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最初的生命如何应对水的威胁

时间: 2020年12月16日 | 作者: 新浪探索 | 来源: 新浪探索
生命依赖于水,但水也能分解DNA和其他关键分子。那么,最早的细胞如何解决这一悖论?

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生命可能起源于陆地水体中,也许就类似于加拿大的曼尼古根湖,这其实是一个由远古撞击形成的陨石坑


2021年2月18日,美国国家航空航天局(NASA)将有一艘飞船进入火星的大气层,它将启动着陆系统和空中吊装机动结构,将名为“毅力号”的六轮漫游车降落到火星表面。如果一切顺利,这台火星车将着陆在耶泽罗撞击坑,这是一个靠近火星赤道、宽45公里的陨石坑,可能曾经是一个液态水湖泊。


英国剑桥大学的研究者约翰·萨瑟兰特别关注毅力号的进展。他是该校MRC分子生物学实验室的生物化学家,也是游说NASA探访耶泽罗撞击坑的科学家之一。他之所以对这个陨石坑感兴趣,是因为它很契合他关于(火星和地球上)生命起源的观点。


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在生命起源问题上,关于少数分子经历了哪些化学步骤才转化为最早的生物细胞,研究者的观点已经发生了变化。着陆点的选择正是反映了这种变化。尽管长期以来,许多科学家都推测这些“先驱”细胞来自海洋,但最近的研究表明,生命的关键分子及其核心转变过程,只能发生在像耶泽罗撞击坑这样的地方,即一个由溪流构成的相对较浅的水体。


若干研究表明,生命的基础化学物质需要太阳光的紫外线辐射才能形成,其所处的水环境有时必须高度浓缩,甚至完全干燥。在室内实验中,萨瑟兰和其他科学家通过温和加热简单的碳基化学物质,使它们经受紫外线辐射并时不时加以干燥,制造出了DNA、蛋白质和细胞的其他关键成分。化学家还从未在模拟海水的条件下合成如此多样的生物分子。


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新出现的证据使许多研究人员放弃了生命出现于海洋的观点,转而关注陆地环境,主要是那些干湿交替的地方。当然,并不是所有科学家都改变了看法,但是支持陆地起源观点的科学家表示,该观点为一个长期以来的悖论——尽管水是生命的必要条件,但它也会破坏生命的核心组成部分——提供了解决方案。


美国华盛顿大学的行星科学家大卫·卡特林表示,陆地表面的湖泊和水塘很有可能是生命的诞生地,“在过去的15年里,已经有大量的工作支持了这个方向”。


原始汤


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尽管目前对于生命还没有一个标准化的定义,但大多数研究人员认为,生命必须包含几个组成部分,如携带信息的分子——DNA、RNA或其他分子。一定存在某种复制这些分子指令的方法,尽管复制过程不够完美,会出现错误,但这正是演化的基础。此外,最早的生命必须能够养活并维持自身存在,也许是利用蛋白质酶。最后,某些物质会将这些不同的部分连接起来,使其独立于周围环境。


对生命起源的实验室研究正式开始于20世纪50年代,当时许多研究人员认为生命起源于海洋,海水中存在着一种富含碳基化学物质的混合物,称为“原始汤”。早在在20世纪20年代,苏联生物化学家亚历山大·伊万诺维奇·奥巴林和英国遗传学家约翰·伯顿·桑德森·霍尔丹就各自提出了这一概念。他们都将早期地球想象成一个巨大的化工厂,大量的碳基化学物质溶解在早期海水中。奥巴林解释道,越来越复杂的颗粒不断形成,最终生成了碳水化合物和蛋白质——他称之为“生命的基础”。


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在20世纪50年代的实验中,斯坦利·米勒利用简单的基础分子生成了氨基酸


1953年,美国芝加哥大学一位名叫斯坦利·米勒的年轻研究者进行了一次著名的实验。许多人认为,该实验的结果证实了上述观点。他用一个盛着水的玻璃瓶来模拟海洋,用另一个装着甲烷、氨和氢的玻璃瓶来模拟早期地球大气,两个瓶子之间用管子相连。米勒用电极模拟闪电,通过几天的加热和电击,瓶子里的物质和水反应生成了甘氨酸,这是最简单的氨基酸,也是蛋白质的重要组成部分。许多研究者据此认为,生命起源于海洋表面附近。


然而,今天的许多科学家指出,这种观点存在一个根本问题:生命的基础分子会在水中分解。这是因为,蛋白质和核酸(如DNA和RNA)在连结处十分脆弱。蛋白质是由氨基酸链组成的,而核酸由核苷酸链组成。如果把这些分子放到水中,连结链就会断裂。已故的生物化学家罗伯特·夏皮罗在他1986年的代表作《起源》中批评了海洋原始汤的假说,他写道,在碳化学中,“水是一个敌人,必须尽可能地被排除在外”。


