科学家揭开尿素在生命起源中的秘密角色

科学家揭开尿素在生命起源中的秘密角色研究人员开发出一种观察液体中化学反应的新方法，揭示了涉及尿素等分子的反应，这些分子可能促成了地球生命的出现。这项技术涉及一种能产生细小液体射流的特殊仪器和X射线光谱学，使科学家们能够研究在短短飞秒内发生的反应。这一突破是在苏黎世联邦理工学院物理化学教授汉斯-雅各布-沃纳（HansJakobWörner）领导的同一研究小组先前研究的基础上取得的。这项工作针对在气体环境中发生的反应得出了类似的结果。为了将X射线光谱观测扩展到液体，研究人员必须设计一种仪器，能够在真空中产生直径小于一微米的液体射流。这一点至关重要，因为如果射流再宽一些，就会吸收部分用于测量的X射线。利用这种新方法，研究人员得以深入了解地球上生命出现的过程。许多科学家认为，尿素在其中发挥了关键作用。尿素是含有碳和氮的最简单分子之一。更重要的是，尿素极有可能在地球非常年轻的时候就已经存在，20世纪50年代的一项著名实验也表明了这一点：美国科学家斯坦利-米勒（StanleyMiller）调制了一种据信构成地球原始大气层的气体混合物，并将其暴露在雷暴条件下。这产生了一系列分子，其中之一就是尿素。根据目前的理论，尿素可能已经富集在当时没有生命的地球上的温暖水坑中--通常称为原始汤。随着汤中水分的蒸发，尿素的浓度也随之增加。在宇宙射线等电离辐射的作用下，这些浓缩的尿素有可能经过多个合成步骤产生丙二酸。反过来，这可能产生了RNA和DNA的组成元素。苏黎世联邦理工学院和日内瓦大学的研究人员利用他们的新方法，研究了这一长串化学反应的第一步，以找出浓缩尿素溶液在电离辐射下的表现。要知道，浓尿素溶液中的尿素分子会自行成对，即所谓的二聚体。研究人员现在已经能够证明，电离辐射会导致每个二聚体中的一个氢原子从一个尿素分子移动到另一个。这样，一个脲分子就变成了质子化的脲分子，而另一个脲分子则变成了脲自由基。后者具有很高的化学反应活性--事实上，它的反应活性非常高，很有可能与其他分子发生反应，从而形成丙二酸。研究人员还设法证明，氢原子的这种转移发生得非常快，大约只需要150飞秒，即150四十亿分之一秒。Wörner说："这个反应速度如此之快，以至于理论上可能发生的所有其他反应都会被这个反应所取代。这就解释了为什么浓缩尿素溶液会产生尿素自由基，而不是承载会产生其他分子的其他反应。"Wörner和他的同事们希望研究导致丙二酸形成的下一个步骤，希望这将有助于他们了解地球生命的起源。至于他们的新方法，一般也可用于研究液体中化学反应的精确顺序。"一系列重要的化学反应都发生在液体中，不仅包括人体中的所有生化过程，还包括与工业相关的大量化学合成，"沃纳说。"这就是为什么我们现在扩大了高时间分辨率X射线光谱的范围，将液体中的反应也包括在内，这一点非常重要"。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1382767.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1382767.htm

