Atmospheric UV synthesis of aldehydes and oxidant from CO2, CO and H2O initiating the first ancestral metabolism
这项研究表明，早期地球或火星上二氧化碳、一氧化碳和水的紫外线辐照可以自发产生一个由醛类、有机酸和氨基酸组成的自维持“原始呼吸循环”，为连接地球化学与祖先代谢的出现提供了一条合理的非酶途径。
原始论文采用 CC BY 4.0 许可（https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。 阅读完整免责声明
在生命开始之前，地球需要一种方法将简单的、无生命的各种气体转化为生物学中复杂的构建模块。科学家们长期以来一直在争论这种转变是如何发生的，主要集中在两种可能性上：要么是遗传分子（如 RNA）先出现，要么是被称为“代谢”的化学反应网络先出现。在这两种情景中，起点都是相同的：早期的地球大气层充满了二氧化碳、一氧化碳和水蒸气。问题在于，阳光如何作用于这些成分，从而创造出生命所需的糖类、酸类和蛋白质。几十年来，研究人员已知阳光可以将一氧化碳和水转化为甲醛——一种简单的类糖分子。然而，目前尚不清楚这一过程是否能产生启动生命系统所需的丰富化学物质，或者早期地球严酷的氧化环境是否会在这些脆弱分子发挥任何作用之前就将其摧毁。
由东京科学大学（Institute of Science Tokyo）的植野裕一郎（Yuichiro Ueno）领导的研究小组现在已经证明，这种大气化学过程比此前认为的要更加高效且复杂。通过在玻璃烧瓶中模拟早期地球大气的条件，他们展示了阳光不仅能制造甲醛，还能创造一整个小的醛类家族，包括乙醛和乙二醛。当这些气体溶解到水中时，它们并不仅仅是静止在那里或发生分解。相反，它们开始以一种自我维持的循环方式相互反应，模拟了现代生物呼吸的核心过程。这项发表在修订版《PEPS》期刊上的研究表明，一种原始形式的代谢可能从阳光、水和碳气斯的相互作用中自发产生，为生命最终扎根提供了一个稳定的化学基础。
实验开始时，先用一氧化碳、二氧化碳和水蒸气填充玻璃容器，然后将其暴露在模拟早期地球强烈阳光的紫外线下。研究人员观察了随着光线分解水分子，产生高度活泼的碎片并攻击碳气体的过程。他们发现，该过程不仅产生了预期的甲醛，还产生了大量的乙醛和乙二醛。这些分子至关重要，因为它们是构建更大、更复杂结构的起点。随后，团队追踪了这些气体溶解在烧瓶底部的液态水中后的行为。在水中，化学反应变得更加活跃。溶解的醛类发生反应，生成了作为糖类前体的羟基醛，以及各种酸类，如乙醇酸和乳酸。
这项发现之所以特别引人注目，是因为该系统随时间变化的特性。研究人员观察到，虽然阳光产生了可能破坏有机分子的强氧化剂，但一组特定的化学物质却能够生存甚至实现自我再生。该系统通过一个循环运行：缩合（小分子结合形成较大的分子）、氧化（获得氧原子变成酸）以及脱羧（失去一个碳原子回到较小的形式）。这个循环使得特定的分子（如乙醛醇和乙醛）能够被持续循环利用。作者称之为“原始呼吸循环”。它就像一个化学引擎，使特定的一组分子保持循环流动，只要大气层持续供应新鲜的醛类，就能保护它们不被完全分解为二氧化碳。
研究还探讨了在混合物中引入氨（模拟早期环境中氮的存在）时会发生什么。结果同样令人瞩目。现有的碳基分子与氨反应，生成了蛋白质的构建模块——氨基酸，以及杂环氮化合物。这些氮环在结构上类似于辅酶，而辅酶是现代生物代谢中必不可少的助手。研究人员发现，该系统自然地筛选出特定类型的氨基酸（尤其是那些在今天被生命所使用的类型），而产生的替代形式较少。这表明，化学环境本身可以起到一种过滤器的作用，偏好那些最终会成为生命细胞组成部分的分子。
研究人员谨慎地指出，这并不意味着证明了生命正是以这种方式开始的，但它为第一个代谢网络如何形成提供了一个合理且稳健的机制。他们观察到的系统是自组织的，这意味着它无需酶或遗传指令即可创造自身的秩序。它完全依赖于物理化学定律和太阳提供的能量。该研究否定了甲醛是大气光化学唯一重要产物的观点，转而表明，产生多样化的反应性分子汤是必然的结果。它也挑战了这样一种观点，即早期大气的氧化性质会阻止有机物的积累；相反，研究表明，正是那些威胁要破坏这些分子的氧化剂，驱动着循环的运转。
最后，这项工作描绘了一幅前生物时期地球的图景：大气层和海洋之间进行着持续的化学对话。阳光驱动着简单气体向复杂有机物的转化，随后这些物质沉降到水中，形成一个稳定的循环网络。这个网络可以长期存在，积累起生命所需的必要成分。当合适的条件出现时（例如磷酸盐的可用性或细胞腔的形成），这个化学系统就可以过渡到我们所熟知的酶促和遗传系统。研究结果表明，代谢的蓝图并非一次罕见的意外，而是一个沐浴在阳光下的行星在等待进化迈出下一步时，化学反应产生的自然结果。
您所在领域的论文太多了？
获取与您研究关键词匹配的最新论文每日摘要——附技术摘要，使用您的语言。