研究人員發(fā)現(xiàn)了一種看似合理的進化環(huán)境，在這種環(huán)境中，核酸——生命的基本遺傳組成部分——可以進行自我復制，可能導致地球上的生命。

這項研究今天以預印本的形式發(fā)表在《eLife》雜志上，編輯們將其描述為一項重要的工作，它提供了令人信服的證據(jù)，展示了氣體在狹窄水道上流動的簡單地球物理環(huán)境是如何創(chuàng)造出導致核酸復制的物理環(huán)境的。這項工作將引起研究生命起源的科學家的興趣，更廣泛地說，是研究核酸和診斷應用的科學家。

地球上生命的出現(xiàn)仍然是一個未解之謎，但一個普遍的理論是遺傳物質的復制——核酸DNA和rna——是一個核心和關鍵的過程。RNA分子可以儲存遺傳信息，并通過形成雙鏈螺旋來催化自身復制。這些能力的結合使它們能夠突變、進化和適應不同的環(huán)境，并最終編碼構成生命的蛋白質。

為了實現(xiàn)這一點，RNA鏈不僅需要復制成雙鏈形式，還需要再次分離以完成復制周期。然而，在復制所需的高鹽和核酸濃度下，鏈分離是一項困難的任務。

“已經(jīng)研究了各種機制，以研究它們在生命起源時分離DNA鏈的潛力，但它們都需要溫度變化，這將導致核酸的降解，”主要作者Philipp Schwintek說，他是德國慕尼黑Ludwig-Maximilians-Universit?t m<s:1> nchen大學系統(tǒng)生物物理學專業(yè)的博士生。

“我們研究了一個簡單而普遍存在的地質場景，即通過巖石孔隙的水運動被通過巖石滲透到表面的氣體干燥。這樣的環(huán)境在地球早期的火山島上很常見，為RNA合成提供了必要的干燥條件。”

該團隊建立了一個巖石孔隙的實驗室模型，其特征是向上的水通量在與垂直氣體通量的交叉點蒸發(fā)，這導致表面溶解氣體分子的積累。與此同時，氣體通量在水中誘導出循環(huán)電流，迫使分子回到體積中。為了了解這個模型如何影響環(huán)境中的核酸，他們使用珠子來監(jiān)測水流的動態(tài)，然后跟蹤熒光標記的短DNA片段的運動。

“我們的預期是，持續(xù)的蒸發(fā)會導致DNA鏈在界面處的積累，”Schwintek說?！笆聦嵣希覀儼l(fā)現(xiàn)水在界面處不斷蒸發(fā)，但水界面中的核酸在氣/水界面附近積聚?！痹趯嶒為_始的五分鐘內，DNA鏈積累了三倍，而一個小時后，在界面上積累了30倍的DNA鏈。

雖然這表明氣/水界面允許足夠濃度的核酸進行復制，但雙DNA鏈的分離也是必要的。通常需要改變溫度，但當溫度恒定時，改變鹽濃度是必要的。

“我們假設，氣體通量提供的界面處的圓形流體流動，以及被動擴散，將通過迫使核酸通過不同鹽濃度的區(qū)域來驅動鏈分離，”資深作者、Ludwig-Maximilians-Universit?t m nchen系統(tǒng)生物物理學教授Dieter Braun解釋說。

為了驗證這一點，他們使用了一種叫做FRET光譜的方法來測量DNA鏈的分離——高FRET信號表明DNA鏈仍然結合在一起，而低FRET信號表明DNA鏈已經(jīng)分離。正如預期的那樣，F(xiàn)RET信號最初在氣-水界面附近增加，表明雙鏈DNA的形成。但在實驗過程中，當水流向上流動時，F(xiàn)RET信號是低指示單鏈DNA。

此外，當研究小組將這些數(shù)據(jù)與他們對水流和鹽濃度的模擬疊加在一起時，他們發(fā)現(xiàn)氣-水界面上的渦流導致鹽濃度增加了三倍，這可能會導致鏈分離。

盡管核酸和鹽聚集在氣-水界面附近，但在大部分水中，鹽和核酸的濃度仍然非常低。這促使研究小組測試核酸復制是否真的會在這種環(huán)境中發(fā)生，方法是將帶有熒光染料標記的核酸和一種可以合成雙鏈DNA的酶添加到巖石孔隙的實驗室模型中。與常規(guī)的實驗室DNA合成反應不同，該反應溫度保持恒定，反應暴露在水和氣體的混合流入中。

兩小時后，熒光信號增強，表明復制的雙鏈DNA分子數(shù)量增加。然而，當氣體和水的流入被關閉時，沒有觀察到熒光信號的增加，因此沒有觀察到雙鏈DNA的增加。

“在這項工作中，我們調查了一個可能引發(fā)早期生命復制的合理而豐富的地質環(huán)境，”布勞恩總結道。“我們考慮在沒有任何溫度變化的情況下，氣體流過充滿水的開放巖石孔隙，并發(fā)現(xiàn)氣體和水的結合流動可以觸發(fā)支持DNA復制的鹽波動。

“由于這是一個非常簡單的幾何形狀，我們的發(fā)現(xiàn)大大擴展了可能在早期行星上進行復制的潛在環(huán)境。”