照亮生命的起源：研究人员揭示远古地球上的糖合成过程

照亮生命的起源：研究人员揭示远古地球上的糖合成过程戊糖是现代生命形式新陈代谢中不可或缺的碳水化合物，但由于这些分子不稳定，因此尚不清楚它们在地球早期是否存在。日本东京工业大学地球生命科学研究所（ELSI）领导的一项新研究揭示了一种与早期地球条件相适应的化学途径，通过这种途径，C6醛酸酯可以作为戊糖的来源，而不需要酶。他们的发现提供了原始生物化学的线索，使我们更接近了解生命起源。一项新研究提供了有关原始生物化学的线索，使我们更接近于了解生命的起源。图片来源：美国宇航局戈达德太空飞行中心概念图像实验室地球早期的生化挑战地球上的生命是从简单的化学物质中产生的，这是生物化学乃至整个科学领域最令人兴奋而又最具挑战性的课题之一。现代生命形式可以通过复杂的化学网络将营养物质转化为各种化合物；此外，它们还可以利用酶催化非常特殊的转化，从而实现对所产生分子的精细控制。然而，在生命出现并变得更加复杂之前，酶是不存在的。因此，在地球历史的早期，很可能存在着各种非酶化学网络，它们可以将环境中的营养物质转化为支持原始细胞功能的化合物。戊糖：早期生命的基石戊糖的合成就是上述情况的一个突出例子。这些只含有五个碳原子的单糖是RNA和其他分子的基本组成单位，而这些分子对我们所知的生命来说是必不可少的。科学家们提出并研究了生命起源之前产生戊糖的各种方式，但目前的理论提出了一个问题：如果这些化合物的寿命极短，那么戊糖如何积累到足以参与生命起源前反应的数量？为了解决这个问题，由ELSI研究员易瑞琴领导的研究小组最近开展了一项研究，为早期地球上戊糖的起源和持续供应寻找另一种解释。他们探索了一个无酶化学网络，在这个网络中，C6醛酸酯（一种稳定的六碳碳水化合物）从各种前生物糖源积累起来，然后再转化回戊糖。(a)导致醛酸酯积累的原生代谢戊糖拟议途径，然后是非选择性氧化成脲酸酯、羰基迁移和β-脱羧。(b)磷酸戊糖途径的前几个步骤，以作比较。戊糖合成的新途径所提出的化学途径以葡萄糖酸盐开始，这是一种稳定的C6醛酸酯，在地球早期通过已知的基本糖类的前生物转化很容易获得。下一步是将C6醛酸酯非选择性地氧化成脲酸酯；这里的"非选择性"是指氧化过程不区分醛酸酯结构中的各种碳原子，因此有五种可能的氧化结果。通过实验和理论分析，研究人员深入研究了各种氧化产物，以弄清反应网络的细节。有趣的是，他们发现，无论氧化发生在哪里，生成的尿酸盐化合物都会发生一种被称为"羰基迁移"的分子内转化，直到形成特定的3-oxo-URONATE化合物。一旦达到这种状态，在H2O2和亚铁催化剂的作用下，3-氧代-尿苷酸盐很容易通过β-脱羧转化为戊糖，而这两种物质都与早期地球的条件相符。在建立并测试了这一复杂反应网络的全部过程后，研究人员注意到它与现代生化途径有着重要的相似之处。领衔作者易瑞勤强调说："我们证明了五碳糖的非酶合成途径，它依赖于化学转化，让人联想到磷酸戊糖途径的第一步，而磷酸戊糖途径是新陈代谢的核心途径。这些结果证明，前生物的糖合成可能与现存的生化途径有重叠。鉴于糖类在现代新陈代谢中无处不在，所提出的反应网络可能对第一批类生命系统的出现非常重要。"天体生物学影响和未来研究本研究的发现对天体化学和天体生物学具有重要意义。在1969年坠落地球的著名碳质陨石默奇森（Murchison）陨石中发现了大量的醛酸酯。与此相反，在现代生物系统中发现的典型碳水化合物却不在其中。这意味着醛酸酯可以在地外条件下形成和积累，而本研究表明，它们可能在生命组成元素的起源过程中扮演重要角色。Yi补充说："我们希望这项工作能掀起下一波天体生物学的热潮，将重点放在醛糖的研究上。"在未来的研究中，研究小组将重点关注C6醛酸酯是否能在地球早期积累到足够的量，以作为原生代谢出现的"养分"。首席研究员易瑞琴总结道："我们希望进一步了解这些醛酸酯如何从经典的前生物糖反应中生成，如甲糖反应和基里亚尼-费舍尔同源反应。值得注意的是，这些经典的前生物糖反应在现代新陈代谢中并不存在，因此，所提出的非酶途径可以作为早期糖类和理论上最早的生命形式所使用的碳水化合物之间一座急需的桥梁。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1401995.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1401995.htm

