在生命起源研究中，“RNA世界”（RNA World）是目前影响最大的假说之一，即在生命出现之前，原始RNA可同时作为催化剂和遗传物质。原始RNA的前生物合成（Prebiotic Synthesis）包括核糖的形成、碱基的合成、糖苷键的生成、磷酸化以及核苷酸的聚合。在所有步骤中，糖苷键的生成是一个近50年来悬而未决的大难题。它的挑战在于，对于嘌呤核苷，所有经典的糖-碱基缩合条件都无法选择性地生成N9核苷，因N9位的亲核性远弱于腺嘌呤的6-氨基或鸟嘌呤的2-氨基。

意大利化学家Saladino和Di Mauro于2015年报道了质子辐照引发的自由基糖苷化，得到了数量较多的N9嘌呤核苷。然而，质子辐照在原始地球上是否具有普遍性尚未被证实。如存在更普适的、能够引发自由基的自然条件，则嘌呤核苷的N9选择性问题将会得到合理的解释。空化（Cavitation）是液体内局部压力降低时，空泡形成并随即溃灭的现象。在溃灭的瞬间，最高可产生5000 K的高温和500 atm的高压，足以引发水分子的均裂，生成H和OH自由基。在水高速流经尖锐物体时，如受到较大剪切力的作用，即可发生空化。这在自然界非常普遍，如瀑布、降雨、海浪冲击礁石等（图1）。

图1. 原始地球上可能引发空化效应的场景

近期，王晓课题组深入研究了嘌呤类核苷的前生物合成，发现了空化效应对于嘌呤糖苷化N9选择性的促进作用。这项工作首先通过测定不同功率超声作用下的N9核苷总产率、6-amino产物总产率以及两者比值，揭示了空化强度对产物分布的影响（图2）。机理研究方面，借助羟基自由基荧光探针TA，证明了空化作用下OH自由基的存在，并通过对比实验证实了糖苷化的自由基机理。此外，还模拟了原始地球的季节性干湿循环。在超声的作用下，一个干湿循环后的N9/6-amino比值已高达0.45；如此高的产物比例尚属首次报道。

图2. 不用空化强度对N9嘌呤核苷产率的影响（红：无超声；蓝：800W超声池；绿：1000W超声振子）

为探索更为普适的前生物合成条件，王晓团队借助连续流化学技术和微反应器，模拟水力空化（Hydrodynamic Cavitation）作用下空泡的形成和溃灭，同样观测到了N9产率的提高。水力空化效应虽然不及超声显著，但通过长年累月的不断作用，依然会相当可观（图3）。这项研究对于生命起源的意义在于，它首次证明了N9嘌呤核苷可以在一类普遍而不太苛刻的自然条件下形成并富集。同时，它也是一个以水分子作为“催化剂”的反应，为实现绿色糖苷化提供了新思路。

图3. 借助连续流技术和微反应器模拟水力空化作用

该成果以“Cavitation as a Plausible Driving Force for the Prebiotic Formation of N9 Purine Nucleosides”为题发表于Cell子刊Cell Reports Physical Science（2021, 2, 100375；https://www.cell.com/cell-reports-physical-science/fulltext/S2666-3864(21)00065-5）。王晓副教授为本文通讯作者，研究助理叶尔森•帕特合别克、2020级博士研究生赵泽润、2017级硕士研究生王苏为并列第一作者。团队特别感谢37000cm威尼斯化学化工学院张志炳教授在空化效应方面的建议和指导，同时感谢诺贝尔生理学或医学奖得主、哈佛大学医学院Jack Szostak教授在RNA World假说方面的建议和帮助，感谢以色列本古里安大学Yehuda Zeiri教授在空化作用理论计算方面的建议。