在实验室中创造的类生命体正在寻找研究生命起源的方法
Date: November 14, 2019
Source: University of Wisconsin-Madison
摘要：研究人员在探索生命起源的新战略的同时，培养了逼真的类生命化学反应体。
威斯康星大学麦迪逊分校的研究人员在研究生命起源的新策略的同时，已经培育出了类生命体的化学反应。
这项工作还远远没法做到在实验室里启动生命，然而，它可以表明，简单的实验室技术可以激发各种反应，这些反应很可能是解释生命是如何在大约40亿年前在地球上开始的。
研究人员对丰富的有机化学物质进行反复选择，不断减少化学物质的数量，并通过增加新的资源使其重新积累。经过几代的选择，该系统似乎消耗了它的原材料，这表明选择可能导致了能够自我繁殖的化学网络的扩散。
在较长的时间尺度上，这些化学变化以重复的方式振荡。这种盛衰循环还没有得到充分的解释，但证据表明，化学汤建立了类似于活生物体的反馈回路。大卫鲍姆，一个UW麦迪逊植物学教授，和他的团队发表了他们的发现，2019年10月23日，在《Life》杂志上。这项工作由国家科学基金会和美国宇航局资助。
现在，其他研究人员可以使用这种实验方法，帮助理清哪些成分是必要的，以鼓励类生命体的化学系统，以及这些化学网络是否可以继续进化出更复杂的特征。
如果这个系统能产生更大的复杂性，它可能有助于解决一个难题:简单的化学物质是如何最终产生像今天所有生命的细胞祖先那样复杂的东西的。
“生命起源的一个核心问题是：在DNA或RNA中还没有类似的基因信息之前，你如何获得进化？”鲍姆（Baum）说我们现在意识到，化学网络的发展可能会解决这个问题，我们可能在实验室解决的问题。”
为了验证化学生态系统进化的观点，研究人员们配制了一种富含化学物质的汤。在海水中，它们溶解氨基酸、糖、常见有机化合物、微量矿物质和核酸的组成部分。为了让这个系统更具优势，科学家们加入了ATP，ATP是一种能驱动几乎所有生命反应的高能分子，但在原始时期不太可能存在。
“并不是所有的这些化学物质在早期的地球上都可以找到，但是我们正在努力加速一个过程，理论上可以从更简单的模块开始，”Baum说，他也是威斯康星研究所的研究员。
研究小组将他们的原始汤与细颗粒黄铁矿混合，黄铁矿是一种由铁和硫组成的矿物，也被称为傻瓜金。在德国化学家Günter W chtersh user 1988年提出的化学进化建议的基础上，Baum的研究小组认为，黄铁矿是培育逼真化学体系的理想材料。
“黄铁矿在原始地球上是一种常见的矿物，它可以与许多有机化合物结合，还可以催化它们之间的反应，”鲍姆实验室的研究生、该研究的第一作者莉娜·文森特(Lena Vincent)说。“而且，非常优雅的是，生命中许多高度保守的酶的核心与黄铁矿非常相似。它们基本上是包裹在蛋白质里的黄铁矿。”
研究人员向小瓶中少量的黄铁矿粉中加入几滴浓缩的海水汤，然后将溶液混合几天。这是第一代。为了开始下一代，文森特取了少量的第一个解决方案，并混合到一个小瓶与新鲜的汤和黄铁矿。在十几代或更久的时间里，只有那些比稀释后传播速度更快的化学网络才能存活并传播。
在12或18代之后，研究人员发现可用的磷酸盐(一种可标志ATP量的读数)和溶解的有机物质的含量下降了，这表明化合物可能附着在硫铁矿颗粒上并沿其扩散。
当他们在超高放大镜下检查黄铁矿时，研究人员在实验样品中看到大量的分形形状沿着矿物表面扩散，但在缺乏选择历史的对照样品中却没有。
虽然这些分形形状看起来像是盐，它们本身不太可能是类生命形式的的，但研究人员怀疑，它们可能是由附着在颗粒上的一层薄薄的有机化合物所引起的。当有机物质被排除在溶液之外时，分形永远不会出现。
来自日本东京工业大学地球生命科学研究所（ELSI）的一位作者Jim Cleaves说：“科学家们一直在寻找自发合成和组织有机化学物质的反应的例子。”根据这项工作，以及我们在埃尔西（ELSI）进行的其他实验，这种反应可能并不罕见，可能只是需要使用正确的工具来找到它们。”
当研究人员将实验进行到40代时，他们观察到一段逐渐变化的时期，其间夹杂着与突然逆转到初始条件的情况。虽然这些碰撞的原因尚不清楚，但这种非线性的反馈回路在生命中被发现，这是实验系统在化学汤中诱导复杂行为的证据。
“这种非线性是我们正在寻找的所有有趣的类生命行为的先决条件，包括自我繁殖和进化，”文森特说。鲍姆和他的团队对他们的初步成功感到兴奋，现在他们急于招募其他人来帮助他们完善他们的系统。
Baum说：“我们想要开发一个系统，可以进一步探索，以解决有关可进化性的问题。希望其他实验室也参参与研究这个系统并改进它。这正是我们想要。”
这项工作得到了美国国家科学基金会(NSF)的EAGER grant(编号1624562)和美国国家航空航天局-NSF CESPOoL(化学生态系统选择范式的生命起源)的支持。
Story Source:
Materials provided by University of Wisconsin-Madison. Original written by Eric Hamilton. Note: Content may be edited for style and length.
Journal Reference:
- Vincent, Berg, Krismer, Saghafi, Cosby, Sankari, Vetsigian, II, Baum. Chemical Ecosystem Selection on Mineral Surfaces Reveals Long-Term Dynamics Consistent with the Spontaneous Emergence of Mutual Catalysis. Life, 2019; 9 (4): 80 DOI: 3390/life9040080