地球最初的生命如何應對它最大的威脅——水?
2020年12月15日10:36
生命可能起源於陸地水體中,也許就類似於加拿大的曼尼古根湖,這其實是一個由遠古撞擊形成的隕石坑
生命可能起源於陸地水體中,也許就類似於加拿大的曼尼古根湖,這其實是一個由遠古撞擊形成的隕石坑

  12月15日消息,據國外媒體報導,生命依賴於水,但水也能分解DNA和其他關鍵分子。那麼,最早的細胞如何解決這一悖論?

  2021年2月18日,美國國家航空航天局(NASA)將有一艘飛船進入火星的大氣層,它將啟動著陸系統和空中吊裝機動結構,將名為“毅力號”的六輪漫遊車降落到火星表面。如果一切順利,這台火星車將著陸在耶澤羅撞擊坑,這是一個靠近火星赤道、寬45公里的隕石坑,可能曾經是一個液態水湖泊。

  英國劍橋大學的研究者約翰·薩瑟蘭特別關注毅力號的進展。他是該校MRC分子生物學實驗室的生物化學家,也是遊說NASA探訪耶澤羅撞擊坑的科學家之一。他之所以對這個隕石坑感興趣,是因為它很契合他關於(火星和地球上)生命起源的觀點。

  在生命起源問題上,關於少數分子經曆了哪些化學步驟才轉化為最早的生物細胞,研究者的觀點已經發生了變化。著陸點的選擇正是反映了這種變化。儘管長期以來,許多科學家都推測這些“先驅”細胞來自海洋,但最近的研究表明,生命的關鍵分子及其核心轉變過程,只能發生在像耶澤羅撞擊坑這樣的地方,即一個由溪流構成的相對較淺的水體。

  若干研究表明,生命的基礎化學物質需要太陽光的紫外線輻射才能形成,其所處的水環境有時必須高度濃縮,甚至完全乾燥。在室內實驗中,薩瑟蘭和其他科學家通過溫和加熱簡單的碳基化學物質,使它們經受紫外線輻射並時不時加以乾燥,製造出了DNA、蛋白質和細胞的其他關鍵成分。化學家還從未在模擬海水的條件下合成如此多樣的生物分子。

  新出現的證據使許多研究人員放棄了生命出現於海洋的觀點,轉而關注陸地環境,主要是那些乾濕交替的地方。當然,並不是所有科學家都改變了看法,但是支援陸地起源觀點的科學家表示,該觀點為一個長期以來的悖論——儘管水是生命的必要條件,但它也會破壞生命的核心組成部分——提供瞭解決方案。

  美國華盛頓大學的行星科學家大衛·卡特林表示,陸地表面的湖泊和水塘很有可能是生命的誕生地,“在過去的15年里,已經有大量的工作支援了這個方向”。

  原始湯

  儘管目前對於生命還沒有一個標準化的定義,但大多數研究人員認為,生命必須包含幾個組成部分,如攜帶信息的分子——DNA、RNA或其他分子。一定存在某種複製這些分子指令的方法,儘管複製過程不夠完美,會出現錯誤,但這正是演化的基礎。此外,最早的生命必須能夠養活並維持自身存在,也許是利用蛋白質酶。最後,某些物質會將這些不同的部分連接起來,使其獨立於周圍環境。

  對生命起源的實驗室研究正式開始於20世紀50年代,當時許多研究人員認為生命起源於海洋,海水中存在著一種富含碳基化學物質的混合物,稱為“原始湯”。早在在20世紀20年代,蘇聯生物化學家亞曆山大·伊萬諾維奇·奧巴林和英國遺傳學家約翰·伯頓·桑德森·霍爾丹就各自提出了這一概念。他們都將早期地球想像成一個巨大的化工廠,大量的碳基化學物質溶解在早期海水中。奧巴林解釋道,越來越複雜的顆粒不斷形成,最終生成了碳水化合物和蛋白質——他稱之為“生命的基礎”。

