核苷酸非生物聚合形成RNA的物理化学限制

《Journal of Geophysical Research: Biogeosciences》：Physicochemical Constraints on the Abiotic Polymerization of Nucleotides Into RNA

吉布斯自由能分析显示，高压（尤其是超过5,000巴）和低pH环境显著促进RNA的长链形成，而高温和高pH抑制聚合。研究还表明，即使在高压力下，当核苷酸与RNA浓度相等时，聚合仍具有热力学驱动力。该成果为理解生命起源中RNA的形成提供了定量环境依据。

　　本研究聚焦于生命起源过程中一个关键环节，即核苷酸在非生物条件下聚合形成核糖核酸（RNA）的过程。通过使用吉布斯函数（Gibbs function）对温度、压力和溶液组成等因素对核苷酸聚合的热力学影响进行量化分析，研究人员揭示了这些环境变量如何调控RNA的形成及其长度分布。研究结果表明，高压环境对RNA形成具有显著的促进作用，而温度和pH值的变化则会影响这一过程的热力学倾向。同时，研究还展示了如何利用这些热力学数据预测RNA分子的长度分布，从而为探索生命起源的环境条件提供了理论支持。

### 生命起源中的关键问题

在现代生物系统中，DNA和RNA是遗传信息的载体，而蛋白质则是执行这些遗传指令的工具。然而，这种紧密的依赖关系使得理解生命起源变得复杂，因为这暗示着这些分子必须同时存在才能实现彼此的功能。然而，早期的地球或外星环境中，可能并不存在这些复杂的生物系统。因此，科学家们一直在寻找非生物条件下形成RNA的可能机制。

近年来，研究者提出了多种可能的非生物合成路径，例如湿-干循环、矿物表面吸附、热液脱水、冻结-解冻循环以及热力学驱动力等。其中，热泳（thermophoresis）与对流（convection）结合的动态机制被认为是一种有效的分子浓缩方式，它能够在热梯度下促进分子的聚集，从而提高聚合反应的可行性。此外，一些实验已经表明，在特定的物理化学条件下，核苷酸可以被浓缩甚至在没有生物催化剂的情况下实现聚合，这为生命起源提供了新的思路。

### 热力学分析与环境变量的影响

为了更全面地理解核苷酸聚合的热力学条件，本研究采用吉布斯自由能（Gibbs free energy）作为核心分析工具。吉布斯自由能的变化（ΔG）能够反映一个化学反应是否在特定条件下自发进行。研究中考虑了多种环境变量，包括温度、压力、pH值以及核苷酸与RNA的浓度比。这些变量共同作用，决定了聚合反应的热力学倾向。

在研究中，发现高压环境显著提高了RNA形成的可能性。例如，在5000巴（0.5 GPa）的压力条件下，即使核苷酸与RNA的浓度比保持相等，RNA的形成仍然具有负的吉布斯自由能，即在热力学上是可行的。然而，温度和pH值的变化则会对这一过程产生相反的影响。当温度超过25°C时，RNA的形成变得不那么有利，因为高温通常会降低聚合反应的驱动力。同样，pH值的升高（即溶液变得更加碱性）也会削弱RNA聚合的热力学倾向，而较低的pH值（酸性环境）则更有利于聚合反应的进行。

此外，核苷酸与RNA的浓度比对聚合反应的可行性也有重要影响。研究显示，当核苷酸的浓度远高于RNA的浓度时，聚合反应的热力学倾向会显著增强。这与传统观点相吻合，即反应物的浓度越高，其形成产物的可能性越大。然而，研究还指出，在某些极端条件下，如高压环境，即使浓度比相对平衡，RNA的形成仍可能具有较高的热力学驱动力。

### RNA长度分布与热力学条件的关系

除了分析RNA形成的可能性，研究还探讨了不同长度RNA分子的分布情况。通过使用一种称为Flory-Schulz的统计模型，研究者计算了在不同热力学条件下，RNA分子可能的长度分布。该模型基于反应的吉布斯自由能和温度、压力等变量，预测了RNA分子在不同长度下的出现概率。

