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地球生命起源于陆地池塘?

时间: 2017年10月25日 | 作者: Kevin Loria | 来源: Business insider
达尔文当年提出的生命源于“温暖的小池塘”的猜想,可能是正确的。

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从上万米深的海底世界,到90摄氏度的热泉口,生命几乎占领了地球的每一寸土地。我们在赞叹生命的绚丽时不由得会思考:这一切,最初是如何开始的?

 

著名生物学家查尔斯·达尔文(Charles Darwin)曾在一封寄给好友约瑟夫·李·胡克(Joseph Lee Hooker)的私人信件中提到,构成最早生命形式的大分子应该是从“温暖的小池塘”中诞生的。在热池特殊的环境条件下,各种前体化合物发生了一系列化学反应,这一过程创造出的生物大分子随后发展成为我们所熟知的各类生命形态。

 

另一种主流理论认为,生命应当起源于炙热的深海热液口。在这里,冰冷的海水被深海中活动的火山加热,这为化学反应提供了充足的能量。

 

究竟哪个假说为我们指明了生命真正的起点?长久以来,科学家一直为此争论不休。最近,第一种热池理论取得了突破。

 

在一项近期发表于《美国国家科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences)的研究中,研究人员通过建模提出,早期地球比现在频繁得多的陨石撞击,可能将碱基带至地球上的热池中,这些碱基可能参与了最早的RNA分子的组成。RNA不仅可以作为信息分子存储信息,还可以作为一种生物催化剂促进其他大分子的合成,因此大多数科学家都认同RNA的诞生是真正意义上的“生命”诞生的第一个步骤。

 

科学家认为,为了确保生命的延续,组成生命的分子必须能够合成新的分子。RNA既能作为信息载体又能作为催化剂的性质,决定了它不同于DNA——后者的复制过程必须有复杂的蛋白质分子来催化,而RNA可以依靠自身来产生新的RNA分子——这也是支持RNA首先出现的重要依据之一。

 

论文作者认为,他们的研究是首次通过这种复杂的手段,对生命的起源方式进行模拟,这一研究为热池理论提供了依据。

 

“以前从来没有人做过这样的模拟,这非常令人激动,”论文的第一作者,加拿大麦克马斯特大学的本·皮尔斯(Ben Pearce)这样评价道。

 

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当今地球上的一处热池,位于加利福尼亚州拉森火山国家公园。地球早期生命摇篮的候选者之一,本文研究中提到的热池,可能与图中的热池有些许相似。(图片来源:B.K. D. Pearce)

 

生命起源的模型

 

皮尔斯和其他共同作者一同建立了一个模型,在这个模型中,地球还处于行星地质变化的早期阶段。45亿至37亿年前,遍布全球的陨石撞击事件可能给地球上的热池带来碱基。

 

在干旱的季节,这些热池会缩小,使得其中的化学物质也浓缩在一起;而潮湿的季节里热池面积会增大。研究者写道,这样的干湿循环有助于解释聚合作用,也就是化合物聚集在一起形成长链或更复杂的三维结构的过程。他们据此认为,热液口形成早期生命的理论成立的可能性较低,因为热液口的水域显然比这些会定期缩小的热池要大得多,不利于化合物的聚合。

 

但也是由于在干湿循环过程中环境条件会发生快速变化,论文作者们认为RNA分子一定形成于陨石撞击的几年之内。否则,干旱时期充足的阳光中的紫外线就会破坏这些分子。

 

论文作者认为这一过程发生在至少41.7亿年前,比拥有确切证据的生命出现时间还要早几亿年。格陵兰岛的叠层石化石表明生命大约诞生于37亿年前,而就在近期,另一项研究称生命在距今约39.5亿年前就存在了。

 

论文作者有许多理由认为他们的模型能够帮助解释生命起源的“自然发生”理论。他们的模型将小行星作为RNA前体分子的来源,这有助于解释一些必需的化学反应可能如何发生,并且他们提出的时间线也与地球早期地质状况相吻合。

 

“因为有太多不同的数据输入,最终能得到一个一致的结论已经很令人惊讶了。模型的每一步都很自然地导向下一步,”这一研究的共同作者拉尔夫·普德里兹(Ralph Pudritz)在采访中提到,“这一切最终都导向一个清晰的结果,我们的假说有可取的地方。”

 

仍待解决的问题

 

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一个深海热液,或者称为“海底黑烟囱”。(图片来源:OAR/NationalUndersea Research Program (NURP); NOAA)

 

但关于生命起源的问题还远没有找到答案。

 

“的确,这是一种可能性,但它距离成为唯一的答案还非常、非常、非常遥远。”美国南加州大学的一位研究海底热液的地球化学家简·阿门德(Jan Amend)说。

 

阿门德认为干湿循环并不是必需的,他还指出,陨石撞击本身可能摧毁那些前体化合物,而且即使陨石也不大可能带来生命起源所必需的全部材料。

 

其他更支持深海热液理论的科学家认为,那是唯一一种能够为形成生命的化学反应提供足够能量的解释。

 

即使如此,这项新研究让热池理论得以向前一步。“基于对行星形成过程和太阳系化学的了解,针对地球生命出现的过程,我们提出了一种合理的解释。对于生命得以起源的环境特征,我们已经给出了基本合理的物理和化学信息,”论文的共同作者,普朗克天文研究所的德米特里·谢苗诺夫(Dmitry Semenov)在新闻稿中说,“现在轮到做实验的科学家来发现生命在这种特定的环境下究竟如何起源了。”

 

撰文 Kevin Loria

翻译 施怿

编辑 吴非

 

原文链接:

 http://www.businessinsider.com/life-origin-abiogenesis-warm-pools-darwin-2017-10


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