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地球生命来自何方?

来源:科技日报 VIEW: 发布时间:2020-05-27

地球生命进化图谱

地球上生命是如何诞生的,这是科学家们面对的最大谜团之一。多年来科学家一直在研究关于地球生命的起源,并提出了包括“原始汤”起源说、海底热液起源说、黏土起源说等在内的众多假说,其中有一种假说认为组成地球生命的一些简单有机分子是彗星带来的。

而最近欧洲“罗塞塔”彗星探测器又为这种假说提供了新的支持证据,它发现彗星“丘留莫夫-格拉西缅科”上存在氨基酸等物质,这些物质被认为是生命形成的基石。

彗星给地球带来了生命?

“生命的起源就是第一个细胞产生的过程。” 中科院南京地质古生物研究所现代古生物学和地层学国家重点实验室主任袁训来告诉科技日报记者,生命产生的第一步是由无机分子变成简单的有机分子,如氨基酸、嘌呤、嘧啶等。第二步是由有机小分子合成有机大分子,例如蛋白质、脂肪,以及遗传物质DNA、RNA等。第三步也是最难的一步就是,即使产生了可以自我复制的DNA、RNA,还要在这些遗传物质的控制下产生蛋白质。第四步需要有一个生物膜,将这些物质包裹起来,这个生物膜可以进行选择性渗透,将有用的物质放进来,没用的代谢废物排出去。

有了这些“零件”还不够,还需要有一个偶然的机会,在一个适宜的液态水环境(0—100℃)中将其整合在一起,才能形成一个细胞。“可想而知这个细胞的形成几率有多小,甚至比中彩票的几率还小1000万倍。而且从无机分子到原始细胞产生的这一过程在地球早期至少需要两三亿年的时间才能完成。”袁训来说。

因此,有人认为最早的一些有机分子,可能是彗星撞击地球带过来的。而不是在地球上自然产生的。天体生物学家们正在收集证据证明生命可能起源于银河系中的其他地方,随后在大约38—40亿年前由坠落到地球上的彗星将最初的“生命基石”带到了地球,这些物质在地球原始环境中互相作用,最终产生了生命。这种假说被称为“胚种论”,并且科学家陆续发现了一些支持胚种论观点的证据。

在新一期美国《科学进展》上,欧洲宇航局等机构的研究人员报告说,“罗塞塔”彗星探测器发现,“丘留莫夫—格拉西缅科”彗星周围稀薄的气体中存在甘氨酸和磷元素。甘氨酸是一种氨基酸,而氨基酸在生命体中发挥重要作用,被认为是“生命基石”。磷元素也广泛存在于脱氧核糖核酸(DNA)和细胞膜等处,有重要的生理作用。

2015年10月科学家在洛夫乔伊彗星上侦测到构成生命所需的两种复杂有机分子——酒精乙醇和简单糖类乙醇醛,为解开地球生命起源带来新线索。此前科学家还曾在67P/楚留莫夫—格拉西孟柯彗星上发现多种有机分子。

“彗星给地球带来了生命起源所需的基础物质是完全有可能的。”原中国国家天文台研究员李竞指出,与地球上地质变化频繁不同,彗星内部变化较少,且彗星温度较低,因而好似一个在太空中飞行的“冰箱”,适宜保存最原始的生命物质。当这些彗星撞击地球时就把生命物质也带到了地球上。

但他同时也强调,虽然地球生命可能来自于外太空,但是也不能排除生命本身就是在地球上形成的。

生命诞生于“原始汤”?

关于地球生命起源一个最主流的看法认为,生命诞生于“原始汤”。科学家认为,在距今40亿年前后,在地球的海洋中就产生了存在有机分子的“原始汤”,这些有机分子是闪电等能源与原始大气中的甲烷、氨和氢等发生化学作用而形成的。地球上的所有生物都源自同一个个体,一个38亿年至40亿年前漂浮在原始汤中的简单细胞,它有着最基本的细胞结构,是最基本的生命体之一。

20世纪50年代初,美国科学家米勒令电火花穿过类似原始大气的一种混合气体,结果混合气体中甲烷中的碳有15%发生转移,形成了水溶性有机小分子,其中包括4种氨基酸和氰化氢、甲醛等。这是形成生命的一些基本物质,氨基酸是组成蛋白质的成分,而蛋白质是生命体不可缺少的有机物;甲醛分子则可以生成组成RNA的一种核糖,而RNA是生命体中决定蛋白质性质的物质;氰化氢也可以进一步结合成腺嘌呤,而腺嘌呤是生命体中遗传物质DNA的组成成分。这个实验说明,生命确实可以在原始汤中通过简单的化学反应产生。