研究结果表明，在吉布斯自由能为-5.4 kJ/mol的条件下，约有9%的核苷酸会进入RNA分子，其中3.8%的核苷酸可能存在于长度超过10个单元的RNA分子中。这说明，在特定的热力学条件下，较长的RNA分子更有可能形成。然而，如果吉布斯自由能为正值（即反应为吸热反应），则RNA的形成可能性会显著降低，且更倾向于形成短链。

值得注意的是，研究还指出，水的活动性（activity of water）在这一过程中起着关键作用。在某些高浓度盐溶液中，水的活动性可能显著降低，从而促进RNA的形成。例如，在30°C和1巴的条件下，饱和NaCl溶液的水活动性为0.75，而MgCl?溶液的水活动性则为0.32。这些数据表明，水的活动性变化可能在某些自然环境中成为RNA形成的重要驱动力。

### 高压环境对RNA形成的作用

研究还特别强调了高压环境在RNA形成中的关键作用。地球上的深部地壳或行星内部的高压条件可能为核苷酸的非生物聚合提供了必要的热力学驱动。例如，地球上的撞击事件可以产生高达数吉帕（GPa）的压力波，这些压力波可能穿透地壳并影响地表附近的环境。虽然这些压力波会短暂提高温度，但只要压力足够高，就能弥补温度带来的不利影响。

在太阳系的其他天体上，如木星和土星的卫星，也可能存在适合RNA形成的高压环境。这些卫星可能拥有冰壳下的液态水层，而冰层和水层的结合可以产生较高的压力和较低的温度，从而促进RNA的形成。此外，碳质球粒陨石（carbonaceous chondrites）等天体可能在形成过程中经历了复杂的水-岩相互作用，这些相互作用可能创造了适合RNA形成的环境条件。

### 热力学误区与实验条件的讨论

尽管本研究提供了关于RNA非生物合成的热力学分析，但也有部分研究者对这一过程持怀疑态度。他们认为，核苷酸在水溶液中的聚合反应在热力学上是不可能的，因为这些反应需要克服较高的能量壁垒。然而，这种观点往往基于对热力学原理的误解。

研究指出，吉布斯自由能的变化不仅仅取决于反应本身，还受到环境变量的显著影响。例如，即使某些核苷酸聚合反应在标准条件下不具有负的吉布斯自由能，但在特定的温度、压力和pH条件下，这些反应仍然可能自发进行。此外，实验中使用的激活核苷酸（如三磷酸核苷酸）可能引入了额外的能量，使得反应在非生物条件下成为可能。

因此，研究强调，不应简单地认为所有核苷酸聚合反应都需要极端的条件才能发生，而应更全面地考虑环境变量的综合影响。例如，在某些自然环境中，如深海热液喷口或高温高压的行星内部，可能已经具备了促进RNA形成的热力学条件。

### 研究意义与未来方向

本研究的成果不仅有助于理解生命起源的热力学基础，还为实验探索提供了理论依据。通过量化不同环境条件下RNA形成的可能性，研究者可以设计出更有效的实验方案，以模拟早期地球或其他天体上的环境条件。此外，研究还指出，即使在没有生物催化剂的情况下，某些自然环境仍可能支持RNA的形成，这为探索非生物合成路径提供了新的视角。

未来的研究可以进一步探讨这些环境条件在不同行星或天体上的适用性，以及如何在实验室中重现这些条件。同时，也可以结合实验数据，验证热力学模型的预测能力。此外，研究还建议，应该更加关注热力学在生命起源中的作用，而不是仅仅依赖于实验中引入的生物催化剂或能量来源。

综上所述，本研究通过热力学分析揭示了核苷酸在非生物条件下形成RNA的可能性，以及不同环境变量如何影响这一过程。这些发现不仅为生命起源提供了新的理论支持，也为未来的实验研究和天体生物学探索奠定了基础。