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生命起源在哪里?Science 研究告诉你,在海底

本文作者:肖漫 2020-04-23 18:34
导语:回答地球起源的问题,就跟回答“先有鸡还是先有蛋”一样难。

回答生命起源的问题,就跟回答“先有鸡还是先有蛋”一样难。

不过,关于这一难题的研究近期有了新进展。

科学家们发现,在海底热液喷口的位置,周围有三种金属化合物,能使氢气和二氧化碳发生反应,形成对细胞生长至关重要的高能量有机化合物。

由此,研究小组认为,高温高压的海底热液喷口处,很可能是地球生命的开始。

生命起源在哪里?Science 研究告诉你,在海底

雷锋网(公众号:雷锋网)注:图源 Science

“新陈代谢先起源”假说

一直以来,关于地球生命的起源有着多种观点假说,“新陈代谢先起源”是其中之一。

“新陈代谢先起源”假说认为,早期地球上的化学过程会产生简单的富含能量的化合物,以此推动了复杂分子的合成,最终为生命和人类进化提供了原料。

通常情况下,这一假说会与“复制先起源”假说一同被摆上台面。

不同于“新陈代谢先起源”假说,“复制先起源”假说则是认为前生物合成的有机化合物能够通过非生物自发聚合形成具有自我复制能力的遗传信息系统,并逐渐拥有了“新陈代谢”能力。

关于这两个地球生命起源假说的争论一直不相上下。不过,近期一项研究发现为“新陈代谢先起源”假说增添了一笔新论据。

杜塞尔多夫大学进化生物学家 William Martin 和斯特拉斯堡大学化学家 Joseph Moran的研究团队在海底热液喷口的位置发现了能够生成有机分子的三种金属化合物——甲酸盐、乙酸盐和丙酮酸盐,这些化合物能够把营养物质转化为细胞生长。

事实上,早在 2016 年,William Martin 带领的研究团队就已发现了关于原始新陈代谢的线索。

该团队扫描了数千种细菌和古生菌的基因组,识别出 355 种有共同基因编码的蛋白质。这些蛋白质表明,原始微生物会在高温下会大量繁殖并消耗氢气,再通过电解将海洋中的无机二氧化碳转化成富含能量的有机化合物。

这同样支持了原始微生物生活在热液喷口附近的观点,因为在喷口周围存在着原始新陈代谢需要的所有条件。

为什么海底热液喷口处可能是地球生命的开始?

研究表明,现代生物会通过乙酰辅酶 a(acetyl-CoA)途径将氢和二氧化碳结合形成有机分子。这一过程将必要的有机分子注入生化过程,从而推动蛋白质、碳水化合物和脂质的生成;而这些物质正是细胞能量代谢的核心。

然而,问题是,现代生物是利用 11 种由 15000 个氨基酸组成的酶来运行乙酰辅酶 a 途径,而地球原始有机体不存在这种“酶”。

William Martin 表示,如果没有合适的蛋白质机制或催化剂,把氢和二氧化碳放在一起,什么都不会发生。

那么,有机体是如何自发地发展它们的能力来运行乙酰辅酶 a 途径的呢?

2018 年,Joseph Moran 领导的研究团队找到了部分答案。研究指出,包括铁、镍和钴在内的纯金属可以催化水(水分子含有氢)和二氧化碳的反应,形成乙酸和丙酮酸,这是实现乙酰辅酶 a 途径的关键因素。

这一发现表明,最早的生命可能只是以这些有机化合物为食,以此获得生存,且随着时间的推移,会进化出的一系列蛋白质机制使反应更加有效。

不过,William Martin 认为,将水和二氧化碳转化为必需的有机物并不是原始微生物所做。相反,这些有机体是从氢气和二氧化碳开始。

William Martin 想知道,是否能在没有酶的情况下使乙酰辅酶 a 途径发挥作用,热液喷口附近常见的富含金属的矿物质是否会导致氢与二氧化碳发生反应。

生命起源在哪里?Science 研究告诉你,在海底

雷锋网注:图源 Science

William Martin 及其研究团队认为,热液喷口之所以会不断地喷出氢气,是由地壳深处的水和金属之间的反应驱动。并且,该团队确定早期地球海洋中的二氧化碳含量大约是现在的 1000 倍。

为了找到答案,William Martin 和 Joseph Moran 的团队联合调查了在热液喷口附近发现的三种富含铁的矿物:硫复铁矿、磁铁矿和铁镍矿。他们分别将这三种物质添加到水溶液中——在 100°C 和 25 bars 的压力下,氢气和二氧化碳冒着泡;类似于深海热液喷口的环境。

结果显示,这三种矿物质都催化了氢和二氧化碳的反应,形成了有机混合物,包括甲酸盐、乙酸盐和丙酮酸盐。

William Martin 表示:

我们所拥有的是一种持续的化学能来源,是这些来源产生了用于新陈代谢的高能量分子。

生命的进化不仅需要食物来源,还需要某种将信息从一个有机体传递给后代的原生分子。生命和食物来源、原生分子之间是如何结合的,目前还不清楚。但已知的是,任何早期达尔文体系都需要进食。

对于这项新发现,应用分子进化基金会的化学家 Steven Benner 表示:

Martin 和 Moran 的团队所描述的过程肯定是早期生物体的一些食物来源。

One More Thing

生命究竟是怎样起源的?

这仍是一个尚未解决的科学问题。

关于这个问题,存在着多种臆测和假说——创造论、宇宙生命论、无生源论、化学起源说等。不过,从科学角度来看,大多数专家认为,所有的生命都是由同一种原始生命形式共同进化而来的。

目前尚不清楚早期生命形式如何进化,但科学家们认为,这是一个自然过程,大约发生在 39 亿年前。

生命的起源主要有三个过程:第一个是从无机物到有机小分子;第二个是从有机小分子到有机大分子形式;第三个生物的大分子演化到原始单细胞的生命。其中,第三个过程可以说是研究的最大难题,也是争议的焦点。

要研究生物大分子到原始单细胞生命的过程,需要从三个方面入手,主要包括自我遗传系统建立、蛋白质合成、以及生物膜系统的形成。

虽然仅有三个过程,但其背后包含着许多难以回答的问题:自我复制的生物大分子系统如何建立?蛋白质如何合成?如何具备遗传功能?是先有新陈代谢能力还是先有遗传?

而这些问题仅是生命起源过程的一小部分,地球生命起源的背后,深藏的未解谜题还远不止于此。不过,也正是这些未知性使得地球生命颇具神秘色彩,成为其魅力所在,不是吗?雷锋网

参考来源:

【1】https://www.sciencemag.org/news/2020/03/was-life-s-first-meal?from=timeline

【2】https://www.sciencemag.org/news/2016/07/our-last-common-ancestor-inhaled-hydrogen-underwater-volcanoes

【3】https://simple.wikipedia.org/wiki/Origin_of_life

【4】https://baike.baidu.com/item/%E7%94%9F%E5%91%BD%E8%B5%B7%E6%BA%90%E7%90%86%E8%AE%BA/189034?fr=aladdin

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