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:bet l kaparar

一个由科学家领导的团队利用化学组合的局限性，写了一本烹饪书，里面有数百种有可能孕育生命的食谱。

遥远星球上的生命——如果存在的话——可能与地球上的生命完全不同。但宇宙的食品储藏室里只有这么多化学成分，混合它们的方法也只有这么多。威斯康星大学麦迪逊分校(University of Wisconsin-Madison)的科学家们领导的一个团队利用这些限制，编写了一本包含数百种化学配方的烹饪书，这些配方有可能孕育生命。

他们的成分表可以通过指出最可能的条件——行星版本的混合技术、烤箱温度和烘焙时间——来集中寻找宇宙中其他地方的生命。

研究人员说，从基本的化学成分发展到复杂的细胞代谢和繁殖周期，这一过程定义了生命，不仅需要一个简单的开始，还需要重复。

“生命的起源确实是一个从无开始的过程，”美国宇航局支持的天体生物学家、威斯康星大学麦迪逊分校的细菌学教授bet l kapadar说。“但有些事情不可能只发生一次。生命归结于化学和条件，这些条件可以产生自我复制的反应模式。”

bet_l kap_arar是美国宇航局支持的天体生物学家，也是威斯康星大学麦迪逊分校的细菌学教授。资料来源:威斯康星大学麦迪逊分校

化学反应背后的科学

产生促使同一反应不断发生的分子的化学反应被称为自催化反应。在9月18日发表在《美国化学学会杂志》上的一项新研究中，kaparar实验室的博士后研究员Zhen Peng和合作者汇编了270种分子组合——包括元素周期表上所有基团和系列的原子——具有持续自催化的潜力。

“人们认为这类反应非常罕见，”kaparar说。“我们正在证明，这种情况其实一点也不罕见。你只需要找对地方就行了。”

研究人员将他们的研究重点放在了所谓的“比例反应”上。在这些反应中，含有不同电子数或不同反应态的同一元素的两种化合物结合形成一种新的化合物，其中该元素处于起始反应态的中间。

扎克·亚当(Zach Adam)是威斯康星大学麦迪逊分校的地球科学教授。资料来源:威斯康星大学麦迪逊分校

研究报告的合著者、威斯康星大学麦迪逊分校研究地球生命起源的地球科学家扎克·亚当(Zach Adam)说，为了实现自催化，反应的结果还需要为再次发生的反应提供起始材料，这样输出就变成了新的输入。补偿反应导致一些相关分子的多个副本，为下一步的自催化提供材料。

“如果条件合适，你可以从相对较少的输出开始，”亚当说。“每次你进入循环的一个回合，你至少会产生一个额外的输出，这加速了反应，使反应发生得更快。”

自催化作用就像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，然后这些新的兔子长大成对，生出更多的兔子。不需要很多兔子，很快就会有更多的兔子。

启示与未来努力

然而，在宇宙中寻找松软的耳朵和毛茸茸的尾巴可能不是一个成功的策略。相反，卡帕拉尔希望化学家们能从新研究的食谱清单中汲取灵感，并在模拟外星厨房的锅碗瓢盆中进行测试。

“我们永远不会确切地知道这个星球上到底发生了什么，产生了生命。我们没有时间机器，”kaparar说。“但是，在试管中，我们可以创造多个行星条件，以了解维持生命的动力是如何进化的。”

卡帕拉领导着一个由美国宇航局支持的名为MUSE的财团，该财团致力于金属的利用和选择。她的实验室将专注于包括钼和铁元素在内的反应，她很高兴看到其他人用新食谱中最奇特、最不寻常的部分烹饪出什么。

“卡尔·萨根说，如果你想从零开始烤馅饼，首先你必须创造宇宙，”卡帕拉尔说。“我认为，如果我们想了解宇宙，首先我们必须烤几个馅饼。”

参考文献:“跨元素基团的化学计量自催化的评估”，作者:Zhen Peng, Zachary R. Adam, Albert C. Fahrenbach和bet l karar, 2023年9月18日，美国化学会杂志。DOI: 10.1021 / jacs.3c07041

本研究部分由NASA天体生物学项目(80NSSC22K0546)、约翰邓普顿基金会(62578和61926)、科学进步研究公司(28788)和澳大利亚研究理事会(DP210102133和FT220100757)资助。