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这就是水的悖论。美国明尼苏达大学的合成生物学家凯特·阿达马拉表示,今天的生物细胞通过限制水在内部的自由流动来解决这一问题。出于这个原因,常见的细胞质示意图常常是错误的。“我们被教导细胞质就像一个袋子,可以装下所有东西,而这一切都在游动,”她补充道,“事实并非如此。一切都是在细胞内搭建起来的,而且是在一团凝胶当中,而不是一个水袋。”


许多研究者认为,如果生命能控制水分,那么其中的含义显而易见:生命可能是在陆地上形成的,因为水在陆地上只能间歇性地存在。


源于陆地


支持这种观点的关键证据出现在2009年,当时萨瑟兰宣布,他的团队已经成功制造出组成RNA的4种核苷酸中的两种。他们从磷酸盐和4种简单的碳基化学物质开始,包括一种名为“氨基氢”的氰化物盐。这些化学物质全部溶解在水中,但浓度很高,而且关键步骤需要紫外线辐射。萨瑟兰表示,这样的反应不能在海水中发生,而只能发生在暴露于阳光下的小水塘或小溪中,那里可以使化学物质浓度升高。


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萨瑟兰的团队已经证明,利用同样的起始物质,即使处理方法稍有不同,也能产生蛋白质和脂质的前体。研究人员认为,如果含有氰化物盐的水体被太阳晒干,留下一层与氰化物有关的干燥化学物质,然后被地热活动加热,就可能发生这些反应。在过去的一年里,他的团队利用太阳能和相同的高浓度化学物质制造出了DNA的构建单元,这在以前被认为是不可能的。


美国NSF-NASA化学演化中心的生物化学家莫兰·弗伦克尔-品特和同事扩展了这一成果。去年,他们发现,氨基酸在干燥后,会自发地连接起来,形成类蛋白质链。与其他氨基酸相比,组成今天蛋白质的20种氨基酸更可能发生这种反应。这就意味着,间歇性的干燥有助于解释为什么生命在数百种可能的情况下只使用这些氨基酸。“我们看到了对如今氨基酸的选择,”弗伦克尔-品特说。


干燥与潮湿


间歇性的干燥还有助于驱动这些基础分子组装成更复杂的、类似生命的结构。


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1982年,当时在加州大学戴维斯分校工作的研究者大卫·迪默和盖尔·巴切菲尔德发表了一篇论文,介绍了一个类似的经典实验。他们的目标是研究另一类长链分子——脂质——如何自组织形成包围细胞的膜。他们首先制造了囊泡:一种由两层脂质包裹的含水囊状结构。然后,研究人员将囊泡干燥,脂质就重新组织成多层结构,就像一堆煎饼,而之前漂浮在水中的DNA链被困在了脂质层之间。当研究人员重新加入水分时,囊泡发生了改变——里面有了DNA。这是迈向简单细胞的重要一步。


“这种干湿循环随处可见,”目前在加州大学圣克鲁兹分校工作的大卫·迪默说,“就像雨水在湿岩石上蒸发一样简单。”他指出,当生物化学物质(如脂质)受到这种干湿交替的影响时,就会发生不同寻常的情况。


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在2008年的一项研究中,迪默的团队将核苷酸和脂质与水混合,然后进行干湿循环。当脂质形成层状结构时,核苷酸就会连接起来,形成类似RNA的链——如果没有辅助的话,这种反应在水中是不会发生的。


其他研究指向了另一个因素,这似乎也是生命起源的关键所在:光。这是美国波士顿麻省总医院合成生物学家杰克·索斯塔克的研究小组得出的结论之一。该小组研究的是“原初生命体”,即含有少量化学物质,但能够生长、竞争和自我复制的简单细胞。如果原初生命体暴露在类似于陆地的环境中,它们会表现出更像生命的行为。在凯特·阿达马拉参与的一项研究中,研究人员发现原初生命体可以利用光的能量进行分裂,以一种简单的形式进行繁殖。


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类似的,同样在MRC分子生物学实验室工作的克劳迪娅·邦菲奥等人在2017年发现,紫外线辐射会推动铁硫簇的合成,而铁硫簇对许多蛋白质都至关重要,包括组成电子传递链的蛋白质。电子传递链又称呼吸链,是氧化磷酸化的一部分,通过驱动能量储存分子ATP的合成来为所有活细胞提供能量。铁硫簇在接触到水时就会分裂,但邦菲奥的团队发现,当铁硫簇被3到12个氨基酸长度的简单多肽包围时,会变得更加稳定。


