地球生命起源的新线索,“肽”非地球产物,而是来自宇宙尘埃!

原标题:地球生命起源的新线索,“肽”非地球产物,而是来自宇宙尘埃!

数十亿年前,贫瘠的原始地球上的某个未知位置变成了复杂有机分子的原始汤,第一批细胞从中出现,接着创造出 RNA 和 DNA 等分子并最终进化出像人类这样复杂的生命形式。对此,很多科学家提出了无数富有想象力的想法,关于它是如何发生的以及必要的原材料来自哪里。比如科学家们无法解释一种称为的关键构件的自发形成,没有这种肽,蛋白质和酶就无法存在。

然而,一项新发现表明,答案可以在天空之外,在黑暗的星际云中找到。

发表在《自然天文学》杂志上,一群天体生物学家表明,蛋白质的分子亚基肽可以自发形成于飘过宇宙的固体、冷冻的宇宙尘埃颗粒上。理论上,这些肽可以在彗星和陨石内部传播到年轻的地球——以及其他世界——成为生命的一些起始材料。

太空中的宇宙尘埃!

细胞使蛋白质的生产看起来很容易。他们大量生产肽和蛋白质,这得益于富含有用分子(如氨基酸)的环境以及他们自己储存的遗传指令和催化酶(它们本身通常是蛋白质)。

论文作者、马克斯普朗克天文学研究所的天体物理学家克拉斯诺库茨基(Serge Krasnokutski)认为,在细胞存在之前,地球上并没有一种简单的方法可以做到这一点。在没有生物化学提供的任何酶的情况下,肽的生产是一个低效的两步过程,首先是制造氨基酸,然后在氨基酸连接成链的过程中去除水,这个过程称为聚合。这两个步骤都具有高能壁垒,因此只有在有大量能量可用于帮助启动反应时才会发生。

由于这些要求,大多数关于蛋白质起源的理论要么集中于极端环境中的情景,例如海底热液喷口附近,要么假设存在像 RNA 这样的分子,其具有催化特性,可以降低能量屏障足以推动反应向前。(最流行的生命起源理论提出,RNA 先于所有其他分子,包括蛋白质)即使在这种情况下,克拉斯诺库茨基也表示需要“特殊条件”才能将氨基酸浓缩到足以聚合的程度。尽管有很多提议,但尚不清楚这些条件是如何以及在原始地球上出现的。

但现在科学家发现了通往蛋白质的捷径——一种更简单的化学途径,重新激发了蛋白质在生命起源的早期就存在的理论。

去年在低温物理学中,克拉斯诺库茨基通过一系列计算预测,在太空中可用的条件下,在恒星之间徘徊的极其密集和寒冷的尘埃和气体云中,可能存在一种更直接的制造肽的方法。这些分子云是新恒星和太阳系的托儿所,充满了宇宙尘埃和化学物质,其中最丰富的是一氧化碳、原子碳和氨。

在他们的新论文中,克拉斯诺库茨基和他的同事们表明,气体云中的这些反应可能会导致碳凝结到宇宙尘埃颗粒上,并形成称为氨基烯酮的小分子。这些氨基烯酮会自发连接形成一种非常简单的肽,称为聚甘氨酸。通过跳过氨基酸的形成,反应可以自发进行,而不需要来自环境的能量。

为了验证他们的说法,研究人员通过实验模拟了分子云中的条件。在超高真空室内,他们通过将一氧化碳和氨沉积在冷却至负 263 摄氏度的基板上来模拟宇宙尘埃颗粒的冰冷表面。然后他们将碳原子沉积在冰层的顶部,以模拟它们在分子云中的凝结。化学分析证实,真空模拟确实产生了各种形式的多聚甘氨酸,链长可达 10 或 11 个亚基。

研究人员假设,数十亿年前,当宇宙尘埃粘在一起形成小行星和彗星时,尘埃上的简单肽可能会通过陨石和其他撞击物搭便车到达地球,因此可能在无数其他世界上也做过同样的事情。

从肽到生命的差距!

美国宇航局的天体生物学家丹尼尔·格拉文(Daniel Glavin)则表示,将肽运送到地球和其他行星“肯定会为生命的形成提供一个良好的开端”。但是“我认为从星际冰尘化学到地球上的生命存在很大的飞跃。”

首先,这些肽必须承受它们穿越宇宙的危险,从辐射到小行星内部的水暴露,这两者都会使分子破碎。然后它们必须在撞击行星的影响下幸存下来。即使它们完成了这一切,它们仍然需要经历大量的化学进化才能变得足够大,以折叠成对生物化学有用的蛋白质。

有证据表明这已经发生了吗?天体生物学家在陨石中发现了包括氨基酸在内的许多小分子, 2002年的一项研究发现,两颗陨石含有由两种氨基酸组成的极小、简单的肽。但研究人员尚未发现其他令人信服的证据证明陨石或从小行星或彗星返回的样本中存在此类肽和蛋白质,即目前尚不清楚太空岩石中几乎完全没有相对较小的肽是否意味着它们不存在,或者我们只是还没有检测到它们。

但克拉斯诺库茨基的工作可以鼓励更多的科学家真正开始在外星材料中寻找这些更复杂的分子。星际介质中的其他化学物质和高能光子可能能够触发更大、更复杂的分子的形成。通过他们独特的实验室窗口进入分子云,他们希望看到肽越来越长,有朝一日,像天然折纸一样折叠成具有潜力的美丽蛋白质。

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