自催化反应与生命起源

有趣的“自催化”反应似乎比科学家们想象的要普遍得多

“这里展示的循环是一系列基本配方，以星球上从未尝试过的方式混合和搭配，”

生命需要化学反应的重复。描述自我维持重复所需的各种反应和条件——被称为自催化——可以集中在其他行星上寻找生命。

(图片来源：贝图尔 ．卡扎尔)

一项新的研究发现，自我维持的化学反应可以支持与生命截然不同的生物，它存在于不同的行星上，结合地球生命所依赖的碳之外的各种元素。

在地球上，生命以有机化合物为基础。分子由碳组成，通常还包括氢、氧、氮、磷和硫等其他元素。

长期以来，科学家们想知道外星生命是否会根据截然不同的化学物质进化。例如，研究人员一直推测硅也可能是生物学的支柱。

“探索这些可能性很重要，了解所有形式的生命的样子，不仅仅是地球上的生命，”该研究的资深作者、威斯康星大学麦迪逊分校的天体生物学家、细菌学家和进化生物学家贝图尔．卡扎尔告诉宇宙网。

一种对地球生命至关重要的化学相互作用被称为自催化作用。自催化反应目的是自我维持——它们可以产生促使同样的反应再次发生的分子。想象一个不断增长的兔子种群。成对的兔子聚在一起，生出一窝新的兔子，然后新的兔子长大成对，生出更多的兔子。不需要很多兔子，很快就会有更多的兔子。

“生命起源研究人员关心自催化的一个主要原因是，生殖——生命的一个关键特征——是自催化的一个例子，”卡扎尔说。“生命催化了更多生命的形成。一个细胞可以产生两个细胞，两个细胞又可以变成四个，以此类推。随着细胞数量的增加，相互作用的数量和多样性也相应增加。”

在这项新研究中，研究人员寻找有机化合物之外的自催化作用。他们推断，自催化作用可以帮助推动自然发生——生命从无生命中起源。

科学家们关注的是所谓的比例循环，它可以产生一个分子的多个副本。这些产物可以作为起始材料，帮助这些循环再次发生，从而产生自催化。

该研究的主要作者，威斯康星大学麦迪逊分校的进化生物学家彭正告诉宇宙网说:“可以说，归中反应是独一无二的，因为它是一个产生多个输出的单一反应——它看起来很像繁殖。”

为了找到这些反应，科学家们分析了两个多世纪以来用多种不同语言写成的数字化科学文献。“通过有效的语言搜索和翻译工具，设计和实施这种首次对自催化循环普遍性的评估，”该研究的合著者、威斯康星大学麦迪逊分校的地质学家扎克·亚当告诉宇宙网。

最终，研究人员发现了270种不同的自催化反应循环。“自催化作用可能并不罕见，相反，它可能是许多不同环境的普遍特征，甚至是那些与地球完全不同的环境，”卡扎尔说。

270个循环中的大多数都没有使用有机化合物。其中一些围绕着地球上生命中不存在或极其罕见的元素，如汞或放射性金属钍。许多循环可能只发生在极高或极低的温度或压力下。

研究人员甚至发现了四个涉及惰性气体的自催化循环，这些惰性气体很少与其他元素发生化学反应。如果即使是相对惰性的气体，如氙，也能参与自催化，“我们有充分的理由猜测，自催化在其他元素中更容易发生，”彭说。

这些循环中只有8个是由4个或更多反应组成的相对复杂的循环。270个循环中的大多数都很简单，每个循环只包含两个反应。

卡扎尔在一份声明中说：“人们认为这种反应非常罕见。”“我们则证明，这种情况其实一点也不罕见。你只需要找对地方就行了。”

研究人员指出，将多个周期结合在一起是可能的，即使它们彼此非常不同。会导致自我维持的化学反应，产生各种各样的分子，从而产生大量的复杂性。

研究人员说，我们可以在25年内发现太阳系外的生命。

“有了这么多的自催化的基本配方，研究的重点现在可以转移到理解如何自催化，通过比例，可能有更明显的影响，在形成一个星球的化学，”卡扎尔说。

科学家们希望未来的研究可以对他们创造的这本新配方进行实验测试。

彭说:“这里展示的循环是一系列基本配方，以我们星球上从未尝试过的方式混合和搭配。”“它们可能会导致发现复杂化学的全新例子，这些例子可以在碳基甚至硅基循环过于燃烧或冻结的条件下工作。”

研究人员严肃地说，还不确定这些周期有多可信。“不能保证我们整理的样本能在实验室里运行，或者在其他天体上找到，”彭说。

亚当说，除了这项工作可能对寻找宇宙中的生命和理解生命的起源有意义之外，这项研究还可能有实际应用，比如“优化化学合成和有效利用资源和能源”。“另一种是将化合物用于化学计算等有趣的任务。”

科学家们在9月18日的《化学学会杂志》上详细介绍了他们的发现。

BY:Charles Q. Choi

FY:jane

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来源: 天文在线