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生命摇篮大猜想

大约在40亿年前,地球上第一次出现了生命,它只是被包在某种囊中的遗传分子,长得跟我们当今所认识到的任何生物都不像,结构甚至比细菌的细胞还要简单。科学家一直在钻研这初始的生命究竟是如何形成的,他们认为找到生命起源的地点也许是破解这个问题的关键。

科学家们正在探寻,除地球之外,现在宇宙中是否也存在这样一个地方:它拥有能产生生命的关键元素,而且它的环境能供这些元素进行完美的化学反应。

小池塘猜想

达尔文是最早开始尝试回答这个问题的人。1871年,他在一封信中描述了自己的猜想:有一个温暖的小池塘,里面富含化学物质和盐,环境中还有光、热和电。达尔文认为在这样的环境中,蛋白质可能会自发地形成,然后会变成更复杂的有机体。20世纪50年代,美国化学家哈罗德·尤里和斯坦利·米勒进行了著名的米勒—尤里实验。他们建立了一个受控型密封系统,模拟地球早期大气层环境。

他们在长颈瓶中装上温水来模拟当时的海洋,当水蒸气蒸发时,会被收集在另一个烧瓶中。尤里和米勒在该实验装置中引入了氢气、甲烷和氨气,模拟早期大气层无氧气的状况。然后,他们释放电火花,来模拟闪电,进入这种混合气体构成的无氧大气层。最终,利用冷凝器将这些气体冷却成液体,收集进行分析。

实验结果表明,在冷却的液体中大量地存在着有机化合物,约有10%到15%的碳以有机化合物的形式存在。其中2%属于氨基酸,以甘氨酸最多。但核酸本身,如DNA或RNA则未出现。尤里和米勒得出结论称,有机分子形式能够来自于无氧大气层,同时最简单的生命体也可能孕育在这种早期环境中。

这场实验是20世纪最著名的实验之一,当时在社会上造成不小的影响,不过现在我们知道,当时在这个实验中生成的有机成分,并不足以构成生命,也意味着这场实验不足以说明达尔文的猜想是正确的。

生命想要“无中生有”,这三大要素必不可少:遗传密码、新陈代谢以及膜。遗传密码中携带可以用来制造细胞的生物蓝图;新陈代谢可以为细胞提供能量,而膜可以把这些成分和反应统统包裹在里面。在现存的有机生物中,以上三个要素都是由相同的原子构成的,即碳、氢、氧、氮、磷和硫。因此生命的摇篮至少要能提供充足的基本原子,还要有能让原子发生反应的基本条件。

海底起源猜想

当生物化学家们还在苦苦思索这些问题时,深海探险家在太平洋地区有了惊人的发现。在1979年,美国有艘潜水艇潜入了距海平面2千米深的海底,在那里发现了海底黑烟囱,它的原理和火山类似,只不过是在海底喷发。在海底黑烟囱中,人们发现了不同寻常的完整的生态系统。于是科学家猜想也许生命起源于这些海洋底部的热泉。

颇为巧合的是,大约在两年后,旅行者2号太空探测器发回了木卫二的照片,人们通过照片推测木卫二的冰壳下可能存在海洋。这个发现激起了人们对外星生命及其起源的兴趣,也给了相信海底起源说的人信心,甚至有人认为海底热泉既然能在地球上孕育生命,也一定能在其他星球起到相同的作用。

但后来科学家们放弃了这个猜想,因为海底黑烟囱中存在的氢含量很低,而且它的温度太高,新生的分子难以在这样的高温中保持完整,如RNA中的遗传物质会在高温里被迅速降解。

21世纪之初,人们在大西洋中部发现了温度较低的海底喷口,这个地方喷发碱性的海底热泉。海水和海底矿物质在此处发生反应,生成带有微小孔隙的岩石,以及富含氢气的温暖液体。科学家认为岩石的气孔是早期生命出现的理想之处,尤其是碱性热泉和酸性海水之间存在电化学梯度,能自发形成乙酰磷酸和焦磷酸盐,这是两种能为活细胞供能的化学分子。它们也可以为分子合成提供能量,让溶解的二氧化碳和氢气合成有机分子,再构建蛋白质的组成部分和RNA。

陆地起源猜想

如此看来,碱性的海底喷口似乎是生命起源的理想摇篮,只不过它也有自己的短板——过于潮湿。在地球上还没出现生命之前,生物分子是很罕见的,如果蛋白质的组成成分被过分稀释,那么它们就无法互相碰撞,最终形成蛋白质链。于是科学家猜想,或许存在一个有着干湿循环的地方,让最原始的分子能够碰撞出生命的火花,借此出现了陆地起源的猜想。