在20世紀50年代的實驗中,斯坦利·米勒利用簡單的基礎分子生成了氨基酸
在20世紀50年代的實驗中,斯坦利·米勒利用簡單的基礎分子生成了氨基酸

  1953年,美國芝加哥大學一位名叫斯坦利·米勒的年輕研究者進行了一次著名的實驗。許多人認為,該實驗的結果證實了上述觀點。他用一個盛著水的玻璃瓶來模擬海洋,用另一個裝著甲烷、氨和氫的玻璃瓶來模擬早期地球大氣,兩個瓶子之間用管子相連。米勒用電極模擬閃電,通過幾天的加熱和電擊,瓶子裡的物質和水反應生成了甘氨酸,這是最簡單的氨基酸,也是蛋白質的重要組成部分。許多研究者據此認為,生命起源於海洋表面附近。

  然而,今天的許多科學家指出,這種觀點存在一個根本問題:生命的基礎分子會在水中分解。這是因為,蛋白質和核酸(如DNA和RNA)在連結處十分脆弱。蛋白質是由氨基酸鏈組成的,而核酸由核苷酸鏈組成。如果把這些分子放到水中,連結鏈就會斷裂。已故的生物化學家羅伯特·夏皮羅在他1986年的代表作《起源》中批評了海洋原始湯的假說,他寫道,在碳化學中,“水是一個敵人,必須儘可能地被排除在外”。

  這就是水的悖論。美國明尼蘇達大學的合成生物學家凱特·阿達馬拉表示,今天的生物細胞通過限製水在內部的自由流動來解決這一問題。出於這個原因,常見的細胞質示意圖常常是錯誤的。“我們被教導細胞質就像一個袋子,可以裝下所有東西,而這一切都在遊動,”她補充道,“事實並非如此。一切都是在細胞內搭建起來的,而且是在一團凝膠當中,而不是一個水袋。”

  許多研究者認為,如果生命能控制水分,那麼其中的含義顯而易見:生命可能是在陸地上形成的,因為水在陸地上只能間歇性地存在。

  源於陸地

  支援這種觀點的關鍵證據出現在2009年,當時薩瑟蘭宣佈,他的團隊已經成功製造出組成RNA的4種核苷酸中的兩種。他們從磷酸鹽和4種簡單的碳基化學物質開始,包括一種名為“氨基氫”的氰化物鹽。這些化學物質全部溶解在水中,但濃度很高,而且關鍵步驟需要紫外線輻射。薩瑟蘭表示,這樣的反應不能在海水中發生,而只能發生在暴露於陽光下的小水塘或小溪中,那裡可以使化學物質濃度升高。

  薩瑟蘭的團隊已經證明,利用同樣的起始物質,即使處理方法稍有不同,也能產生蛋白質和脂質的前體。研究人員認為,如果含有氰化物鹽的水體被太陽曬乾,留下一層與氰化物有關的乾燥化學物質,然後被地熱活動加熱,就可能發生這些反應。在過去的一年里,他的團隊利用太陽能和相同的高濃度化學物質製造出了DNA的構建單元,這在以前被認為是不可能的。

  美國NSF-NASA化學演化中心的生物化學家莫蘭·弗倫克爾-品特和同事擴展了這一成果。去年,他們發現,氨基酸在乾燥後,會自發地連接起來,形成類蛋白質鏈。與其他氨基酸相比,組成今天蛋白質的20種氨基酸更可能發生這種反應。這就意味著,間歇性的乾燥有助於解釋為什麼生命在數百種可能的情況下只使用這些氨基酸。“我們看到了對如今氨基酸的選擇,”弗倫克爾-品特說。

