研究人员发现了一种合理的进化环境，其中核酸——生命的基本遗传组成部分——可以实现自身的复制，可能从而导致地球上的生命。
这项研究今天以预印本的形式发表在eLife上，编辑们认为这是一项重要的工作，它提供了令人信服的证据，表明一个简单的地球物理环境，即气流通过狭窄的水道，可以创造出一个导致核酸复制的物理环境。这项研究将引起研究生命起源的科学家的兴趣，更广泛地说，也会引起研究核酸和诊断应用的科学家的兴趣。
地球上生命的出现仍是一个未解之谜，但一个普遍的理论认为，遗传物质(核酸 DNA 和 RNA)的复制是一个核心且关键的过程。RNA 分子可以存储遗传信息，并通过形成双链螺旋来催化自身的复制。这些能力的结合使它们能够变异、进化并适应不同的环境，并最终编码生命的蛋白质组成部分。
为了实现这一点，RNA 链不仅需要复制成双链形式，还需要再次分离以完成复制周期。然而，在复制所需的高盐和核酸浓度下，链分离是一项艰巨的任务。
“人们研究了各种机制，以了解它们在生命起源时分离 DNA 链的潜力，但它们都需要温度变化，而这会导致核酸降解，”主要作者、德国慕尼黑路德维希马克西米利安大学系统生物物理学博士生 Philipp Schwintek 说道。
“我们研究了一种简单而普遍的地质情景，即水通过岩石孔隙流动，被一种气体通过岩石渗透到地表而干燥。这种环境在早期地球的火山岛上非常常见，为 RNA 合成提供了必要的干燥条件。”
研究团队建立了岩石孔隙的实验室模型，其中向上的水流在与垂直气体流的交汇处蒸发，导致溶解气体分子在表面积聚。同时，气体流在水中引起环流，迫使分子回到体内。为了了解该模型如何影响环境中的核酸，他们使用珠子监测水流的动态，然后跟踪荧光标记的短 DNA 片段的运动。
“我们原本预期持续蒸发会导致 DNA 链在界面处积聚，”Schwintek 说道。“事实上，我们发现水在界面处持续蒸发，但水面中的核酸在气体/水界面附近积聚。”在开始实验的五分钟内，DNA 链的积聚量增加了三倍，而一小时后，界面处积聚的 DNA 链增加了 30 倍。
虽然这表明气体/水界面允许足够的核酸浓度以进行复制，但双链 DNA 的分离也是必要的。通常需要改变温度，但当温度恒定时，需要改变盐浓度。
“我们假设，由气体通量提供的界面处的循环流体流动与被动扩散一起，将通过迫使核酸通过具有不同盐浓度的区域来驱动链分离，”资深作者、慕尼黑大学系统生物物理学教授迪特尔·布劳恩 (Dieter Braun) 解释道。
为了验证这一点，他们使用了一种称为 FRET 光谱的方法来测量 DNA 链分离——高 FRET 信号表明 DNA 链仍然结合，而低 FRET 则表明链分离。正如预期的那样，FRET 信号最初在气水界面附近增加，表明形成了双链 DNA。但在实验过程中，当水向上流动时，FRET 信号很低——表明是单链 DNA。
此外，当研究小组将这些数据与水流和盐浓度的模拟结果叠加时，他们发现气水界面处的涡流导致盐浓度变化高达三倍，有可能导致链分离。
尽管核酸和盐在气水界面附近聚集，但在大部分水中，盐和核酸的浓度仍然非常低。这促使研究小组测试核酸复制是否真的可以在这种环境中发生，方法是将用荧光染料标记的核酸和可以合成双链 DNA 的酶添加到岩石孔隙的实验室模型中。与正常的实验室 DNA 合成反应不同，温度保持在恒定温度，反应暴露在水和气体的混合流入中。
两小时后，荧光信号增加，表明双链 DNA 分子复制数量增加。然而，当关闭气体和水流入时，没有观察到荧光信号的增加，因此也没有看到双链 DNA 的增加。
“在这项研究中，我们调查了一个可能引发早期生命复制的合理而丰富的地质环境，”布劳恩总结道。“我们考虑了一种气体流过充满水的开放岩石孔隙的环境，温度没有任何变化，我们发现气体和水的结合流动可以引发支持 DNA 复制的盐波动。
“由于这是一个非常简单的几何形状，我们的发现极大地扩展了可以在早期行星上复制的潜在环境的范围。”
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