陆地起源说认为,生命开始于有着周期性干涸的环境中,脱水作用在合成有机分子时扮演着重要的角色。每当一个蛋白质的组成成分被添加进蛋白质链中时,会释放出一个水分子。众所周知,酶是活细胞的催化剂。在生命的初期,酶还没有出现,只能依靠干燥的环境担任脱水的作用。

科学家们认为在火山岛上的淡水池比在深海喷口附近更容易形成脂肪膜。在海洋中,溶解的钙和镁离子会妨碍脂肪酸聚集在一起形成连续的膜;但是在淡水中,脂质可以轻易聚集,就像水油混合时,油会轻易和水分离,出现很明显的边界一样。

为了证明这个猜想,科研人员从美国黄石国家森林和加州拉森国家公园的温泉中采集样品,再让这些样品经历干湿循环。他们发现,如果他们将这些样品脱水然后再补充水分,其中类似RNA的分子就会被包裹在脂肪膜中,就像原始细胞膜能包裹遗传物质一样。

有的科研人员认为,比起火山水池,地热田似乎是更理想的环境,因为它更干燥。地热田是指用来释放地热蒸汽的热岩石。科研人员认为,这里的化学反应更接近于我们自己细胞内部的化学反应,因为地热蒸汽富含能孕育生命的重要元素。通过控制蒸汽浓度,小水滴的形成可以为生成RNA创造理想的环境。

要生成RNA,首先要制造核糖,也就是RNA中的R。创造R的原子可能早已存在在大气中,不过没有外力的帮助,这些原子不会自发变成我们需要的核糖。这时候硼酸盐矿物可以成为有效的助力,它能引导原子合成更多的核糖,而且还能巩固核糖的结构,以免它们分崩离析。因此,有科研人员认为沙漠才是生命的摇篮,因为岩石中有着丰富的硼酸盐矿物质,偶尔还会有雨水滤出。

冰上起源猜想

上述的所有环境都有一个共同点,就是热量。我们知道,温暖的环境可以帮助推动化学反应,有些科研人员偏要反其道而行之,他们认为生命可能起源于冰块。当水结冰时,溶解在水中的所有物质都会被脱水,并浓缩成盐水。这些盐水被困在冰的狭窄裂缝中,进而形成聚合物链,低温还能帮助生物分子保持结构稳定,让它们得以继续生长。

为了证明这个大胆的猜想,有科研人员将溶液中的成分与金属离子冻在一起,尝试制造RNA链。他们使用环境中常见的离子,帮助促进催化反应。

实验发现,反复的冻融循环有助于酶的生成,酶能催化化学反应产生更多的RNA链。这非常符合我们最初对生命起源的期待。可见,冰似乎是一种有效媒介,它可以促进生物分子转换,使分子变成一个可以自我繁殖的系统。

遗憾的是,上述猜想都面临了同一个问题,它们无法对新陈代谢如何参与生命进程作出解释,这导致了所有猜想都无法回答一个关键问题,即早期生命的三大要素:遗传物质、新陈代谢和膜是怎样共同作用的。

火山口湖猜想

所有人都曾认为,我们在研究生命起源时需要拆分所有元素,再逐一研究。之前大多数研究人员的研究重点,要么在遗传物质中,要么在新陈代谢上。如今,萨瑟兰的团队正在探究一种新的猜想,认为可能生命起源是“一蹴而就”的,并开始寻找可以让所有元素一起发生反应的化学物质。

萨瑟兰把眼光投向了陨石坑。在40亿年前,陨石撞击地球是很常见的。这些来自外太空的岩石带来了氰化氢,其中包含了有机分子的三大重要成分:碳、氮、氢。如果积聚的氰化氢在水和紫外线光的作用下变热,也许可以形成一整套前驱分子,这些分子可以直接用来合成RNA、蛋白质和脂质。不过这个猜想也有一个问题,就是没有生命把剧毒的氰化物作为碳或者氮的来源。

那么,生命起源的摇篮究竟是湿的、干的还是冷的呢?其实所有的猜想并不是相互排斥的。比如在萨瑟兰的陨石猜想中,至少需要一个干湿循环过程和硫化氢的参与,这两者都可以在陆地起源猜想和海洋起源猜想中寻找帮助。当一颗巨大的陨石撞击地球时,会使地壳裂开。

这时如果在陨石坑中有水池,它可以通过地壳裂缝渗透下去,到地球内部足够深的位置时,又会被再次加热再向上冒泡。年轻的地球大陆上有很多火山口湖泊,它们有一些是由陨石撞击后形成的,这些湖泊的边界还会结冰,就像冬天的美国黄石公园的景致。在边缘的冰和附近陆地的碱性热泉喷口里,我们可以找到RNA中的酶以及新陈代谢作用。这样看来,说不定火山口热液湖就是我们一直在苦苦寻觅的生命起源的摇篮。

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