  乾燥與潮濕

  間歇性的乾燥還有助於驅動這些基礎分子組裝成更複雜的、類似生命的結構。

  1982年,當時在加州大學戴維斯分校工作的研究者大衛·迪默和蓋爾·巴切菲爾德發表了一篇論文,介紹了一個類似的經典實驗。他們的目標是研究另一類長鏈分子——脂質——如何自組織形成包圍細胞的膜。他們首先製造了囊泡:一種由兩層脂質包裹的含水囊狀結構。然後,研究人員將囊泡乾燥,脂質就重新組織成多層結構,就像一堆煎餅,而之前漂浮在水中的DNA鏈被困在了脂質層之間。當研究人員重新加入水分時,囊泡發生了改變——裡面有了DNA。這是邁向簡單細胞的重要一步。

  “這種乾濕循環隨處可見,”目前在加州大學聖克魯茲分校工作的大衛·迪默說,“就像雨水在濕岩石上蒸發一樣簡單。”他指出,當生物化學物質(如脂質)受到這種乾濕交替的影響時,就會發生不同尋常的情況。

  在2008年的一項研究中,迪默的團隊將核苷酸和脂質與水混合,然後進行乾濕循環。當脂質形成層狀結構時,核苷酸就會連接起來,形成類似RNA的鏈——如果沒有輔助的話,這種反應在水中是不會發生的。

  其他研究指向了另一個因素,這似乎也是生命起源的關鍵所在:光。這是美國波士頓麻省總醫院合成生物學家傑克·索斯塔克的研究小組得出的結論之一。該小組研究的是“原初生命體”,即含有少量化學物質,但能夠生長、競爭和自我複製的簡單細胞。如果原初生命體暴露在類似於陸地的環境中,它們會表現出更像生命的行為。在凱特·阿達馬拉參與的一項研究中,研究人員發現原初生命體可以利用光的能量進行分裂,以一種簡單的形式進行繁殖。類似的,同樣在MRC分子生物學實驗室工作的克勞迪婭·邦菲奧等人在2017年發現,紫外線輻射會推動鐵硫簇的合成,而鐵硫簇對許多蛋白質都至關重要,包括組成電子傳遞鏈的蛋白質。電子傳遞鏈又稱呼吸鏈,是氧化磷酸化的一部分,通過驅動能量儲存分子ATP的合成來為所有活細胞提供能量。鐵硫簇在接觸到水時就會分裂,但邦菲奧的團隊發現,當鐵硫簇被3到12個氨基酸長度的簡單多肽包圍時,會變得更加穩定。

  水,但不要太多

  諸如此類的研究為生命起源於光線充足,且含有少量水的陸地表面的觀點提供了支援。然而,對於有多少水參與其中,以及水在生命起源中扮演了什麼角色,仍然存在爭議。

  與迪默一樣,弗倫克爾-品特也認為乾濕循環至關重要。她說,乾燥環境為蛋白質和RNA等鏈狀分子的形成提供了機會。

  但是,能簡單地製造RNA和其他分子並不等於生命,生命必須形成一個自我維持的動態系統。弗倫克爾-品特認為,水的破壞性可能是這種系統形成的驅動因素之一。就像被捕食的動物會演化出更快的速度,或者能分泌毒素以防禦捕食者一樣,最初的生物分子也可能演變得能夠應對水的化學攻擊——甚至能更好地利用水的反應活性。

  今年,在之前表明乾燥會導致氨基酸自髮結合的研究基礎上,弗倫克爾-品特的團隊繼續探索。他們發現,自發形成的原始蛋白質可以與RNA相互作用,導致二者在水中都變得更加穩定。實際上,水充當了某種選擇壓力的角色:只有那些能在水中“存活”的分子組合才能繼續存在,因為其他的組合會被摧毀。

  因此,隨著每一次乾濕循環,較弱的分子(或那些無法通過與其他分子結合來保護自己的分子)就會被摧毀。邦菲奧的團隊在今年的一項研究中也證明了這一點。在這項研究中,他們嚐試將簡單的脂肪酸轉化為更複雜的脂質,類似於如今細胞膜中的脂質。研究人員發現,脂質混合物中較簡單的脂質被水破壞,而較大且更複雜的脂質則不斷積累。“在某個時刻,你會得到足夠的脂質來形成膜,”邦菲奧說道。換言之,水的量可能存在一個恰到好處的值:既不會多到使生物分子太快破壞,也不是少到什麼都改變不了。

