混乱的化学物质导致的生活

化学家研究生命起源以来已经走过了漫长的道路尤里和米勒在1953年著名的实验。他们表明,电荷可以启动瓶中氨基酸的形成只包含甲烷、氨、氢和水。现在化学家发现了路线中发现许多分子生物学,包括prebiotically似是而非的嘧啶核苷酸的合成途径开始,只有简单的有机分子和无机磷酸盐。看来我们是接近了解生命起源以前的汤的化学物质转化为生物学。

但是一些生命起源研究人员不确定,有机反应进行原始的玻璃器皿和实验室条件将得到我们孤独。他们说完全理解合成步骤没有解释为什么和如何生活开始了。而不是孤立有机反应,“我们试图解释为什么整个集合的化学物质与特定互变现象反应出现在一个相互支持的网络,这是普遍的基础生活,为什么所有的其他化学物质不属于网络的,埃里克·史密斯说,一个生命起源地球生命科学研究所研究员(特大规模集成)在日本东京理工学院,生命的起源中心在美国乔治亚理工学院。

生命起源以前的化学可能涉及庞大系统的反应和组件

Irena Mamajanov创造了表达“混乱的化学”来描述这种方法。她以前是一名调查员特大规模集成,目前在行业工作。混乱的标签不是凌乱的评论她或她的同事长椅,但是她说它描述复杂系统化学应用到生命起源以前的(环境)”。系统化学通常是用来模拟结果在小定义化学系统,但是Mamajanov说生命起源以前的化学可能涉及的庞大系统的反应和组件”,涌现性很难预测。而不是寻找精确的反应,她认为现在开始理解组织的机制的关键在复杂的系统中,这可能提供了一些线索,如何将这些最终发展成生活。

现行化学起源理论今天是一些版本的“RNA世界”——即生命的RNA分子的合成。他们通过碱基配对唯一能够复制自己,可以充当这个和其他化学反应的催化剂蛋白质酶的存在。史密斯曾在圣菲研究所工作在美国,说这是缺失点,并创造了这个巨大的关注让RNA通过任何方式”。不是化学细节不重要,他说,他们巨大的问题,但它没有解决的原则组织分子进入生活。

最早的步骤

今天,大多数RNA世界理论的支持者并不表明分子可能导致孤立地生活。“我认为没有人相信了,”马修·波纳说,在英国伦敦大学学院的有机化学家。大多数人都支持“柔和”版本,现在承认其他分子生物学中,肽和脂质等,也发挥了早期的作用,甚至无机矿物可以作为催化剂。Mamajanov和其他系统的化学方法,任务是理解发生的重要的和必要的步骤允许RNA世界来。

它不是一种酶,但有些原则的证明

探针的可能性这一复杂化学早些时候,Mamajanov一直在调查如何无序超支化聚合物,形成湿和干燥周期,可以充当proto-proteins地球生命。反复湿和干燥的条件可能是早期的地球上的一些环境的特性,如表面池或间歇泉,提出了驾驶缩合反应的理想手段。使用聚酯,Mamajanov发现后反应线性分子往往是水解降解,但支化聚合物更稳定,往往可溶性有效,因为他们不包成晶体结构。这些超支化聚合物可能是酶的前兆,”她表示。

Mamajanov也合成球状超支化聚酯,将疏水基团和一个叔胺反应作为一个活跃的站点。她也能够显示这些分子可以模仿的疏水口袋中发现的蛋白质能够催化坎普消去反应吗——一个研究benzisoxazole开环反应,提高反应的速率是由三个因素造成的。她还合成超支化聚乙烯亚胺(重复单位的胺组之间间隔两个碳),增强与金属硫化物纳米晶体。这些都是光合反应的能力。“当然,这不是一个酶,但这是原则的一些证明,“Mamajanov说。

自催化化学演化

化学家尼古拉斯Hud的乔治亚理工学院认为早期的地球会被覆盖着一个巨大的浮油的简单的有机分子,那么一个重要的问题是某些类型的分子如何至关重要的生活变得丰富或隔离,在复制机制。史密斯说,我们需要对自催化系统的产品反应的放大生产。“[它]唯一可能的事情您可以调用在非常早期的无监督化学集中很多你的材料到特定的中心,这样你有过多的特别的构建块。