最早的有机小分子在地球上原始海洋的原始汤中产生后,经过长期积累和互相作用,在条件适合的情况下形成有机高分子物质——原始蛋白质分子和核酸分子。它们是构成生物体的最重要的物质。有机高分子在海洋中越积越多,相互作用,凝聚成小滴,构成一个独立的多分子体系,漂浮在水面上,进而演变成具有原始新陈代谢作用和能够进行繁殖的原始生命。

但持怀疑态度者提出,依托原始汤理论,不能产生持续的能量来使得反应继续,生命在没有能量的情况下是不可能存在的。进化生物学家威廉·马丁说:“作为生命起源的主流假说原始汤理论存在生物能量和热力学方面的缺陷,因为依托这个理论,不能产生生命所需要的能量。”

深海热液是生命的摇篮?

除了生命是诞生在有机化合物“汤”中的理论之外,另一个设想——海底的热液喷口是生命的摇篮——近年来也逐渐受到人们的关注。

随着对海底热液喷口及其生态系统研究的深入,科学家发现深海热液环境与地球早期的环境非常相似。海洋刚形成时,广泛并剧烈的海底热液活动导致了地球内部热量的散逸以及大量还原性金属元素和气体的产生。因此,那个时候的海洋处于强还原环 境,富含还原态的铁、铜、锌、铅、锰等金属离子,以及甲烷、氢气和硫化氢等气体,海水的温度维持在70℃—100℃。由于光合作用还没有出现,大气中几乎不含氧气,二氧化碳的含量很高,因而海洋呈酸性。科学家猜想,正是在早期海洋海底热液喷口周围,生命开始悄悄地萌芽了。

袁训来表示,海底的热液喷口有稳定的液态水环境,并且有化学梯度,有利于从有机小分子到有机大分子形成的化学反应。此外,热液喷口附近有比较丰富的金属矿物,有机化学反应需要催化剂,而这些金属矿物就是非常好的催化剂,因此海底的热液喷口有利于原始生命形成。

此外,科学家根据“分子进化时钟”的基因测序,勾勒出地球上所有生物的“生命进化树”。他们发现,位于“进化树”根部,代表着地球上所有生物“共同祖先”的微生物,绝大多数是从海底热液环境中分离得到的超嗜热古菌。它们的平均最佳生长温度超过80℃,能够利用热液喷口周围环境中的各种无机化学反应所释放出来的能量维系自身的生命活动,进而支撑整个生态系统的繁荣。这些微生物完全能够适应古代海洋苛刻的环境条件,是生命起源于海底热液喷口的核心证据。

黏土是地球生命的起源地?

中国古代传说中,女娲用泥土造人的故事或许真有其事——地球上的所有生命可能都来自于黏土。

2013年科学家在《科学报道》杂志上报告说,对微小的分子和“被黏土像海绵一样吸附住”的化学物质来说,黏土(地上的矿物化合物的最初形态)相当于一个培植实验室。“我们认为,在早期的地质历史中,黏土水凝胶对于生物分子与生化反应起到了限制的功能。”美国康奈尔大学卡利夫学院纳米科学教授罗丹说,黏土水凝胶能更好地保护发生在其内部的化学过程不被可能会拆除DNA和其他生物分子的核酸酶所破坏。在随后的几十亿年间,被限制在这些空间里的化学物质进行了非常复杂的反应,形成了蛋白质、DNA,以及最终促使活细胞正常运行的机制。

为了进一步验证这一想法,罗丹的研究小组在黏土水凝胶中演示了蛋白质合成。他们预先用合成水凝胶作为蛋白质产物的一个“无细胞”媒介,再用DNA、氨基酸、合适的酶和一些少量的蜂窝机械填充海绵材料,就可以使DNA编码成为蛋白质。

解密原始生命诞生为啥这么难?

科学家研究人类起源、动物起源、植物起源等都相对容易,为啥解密原始生命诞生就这么难?

袁训来说,这是因为关于这些物种地球上有很多化石证据,并且可以通过建立生命之树来推测这些物种的起源过程。可是原始生命起源于38亿年前,在此后的38亿年间地球经历沧海桑田的变化,很多岩石都被风化沉积变质了,想找到第一个细胞形成时的化石记录几乎是不可能的。

因此为了解密原始生命的诞生,欧洲空间局、美国国家航空航天局等机构都将眼光对准了外太空。因为火星、月球等星球没有像地球那样经历如此多的有水参与的复杂风化作用,所以它们可能仍维持着与地球早期生命起源的环境类似的环境。通过研究这些星球的环境或许有助于了解地球早期的环境信息。此外,如果能在这些星球上找到原始细胞的化石证据就更有助于破解地球生命起源的秘密。

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