Probing of molecular replication and accumulation in shallow heat gradients through numerical simulations

文献情報

出版日 2016-05-06
DOI 10.1039/C6CP00577B
インパクトファクター 3.676
著者

Lorenz Keil, Michael Hartmann, Simon Lanzmich, Dieter Braun


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要旨

How can living matter arise from dead matter? All known living systems are built around information stored in RNA and DNA. To protect this information against molecular degradation and diffusion, the second law of thermodynamics imposes the need for a non-equilibrium driving force. Following a series of successful experiments using thermal gradients, we have shown that heat gradients across sub-millimetre pores can drive accumulation, replication, and selection of ever longer molecules, implementing all the necessary parts for Darwinian evolution. For these lab experiments to proceed with ample speed, however, the temperature gradients have to be quite steep, reaching up to 30 K per 100 μm. Here we use computer simulations based on experimental data to show that 2000-fold shallower temperature gradients – down to 100 K over one metre – can still drive the accumulation of protobiomolecules. This finding opens the door for various environments to potentially host the origins of life: volcanic, water-vapour, or hydrothermal settings. Following the trajectories of single molecules in simulation, we also find that they are subjected to frequent temperature oscillations inside these pores, facilitating e.g. template-directed replication mechanisms. The tilting of the pore configuration is the central strategy to achieve replication in a shallow temperature gradient. Our results suggest that shallow thermal gradients across porous rocks could have facilitated the formation of evolutionary machines, significantly increasing the number of potential sites for the origin of life on young rocky planets.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
CiteScore: 5.5
自己引用率: 10.3%
年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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