  溫暖的小水塘

  那麼,這一過程可能發生在哪裡?關於這個問題,該領域存在著代溝。許多資深的研究者都致力於這樣或那樣的場景設想,更年輕的研究者則認為,這是一個很開放的問題。

  弗倫克爾-品特認為,開闊海洋顯然是行不通的,因為化學物質無法濃縮。邦菲奧同意他的觀點,“這確實是個問題”。

有一種關於生命起源的設想認為,生命起源於海底噴湧熱堿性水的噴口,比如大西洋的“失落之城”(Lost City)熱液區
有一種關於生命起源的設想認為,生命起源於海底噴湧熱堿性水的噴口,比如大西洋的“失落之城”(Lost City)熱液區

  但也有人持不同意見。自20世紀80年代以來,NASA噴氣推進實驗室的獨立研究者、地質學家邁克爾·羅素就一直支援另一種海洋起源觀點。他認為,生命起源於海底的熱液口,那裡的溫暖堿性水從地質構造中滲出,溫暖的海水與岩石之間發生相互作用,提供化學能量,首先驅動簡單的代謝循環,然後生成並利用RNA等化學物質。

  邁克爾·羅素對薩瑟蘭的方法持批評態度。在他看來,薩瑟蘭“所有這些神奇的化學過程”其實都無關緊要。這是因為,現代生物用的是完全不同的化學過程來產生RNA等物質。羅素認為,一定是先出現這些過程,而不是先出現物質本身。“生命會挑選那些非常特殊的分子,但是你不能從後備席上挑選它們。你得從零開始,這才是生命之道,”他說道。

  薩瑟蘭反駁道,一旦RNA、蛋白質等分子形成,演化機製就會接管一切,使原初生命體找到製造這些分子的新方法,從而維持自身的生存。

  與此同時,許多研究者對邁克爾·羅素的海底堿液噴口假說表示懷疑,認為缺乏實驗支援。

在新西蘭羅托魯阿附近“地獄之門”(Hell’s Gate)溫泉的一項研究中,來自熱液池的樣品經過了乾燥和再濕潤的循環,這促進了化學反應,產生了類似RNA的分子
在新西蘭羅托魯阿附近“地獄之門”(Hell’s Gate)溫泉的一項研究中,來自熱液池的樣品經過了乾燥和再濕潤的循環,這促進了化學反應,產生了類似RNA的分子

  相比之下,模擬陸地表麵條件的化學實驗則形成了核酸、蛋白質和脂類的基本成分。大衛·卡特林說:“在深海熱液噴口假說中並沒有這些合成過程。而且沒有做過這方面的研究,可能是因為根本做不了。”

  弗倫克爾-品特也對海底熱液口的觀點持批評態度,因為她研究的分子在這種條件下無法存在很長時間,“這些原始多肽的形成與熱液噴口不太兼容”。

  今年5月,德國杜塞爾多夫大學博士後、地球化學家瑪蒂娜·普賴納和同事提出了一個可能的答案。她認為,在熱液噴口下方的岩石中,熱量和化學反應會使水分子凝結或分解,從而形成乾燥的空間,“在一定程度上,岩石與水的相互作用會使水流失”。與此同時,海水也會慢慢地流入,這就像是“一種乾濕循環”。普賴納認為,這一過程將使深海岩石更適合關鍵分子的形成。當然,這仍然只是一種假設,“你還需要做相關的實驗來證明它可以發生某些反應”。

  目前這方面的證據還不存在。另一方面,越來越多的實驗結果支援生命起源於陸地小型水體的觀點。薩瑟蘭傾向於由隕石撞擊坑形成的水體,在太陽和賸餘衝擊能量的加熱下,多股水流沿斜坡流下,最後在底部彙合成一個水塘。這將是一個複雜的三維環境,礦物表面充當催化劑,碳基化學物質則在水中反複溶解,並在陽光下乾燥。“在某種程度上,你可以肯定地說,這一切需要在地表完成,而不能在海洋深處或地殼下十公里處,”薩瑟蘭說,“然後我們需要磷酸鹽和鐵。鐵鎳隕石很容易就能將這些東西帶到地球上。”此外,撞擊坑理論還有一個更大的優勢:隕石在撞擊大氣層時能產生氰化物。