厨师熟悉的化学反应如何帮助创造了地球上的生命

厨师熟悉的化学反应如何帮助创造了地球上的生命美拉德反应每年锁住400万吨有机碳过程有助于稳定复杂生命进化的条件.用于使食物褐变并赋予其独特气味和味道的化学过程很可能发生在海洋深处，它帮助创造了生命所需的条件。该过程被称为美拉德反应，以发现该反应的法国科学家命名，该过程将小分子有机碳转化为较大分子，即聚合物。在厨房中，利用美拉德反应从糖中产生风味和香气。利兹大学卡罗琳·皮科克教授领导的一个研究小组认为，在海底，美拉德反应发挥了更根本的作用。具体来说，它有助于提高大气中的氧气含量和减少二氧化碳含量，从而为地球上复杂生命形式的出现和繁衍创造条件。海洋中的有机碳主要来自微生物。当这些生物体死亡时，它们会沉入海底并被细菌吞噬。衰变过程使用氧气并将二氧化碳释放到海洋中，最终进入大气中。科学家认为，近岸环境是大多数有机碳埋藏的地方。图片来源：利兹大学由于美拉德反应，较小的分子转化为较大的分子。这些较大的分子更难被微生物分解，并且可以在沉积物中储存数万年（如果不是数百万年）。科学家们将这种现象描述为“有机碳的保存”。有机碳在海底的长期储存或保存对地球表面的发展状况产生了重大影响。它限制了二氧化碳的释放，让更多的氧气进入地球大气层，并将过去4亿年来地球陆地表面变暖的变化限制在平均约5摄氏度。奥利弗·摩尔博士。图片来源：利兹大学该研究的第一作者、利兹地球与环境学院生物地球化学研究员OliverMoore博士说：“早在1970年代就有人提出美拉德反应可能发生在海洋沉积物中，但该过程人们认为速度太慢，无法影响地球上存在的条件。“我们的实验表明，当海水中存在关键元素，即铁和锰时，反应速率会提高数十倍。在地球漫长的历史中，这可能有助于为复杂生命在地球上栖息创造必要的条件。”作为研究的一部分，科学家们模拟了有多少有机碳因美拉德反应而被锁定在海底。他们估计，每年约有400万吨有机碳被锁在海底。这相当于大约50座伦敦塔桥的重量。为了验证他们的理论，研究人员在实验室中10摄氏度（即海底温度）下观察了简单有机化合物与不同形式的铁和锰混合时发生的变化。分析显示，经过美拉德反应的实验室样本的“化学指纹”与从世界各地海底采集的沉积物样本的“化学指纹”相匹配。这种“指纹”分析是在英国牛津郡的钻石光源进行的，这是英国的同步加速器，它产生强烈的光能光束，以揭示样品的原子结构。DiamondLightSource扫描X射线显微镜光束线(I08-SXM)首席光束线科学家BurkhardKaulich博士表示：“我们先进的I08-SXM仪器具有高稳定性、高能量和光学分辨率，经过开发和优化，可用于帮助探测环境系统中发生的碳化学和反应。我们非常自豪能够为更好地理解地球上复杂生命形式和气候创造所涉及的基本化学过程做出贡献。”来自利兹的皮科克教授说：“发现海洋中由铁和锰制成的活性矿物有助于创造地球上生命进化所需的稳定条件，这是非常令人兴奋的。”从更好地了解地球化学过程中汲取的经验教训可用于利用新方法来应对现代气候变化。伦敦玛丽女王大学环境科学家、该论文的作者之一詹姆斯·布拉德利博士表示：“了解影响沉积在海底的有机碳命运的复杂过程对于查明地球气候如何变化至关重要。响应自然过程和人类活动，并帮助人类更好地管理气候变化，因为碳捕获技术的应用和长期成功依赖于碳以稳定的形式被锁定，而不是转化为二氧化碳。”...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1377171.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1377171.htm

伽马射线和陨石：可能引发地球上生命的看似不可能的组合

伽马射线和陨石：可能引发地球上生命的看似不可能的组合自从地球是一个新形成的无菌星球以来，陨石就一直以高速穿过大气层向地球表面飞去。如果最初的太空碎片包括碳质软玉石--一类陨石，其成员含有大量的水和小分子，如氨基酸--那么它可能有助于地球上的生命进化。然而，陨石中氨基酸的来源一直难以确定。在以前的实验室实验中，YokoKebukawa及其同事表明，简单分子之间的反应，如氨和甲醛可以合成氨基酸和其他大分子，但需要液态水和热量。放射性元素，如铝-26（26Al）--已知存在于早期碳质软骨岩中，在衰变时释放伽马射线，一种高能辐射。这一过程可能提供了制造生物大分子所需的热量，因此，Kebukawa和一个新的团队想观察辐射是否可能促进了早期陨石中氨基酸的形成。研究人员将甲醛和氨溶解在水中，将溶液密封在玻璃管中，然后用钴60衰变产生的高能伽马射线照射这些玻璃管。他们发现，随着总伽马射线剂量的增加，α-氨基酸（如丙氨酸、甘氨酸、α-氨基丁酸和谷氨酸）和β-氨基酸（如β-丙氨酸和β-氨基丁酸）在辐照溶液中的产量上升。根据这些结果和来自陨石中26Al衰变的预期伽马射线剂量，研究人员估计，产生1969年在澳大利亚降落的默奇森陨石中发现的丙氨酸和β-丙氨酸的数量需要1000到100000年。研究人员说，这项研究提供了伽马射线催化反应可以产生氨基酸的证据，可能有助于地球上生命的起源。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1336963.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1336963.htm

