为DNA一个持久存在的化学谜题提供新解释
DNA分子容易受到紫外线影响，为何还要使用胸腺嘧啶？得克萨斯农工大学的一项新研究指出了一个可能的答案：胸腺嘧啶或许有助于将紫外线损伤引导至更易逆转的形式。
该研究在旨在模拟原始地球强烈辐射环境的受控紫外线条件下，对胸腺嘧啶与尿嘧啶进行了比较。研究人员表示，这些发现或许能够解释，随着生物系统从单链RNA逐渐转向其他形式，胸腺嘧啶为何成为DNA的主要构成单元之一。
这项研究发表在《美国国家科学院院刊》上。研究聚焦于生命化学中一个长期存在、表面上自相矛盾的问题：胸腺嘧啶容易受到紫外线损伤，但随着DNA成为主要的生物遗传编码，它却取代了尿嘧啶。
在没有保护性臭氧层的早期地球上，来自太阳的紫外线辐射将持续威胁新出现的生物分子。对于一个尤其容易受到光诱导损伤的构成单元而言，将其选作持久遗传系统的组成部分似乎并不寻常。
损伤或许可以被控制，而非完全避免
得克萨斯农工大学团队利用基于光的技术，研究胸腺嘧啶和尿嘧啶暴露于紫外线辐射时会发生什么。他们的方法借鉴了生物光子学——这一领域利用包括吸收光谱、荧光光谱和拉曼光谱在内的光学技术分析分子。
研究人员报告称，胸腺嘧啶往往会将紫外线损伤引导至一种更易逆转的形式。他们的解释是，早期遗传分子可能并非单纯通过避免光化学损伤来熬过强烈阳光，而是通过控制损伤的形式，使恢复变得更加可行。
这为理解分子韧性提供了另一种视角。问题不再只是分子能否完全抵抗辐射，而是辐射造成的分子后果是否可控。在这一解释中，胸腺嘧啶的价值可能与损伤发生的路径及其逆转前景有关，而不是因为它能够完全避免损伤。
该研究考察了紫外线诱导的胸腺嘧啶光产物，包括环丁烷嘧啶二聚体以及所谓的6-4光产物。这些产物属于紫外线与DNA碱基相互作用时形成的化学物质。研究比较了胸腺嘧啶和尿嘧啶的行为，以了解二者之间的化学选择可能如何影响早期遗传物质的持久性。
从RNA到DNA
RNA和DNA在多个重要方面存在差异，其中包括一种广为人知的化学替换：RNA使用尿嘧啶，而DNA使用胸腺嘧啶。几十年来，胸腺嘧啶为何存在于DNA中一直是科学讨论的话题，尤其是考虑到早期地球上的紫外线暴露所带来的问题。
研究人员将这一结果描述为理解分子进化和生命起源的一项贡献。它并未重现DNA进化时的完整环境，也没有确立RNA向DNA转变的唯一决定性原因。但它提出了一种可检验的机制，直接回应了紫外线悖论。
这一机制之所以引人注目，是因为它将生存视为一种动态的化学属性。关键问题不仅在于阳光是否会在遗传分子中造成缺陷，还在于这些缺陷能否被引导至不那么永久、或更容易逆转的结果。
基于光的测量为早期化学提供观察窗口
这项研究由得克萨斯农工大学电气与计算机工程系教授Peter Rentzepis领衔，研究助理Keyvan Khosh Abady和Negar Karpourazar参与完成。他们利用光谱学追踪分子在受控光照下的行为。
生物光子学非常适合研究这类问题，因为它能够探测分子如何吸收光、发射光，以及其振动特征如何发生变化。这些观察结果有助于研究人员推断紫外线辐射启动的分子过程。
通过采用旨在模拟早期地球辐射环境的受控条件，研究人员试图分离出一种特定的进化压力：在现代大气保护尚未形成之前，强烈阳光照射到分子前体上。因此，这项研究不仅涉及一种当代生物分子，也涉及化学系统如何在与今天地球截然不同的条件下存续。
对生命起源研究的启示
生命起源研究必须同时解释分子的形成与持久性。一个分子在化学上可能成立，但有用的遗传系统还需要存续足够长的时间，以储存信息并参与进一步进化。得克萨斯农工大学的研究结果回应了这一持久性问题。
所谓“分子防晒霜”效应，并不意味着胸腺嘧啶能够完全阻止紫外线损伤。相反，它表明胸腺嘧啶可能以有利于可逆性的方式影响损伤路径。这一区分是研究人员解释一种易受紫外线影响的分子为何仍可能被DNA选择的核心。
这项研究为一个更宏大的科学谜题增添了一条具体的分子线索：生物系统如何在早期地球的恶劣条件下形成、存续并进化？没有任何单一实验能够还原那段历史。不过，通过比较胸腺嘧啶和尿嘧啶在紫外线照射下的表现，研究人员提出了一种化学机制，或许有助于解释DNA最重要的选择之一。
未来还需要进一步研究，以探讨这一机制适用范围有多广，以及它如何与遗传分子进化过程中涉及的其他因素相互作用。就目前而言，这项研究重新诠释了胸腺嘧啶的脆弱性，将其视为一种潜在优势：重要的可能不是避免太阳造成的损伤，而是让这种损伤不那么不可逆。
本文根据Phys.org的报道编译。阅读原文。
Originally published on phys.org
