程教授和创始教员JohnYin可以解释生命道路上可能至关重要的早期步骤之一是如何发生的。他们在《生命起源与生物圈进化》杂志上发表了他们的发现。

在1952年一项名为Miller-Urey实验的著名研究中，研究人员模拟了被认为存在于生命起源前地球上的条件，包括一定比例的水、甲烷、氢和其他元素。当用电击打模拟闪电时，研究人员发现该反应会产生氨基酸，这表明这些分子广泛存在于生命起源前的地球上。

“我们知道氨基酸是蛋白质的组成部分，而蛋白质是生命所必需的，”尹说。“在生命起源前的化学中，长期以来一直存在一个问题，即我们如何让这些东西以一种最终可能导致活细胞的方式形成键和弦。这个问题很难，因为所涉及的特定化学往往会失败在有水的情况下。”

在她的实验中，Boigenzahn研究了这些氨基酸是否有可能在环境变化期间聚集在一起——例如，当一池水蒸发时。在化学活化剂存在的情况下，这些氨基酸可以结合在一起形成肽或氨基酸短链。

为了研究氨基酸在干燥过程中如何形成键，Boigenzahn创建了氨基酸甘氨酸和三偏磷酸盐的溶液，三偏磷酸盐是一种在火山过程中自然产生的活化剂。Boigenzahn使用加热器蒸发溶液，观察氨基酸在24小时内发生的变化。

她发现的是一个两阶段的过程。在第一阶段，当溶液的pH值呈碱性时，甘氨酸结合成称为二聚体的双分子单元，它们也产生质子，使溶液的pH值呈中性。在第二阶段，随着蒸发的发生，二聚体开始结合在一起形成更长的肽链，称为寡甘氨酸。

很容易想象一个场景，在这个场景中，含有活化剂的火山加热温泉中的氨基酸首先结合成二聚体。然后，随着水的蒸发及其化学性质的变化，二聚体结合并开始形成更长的氨基酸链。

“我们在这里展示的是，它不一定在所有反应中都处于相同的环境中，”Boigenzahn说。“它们可以发生在不同的环境中，前提是正在发生的反应有助于创造一个有利于下一步的环境。”

通过多次干湿循环，肽链可能会变得越来越长。最终，它们可能已经开始自我折叠，形成催化化学反应的酶或蛋白质。这可以为更复杂的蛋白质和新陈代谢的开始奠定基础。

Boigenzahn和Yin都表示，研究人员还需要很长时间才能找到从达尔文温暖的小池塘到生命起源的可能路径。但是，特别是对于化学工程师而言，研究生命起源前化学的努力可能会带来巨大的回报。

“如果你真正理解这种不同于传统生物学的化学，最终你可能会创造出能够存储信息、适应和进化的化学系统，”尹说。“DNA存储信息的密度是计算机芯片的数千倍。如果我们能够在不一定是活细胞的情况下获得执行此操作的系统，那么你就会开始考虑在分子水平上发生的各种新功能和过程。”