生命起源進展：模擬早期地球大氣碰撞可產生所有4種 RNA 鹼基

研究人員利用激光系統模擬了天梯撞擊產生的衝擊波。在衝擊波反應中也產生了甲醯胺，並繼續反應形成了 RNA 的全部四種鹼基。

作者：JOHN TIMMER

翻譯：逸軒

審校：陳月欣

地球生命起源於大碰撞

Don Davis/NASA

並沒有多少實驗能夠進入高中課本，但 Stanley Miller 和 Harold Urey 是個例外。他們將一種混合氣體密封在容器中，來模擬地球早期大氣，然後在其中釋放電火花。實驗產生出一些混合化學物質，包括構成蛋白質的基礎——氨基酸。

這項開創性的實驗提供了首個通過實驗研究早期生命起源的途徑，但由於隨之而來的研究將我們的理論逐漸精細化，反而讓人們越來越覺得這項實驗與實際生命起源的關聯不大。一個法國-捷克聯合實驗團隊決定使用 Miller 和 Urey 未考慮過的一種能量來源，重新審視了這一實驗：太空來源物體的影響。結果呢？產生出了所有4種 RNA 鹼基，DNA 的化學近親和生命的必需品。

概念性的轉變

Miller-Urey 實驗的熱度逐漸退去有兩個原因。首先是概念上的。在那個時候，人們主要關注生命紛繁的化學反應網路，幾乎所有這些反應都是由蛋白質催化的，所以很難想像沒有蛋白質生命如何存在。氨基酸的形成讓蛋白質合成成為可能，因而貌似提供了一條原始生命化學過程的明顯路線。至於基因材料可以隨後添加。

Miller 和 Urey 所不知道、而我們花費數十年才明白的是蛋白質並未壟斷細胞化學過程的催化。我們已經發現細胞中許多關鍵反應可以由 RNA 催化，一些研究還表明，RNA 和 DNA 可以參與各種化學反應。這些發現引出了 RNA 世界假說，認為生化過程和遺傳同時始於有催化作用的 RNA 分子的形成。

氨基酸可能是於 RNA 有益的輔助因子或反應的副產物，但不是生命起源的中心。這個挑戰並沒有指出氨基酸如何在簡單反應條件下形成，而是將關注點從 Miller-Urey 實驗轉移到形成 RNA 所需基本化學物質的合成上。

除了概念的問題，生命起源實驗還遇到了實際性的問題。Miller 和 Urey 假設早期地球具有「還原性」大氣，這與當前的氧化性大氣不同。實際上，這與土星的衛星泰坦的情形相似，即大氣中的主要成分與氫原子相關——也就是說，氨氣代替了氮氣，水和甲烷代替二氧化碳，並且不含氧氣。這個觀點越來越受到認可，並且有證據顯示早期地球的大氣很可能是中性的，介於還原性和氧化性之間。

回歸

支持新研究的人們認為，當前的證據顯示36億年前，大氣可能是中性略偏還原性的。無論怎樣，早期地球顯然會經常遭受彗星等天體的撞擊，而它們攜帶著大量還原性的物質。因此儘管 Miller-Urey 型的大氣並不佔主導，研究人員依然認為是與早期大氣相關連的。

研究人員重新進行了 Miller-Urey 實驗，但這一次他們試圖尋找不同的化學物質的存在：甲醯胺，含有碳、氮、氧原子各一個和三個氫原子。雖然結構簡單，但它是非常重要的基礎物質。其他實驗顯示，在適當的條件下，甲醯胺可以與自身反應，合成所有4種 RNA 鹼基。

Miller 和 Urey 不會知道這是多麼重要的一個發現，但新研究已經給出了答案。新實驗沒有直接合成任何 RNA 鹼基，但鑒於這些反應需要特定的催化劑或紫外線輻射，這樣的結果也在意料之中。然而作者指出，已經有研究人員描述了催化甲醯胺反應的另一種途徑：衝擊波，正如地外天體撞擊所引起的那樣。

巧的是，研究團隊取得了 Prague Asterix 激光系統（Prague Asterix Laser System）的使用權，它能夠產生兆兆瓦等級的脈衝。他們利用這一系統模擬了撞擊將會產生的衝擊波。

在衝擊波反應中也產生了甲醯胺。但它還繼續反應形成了RNA的四種鹼基。這些鹼基的量都非常少，某些甚至剛剛達到檢測閾值。當然，實際撞擊產生的衝擊波會更大而且持續更久，因而會產生相當規模的產物。

這一嶄新的研究工作並沒有解答早期地球有多大可能存在這種大氣。但關鍵是這一研究擴展了合成 RNA 的途徑。它還增加了尋找到地外生物的期望。即使並不能確定早期地球具有 Miller-Urey 型大氣，在數以億萬計的備選地外行星中，機會還是很多的。

論文基本信息

【題目】Formation of nucleobases in aMiller–Urey reducing atmosphere

【作者】Martin Ferusa, Fabio Pietruccib,Antonino Marco Saittab, Antonín Kní?eka,c, Petr Kubelíka, Ond?ej Ivaneka,Violetta Shestivskaa, and Svatopluk Civi?a,1

【期刊】PNAS

【日期】March 13, 2017

【摘要】

The Miller–Urey experiments pioneeredmodern research on the molecular origins of life, but their actual relevance inthis field was later questioned because the gas mixture used in their researchis considered too reducing with respect to the most accepted hypotheses for theconditions on primordial Earth. In particular, the production of only aminoacids has been taken as evidence of the limited relevance of the results. Here,we report an experimental work, combined with state-of-the-art computational methods,in which both electric discharge and laser-driven plasma impact simulationswere carried out in a reducing atmosphere containing NH3 + CO. We showthat RNA nucleobases are synthesized in these experiments, strongly supportingthe possibility of the emergence of biologically relevant molecules in areducing atmosphere. The reconstructed synthetic pathways indicate that smallradicals and formamide play a crucial role, in agreement with a number ofrecent experimental and theoretical results.

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！