科学家发现地球生命的潜在星际起源

科学家发现地球生命的潜在星际起源在地球上出现生命之前，基本的有机分子是由氮、硫、碳和磷等稀缺元素形成的。新的研究表明，富含这些元素的宇宙尘埃可能通过在地球上，特别是在冰原融洞中的高浓度积累，启动了前生物化学，从而有可能导致生命组成元素的形成。资料来源：NASA/JPL-Caltech事实上，生命的基本组成元素是如此稀少，以至于化学反应很快就会耗尽，如果它们真的能够进行的话。地球组成岩石的侵蚀和风化等地质过程也无法确保充足的供应，因为地壳中包含的这些元素实在太少了。尽管如此，在地球历史的前5亿年里，发生了一种前生物化学反应，产生了诸如RNA、DNA、脂肪酸和蛋白质等有机分子，所有生命都是在这些有机分子的基础上诞生的。所需数量的硫、磷、氮和碳从何而来？地质学家、诺米斯研究员克雷格-沃尔顿坚信，这些元素主要是以宇宙尘埃的形式来到地球的。这些尘埃是在太空中产生的，例如当小行星相互碰撞时。即使在今天，每年仍有约3万吨尘埃从太空落到地球上。然而，在地球诞生的早期，尘埃的数量要大得多，每年高达数百万吨。然而，最重要的是，尘埃粒子含有大量的氮、碳、硫和磷。因此，它们有可能引发化学级联反应。然而，灰尘的散布范围很广，在任何一个地方都只能发现极少量的灰尘，这一事实与上述说法相悖。沃尔顿说："但如果把运输过程包括在内，情况就会不同。风、雨或河流在大范围内收集宇宙尘埃，并以浓缩的形式沉积在某些地方。"澄清问题的新模式为了弄清宇宙尘埃是否可能是启动前生物化学（反应）的源头，沃尔顿与剑桥大学的同事们一起建立了一个模型。研究人员利用该模型模拟了在地球历史的最初5亿年里，有多少宇宙尘埃落到了地球上，以及这些尘埃可能在地球表面的哪些地方积聚。他们的研究现已发表在科学杂志《自然-天文学》上。该模型是与剑桥大学的沉积专家和天体物理学家合作开发的。英国研究人员专门从事行星和小行星系统的模拟研究。模拟显示，早期地球上可能存在宇宙尘埃浓度极高的地方。而且，来自太空的补给源源不断。然而，地球形成后，尘埃雨迅速锐减：5亿年后，尘埃流比零年小了一个数量级。研究人员将偶尔出现的上升高峰归因于小行星碎裂并向地球发送了尘埃尾流。冰原上的融化洞是尘埃陷阱大多数科学家和普通人都认为，地球被岩浆海洋覆盖了数百万年；这将在很长一段时间内阻止宇宙尘埃的迁移和沉积。沃尔顿说："然而，最近的研究发现，有证据表明地球表面冷却和凝固的速度非常快，并形成了大面积的冰原。"根据模拟结果，这些冰原可能是宇宙尘埃积聚的最佳环境。冰川表面的融化孔--即所谓的冷冻孔--不仅会使沉积物积聚，也会使来自太空的尘粒积聚。随着时间的推移，尘埃粒子中释放出相应的元素。当它们在冰川水中的浓度达到临界值时，化学反应就会自动开始，从而形成有机分子，这就是生命的起源。即使在熔洞冰冷的温度下，化学过程也有可能开始进行。沃尔顿说："低温并不会破坏有机化学，相反，低温下的反应比高温下的反应更有选择性和特异性。其他研究人员已经在实验室中证明，简单的环形核糖核酸（RNA）会在冰点附近的温度下自发地在这种融水汤中形成，然后进行自我复制。该论点的一个弱点可能是，在低温条件下，形成有机分子所需的元素只能非常缓慢地从尘埃粒子中溶解出来。"启动关于生命起源的辩论沃尔顿提出的理论在科学界并非没有争议。这项研究肯定会引发一场有争议的科学辩论，但它也会引发关于生命起源的新观点。早在18和19世纪，科学家们就确信陨石将沃尔顿所说的"生命元素"带到了地球。即使在当时，研究人员也在来自太空的岩石中发现了大量这些元素，但在地球的基岩中却没有发现。沃尔顿说："然而，从那时起，几乎没有人考虑过前生物化学主要是由陨石引发的这一观点。"沃尔顿解释说："陨石的想法听起来很有吸引力，但有一个问题。一块陨石只能在有限的环境中提供这些物质；陨石撞击地面的位置是随机的，而且无法保证进一步的供应。我认为，生命的起源不太可能依赖于几块广泛而随机散落的岩石。"另一方面，我认为富集的宇宙尘埃是一个可信的来源。"沃尔顿的下一步将是通过实验检验他的理论。在实验室中，他将使用大型反应容器来重现原始熔洞中可能存在的条件，然后将初始条件设定为40亿年前低温熔洞中可能存在的条件，最后再观察是否真的发生了产生生物相关分子的化学反应。编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1428240.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1428240.htm

