地球与环境 2022-01-25 11:09

我们倾向于认为进化是一个混乱的过程,生命从中自发地出现。但是,如果有一些模式可以解释简单的材料是如何进化成有机生命的呢?如果有广义模型来描述史前生物是如何相互作用的,并成为我们今天所知道的多样化的生物世界呢?虽然大多数关于生命起源的研究都集中在构成有机生命的实际材料上,但魏茨曼科学研究所最近成立的分子化学和材料科学系的谢尔盖·谢门诺夫博士提出了一个完全不同的问题。

Semenov并没有着眼于构成生命的基本元素——如蛋白质——背后的基本化学,而是专注于基本化学物质产生的相互作用的不同模式,这有助于解释进化过程。

Semenov博士谢尔盖。他对化学制品的热爱源于他父母的厨房

“当你观察有机生命时,你实际上看到的是分子相互作用。事实上,某些分子能够形成何种类型的反应或相互作用的问题是我们如何区分不同的材料,以及区分生物和非生物,”他解释道。

谢门诺夫一直对化学很感兴趣。他小时候在俄罗斯父母的厨房里进行了第一次实验。“我实际上在家里做了非常先进的实验,”他说,并开玩笑地回忆起他是如何把一个孩子的化学工具包推到极限的,“直到它变得太危险。”然后他去了莫斯科国立大学(Moscow State University):“那是当时俄罗斯学习化学最好的地方,”他说。但他很快就去了西部,在荷兰和瑞士学习工作后,他最终在哈佛大学攻读博士后学位。在那里,他帮助他的导师,乔治·m·怀特赛兹教授,建立了一个化学起源的生命实验室,他开始专注于化学相互作用。

他发现,不同类型的相互作用可以形成化学反馈回路。这些化学过程根据某种模式相互加速或抑制。这些模式——或者塞门诺夫称之为“相互作用的网络”——可能是理解“极其复杂的有机体是如何从非常简单的材料逐渐发展而来”的关键,他说。

在这项新的研究中,Semenov和小组成员、博士生Alexander Novichkov和研究生Anton Hanopolskyi一起,实际上从非常简单的材料之间的基本相互作用中重新创造了这样的过程。“我们的研究提出了这样一个问题:简单的化学材料能维持哪些不同类型的反应?”我们正在寻找的是创造复杂生命的化学机制的动力学。为此,你需要关注的不是复杂分子,而是有助于形成复杂分子的复杂行为。”

研究人员用来制造化学振荡器的微型反应器。反应物被放置在反应器中,混合后被冲洗掉。化学振荡发生在内部,可以通过跟踪排放来测量

他们发现,在高浓度和低浓度之间的振荡可能是这些行为中最基本的一种。许多生物过程中都存在这种作用力,这种行为和反应的反馈机制,很像简单机械时钟背后的机制,是让我们的细胞时钟按照昼夜节律运转的机制。

Semenov的研究创造了第二个完全由合成有机分子制造的人造化学振荡器。这个系统是自我传播的,并保持一个恒定的振荡,就像一个时钟一样,这两个功能一起创造了他所说的“开关”,允许某些功能随时间发展。

Semenov的振荡器在两种状态之间“切换”,创造了一个反馈回路,每一种状态都刺激着另一种状态的发展。这种类似时钟的机制导致了一种振荡类型,这种振荡可能有助于创造甚至放大某些蛋白质链。这可能会产生重大的进化后果:反馈循环导致了比最初组成它的材料更复杂的材料的产生——比如作为我们DNA基础的氢键。

(从左至右)谢尔盖·谢门诺夫博士、亚历山大·诺维奇科夫博士和安东·汉诺波尔斯基博士。化学反应网络

虽然研究人员没有直接关注DNA,但使用这种方法,他们的“时钟”机制确实创造了一个动态过程,可以帮助调节反应,如DNA的复制。Semenov说,这是“一个例子,说明了一个简单的过程是如何产生一个复杂的过程的,而我们知道,复杂的过程对DNA的工作和表达是重要的。”

“最终的目标是找到导致生物并发症的机制,”他解释道。所以,如果我们看到了类似于振荡的机制,那么我们就可以提出一个适当的假设,我们是如何从我们从天文学或地球化学中知道的超基本材料到现实生活中。”

科学数据

化学振荡器在一种状态和另一种状态之间切换需要120分钟。随着时间的推移,这些简单的振荡促进了复杂化学过程的出现。

Sergey Semenov博士的研究得到了以色列科学、文化和艺术促进基金的支持;和

艾米尔·米姆兰的庄园。