混沌流與生命起源

德州農工大學研究團隊發現了一個物理機制，可能有助於回答與生命起源有關的重要問題之一：基礎生命物質從何而來？

在熱液條件下，混沌對流會加速層間物質運送。Credit: Proceedings of the National Academy of Sciences

該研究團隊由Charles D. Holland "53教授所有者Victor Ugaz博士領導，還包括了Sallie & Don Davis "61教授所有者Yassin A. Hassan博士。

科學家早就知道生命的基本組成物質——氨基酸，核鹼基以及糖類存在於早期的海洋中，雖然濃度較低。要產生生命，需要結合這些基本物質，產生長鏈大分子。因此在生命起源中，鑒定驅動這些合成作用的機制和過程是一個重要的問題。

Ugaz說道：「在早期海洋中，這些基礎物質就已經稀疏地存在了。問題在於他們是如何結合的。因此一個研究熱點就是探尋使這些物質豐富到可以開始形成更長鏈、更複雜的分子的濃縮機制。」

在發表在近期的美國國家科學院學報上的文章中，德州農工大學研究團隊描述了一種物理機制，使得稀疏的基本生命物質結合為長鏈大分子。

研究團隊創建了一個柱形容器的模擬系統，模仿在近期發現的新型深海熱泉附近找到的孔隙結構。熱泉噴口內的溫度梯度就像是平常熔岩燈的作用，驅動液體在細微的孔隙空間中循環。團隊驚訝地發現其中的流動方式十分複雜和混亂，即每條路徑都遵循一個大致的通用模式，但沒有兩條軌跡是一樣的。這一發現使得研究者有可能鑒定何種流動條件才能均勻化熱液噴口中的各種有機分子，同時將各種有機分子輸送到活性催化空隙中進行反應。

Credit: Victor Ugaz

Ugaz稱，有一種簡單的方法可以描述這種現象：「假設你正在攪拌咖啡，放入了一些奶油或者是某些會粘住內壁的東西。當你以一種特定的方式攪拌時，立刻會發生兩件事：你正在混合大多數液體，但你也在把它帶到杯子表面的某個位置。」

原圖：https://68.media.tumblr.com/tumblr_m52ec1PV441qcmibao1_500.gif

這種流動發生在自然熱液孔隙網路中，是一種有趣的機制，可以解釋早期海洋中稀疏的有機前驅物是怎麼組成複雜的生物大分子的。這也是地球生命起源和發現類似熱液環境的地外系統中尚未回答的關鍵問題之一。除此之外，該研究還有其他方面的重要意義。

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除了生命和益生元化學物質，在這些環境中還有大量不同過程可以被催化。首先，多孔構造有助於將二氧化碳轉化為各種碳酸鹽，不過尚不能完全描述其中蘊含的精確機制。然而，本研究的結果表明混沌流可能有助於描述這種現象。

進一步的，由於很好地理解了混沌流及其在表面驅動化學反應的機理，那麼研究者就可以設計一種新型的反應器。由於液流依賴於溫差，這樣的反應器可以是完全被動的，可利用廢熱驅動反應。

[CliffBao via phys]

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