來源:十點科學

地球上的生命可能起源於一鍋原始湯,生命的基本特徵從中自發湧現。

作者|劉培源 集智俱樂部主編

我們是誰,從哪裏來,是人類世世代代追問的問題。地球上的生命可能起源於一鍋原始湯。

2020年9月,發表在《科學》雜誌上的一項研究發現,僅僅利用水、氮氣、甲烷等6種簡單的無機物,讓它們相互發生化學反應,不斷迭代下去,就可以產生多種催化劑,它們同時又是化學反應的參與物,從而形成一個自我催化、自我複製的化學循環。

生命起源於一鍋原始湯?

生命的起源一直是科學家關心的問題。最初的地球,顯然是沒有生命的。從簡單的無機物中,如何孕育出複雜的生物體?

早在19世紀,達爾文在寫給植物學家約瑟夫·胡克的信中就曾猜想,或許地球生命起源於一個溫暖的小池塘。在這個小池塘中,如果氨和磷酸鹽、光、熱、電等條件都具備,就可以形成蛋白質這樣的生物大分子。

達爾文的思想後來逐漸發展爲關於生命起源的原始湯假說。簡而言之,原始湯假說認爲,地球上的生命起源於一鍋無機物混合的原始湯:在原始地球環境下,簡單的無機物通過化學反應轉變爲有機物,有機物發展爲生物大分子,直到出現一個最簡單、最原始的細胞,最終演化出地球上繽紛多彩的各類生命形態。

1953年,原始湯假說的一小部分——從無機物中產生有機物的過程被實驗證實。這就是我們在中學課本上學過的米勒-尤里實驗。當時,化學家尤里和米勒將多種無機物(水、甲烷、氨氣、氫氣和一氧化碳)密封於燒瓶內,然後用電極產生火花,模擬原始大氣電閃雷鳴的環境,觀察是否真的能合成有機物。結果驚人地發現,燒瓶中產生了蛋白質的基本組成成分——氨基酸。

這個實驗極大地支持了原始湯假說,但原始大氣成分到底是怎樣的,我們並不清楚。科學家在考察過遠古地球的氣候、溫度等因素後發現,氨氣、甲烷、氫氣或許從未在同一時間段作爲地球的主要氣體存在過。在考慮到這些因素後,後來的實驗再也沒能複製米勒-尤里實驗的成功,原始湯中也沒有自發產生氨基酸。

原始湯假說似乎變得岌岌可危。幸好,來自海底熱泉的研究爲事情帶來了轉機。

深海熱泉帶來轉機

上世紀70年代,科學家在太平洋加拉帕戈斯裂谷看到了一幅奇異的景觀:這裏蒸汽騰騰,煙霧繚繞,雖是兩千多米深的海底,卻煙囪林立,恍若置身火山口——這便是深海熱泉。更令人驚奇的是,熱泉周圍是一個生機勃勃的生命世界,聚集着細菌、甲殼類、 管蠕蟲和章魚等各種大小的生物,種羣密度堪比珊瑚礁生態。

在光線無法穿透的黑暗深海,尚且有生命出現,從原始湯中形成生命,似乎也頗有可能。

到了80年代,第二類熱泉也映入科學家眼簾。不同於第一類熱泉由火山和岩漿形成,第二類熱泉由海水滲透進岩石形成。緩慢的海水侵蝕使得岩石形成奇特的紋路,在電子顯微鏡下呈現出大量微小的空腔,與細胞尺寸相仿,卻並非細胞遺蹟。

科學家們猜測,這些空腔可能是孕育生命的理想場所,大自然的第一鍋原始湯或許就曾盛放在這裏。最早的生命在演化出自己的細胞結構之前,寄居在大自然提供的這些天然隔離屏障中,正如遠古人類寄居在洞穴裏一樣。

這些空腔的壁上富含硫鐵礦,天然具有很強的催化能力,催化其中的生命物質自我複製。而遺傳物質的複製是生命複製的核心,正是它讓一個細胞發展爲一團細胞,讓一棵樹蔓延出整片樹林,讓一對鳥繁衍出整個島嶼的鳥。

生命起源的“雞生蛋”問題,或許無需糾結

自然固然有自己的道路,在原始湯中成功孕育出能夠自我複製的生命。可是,人類似乎難以窺見其智慧。我們不得不苦苦思索,米勒-尤里實驗斷掉的鏈條要如何連上,無機物究竟是怎樣產生出生物大分子,並獲得自我複製的能力的?

進入20世紀,網絡科學迅速興起,給人們帶來啓發。正如連接是網絡的本質一樣,科學家們猜測,在從原始湯孕育出生命的過程中,關鍵的未必是幾種特定分子,也可能是一批相互作用的不同分子。不同分子相互作用,從中湧現出生命的基本特徵——自我複製。

2020年《科學》雜誌上的論文爲這種猜想提供了證據。研究者使用化學算法軟件,僅僅以水、氮氣、硫化氫、氨氣、氰化氫、甲烷這6種簡單物質作爲起始反應物,讓它們相互反應,產生的新物質接着繼續參與反應,一代代持續下去,形成一個龐大的化學網絡,其中包含數萬種分子,有許多是生物體內存在的有機物。

他們在分析後驚人地發現,在這個網絡中,竟然會產生多種催化劑。它們既是催化劑,也是化學反應的參與物,讓化學反應越來越快,積累的物質越來越多。也就是說,從簡單的無機物開始,就可以自發形成自我催化、自我複製的化學循環——這正是生命的自我複製能力的根基。

研究還發現,除了催化劑,反應產物中還有表面活性劑。這是一類可以讓目標溶液表面張力顯著下降的物質,可以改變浸潤性、幫助增溶、乳化、起泡等。我們常見的洗滌劑,主要成分就是表面活性劑。

你可能一時想不到表面活性劑和生命有什麼聯繫,事實上,細胞膜的主要功能成分就是表面活性劑。這層表面活性劑可能幫助形成生命和周遭環境之間最原始的邊界,加速個體細胞生命的形成。

模擬實驗讓我們看到,幾種簡單無機物相互反應,不斷迭代,就可以產生具備自我催化、自我複製能力的生物大分子,以及表面活性劑這道生命屏障。這也啓發我們,或許根本無需糾結生命起源領域的一個“雞生蛋”問題:具有自我複製能力的DNA和具有催化功能的蛋白質,到底誰先產生?情況可能是,一切都在原始湯中自發湧現。

雖然相關研究還相當初步,卻無疑讓我們窺見了生命起源的一道亮光。

非生命和生命的界線,一開始可能並沒有那麼清晰。如今生機勃勃的生命世界,都是從無機物分子組成的一鍋原始湯中產生。

下一次當我們漫步沙灘上,看到散落的石頭、貝殼,看到水草、魚羣,砂礫和空氣,你會不會覺得,那些非生命的物質,也都和我們更親近了一些?

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