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PNAS:在生命起源前地球协同形成多孔二氧化硅和多肽
2021-03-30 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

  地球演化到一定的阶段才出现生命。但是生命起源于何因、何时、何处、何物,长期以来是自然科学尚未解决的重大科学问题。一般认为,地球早期的非生物有机反应是生命起源的前奏。从溶液中的小分子(单体)过渡到低聚物以形成蛋白质和其他大型固体分子组装体,对生命的起源与发展至关重要。 

  多孔二氧化硅是一种工业上普遍使用的催化剂。它的合成通常在不同有机分子结构导向剂(SDA)的控制下,通过沸石的结晶产生不同类型的高硅沸石材料(Davis, 2002)。 这些材料通常含有由硅酸盐四面体骨架构成的笼子和隧道(图1),能将有机分子限制在孔隙中进行催化,从而转化为增值化学品。 

  最近美国美国亚利桑那州立大学Alexandra Navrotsky教授与合作者通过收集多个已经发表的证据,提出在生命起源前的地球化学环境能协同形成多孔二氧化硅和多肽。他们认为早期地球存在的有机物小分子(例如氨基酸、小肽和脂肪酸)能够充当SDA,介导岩石动态溶解-再结晶过程形成多孔二氧化硅,引起氨基酸和肽的进一步聚合以及其他有机反应,在从氨基酸到肽再到蛋白质的非生物转化中发挥至关重要的作用。

图1 不同SDA分子介导形成的多孔二氧化硅的晶体结构示意图(Navrotsky et al., 2021)

  首先,生命起源前地球环境的模拟和碳质球粒陨石的观测证据表明,一些小肽和脂肪酸有机分子确实存在于早期地球环境中(Shimoyama et al., 2002; Leman et al., 2004; Huang et al., 2005)。早期材料学证据表明氨基酸和多肽可以充当SDA介导手性有序的多孔二氧化硅合成并选择性地结合到孔的内表面进行催化低聚。这种协同的二氧化硅-肽相互作用可能是形成更复杂蛋白质的前体。

  另外,水溶液与二氧化硅的接触的活跃场所(譬如热液系统)也广泛存在生命起源前的地球化学环境中。这些热液系统的温度可以在空间上和时间上变化,从接近室温到500℃,为二氧化硅相的形成和转化提供了适宜的环境。对生命起源前的地球的锆石(4.4 Ga)研究(Shork, 1992),表明早期地球具有活跃的岩石循环(如风化,沉积,埋藏和融化),并且这些融化事件产生了接近花岗岩成分的熔体。由这些岩浆产生的岩石的蚀变可能产生多孔的铝硅酸盐和二氧化硅,从而参与有机小分子的催化。这种水热和风化过程提供的溶解二氧化硅量可以通过成岩矿物的稳定性和溶解度来进行量化(图2)。进一步的证据表明,非晶态二氧化硅层是通过连续发生的溶解-沉淀过程形成的。生命起源前地球化学环境的重要性在于促使稳态、低浓度的溶解二氧化硅能与水相中的有机分子协同形成和相互作用。 

2 A)硅在水溶液中与石英、非晶态二氧化硅和各种矿物组合平衡时的活性范围;(B100°C时不同pH条件下的石英的溶解度(Navrotsky et al., 2021

  最后作者提出,尽管现有的证据预示多孔二氧化硅和多肽在生命起源前地球环境中可以协同形成,但是仍然需要进行进一步的实验研究来证明多肽和脂肪酸等有机分子是否可以在不同温度、压力和pH条件下充当SDA介导合成多孔二氧化硅材料。    

  主要参考文献 

  Davis M E. Ordered porous materials for emerging applications[J]. Nature, 2002, 417(6891): 813-821. 

  Huang Y, Wang Y, Alexandre M R, et al. Molecular and compound-specific isotopic characterization of monocarboxylic acids in carbonaceous meteorites[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 2005, 69(4): 1073-1084. 

  Leman L, Orgel L, Ghadiri M R. Carbonyl sulfide-mediated prebiotic formation of peptides[J]. Science, 2004, 306(5694): 283-286. 

  Navrotsky A, Hervig R, Lyons J, et al. Cooperative formation of porous silica and peptides on the prebiotic Earth[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2021, 118(2): e2021117118.原文链接 

  Shimoyama A, Ogasawara R. Dipeptides and diketopiperazines in the Yamato-791198 and Murchison carbonaceous chondrites[J]. Origins of Life and Evolution of the Biosphere, 2002, 32(2): 165-179. 

  (撰稿:曹长乾/地星室)

 
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