尋找生命的起源
我是斜杠青年，一個熱愛自然科學的“雜食性”學者！
海洋孕育了氨基酸和原始膜
在深邃、沒有陽光的海洋中，炎熱、冒泡的裂縫似乎根本不適合生命，更不用說生命的起源了。然而，最近的研究表明，兩種基本成分——氨基酸和原始細胞膜——可以在海底的熱液噴口附近自發(fā)可靠地形成。這些發(fā)現(xiàn)支持了一些科學家?guī)资陙硪恢敝С值年P(guān)于生命起源的假設(shè)。
熱液噴口是海底斷層線附近的化學溫泉。有些被稱為白煙囪，有精心制作的礦物柱或煙囪，里面裝滿了可以發(fā)生化學反應的微小腔室。在華氏158度（70攝氏度）時，通風口對氣泡浴來說有點熱，但事實證明，正好適合形成氨基酸和可以作為細胞膜的結(jié)構(gòu)。
科學家懷疑，大約40億年前，像這樣的深熱噴口可能已經(jīng)孕育了地球上的生命。一些熱液噴口釋放堿性液體，堿性液體可以提供構(gòu)建復雜有機分子所需的能量。英國?？巳卮髮W的地球系統(tǒng)科學家蒂莫西·倫頓（Timothy Lenton）表示，生命的基本化學“似乎與生命始于這種炎熱、黑暗、化學能驅(qū)動的環(huán)境中，你可能會期望相匹配”，他是2017年《海洋科學年度評論》中一篇關(guān)于海洋生物地球化學的文章的合著者。
通風口假說有點爭議，但最近的實驗為它增添了分量。在其中一項中，美國宇航局天體生物學家Laurie Barge和她的同事展示了蛋白質(zhì)基石氨基酸如何在堿性噴口附近形成。美國加利福尼亞州帕薩迪納噴氣推進實驗室的駁船在尋找不在地球上的生命時，對地球上生命的起源產(chǎn)生了興趣。無論是在另一顆行星上還是在地球上的深海噴口，地質(zhì)學和生物學都將緊密相連。
為了了解生命的積木是否可能在古老的通風口附近形成，Barge的團隊在實驗室里創(chuàng)建了微型通風口。他們模擬的海水含有氨、簡單的有機分子丙酮酸鹽和氫氧化鐵礦物，所有這些都可能存在于地球的早期海洋中。水耗盡了氧氣，并調(diào)整到華氏158華氏度，這是白煙囪的溫度。該團隊去年在《美國國家科學院院刊》上報道，在這些模擬噴口中，化學條件允許電子在鐵礦物和丙酮酸之間流動，產(chǎn)生氨基酸丙氨酸。
研究人員可以通過調(diào)整不同氫氧化鐵礦物的比例來調(diào)節(jié)丙氨酸的產(chǎn)生量，以控制鐵釋放的電子數(shù)量——例如“可以向上或向下調(diào)諧的表盤”。電子從堿性噴口連續(xù)流動，為觸發(fā)化學反應提供恒定的源。
創(chuàng)造生活的基石
氨基酸很重要，但生命是細胞組織的——沒有細胞膜，細胞就無法工作。在第二個實驗中，倫敦大學學院的生物化學家尼克·萊恩和他的同事展示了原始膜如何在堿性通風口附近形成。
Barge使用古代深海條件的實驗室復制品來確定是否可以在那里形成脂質(zhì)包圍的氣泡，稱為囊泡——一種原細胞。他的團隊在酸性模擬海水中添加了14種脂肪酸和其他化學物質(zhì)，這些化學物質(zhì)可能存在于早期海洋中?？茖W家將液體調(diào)整為堿性，使化學物質(zhì)進入溶液中。當研究人員慢慢將溶液與海水混合時，脂肪酸會組裝成囊泡。去年11月，科學家在《自然生態(tài)與進化》雜志上報道，囊泡在像白煙囪一樣驚人的條件下形成——在華氏158度，堿度強。