小行星“龙宫”提供了关于地球上生命起源的线索

小行星“龙宫”提供了关于地球上生命起源的线索隼鸟2号于2020年12月将其地外有效载荷送至地球，这是在小行星上的两次着陆行动中收集的共计0.2盎司（5.4克）的原始样本。之前对这些样本的分析发现了有史以来最古老的物质。现在，这颗太空岩石已经交出了它的更多秘密。由日本北海道大学领导的一个国际研究小组使用高效液相色谱法结合电喷雾离子化高分辨率质谱法（HPLC/ESI-HRMS）分析了这些样品。这种强大的工具允许对复杂的物质进行分子水平的分析，特别是核碱，这正是研究人员特别要寻找的东西。核碱基是一种含氮的化合物，可以形成核苷，是核苷的一个组成部分，而核苷又是DNA和RNA的一部分。DNA中的核碱基是胞嘧啶、鸟嘌呤、腺嘌呤和胸腺嘧啶。尿嘧啶存在于RNA中，它为构建生物体提供指令。这五个核碱基被称为"经典"，因为它们是遗传密码的基本单位。该研究的第一作者YasuhiroOba说："科学家们以前在某些富含碳的陨石中发现了核碱基和维生素，但始终存在着暴露在地球环境中的污染问题。由于隼鸟2号航天器直接从小行星龙宫收集了两个样本，并将它们装在密封的胶囊中运送到地球，因此可以排除污染的可能性。"研究人员认为，如果被发现，核碱将使人们更好地了解它们在前生物进化中的作用，这个阶段的进化被认为是在地球上出现生命之前发生的。对小行星样本的分析显示，除了烟酸-维生素B3的一种形式和其他含氮有机化合物之外，还存在尿嘧啶。Oba说："我们在样品中发现了少量的尿嘧啶，范围在6到32ppb之间，而维生素B3的含量更高，范围在49到99ppb之间。在样品中还发现了其他生物分子，包括一些氨基酸、胺和羧酸，它们分别存在于蛋白质和新陈代谢中。"研究人员发现的化合物与以前在陨石中发现的化合物相似，但不完全相同。研究人员假设，这些含氮化合物可能是由更简单的分子形成的，如氨、甲醛和氰化氢。虽然这些分子没有在龙宫样本中检测到，但它们存在于彗星上发现的冰中。研究人员认为龙宫可能起源于低温环境，如彗星或其他行星体。这些发现为地球上的生命进化史带来了更多的启示，特别是RNA在其中所扮演的角色。在来自龙宫的样本中发现了尿嘧啶，这为目前关于早期地球上核碱基来源的理论提供了力量。研究小组希望将他们的结果与美国宇航局的探索飞船OSIRIS-REx收集的样本进行比较，这些样本将于2023年9月交付给地球。OSIRIS-REx在2020年被派去收集另一颗碳质小行星101955Bennu的样品。"美国宇航局的OSIRIS-REx任务将在今年从小行星Bennu返回样本，对这些小行星的组成进行比较研究将为建立这些理论提供进一步的数据，"Oba说。这项研究发表在《自然通讯》杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1350913.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1350913.htm