生命起源于水?答案可能没那么简单

日期:2021年01月04日 来源:Nature自然科研 作者: 【打印】 【关闭】

  活生物都离不开水,但水能分解DNA和其他关键分子。那么,最早的细胞是如何解决这个水悖论的呢?

  2021年2月18日,NASA的一架航天器将穿过火星大气,点燃反推进火箭,在火星表面着陆,释放名为“毅力号”的六轮巡视器。如果一切按计划进行,这项任务将在杰泽罗陨击坑(Jezero Crater)着陆,这是位于火星赤道附近的一个45公里宽的裂口,可能曾是一个液态水湖泊。

  在地球上的人们为“毅力号”欢呼雀跃之时,John Sutherland将在一旁冷静观察。Sutherland是英国MRC分子生物学实验室的一名生物化学家,也是游说NASA造访杰泽罗陨击坑的科学家之一,杰泽罗陨击坑符合他对生命起源的设想——无论是火星还是地球。

  生命可能起源于某次远古撞击后形成的陆地水体,比如加拿大曼尼古根湖一类的撞击坑。来源:Planet Observer/Universal Images Group/Getty

  着陆点的选择也反映出想法上的转变:几个分子是如何通过一系列化学反应成为了最初的生物细胞?虽然很多科学家一直推测这些先驱细胞来自海洋,但最新研究显示,生命的关键分子和关键过程只可能出现在杰泽罗陨击坑这样的地方——由水流汇聚形成的一个相对较浅的水体。

  之所以这么说,是因为多项研究表明,生命的基本化学物质需要来自太阳的紫外线辐射才能形成,而且含水的环境必须是高度浓缩的,有时候甚至要完全干燥。在实验室开展的实验中,通过小心加热简单的碳基化学物质,把它们暴露在紫外线辐射中,并间歇性地将它们烘干,Sutherland等科学家已经能生成DNA、蛋白质和细胞的其他关键组分。化学家还无法在模拟海水的环境下合成这么多不同的生物分子。

  新出现的证据让许多研究人员抛弃了生命起源于海洋的假说,反而开始关注陆地环境,特别是那些干湿交替的区域。这种观点的转变并非没有异议,但支持陆地起源说的科学家认为,这种假说解决了一个长期存在的悖论:虽然水是生命形成的关键,但水也能破坏生命的核心成分。

  华盛顿大学的行星科学家David Catling认为,地表上湖泊水潭的可能性很大,“过去15年里有大量研究都支持这个方向。”

  原始汤

  虽然对生命的定义没有统一标准,但大部分研究人员都认同生命的构成离不开多种成分,一种是携带信息的分子,如DNA、RNA等;此外还必须有一套复制这些分子指令的方法,但复制过程可以不完美,允许出现错误,播下演化改变的种子。再者,最早的生物体必然有办法实现自我喂养和维持,或许是利用了某些蛋白酶。最后,有些东西能将这些不同的部分组合起来,让它们独立于周围环境。

  探索生命起源的实验研究始于上世纪50年代,当时的许多研究人员都认为生命起源于海洋,源自一团被称为原始汤(primordial soup)的碳基化学物质。

  这种想法是苏联生物化学家Alexander Oparin和英国遗传学家J. B. S. Haldane在上世纪20年代分别提出的。两人都将年轻的地球比作一个巨大的化学工厂,许多碳基化学物质溶解于早期海水中。Oparin推测之后形成了越来越复杂的颗粒,并最终形成了碳水化合物和蛋白质——他称之为“生命的基础”。

  1953年,芝加哥大学的青年研究员Stanley Miller描述了一个实验,这个实验被认为证实了这种假说[1],如今也已广为人知。他用一个玻璃烧瓶装水来模拟海洋,另一个烧瓶装有甲烷、氨、氢来模拟早期的大气。他将这些烧瓶用管子连接起来,并用电极模拟闪电。几天的加热和电击足以产生甘氨酸,这是最简单的氨基酸,也是蛋白质的一种必要成分。这个实验让许多研究人员相信生命起源于洋面附近。