这是自然选择作用于种群持续反应的化学物质,形成产品

这可能也导致了一种化学进化,虽然不受复制和选择达尔文进化的关键。这是自然选择作用于种群持续反应的化学物质,形成产品。这不是复杂的生物进化,显然,“阿瑟·奥木兰·说化学家在美国北佛罗里达大学的。但在环境条件不断循环和给定的很长一段时间,他肯定会发生类似于进化。

基督教大学的迈耶Duisburg-Essen在德国进行了一些有趣的实验,说明这可能发生复杂的化学系统中多个周期变化的条件。他把12 proteinogenic氨基酸的混合物以及C-18长链脂肪酸,水和二氧化碳在高压电池120°C。骑自行车的压力在100年和70年之间酒吧他试图模仿的环境可能构造断层带中发现,在潮汐流或间歇泉引起压力循环。在这些条件下可变长度的寡肽会自发形成和一些将有助于稳定膜状般的双层囊泡时也产生脂肪酸排列在水滴的超临界二氧化碳上升的压力。

三周后Mayer分析形成的肽和存活超过1500周期。他发现,疏水性和亲水性元素反映的两亲性属性脂肪酸膜更容易集成到囊泡,从水解和保护。也有选择泡大小,小泡生存比大的。梅尔甚至发现了某种程度的功能开始出现:比如一些肽通道形成的囊泡,使水和离子通过和发布渗透压,反过来提供一个生存的囊泡中获益。

Mayer认为互联肽和囊泡的选择原则是一个“强大的力量”导致化学演化过程和更大的秩序和复杂性。蛋白的锚定膜也是现代生物学的一个特征。我们知道,现在很多酶工作根据这一原则,”他说。

新陈代谢吗?

另一个中央和生命的定义特征是能够利用能源的环境——它的新陈代谢。在1920年代,大部分的化学支撑RNA世界理解,苏联生化学家亚历山大·奥帕林提出了一个“新陈代谢第一”假说的生命的起源。他认为一些版本的反应,使能源使用生活必须先于复制分子。以及寻求生物聚合物的组件中找到生命中的今天,化学家研究复杂系统也有关注这类早期代谢反应的迹象。

如果这是一个真正proto-metabolic系统相关的生活,我在看第一个五分钟

化学系统之一,许多化学家提出作为生活所需的生物分子的原料是甲醛聚糖反应——用氢氧化钙甲醛催化剂的催化反应,导致糖的形成通过无数的中间步骤。它提供了一个可能的途径使RNA核糖糖从一个简单的有机分子。但是最近工作使得奥木兰·质疑,而不是一个核糖的来源,的反应可能是一个来源的分子占新生的新陈代谢,维持生命。

奥木兰·尝试用甲醛聚糖反应,但发现在现实中只有1%的产品是糖,其余的产品竞争坎尼扎罗过程中甲醛和其他产品不相称的有机酸和醇类。“没有离婚这些反应,”奥木兰·解释道。他得到大量的生物相关有机羟基酸仍发现现代代谢的核心,包括乳酸、乙醇,草酸和乙酸酸。在这个甲醛聚糖系统,糖被打破,这对能源和其他生活喜欢做东西,”奥木兰·说。非常远离复杂的代谢系统今天在生物学,但可能已经创造了条件。“如果这是一个真正proto-metabolic系统相关的生活,我在看第一个五分钟,”他说。

梅耶尔还认为他的囊泡显示非常原始的细胞代谢路径。他pore-containing囊泡将提供隔间,维持一个化学梯度和允许利用能源。你可以想象这样一个过程,通过水分子或离子通过毛孔能产生能源丰富的构象,可用于招聘的原始能量代谢,”梅尔。这反过来可以提供所需要的能量合成RNA分子:“RNA世界的理想基础”,他补充道。

失踪的步骤

正如所有化学生命起源的理论,这些想法都是高度投机,但提供一个新的镜头的探索的可能性。一个混乱的方法——虽然有局限性的主要的困难之一分析成千上万的产品可能产生混乱的实验。“现在我们所做的就是专注于其中的一小部分…我们忽略很多其他化合物:例如化合物已由我们与氨基酸的双性的组合,”梅尔解释道。“否则,我们去一个我们不能解决的问题。“当然,这意味着,即使是一个混乱的方法可能会错过一个重要的产品或反应。Mamajanov承认她的分析实验是“不简单”。她使用的统计方法叫做主成分分析、质谱分析数据可以被聚集成化合物相似的类型。

