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生命真的起源于一锅原始汤?

地球上的生命可能起源于一锅原始汤,生命的基本特征从中自发涌现。

撰文 | 刘培源(集智俱乐部主编)

编辑 | 陈天真

责编 | 高佩雯

我们是谁,从哪里来,是人类世世代代追问的问题。地球上的生命可能起源于一锅原始汤。

2020年9月,发表在《科学》杂志上的一项研究发现,仅仅利用水、氮气、甲烷等6种简单的物质,让它们相互发生化学反应,不断迭代下去,就可以产生多种催化剂,它们同时又是化学反应的参与物,从而形成一个自我催化、自我复制的化学循环。

我们从何处来?我们是谁?我们向何处去?|Paul Gauguin

生命起源于一锅原始汤?

生命的起源一直是科学家关心的问题。最初的地球,显然是没有生命的。从简单的无机物中,如何孕育出复杂的生物体?

早在19世纪,达尔文在写给植物学家约瑟夫・胡克的信中就曾猜想,或许地球生命起源于一个温暖的小池塘。在这个小池塘中,如果氨和磷酸盐、光、热、电等条件都具备,就可以形成蛋白质这样的生物大分子。

达尔文的思想后来逐渐发展为关于生命起源的原始汤假说。简而言之,原始汤假说认为,地球上的生命起源于一锅无机物混合的原始汤:在原始地球环境下,简单的无机物通过化学反应转变为有机物,有机物发展为生物大分子,直到出现一个最简单、最原始的细胞,最终演化出地球上缤纷多彩的各类生命形态。

1953年,原始汤假说的一小部分――从无机物中产生有机物的过程被实验证实。这就是我们在中学课本上学过的米勒-尤里实验。当时,化学家尤里和米勒将多种物质(水、甲烷、氨气、氢气和一氧化碳)密封于烧瓶内,然后用电极产生火花,模拟原始大气电闪雷鸣的环境,观察是否真的能合成有机物。结果惊人地发现,烧瓶中产生了蛋白质的基本组成成分――氨基酸。

这个实验极大地支持了原始汤假说,但原始大气成分到底是怎样的,我们并不清楚。科学家在考察过远古地球的气候、温度等因素后发现,氨气、甲烷、氢气或许从未在同一时间段作为地球的主要气体存在过。在考虑到这些因素后,后来的实验再也没能复制米勒-尤里实验的成功,原始汤中也没有自发产生氨基酸。

原始汤假说似乎变得岌岌可危。幸好,来自海底热泉的研究为事情带来了转机。

地球上的生命可能起源于一锅原始汤。|Wired

深海热泉带来转机

上世纪70年代,科学家在太平洋加拉帕戈斯裂谷看到了一幅奇异的景观:这里蒸汽腾腾,烟雾缭绕,虽是两千多米深的海底,却烟囱林立,恍若置身火山口――这便是深海热泉。更令人惊奇的是,热泉周围是一个生机勃勃的生命世界,聚集着细菌、甲壳类、 管蠕虫和章鱼等各种大小的生物,种群密度堪比珊瑚礁生态。

在光线无法穿透的黑暗深海,尚且有生命出现,从原始汤中形成生命,似乎也颇有可能。

到了80年代,第二类热泉也映入科学家眼帘。不同于第一类热泉由火山和岩浆形成,第二类热泉由海水渗透进岩石形成。缓慢的海水侵蚀使得岩石形成奇特的纹路,在电子显微镜下呈现出大量微小的空腔,与细胞尺寸相仿,却并非细胞遗迹。

科学家们猜测,这些空腔可能是孕育生命的理想场所,大自然的第一锅原始汤或许就曾盛放在这里。最早的生命在演化出自己的细胞结构之前,寄居在大自然提供的这些天然隔离屏障中,正如远古人类寄居在洞穴里一样。

这些空腔的壁上富含硫铁矿,天然具有很强的催化能力,催化其中的生命物质自我复制。而遗传物质的复制是生命复制的核心,正是它让一个细胞发展为一团细胞,让一棵树蔓延出整片树林,让一对鸟繁衍出整个岛屿的鸟。

深海热泉周围是生机勃勃的生命世界。|维基百科

生命起源的“鸡生蛋”问题,或许无需纠结

自然固然有自己的道路,在原始汤中成功孕育出能够自我复制的生命。可是,人类似乎难以窥见其智慧。我们不得不苦苦思索,米勒-尤里实验断掉的链条要如何连上,无机物究竟是怎样产生出生物大分子,并获得自我复制的能力的?

进入20世纪,网络科学迅速兴起,给人们带来启发。正如连接是网络的本质一样,科学家们猜测,在从原始汤孕育出生命的过程中,关键的未必是几种特定分子,也可能是一批相互作用的不同分子。不同分子相互作用,从中涌现出生命的基本特征――自我复制。

2020年《科学》杂志上的论文为这种猜想提供了证据。研究者使用化学算法软件,仅仅以水、氮气、硫化氢、氨气、氰化氢、甲烷这6种简单物质作为起始反应物,让它们相互反应,产生的新物质接着继续参与反应,一代代持续下去,形成一个庞大的化学网络,其中包含数万种分子,有许多是生物体内存在的有机物。

他们在分析后惊人地发现,在这个网络中,竟然会产生多种催化剂。它们既是催化剂,也是化学反应的参与物,让化学反应越来越快,积累的物质越来越多。也就是说,从简单的无机物开始,就可以自发形成自我催化、自我复制的化学循环――这正是生命的自我复制能力的根基。

研究还发现,除了催化剂,反应产物中还有表面活性剂。这是一类可以让目标溶液表面张力显著下降的物质,可以改变浸润性、帮助增溶、乳化、起泡等。我们常见的洗涤剂,主要成分就是表面活性剂。

你可能一时想不到表面活性剂和生命有什么联系,事实上,细胞膜的主要功能成分就是表面活性剂。这层表面活性剂可能帮助形成生命和周遭环境之间最原始的边界,加速个体细胞生命的形成。

模拟实验让我们看到,几种简单无机物相互反应,不断迭代,就可以产生具备自我催化、自我复制能力的生物大分子,以及表面活性剂这道生命屏障。这也启发我们,或许根本无需纠结生命起源领域的一个“鸡生蛋”问题:具有自我复制能力的DNA和具有催化功能的蛋白质,到底谁先产生?情况可能是,一切都在原始汤中自发涌现。

虽然相关研究还相当初步,却无疑让我们窥见了生命起源的一道亮光。

非生命和生命的边界原本模糊不清。|Kent Foster / Science Source

非生命和生命的界线,一开始可能并没有那么清晰。如今生机勃勃的生命世界,都是从无机物分子组成的一锅原始汤中产生。

下一次当我们漫步沙滩上,看到散落的石头、贝壳,看到水草、鱼群,砂砾和空气,你会不会觉得,那些非生命的物质,也都和我们更亲近了一些?

参考资料

[1] Wolos A, Grzybowski B A, el al. Synthetic connectivity, emergence, and self-regeneration in the network of prebiotic chemistry[J].Science ,2020, 369(6511):eaaw1955

[2] Miller S L. A production of amino acids under possible primitive earth conditions[J]. Science, 1953, 117(3046): 528-529.

[3] 尼克・莱恩 科学出版社《生命的跃升:40亿年演化史上的十大发明》

本文经授权转载自微信公众号“十点科学”。