由香港科技大学（科大）物理系和化学系副教授潘鼎带领的研究团队，近日在深地条件下C-H-O-N流体中有机分子的非生物合成与稳定性研究中，取得重大进展。 研究为生命起源的潜在场所提供了新启示，成果已发表在Journal of the American Chemical Society《美国化学学会期刊》*上。
生命起源是一个引人入胜的科学问题，多年来吸引了众多研究者的关注，并提出了许多理论，但至今仍未能完全解开这项谜题。 早在大约150年前由达尔文首先提出生命可能诞生在一个温暖的小池塘中，到后来被Alexander Oparin和J. B. S. Haldane发展为著名的「原始汤」理论，即无机小分子在原始地球通过反应生成第一批有机化合物，通过进一步的转化，「汤」中出现了更复杂的有机聚合物，最终产生了生命。 1953年，著名的Miller-Urey实验通过模拟原始地球大气层受闪电的影响对这假设进行了验证。 在众多学说中，深海热液喷口的极端压力及温度普遍被认为有符合生命起源的条件，但一些研究亦指出，喷口中的高温可能会迅速降解水溶液中的关键生物分子，影响生命的诞生。
潘教授带领的团队探索了原始地球更深的内部作为生命起源场所的可能性，应用高效的第一性原理分子动力学模拟（>2.5ns）和自由能计算相结合的计算方法，研究了由NH₃、H₂O、H₂和CO小分子组成的C-H-O-N流体在地球上地幔条件下（10-13 GPa，1000-1400 K）的化学反应。 研究结果发现，在无催化剂的情况下，上百种有机物在超临界流体中生成，当中CN化合物的组成受到压力和温度的显著影响。 通过自由能计算，发现压力和温度在10 GPa 和1400 K的条件下最有利于C-N化学键的形成和保持稳定，即与生命直接相关的分子如甘氨酸、核糖、尿素、类尿嘧啶等都可以在C-H-O-N流体中产生。 潘教授解释：「与之前认为大型有机分子可能在极端条件下的水溶液中迅速降解的观点相反，我们的研究表明这些合成的生物分子在C-H-O-N流体中可以稳定存在，这有可能为生命起源的早期阶段提供了必要的初始成份。」
RNA 分子在形成过程中存在一个一直困扰科学家的问题，作为基本结构单元之一的核糖为何仅采用五元环的形式，这与常温常压条件下水溶液中六元环核糖通常占据多数似乎相矛盾。 在线性核糖分子的成环反应研究中发现，在高温高压条件下，五元环核糖占据多数，且自由能计算也证实五元环核糖比六元环核糖更加稳定。 这结果反映组装RNA分子的五元环核糖可以产生于深部地下高温高压的环境中，在早期地球内部的地质活动中，它们可能传输至表层，并与其他组分分子结合，形成早期RNA分子，开启生命演化进程。 此外，地球深部还提供了一个保护环境，能够屏蔽有害辐射，并缓冲剧烈的物理化学变化，有利于保存这些生物分子。 该研究进一步拓展了原始汤理论的适用场所，揭示了地球深部合成生命相关分子的潜在反应路径，亦对星际空间中有机分子的合成提出了新启示。
本研究获得香港研资局、裘槎基金会、中国国家自然科学基金优青项目等资助和支持，部份研究于国家超级计算广州中心天河二号完成。
*注：科大物理系博士后李涛为第一作者，潘教授为通讯作者。 该研究工作还得到了德国Ruhr-Universität Bochum的Nore Stolte博士（潘教授指导的前学生）、北京高压科学技术高级研究中心的陶仁彪研究员、美国约翰霍普金斯大学的Dimitri A. Sverjensky教授，以及法国里昂第一大学的Isabelle Daniel教授的支持。
