长链分子是如何形成的。信贷:©LMU
LMU物理学家们演示注意聚合物分子的基本特性，如亚基组成足以触发选择离子在似是而非的生命起源前的环境中发生作用。
在地球上出现生命之前，地球上的许多物理化学过程都是非常混乱的。大量由亚基(如DNA和RNA中发现的碱基)组成的小化合物和不同长度的聚合物以各种可能的组合形式存在。在类似生命的化学过程出现之前，这些系统的混乱程度必须降低。在一项新的研究中，由迪特尔·布劳恩(Dieter Braun)领导的LMU物理学家表明，简单聚合物的基本特征，加上生命起源前环境的某些方面，可以导致减少无序的选择过程。
在之前的出版物中，Braun的研究小组探索了空间秩序是如何在海底多孔火山岩中狭窄、充满水的洞穴中形成的。这些研究表明，在存在温差和被称为Soret效应的对流现象的情况下，RNA链可以在局部以长度依赖的方式积累几个数量级。布劳恩说:“问题在于，人们得到的较长的分子的碱基序列完全混乱。”
进化出的核糖酶(基于rna的酶)有一个非常特定的碱基序列，使分子能够折叠成特定的形状，而在早期地球上形成的绝大多数低聚物最有可能具有随机的序列。新报告的第一作者帕特里克·库德拉(Patrick Kudella)说:“可能的碱基序列的总数，也就是所谓的‘序列空间’，是非常大的。”“这使得通过纯随机过程组装具有功能性核酶或类似分子的复杂结构实际上是不可能的。”这使得LMU的研究小组怀疑分子的延伸形成更大的“低聚物”是受某种预先选择机制的影响。
早期低聚物模型系统
因为在生命起源时期，与细胞复杂的复制机制相比，只有少数非常简单的物理和化学过程，序列的选择必须基于环境和低聚物的性质。这就是Braun团队的研究的切入点。对于低聚物的催化功能和稳定性，重要的是它们形成双链，如众所周知的DNA螺旋结构。这是许多聚合物的基本性质，使复合物具有双链和单链部分。单链部分可以通过两个过程来重构。首先，通过所谓的聚合，链由单基完成，形成完整的双链。另一种是通过所谓的结扎。在这个过程中，较长的低聚物被连接在一起。在这里，双链和单链部分都形成了，这使低聚体进一步生长。
“我们的实验从大量的短DNA链开始，在我们早期低聚物的模型系统中，我们只使用了两种互补的碱基，腺嘌呤和胸腺嘧啶，”Braun说。“我们假设，随机序列的链连接会导致更长的链的形成，其碱基序列不那么混乱。”布劳恩的团队随后分析了这些实验中产生的序列混合物，使用的方法也用于分析人类基因组。该测试证实，在这些实验中，序列熵，即序列内恢复的无序或随机程度，实际上是降低的。
生命从混乱中出现
研究人员还能够确定这种“自我生成”顺序的原因。他们发现获得的大多数序列分为两类——碱基组成要么是70%的腺嘌呤，要么是30%的胸腺嘧啶，反之亦然。Braun解释说:“当两个碱基中一个碱基的比例显著增大时，链就不能自我折叠，仍然作为结扎反应的伙伴。”因此，在反应中几乎日本房价不会形成含有两种碱基各一半的链。Braun说:“我们也看到了短DNA库组成中的微小扭曲是如何留下明显的位置依赖基序模式的，特别是在长产物链中。”这一结果让研究人员感到惊讶，因为只有两种不同碱基的链，碱基比例特定，很难区分彼此。“只有特殊的算法才能检测到如此惊人的细节，”该研究的合著者Annalena Salditt说。
实验表明，低聚物最简单、最基本的特性及其所处的环境可为其选择性工艺提供依据。即使在一个简化的模型系统中，也可以发挥各种选择机制的作用，在不同的长度尺度上对链的生长产生影响，是不同因素组合的结果。根据Braun的说法，这些选择机制是形成核酶等催化活性复合物的先决条件，因此在生命从混沌中出现中发挥了重要作用。
