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生命起源于海底又添新证据
2019-11-12           作者: 原理

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生命究竟从何而来?这是一个众说纷纭的谜题。近年来,许多科学家已经不再那么青睐“水池里的原始汤”观点,而是更多地将海洋深处的热泉视为地球上生命的最初来源。然而,深海热泉观点的一个最大问题就是,研究人员一直无法在实验室中重现这一过程。

具体说来,研究人员还无法在类似海水的条件下形成简单的细胞膜,而大多数人都认为,产生细胞膜是在这种环境下诞生第一批生物体所必要的过程。然而,在一篇近期发表于《自然-生态与进化》杂志上的论文中,伦敦大学学院的科学家指出,在过去研究中用来重建这些细胞膜的分子组合并不能真实反映当时海底可能存在的成分。他们发现,如果成分正确,深海热泉口的环境实际上对形成细胞膜来说是必要的。
 

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想象一下45亿年前的地球,那是一个被我们称为冥古宙的地质时期,它的历史其实并不像我们曾经以为的那样可怕。它不是由无数喷发的火山形成的熔岩海,尽管火山和熔岩确实存在,但当时的世界可能更像是被巨大的海洋包围着的小块岩石表面。

不过即便如此,那片海洋也并非我们今天所熟知的海洋。它比现在更温暖、酸性更强,富含大量铁元素。当时的大气成分主要是氮气、二氧化碳,没有氧气。当然也没有生命。

然而在海底深处,一些事情正在悄然发生。热的化学物质从海底升起,使氢和二氧化碳发生化学反应,产生简单的有机化合物。这些有机分子会反应生成越来越复杂的化合物,它们开始被包裹在简单的细胞膜中,并进一步朝着更加复杂的方向发展,产生能够携带信息的分子——并最终形成DNA。这是第一批能够生长、分裂和进化的活细胞。

地球上的生命或许就是这样开始的。而关于生命是如何以及从哪里开始的,依然具有大量不同的理论,比如热泉池塘、冰原,甚至外层空间等,都是一些常被提及的理论。为了弄清楚究竟哪种环境才是最合理的,科学家们提取出了一些不同的生命所必需的成分,看看我们能否在实验室中找到方法让它们重新出现在不同环境下。

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科学家并不是要在实验室中创造生命,而是要创造它们所需要的不同的组成部分。虽然并不是所有人都对生命有着相同的定义,但一件被该领域的众多科学家都认同的事是——第一个活着的有机体应该有细胞膜

细胞膜主要由磷脂组成,而磷脂则是由脂肪酸、类异戊二烯和糖等简单分子组成的。磷脂只能由生物体产生,但是脂肪酸却可以通过岩石和水之间的反应形成,而类异戊二烯以及与它类似的分子也能通过这种方式产生。

这些简单的分子形成了一种名为囊泡的膜结构,这是一种类似细胞的结构,它们会在充满水的空间周围形成双层膜。研究人员发现,这些囊泡可以起到细胞膜的许多功能。这使得研究生命起源的科学家深入调查了囊泡作为第一批细胞膜的可能性,也使囊泡获得了“原始细胞”的称号。

人们对原始细胞做了大量的实验,看它们是否能经受得住形成第一批活细胞时所必需的环境条件。例如,它们很容易在水中形成,可以包裹其他有机分子,并且在它们的内部可以制造出与DNA类似的分子——RNA。但一个大的问题在于,这些原始细胞不喜欢盐分,它们不能在海中那样的盐浓度环境下产生。

过去已经有研究表明,在富含氯化钠、氯化镁、氯化钙的海水环境下,原始细胞是不会形成的。这使得许多人相信海洋不可能是生命的起源地。
 

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但在新的论文中,研究人员注意到了之前一些研究中的问题,他们发现,过去那些研究中的原始细胞只是由一到三种分子组成的,而实验表明,在原始海洋中还有更多的分子

当研究人员使用14种分子组合时,发现这些分子完全可以形成能够包裹有机分子的原始细胞,而且即便是在存在氯化钠、氯化镁和氯化钙的混合物的海水中,也是如此。溶液的温度必须在70°C左右,pH值在12左右(碱性)。

新的研究表明,这些原始细胞不仅可以在深海热泉口所创造的条件下形成,而且它们实际上还需要这样的条件才能够生存。虽然这并不能因此彻底证明生命起源于海底热泉的喷口,但它确实重新证明了生命起源于喷口的可能性。这一结果也可以影响到我们在其他星球上寻找生命的过程。在木星和土星的那些冰冷的卫星上,或许就有这样的碱性热泉喷口存在于海底。

然而,生命起源的问题还没有被解决,一些秉承着不同理论的科学家正在进行非常值得期待的研究。这是该领域的一个非常激动的时刻,我们正在慢慢接近这个与生命有关的最基本问题的答案。现在我们已经证明,细胞膜可以在过去原以为不可能出现的地方形成。谁又知道未来我们还会发现什么?随着这些理论证据的建立,最终我们将会清楚哪种环境才是最有可能诞生生命的地方。

撰文:

Sean Jordan(伦敦大学学院遗传学系博士后研究员)

原文标题为“Origins of life: new evidence first cells could have formed at the bottom of the ocean”,于2019年11月7日首发于The Conversation,原文链接:https://theconversation.com/origins-of-life-new-evidence-first-cells-could-have-formed-at-the-bottom-of-the-ocean-126228,中文内容略有修改,仅供参考,一切内容以原文为准。

责任编辑: 蔚 蓝 文章来源:
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