倫敦大學學院的生物地球化學家、論文的合著者肖恩·喬丹表示，早期的研究未能在熱堿性鹽水中形成囊泡——但這是因為他們使用的脂肪酸類型較少。他的團隊使用了各種各樣的方法，這為他們提供了更多相互聯(lián)系的方式。
一些科學家不相信生命起源于一個深層的堿性熱液噴口。加州大學圣克魯斯分校的生物物理學家David Deamer表示：咸海水會破壞產(chǎn)生細胞膜所需的脂肪酸的幾個人之一。他表明，通過潤濕和干燥脂肪酸，可以在淡水中形成囊泡——不需要深海噴口。他舉了吹肥皂泡的例子。肥皂在溶液中與水一起無序，但向其中吹氣，分子會組裝成膜。
想象一下一個淡水溫泉，周圍的地面在雨后變得潮濕，然后定期干燥。隨著東西的干燥，溶解在水中的化合物變得更加集中。當干燥去除水分子時，能量會釋放出來，形成允許形成復雜有機分子的鍵。
Deamer表示，支持淡水模型的另一點是第一個自復制分子的起源。如果生物體要繁殖，它們必須有辦法將信息傳遞給下一代；許多科學家認為RNA是第一個能夠做到這一點的分子。多年前，Deamer和他的同事通過在淺淡水池中潤濕和干燥簡單的有機分子，創(chuàng)造了像RNA一樣運作的復雜分子。干燥過程組織分子更復雜，不需要外部能量的沖擊。
不過，這個故事并不那么簡單。這兩個研究營都努力證明他們在實驗室中制造的基本生物分子實際上會在生物體內(nèi)發(fā)揮作用。盡管如此，熱液噴口的支持者表示，他們擁有所有正確的成分——包括啟動生命所需的能量。白煙囪可以通過兩種方式提供能量，一種或兩種方式都可以提供構(gòu)建復雜有機分子所需的動力。
第一種情況是當堿性液體從海底噴出并與酸性海水碰撞時。這種pH梯度在通風口煙囪上產(chǎn)生輕微的電荷。（在另一項研究中，駁船通過將熱液煙囪與電線連接在一起來點亮一個小LED。）地球早期的海洋比今天更酸，這表明深海噴口可能有足夠的能量。
堿性噴口提供能量的另一種方式是喂養(yǎng)電子在海洋中的化學物質(zhì)和巖石之間流動的過程。這種水下電流本可以推動第一次賦予生命的化學反應。丹麥奧胡斯大學的電微生物學家Lars Peter Nielsen表示：“電力是生命的起源所必需的”。“電力讓這一切走到了一起”。
也許關(guān)于海洋生命起源的最令人信服的論點是時機。跟蹤生命形式演變的研究表明，地球上最早的生命大約在40億年前出現(xiàn)。Lenton表示，這個時間表意味著生命幾乎肯定起源于海洋。第一批大陸在40億年前還沒有形成，所以地球的表面幾乎完全是海洋。
地球上一些最古老的生命證據(jù)來自加拿大沉積巖中的古代化學特征和化石，這些特征和化石可能形成于海底。2017年在《自然》雜志上報道的一項研究甚至發(fā)現(xiàn)了管狀化石，這些化石看起來像今天生活在熱液噴口附近的微生物——但在至少有37.7億年歷史的巖石中。
Deamer認為，35億到40億年前，如果火山的兩側(cè)從水中冒出來，就會有一些陸地?？梢酝ㄟ^降雨在這些陸地上形成淡水池。如果這有道理的話，地球上生命的淡水起源也是如此。
生命起源于深海還是淺層陸地淡水還有待觀察。但現(xiàn)在似乎使用早期地球化學產(chǎn)生了關(guān)鍵的有機分子以及容納它們的膜。
了解最新前沿科學，關(guān)注我就是你最好的選擇！
拓展閱讀：
一生中緩慢積累的基因突變，改變了人類70歲后的血液產(chǎn)量
科學新發(fā)現(xiàn)：十個與聽力損失相關(guān)的新基因
科普視頻：
攝影欣賞：
