近日，著名国产学术期刊National Science Review刊发了bevictor伟德贾金平教授团队联合张万斌教授团队的一项重要研究成果，题为“Hydrodynamic cavitation for prebiotic ribose formation from H₂O and CO₂”。文中构建了一种水力空化驱动方法，可在前生物条件下以水和二氧化碳为基本前体，通过文丘里反应器中Ca²⁺介导的水力空化过程，成功实现了核糖合成。该过程模拟原始海洋环境，以核糖为主要糖类产物，其形成机制推测为：水力空化诱导的瞬时高温/高压环境促使H₂O和CO₂生成·OH、·H及C₁自由基，经系列反应生成甲醛与CH₂OH·自由基，随后通过CH₂OH·自由基的连续取代步骤完成核糖构建。研究表明，早期地球的水相流体具备驱动非生物生物质形成的能力，证实流动的H₂O不仅是反应的驱动力，更作为直接反应物参与了生命化学起源的关键过程。该方法为理解前生物分子合成机制提供了新视角，同时揭示了水力空化技术在模拟原始地球条件下促进复杂有机物生成的应用潜力。bevictor伟德、化员工物协同物质创制全国重点实验室为第一完成单位。伟德bv国际体育贾金平教授、伟德bv国际体育张万斌教授和伟德bv国际体育博士后方宇熙为共同通讯作者；方宇熙为第一作者。

1. 文丘里反应装置模拟水力空化驱动前生物核糖合成

图1 通过水力空化作用合成核糖的示意图。

本文通过文丘里空化器产生的水力空化作用（图1），以H₂O和CO₂为原料合成了核糖。该水力空化过程可通过水流经文丘里管来实现复现。核糖的形成路径设计基于缩醛反应（Formose Reaction）机理原理：在水力空化产生的高温与高压件下，生成了甲醛以及H·、OH·和CH₂OH·等自由基物种；随后通过一系列后续反应，逐步形成了乙二醇醛、甘油醛及包括核糖在内的多种糖类。

2. 模拟原始地球环境下核糖的合成

图2 通过水力空化作用还原CO2合成核糖

本研究模拟原始地球前生物海洋条件（含0.5 M NaCl、10 mM Ca²⁺/Mg²⁺/K⁺，温度30-80 ℃，CO₂主导大气），在文丘里管中通过水力空化驱动CO₂与H₂O反应合成糖类（包括核糖）。实验表明：随文丘里管入口压力升高（如0.35 MPa时总糖产率达1.01 μM，其中核糖0.37 μM），空化能量增强促进CO₂转化，而直管对照几乎无糖生成，证实水力空化是合成糖类的关键。增加CaCO₃浓度（1-25 mM）可提升糖产率（至1.65 μM）及核糖产率（至0.52 μM），因其促进CO₂溶解与自由基生成。温度实验显示40 ℃总糖产率高于25 ℃，但50 ℃时核糖产率下降。在最优条件下（25℃、0.2 MPa，0.5 M NaCl+10 mM NaHCO₃模拟前生物海洋），核糖产率进一步提升至0.78 μM。通过NMR、HPLC、EPR等技术检测到甲醛、OH·、CH₂OH·等中间体，证实其为糖类形成的关键路径。

3. 基于流体力学计算明确具体的水力空化条件

图3 文丘里管内纯水水力空化的数值模拟结果

为探究文丘里管内水力空化过程中核糖的形成机制，研究采用多尺度化学模型（MCM）分析了反应溶液中的温度、压力、相态及自由基种类。该模型整合了宏观计算流体动力学（CFD）模拟、单气泡动力学及化学过程模拟，分别对纯水和海水体系进行了研究（图3）。

通过空化数（Cv）表征空化的潜力和强度，当Cv<1时空化可能发生。纯水和海水在文丘里管中的Cv值分别为0.703和0.719，满足空化条件。图3a显示纯水在X=42.5-46.0 mm区域蒸汽分数为0.05-0.27，表明此处发生空化。其中，X=46.0 mm附近蒸汽分数最大达0.27，此位置为绝热气泡塌陷产生高温高压，计算得出压力达2.9 MPa、温度达1262 K。随后，气泡在X=46.0-55.0 mm区间惯性振荡并逐渐耗散能量。

高温高压使H2O解离产生OH·、O·和H·等自由基，它们沿涡流扩散并参与后续反应。鉴于原始海洋盐度与现代海水相当，也对海水体系进行了模拟，结果与纯水类似。在此过程中，CO₂与OH·和H·反应生成CH₂OH·和甲醛。

4. 密度泛函理论计算探究生成核糖反应机理

图4 采用密度泛函理论（DFT）计算核糖在298.15 K和0.1 MPa（常温常压）以及1262 K和2.9 MPa（高温高压）条件下的形成过程。

本研究通过DFT计算提出了核糖形成路径（图4），该路径基于空化过程产生的自由基和分子。反应机制分两部分：一是空化条件下的自由基反应（图4a），二是H₂CO₃催化的缩合反应（图4b）。模拟了常压常温及空化产生的高温（1262 K）、高压（2.9 MPa）条件。空化使H₂O解离为H·和OH·，CO₂与H₂O生成碳酸，经系列自由基反应生成CH₂OH·等关键中间体；随后中间体缩合形成水合乙醛，经脱水、异构化、醛缩反应生成甘油醛、戊糖，最终环化为呋喃糖（核糖）。

综上所述，本研究揭示了在高度模拟原始海洋水环境的条件下，通过水力空化作用直接由水和二氧化碳形成核糖的现象。多尺度化学模型（MCM）计算表明，整个反应过程由水力空化气泡剧烈塌缩释放的超高能量驱动。这种强大能量促使水和二氧化碳生成H·、OH·和C₁自由基，进而形成甲醛和CH₂OH·等中间体，随后进一步生成乙二醇醛和甘油醛，最终促成核糖的形成。上述发现证实了水力空化效应是前生物时期核糖形成的关键机制之一。