自催化反應與生命起源

有趣的“自催化”反應似乎比科學家們想象的要普遍得多

“這里展示的循環是一系列基本配方，以星球上從未嘗試過的方式混合和搭配，”

生命需要化學反應的重復。描述自我維持重復所需的各種反應和條件——被稱為自催化——可以集中在其他行星上尋找生命。

(圖片來源：貝圖爾 ．卡扎爾)

一項新的研究發現，自我維持的化學反應可以支持與生命截然不同的生物，它存在于不同的行星上，結合地球生命所依賴的碳之外的各種元素。

在地球上，生命以有機化合物為基礎。分子由碳組成，通常還包括氫、氧、氮、磷和硫等其他元素。

長期以來，科學家們想知道外星生命是否會根據截然不同的化學物質進化。例如，研究人員一直推測硅也可能是生物學的支柱。

“探索這些可能性很重要，了解所有形式的生命的樣子，不僅僅是地球上的生命，”該研究的資深作者、威斯康星大學麥迪遜分校的天體生物學家、細菌學家和進化生物學家貝圖爾．卡扎爾告訴宇宙網。

一種對地球生命至關重要的化學相互作用被稱為自催化作用。自催化反應目的是自我維持——它們可以產生促使同樣的反應再次發生的分子。想象一個不斷增長的兔子種群。成對的兔子聚在一起，生出一窩新的兔子，然后新的兔子長大成對，生出更多的兔子。不需要很多兔子，很快就會有更多的兔子。

“生命起源研究人員關心自催化的一個主要原因是，生殖——生命的一個關鍵特征——是自催化的一個例子，”卡扎爾說。“生命催化了更多生命的形成。一個細胞可以產生兩個細胞，兩個細胞又可以變成四個，以此類推。隨著細胞數量的增加，相互作用的數量和多樣性也相應增加。”

在這項新研究中，研究人員尋找有機化合物之外的自催化作用。他們推斷，自催化作用可以幫助推動自然發生——生命從無生命中起源。

科學家們關注的是所謂的比例循環，它可以產生一個分子的多個副本。這些產物可以作為起始材料，幫助這些循環再次發生，從而產生自催化。

該研究的主要作者，威斯康星大學麥迪遜分校的進化生物學家彭正告訴宇宙網說:“可以說，歸中反應是獨一無二的，因為它是一個產生多個輸出的單一反應——它看起來很像繁殖。”

為了找到這些反應，科學家們分析了兩個多世紀以來用多種不同語言寫成的數字化科學文獻。“通過有效的語言搜索和翻譯工具，設計和實施這種首次對自催化循環普遍性的評估，”該研究的合著者、威斯康星大學麥迪遜分校的地質學家扎克·亞當告訴宇宙網。

最終，研究人員發現了270種不同的自催化反應循環。“自催化作用可能并不罕見，相反，它可能是許多不同環境的普遍特征，甚至是那些與地球完全不同的環境，”卡扎爾說。

270個循環中的大多數都沒有使用有機化合物。其中一些圍繞著地球上生命中不存在或極其罕見的元素，如汞或放射性金屬釷。許多循環可能只發生在極高或極低的溫度或壓力下。

研究人員甚至發現了四個涉及惰性氣體的自催化循環，這些惰性氣體很少與其他元素發生化學反應。如果即使是相對惰性的氣體，如氙，也能參與自催化，“我們有充分的理由猜測，自催化在其他元素中更容易發生，”彭說。

這些循環中只有8個是由4個或更多反應組成的相對復雜的循環。270個循環中的大多數都很簡單，每個循環只包含兩個反應。

卡扎爾在一份聲明中說：“人們認為這種反應非常罕見。”“我們則證明，這種情況其實一點也不罕見。你只需要找對地方就行了。”

研究人員指出，將多個周期結合在一起是可能的，即使它們彼此非常不同。會導致自我維持的化學反應，產生各種各樣的分子，從而產生大量的復雜性。

研究人員說，我們可以在25年內發現太陽系外的生命。

“有了這么多的自催化的基本配方，研究的重點現在可以轉移到理解如何自催化，通過比例，可能有更明顯的影響，在形成一個星球的化學，”卡扎爾說。

科學家們希望未來的研究可以對他們創造的這本新配方進行實驗測試。

彭說:“這里展示的循環是一系列基本配方，以我們星球上從未嘗試過的方式混合和搭配。”“它們可能會導致發現復雜化學的全新例子，這些例子可以在碳基甚至硅基循環過于燃燒或凍結的條件下工作。”

研究人員嚴肅地說，還不確定這些周期有多可信。“不能保證我們整理的樣本能在實驗室里運行，或者在其他天體上找到，”彭說。

亞當說，除了這項工作可能對尋找宇宙中的生命和理解生命的起源有意義之外，這項研究還可能有實際應用，比如“優化化學合成和有效利用資源和能源”。“另一種是將化合物用于化學計算等有趣的任務。”

科學家們在9月18日的《化學學會雜志》上詳細介紹了他們的發現。

BY:Charles Q. Choi

FY:jane

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來源: 天文在線