达尔文的进化论先于生命本身吗？

物理学家所做的一项研究表明，聚合物分子的基本特征，例如它们的亚基组成，足以在合理的生命起源以前的环境中触发选择过程。

在地球上出现生命之前，地球上的许多物理化学过程是高度混乱的。在每一种可能的组合中都存在着大量的小化合物和由亚单位（如DNA和RNA中的碱基）组成的长度不等的聚合物。在类似生命的化学过程出现之前，必须降低这些系统的混乱程度。在一项新的研究中，由LMU物理学家Dieter Braun领导的一项研究表明，简单聚合物的基本特征，加上生命起源以前的环境的某些方面，可以产生减少无序的选择过程。

在之前发表的文章中，Braun的研究小组探讨了在狭窄的，海底多孔火山岩中充满水的腔室。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链可以以长度依赖的方式局部累积几个数量级。“问题是，我们获得的较长分子的碱基序列是完全混乱的，”Braun说。

进化的核酶（基于RNA的酶）有一个非常特殊的碱基序列，使分子能够折叠成特定的形状，而地球早期形成的绝大多数寡聚物很可能都有随机序列。新论文的第一作者patrick Kudella说：“被称为‘序列空间（'sequence space）’的可能碱基序列的总数非常大。这使得几乎不可能通过纯粹的随机过程来组装具有功能核酶或类似分子特征的复杂结构。”LMU团队怀疑，分子延伸形成更大的‘寡聚物’受到某种预选机制的影响。

因为在分子起源时生命物质非常少，都是非常简单的物理和化学过程。因此与复杂的细胞复制机制相比，序列的选择必须基于环境和寡聚物的性质。这就是Braun团队的研究成果。对于寡聚物的催化功能和稳定性，重要的是它们形成双链，就像众所周知的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。单股零件可以通过两个过程进行重构。首先，通过聚合作用，单链形成完整的双链。另一种是连接反应。在这个过程中，较长的低聚物连接在一起。在这里，双链和单链部分都形成了，寡聚体能够进一步生长。

“我们的实验从大量的短DNA链开始，在我们早期寡聚体的模型系统中，我们只使用两个互补碱基，腺嘌呤和胸腺嘧啶，”Braun说。“我们假设随机序列的链连接会形成更长的链，其碱基序列不那么混乱。”Braun的研究小组接着用一种同样用于分析人类基因组的方法分析了这些实验中产生的序列混合物。这项测试证实，序列熵在这些实验中被降低了。

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——碱基组成为70%腺嘌呤和30%胸腺嘧啶，反之亦然。“由于两个碱基中有一个的比例显著比较大，链不能折叠到自身上，”Braun解释说。“因此，在反应中几乎没有形成两个碱基各占一半的链。我们还发现，短DNA池的组成中的微小扭曲会留下明显的位置依赖性基序模式，尤其产物是长链的情况。这一结果令研究人员感到惊讶，因为仅仅由两个不同碱基组成具有特定的碱基比率的链就足以限制它们生成相互有区别的产物。”只有特殊的算法才能检测出如此惊人的细节，”这项研究的合著者Annalena Salditt说。

实验表明，低聚物及其环境最简单、最基本的特征可以为选择性过程提供基础。即使在一个简化的模型系统中，各种选择机制也可以发挥作用，它们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。Braun认为，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的过程中发挥了重要作用。

Journal Reference:

patrick W. Kudella, Alexei V. Tkachenko, Annalena Salditt, Sergei Maslov, Dieter Braun. Structured sequences emerge from random pool when replicated by templated ligation. proceedings of the National Academy of Sciences, 2021; 118 (8): e2018830118 DOI: 10.1073/pnas.2018830118