研究人员发现了一种看似合理的进化环境，在这种环境中，核酸——生命的基本遗传组成部分——可以进行自我复制，可能导致地球上的生命。
这项研究今天以预印本的形式发表在《eLife》杂志上，编辑们将其描述为一项重要的工作，它提供了令人信服的证据，展示了气体在狭窄水道上流动的简单地球物理环境是如何创造出导致核酸复制的物理环境的。这项工作将引起研究生命起源的科学家的兴趣，更广泛地说，是研究核酸和诊断应用的科学家。
地球上生命的出现仍然是一个未解之谜，但一个普遍的理论是遗传物质的复制——核酸DNA和rna——是一个核心和关键的过程。RNA分子可以储存遗传信息，并通过形成双链螺旋来催化自身复制。这些能力的结合使它们能够突变、进化和适应不同的环境，并最终编码构成生命的蛋白质。
为了实现这一点，RNA链不仅需要复制成双链形式，还需要再次分离以完成复制周期。然而，在复制所需的高盐和核酸浓度下，链分离是一项困难的任务。
“已经研究了各种机制，以研究它们在生命起源时分离DNA链的潜力，但它们都需要温度变化，这将导致核酸的降解，”主要作者Philipp Schwintek说，他是德国慕尼黑Ludwig-Maximilians-Universit?t m
“我们研究了一个简单而普遍存在的地质场景，即通过岩石孔隙的水运动被通过岩石渗透到表面的气体干燥。这样的环境在地球早期的火山岛上很常见，为RNA合成提供了必要的干燥条件。”
该团队建立了一个岩石孔隙的实验室模型，其特征是向上的水通量在与垂直气体通量的交叉点蒸发，这导致表面溶解气体分子的积累。与此同时，气体通量在水中诱导出循环电流，迫使分子回到体积中。为了了解这个模型如何影响环境中的核酸，他们使用珠子来监测水流的动态，然后跟踪荧光标记的短DNA片段的运动。
“我们的预期是，持续的蒸发会导致DNA链在界面处的积累，”Schwintek说。“事实上，我们发现水在界面处不断蒸发，但水界面中的核酸在气/水界面附近积聚。”在实验开始的五分钟内，DNA链积累了三倍，而一个小时后，在界面上积累了30倍的DNA链。
虽然这表明气/水界面允许足够浓度的核酸进行复制，但双DNA链的分离也是必要的。通常需要改变温度，但当温度恒定时，改变盐浓度是必要的。
“我们假设，气体通量提供的界面处的圆形流体流动，以及被动扩散，将通过迫使核酸通过不同盐浓度的区域来驱动链分离，”资深作者、Ludwig-Maximilians-Universit?t m
nchen系统生物物理学教授Dieter Braun解释说。
为了验证这一点，他们使用了一种叫做FRET光谱的方法来测量DNA链的分离——高FRET信号表明DNA链仍然结合在一起，而低FRET信号表明DNA链已经分离。正如预期的那样，FRET信号最初在气-水界面附近增加，表明双链DNA的形成。但在实验过程中，当水流向上流动时，FRET信号是低指示单链DNA。
此外，当研究小组将这些数据与他们对水流和盐浓度的模拟叠加在一起时，他们发现气-水界面上的涡流导致盐浓度增加了三倍，这可能会导致链分离。
尽管核酸和盐聚集在气-水界面附近，但在大部分水中，盐和核酸的浓度仍然非常低。这促使研究小组测试核酸复制是否真的会在这种环境中发生，方法是将带有荧光染料标记的核酸和一种可以合成双链DNA的酶添加到岩石孔隙的实验室模型中。与常规的实验室DNA合成反应不同，该反应温度保持恒定，反应暴露在水和气体的混合流入中。
两小时后，荧光信号增强，表明复制的双链DNA分子数量增加。然而，当气体和水的流入被关闭时，没有观察到荧光信号的增加，因此没有观察到双链DNA的增加。
“在这项工作中，我们调查了一个可能引发早期生命复制的合理而丰富的地质环境，”布劳恩总结道。“我们考虑在没有任何温度变化的情况下，气体流过充满水的开放岩石孔隙，并发现气体和水的结合流动可以触发支持DNA复制的盐波动。
“由于这是一个非常简单的几何形状，我们的发现大大扩展了可能在早期行星上进行复制的潜在环境。”