可能有分子之前那些我们今天的生活,是非常重要的

与他的一些同事不同,住房和城市发展部不会那么凌乱的在他的实验。在某种程度上,你必须平衡的难度让所有分子你认为可能是现在和寻找的下一个级别的化学反应和处理,”他说。他的方法是考虑化学通路目前生活以外的其他生物的一部分。”可能有分子之前那些我们今天的生活,是非常重要的,和他们可能甚至比那些我们今天的生活和一切启动。

一个例子是果酸的赞同与氨基酸在早期的地球。住房和城市发展部和同事之间的周期表明,湿和干燥的条件,他们很容易形成酰胺债券导致depsipeptides——低聚物结合酯和酰胺的联系。住房和城市发展部提出这些提供了一个中间权宜之计吗之前和一个更简单的合成路径多肽酶的出现。他现在是采取类似的方法使proto-RNA聚合物与另一个支柱和杂环基地。2021年,他和他的同事们想出了一个核酸depsipeptide骨干、生命起源以前的条件下形成和oligomerises自发地干。然后能够自组装成的超分子结构有碱基配对。

合成的阻力

有机合成化学家,波纳是意识到的批评有时把矛头指向了那些喜欢自己做清洁反应的探索生命的起源,和他不肯定是幻想,这些条件出现在地球生命起源以前的。的最简单的方法让我明白如何构建分子的细微差别是仔细设计和评估反应,有条不紊地,准确地说,“他解释说。“我们认为这将给我们最多的信息去解决。”他有点困惑的想法扔的一切。的想法,我们将运行测试反应,我们无法确切的结果没有科学意义作为化学家。”

他承认,提取部分的一个复杂的化学系统,导致生活可能掩盖了更大的画面,但他的传统合成方法也提供线索混合化学系统推动生活前进。这显然从波纳的突破性的嘧啶核苷酸的合成途径,当他还是个学生进行曼彻斯特大学的约翰·萨瑟兰的研究小组在2009年。他们发现,虽然无机磷酸盐只是纳入核苷酸在稍后的阶段,从一开始它的存在是必要的,作为催化剂和缓冲。这是当我们开始思考我们申请的化学生命的起源,以一种系统化的方式“波纳说。进一步的工作从萨瑟兰,自从搬到剑桥大学,显示在2015年前体嘧啶核苷酸也能够形成脂类和氨基酸。

我们将运行测试反应,我们无法确切的结果没有科学意义作为一个化学家

波纳最近的工作都集中在设计合成途径,避免不良的副产品,但可以不通过人工进行多步过程不太可能在生命起源以前的场景中似是而非的。例如,他的团队展示了一个路线从2 -和3个碳糖核苷酸在复杂的混合物,通过稳定的晶体雄性动物(化合物有两个氨基官能团连接到相同的碳)。这一步可以分离和净化。他们还发现,动物可能会导致形成proteinogenic氨基酸,这表明一个统一的化学起源。

波纳还致力于使RNA的核苷酸替代住房和城市发展部已提议作为垫脚石RNA。他最近包含四碳糖苏阿糖合成一个模拟,而不是核糖。但鉴于有机化学家越来越显示出合理的合成路线当前生物聚合物他想知道如果这些额外步骤是必要的。”如果你能使生物的,那么你在一个简单的路线朝着最终的目标,就是我们所知的生活,”他说。

史密斯认为可能需要计算化学的进步,自动化高通量机器人更系统化的方法进步在理解复杂的系统,允许化学生物学。”不同的化学反应机制,我们认为可能会感兴趣的,我们可以利用高通量机器人系统的样品他们如何进行与不同的矿物质,不同岩石环境中,[和]十字路口和接口,就构建这个巨大的年鉴的发生,”他说。

但是混乱的化学仍是少数生命起源的研究方法。Mamajanov,目前在学术界不工作,希望她能继续她的工作如果领域变得更能接受她使用的一种分析方法,开始看大局。根据奥木兰·,兴趣正在增长。“我有偏见,但我认为这是我们这个领域的未来…如果你想获得一个可行的想法发生了什么,你要脏了一点!”

瑞秋巴西是一个基于科学作家在伦敦,英国