  迪默一直支援的是另一種觀點:火山溫泉。在今年的一項研究中,他和同事布魯斯·戴默提出,脂質可能在熱泉中形成了原始細胞,正如他在早先實驗中所揭示的那樣。溫泉邊緣的乾濕循環驅動了RNA等核酸分子的形成和複製。

  迪默在現代火山溫泉中進行了若干實驗,以驗證他的觀點。2018年,他的團隊發現囊泡可以在溫泉中形成,甚至可以包裹核酸——但它們無法在海水中形成。去年的一項後續研究發現,當產生的囊泡乾燥後,核苷酸會連接形成類似RNA的鏈。

  縮小生命起源地的範圍需要對生命起源前的化學有更廣泛的瞭解,包括許多反應如何結合在一起,以及反應發生的條件範圍等。化學家Sara Szymkuć是創業公司Allchemy的總裁,她所領導的團隊試圖挑戰這一龐大的任務。在9月發表了一項綜合研究中,該團隊利用計算機算法探索了一個龐大的已知前生物反應網絡如何產生如今眾多的生物分子。

  這個網絡是高度冗餘的,因此即使多個反應被阻斷,關鍵的生物化合物仍然可以形成。出於這個原因,Szymkuć認為目前排除任何生命起源場景都為時過早。我們需要系統地檢驗一系列不同的環境,看看哪些反應會在哪裡發生。

  地球之外

  如果薩瑟蘭的實驗確實指明了地球生命如何開始,那這些實驗也可以幫助我們探索宇宙中其他生命的可能起源。

美國國家航空航天局的“毅力號”漫遊車將在火星耶澤羅隕石坑中尋找生命跡象
美國國家航空航天局的“毅力號”漫遊車將在火星耶澤羅隕石坑中尋找生命跡象

  火星吸引了最多的注意力,因為有明確證據表明其表面曾經存在過液態水。NASA的毅力號漫遊車之所以選擇在耶澤羅撞擊坑著陸,部分原因是那裡似乎曾經是一個湖,而且可能含有薩瑟蘭所研究的化學物質。他幫助撰寫了一份由卡特林主持的報告,並在2018年提交給NASA。報告中總結了生命起源前的化學發現,並就毅力號的著陸地點提出了建議。薩瑟蘭說:“我們展示了這種化學反應,並指出耶澤羅撞擊坑,也就是他們最終選擇的隕石坑,是這種化學反應發生可能性最高的地方。”

  毅力號還需要兩個月的時間才能抵達火星,它所收集的樣品將需要數年時間才能通過一項尚未命名的未來任務返回地球。因此,我們還需要一段很長的時間,才能確定火星是否有生命存在,或者是否在數十億年前就有生命存在。但即使沒有發現生命存在的證據,毅力號也可能揭示生命起源前的化學痕跡。

  卡特林認為,最好的情況是毅力號在火星沉積層中找到複雜的碳基分子,如脂質或蛋白質,或這些分子降解的殘骸。他還希望找到乾濕循環的證據。這些證據可能以碳酸鹽層的形式出現,因為碳酸鹽層通常是是湖泊乾燥和多次填充後形成的。卡特林還推測“生命在火星上並沒有走得特別遠”,因為我們還沒有看到任何明顯的跡象,比如清晰的化石或富含碳的黑色頁岩。他說:“我們尋找的東西很簡單,甚至可能就是生物起源前的痕跡,而不是真正的細胞本身。”

  一種可能的情況是,火星在形成生命的過程中只完成了最初的幾個化學步驟,而不是全部。在這種情況下,我們可能會發現火星化石——不是生物化石,而是“前生命”化石。(任天)

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