超临界 CO₂ 与非生物起源中水的悖论的解决方案

## 超临界 CO₂：破解非生物起源中水悖论的关键

水环境被视为生命的天然摇篮，却制造了一个根本矛盾：在水中合成核苷酸和肽的关键反应在没有酶的情况下热力学上不利，而酶只有在生命本身出现后才能产生。一项新研究提出了一种解决方案：使用超临界二氧化碳（scCO₂）作为介质，凭借其独特的物理化学性质克服这一矛盾。

水悖论：热力学死胡同

经典的非生物起源假设认为生命起源于水中，却面临一个看似无法解决的矛盾。合成肽和核苷酸的多缩合反应需要去除水分子，这在水环境中热力学上极具挑战性。与此同时，现代生物中催化此类反应的酶只有在首批生命系统形成后才能出现。对古老代谢循环（乙酰生成、逆 TCA 循环）的分析显示，早期的生物吸收 CO₂ 并释放水——这与光合作用正好相反。这表明高 CO₂ 环境更可能是生命起源的场所。

超临界 CO₂：理想反应介质

在温度高于 31°C、压力超过 73 atm 时，二氧化碳进入超临界状态（scCO₂），兼具气体和液体的特性。这种介质具有以下特点：

• 对有机化合物具有高溶解度
• 在减压时可形成微观水滴
• 促进核苷的磷酸化，并使磷酸基团以正确方向附着

实验显示，在添加 10% 水的 scCO₂ 中，核苷酸产率（AMP、GMP、CTP、UMP）达到 10%——是干燥法的三倍。更关键的是，磷酸基精确附着在核糖的 5 位碳上，这对后续聚合为 RNA 至关重要。

微容器与催化表面

在 scCO₂ 中，会形成直径 1–10 μm 的稳定水微滴，充当反应腔体。这些微滴的形成有两种方式：

• 当 scCO₂ 流经多孔岩石时，吸附的水被冲刷出来
• 在压力/温度急剧下降时，冷凝物析出

这些微滴会积累来自太空的极性有机分子（核苷、氨基酸）——其存在已通过 Ryugu 小行星样本分析得到证实。同时，scCO₂ 运载非极性化合物，在相界面创造出它们相互作用的条件。

一氧化碳与硫化氢：主要的能量载体

对行星大气的分析显示，CO 是宇宙中第三丰富的成分，仅次于 H₂ 和 He。在地球地热源中，其浓度超过 CO₂ 的 1%。1997 年的实验及其后续研究揭示：

• 在 100°C 条件下，存在 Ni/Fe 硫化物时，CO + H₂S 可合成：

- 乙酸根（CH₃CO₂⁻）——LUCA 基本代谢途径的类似物

- 甲硫醇（CH₃SH）——辅酶 A 的前体

• 镍发挥关键作用：即使没有铁，硫化镍也能催化生成：

- 乙酸和甲酸

- 丙炔酸和异丁酸（最简单的脂类）

NiS 表面上烃链迭代生长的机制类似于现代生物合成途径。每轮循环添加一个 -CH₂- 基团，但由于竞争性氧化/还原反应，实际合成限于 C3–C4 化合物。

要点

• 热力学优势：根据勒夏特列原理，在 CO₂ 介质中吸收 CO₂ 并释放 H₂O 的反应更容易进行
• 磷酸化选择性：scCO₂ 确保磷酸基正确附着在核糖的 5 位，这对 RNA 至关重要
• 镍的催化作用：NiS 即使没有铁也能催化关键代谢物的合成
• 宇宙普遍性：scCO₂ 条件存在于金星、火星以及地球深部
• 实验支持：从核苷酸到脂类的所有阶段均已在实验室重现

这些发现形成了一个连贯模型，其中 scCO₂ 环境通过微容器、催化表面和热力学上有利的反应解决了水悖论。这一发现为原细胞合成的新实验铺平了道路，并促使重新评估系外行星宜居性标准。

— Editorial Team