水,但不要太多


诸如此类的研究为生命起源于光线充足,且含有少量水的陆地表面的观点提供了支持。然而,对于有多少水参与其中,以及水在生命起源中扮演了什么角色,仍然存在争议。


与迪默一样,弗伦克尔-品特也认为干湿循环至关重要。她说,干燥环境为蛋白质和RNA等链状分子的形成提供了机会。


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但是,能简单地制造RNA和其他分子并不等于生命,生命必须形成一个自我维持的动态系统。弗伦克尔-品特认为,水的破坏性可能是这种系统形成的驱动因素之一。就像被捕食的动物会演化出更快的速度,或者能分泌毒素以防御捕食者一样,最初的生物分子也可能演变得能够应对水的化学攻击——甚至能更好地利用水的反应活性。


今年,在之前表明干燥会导致氨基酸自发结合的研究基础上,弗伦克尔-品特的团队继续探索。他们发现,自发形成的原始蛋白质可以与RNA相互作用,导致二者在水中都变得更加稳定。实际上,水充当了某种选择压力的角色:只有那些能在水中“存活”的分子组合才能继续存在,因为其他的组合会被摧毁。


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因此,随着每一次干湿循环,较弱的分子(或那些无法通过与其他分子结合来保护自己的分子)就会被摧毁。邦菲奥的团队在今年的一项研究中也证明了这一点。在这项研究中,他们尝试将简单的脂肪酸转化为更复杂的脂质,类似于如今细胞膜中的脂质。研究人员发现,脂质混合物中较简单的脂质被水破坏,而较大且更复杂的脂质则不断积累。“在某个时刻,你会得到足够的脂质来形成膜,”邦菲奥说道。换言之,水的量可能存在一个恰到好处的值:既不会多到使生物分子太快破坏,也不是少到什么都改变不了。


温暖的小水塘


那么,这一过程可能发生在哪里?关于这个问题,该领域存在着代沟。许多资深的研究者都致力于这样或那样的场景设想,更年轻的研究者则认为,这是一个很开放的问题。


弗伦克尔-品特认为,开阔海洋显然是行不通的,因为化学物质无法浓缩。邦菲奥同意他的观点,“这确实是个问题”。


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有一种关于生命起源的设想认为,生命起源于海底喷涌热碱性水的喷口,比如大西洋的“失落之城”(Lost City)热液区


但也有人持不同意见。自20世纪80年代以来,NASA喷气推进实验室的独立研究者、地质学家迈克尔·罗素就一直支持另一种海洋起源观点。他认为,生命起源于海底的热液口,那里的温暖碱性水从地质构造中渗出,温暖的海水与岩石之间发生相互作用,提供化学能量,首先驱动简单的代谢循环,然后生成并利用RNA等化学物质。


迈克尔·罗素对萨瑟兰的方法持批评态度。在他看来,萨瑟兰“所有这些神奇的化学过程”其实都无关紧要。这是因为,现代生物用的是完全不同的化学过程来产生RNA等物质。罗素认为,一定是先出现这些过程,而不是先出现物质本身。“生命会挑选那些非常特殊的分子,但是你不能从替补席上挑选它们。你得从零开始,这才是生命之道,”他说道。


萨瑟兰反驳道,一旦RNA、蛋白质等分子形成,演化机制就会接管一切,使原初生命体找到制造这些分子的新方法,从而维持自身的生存。


与此同时,许多研究者对迈克尔·罗素的海底碱液喷口假说表示怀疑,认为缺乏实验支持。


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在新西兰罗托鲁阿附近“地狱之门”(Hell’s Gate)温泉的一项研究中,来自热液池的样品经过了干燥和再湿润的循环,这促进了化学反应,产生了类似RNA的分子


相比之下,模拟陆地表面条件的化学实验则形成了核酸、蛋白质和脂类的基本成分。大卫·卡特林说:“在深海热液喷口假说中并没有这些合成过程。而且没有做过这方面的研究,可能是因为根本做不了。”


弗伦克尔-品特也对海底热液口的观点持批评态度,因为她研究的分子在这种条件下无法存在很长时间,“这些原始多肽的形成与热液喷口不太兼容”。


今年5月,德国杜塞尔多夫大学博士后、地球化学家玛蒂娜·普赖纳和同事提出了一个可能的答案。她认为,在热液喷口下方的岩石中,热量和化学反应会使水分子凝结或分解,从而形成干燥的空间,“在一定程度上,岩石与水的相互作用会使水流失”。与此同时,海水也会慢慢地流入,这就像是“一种干湿循环”。普赖纳认为,这一过程将使深海岩石更适合关键分子的形成。当然,这仍然只是一种假设,“你还需要做相关的实验来证明它可以发生某些反应”。


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目前这方面的证据还不存在。另一方面,越来越多的实验结果支持生命起源于陆地小型水体的观点。萨瑟兰倾向于由陨石撞击坑形成的水体,在太阳和剩余冲击能量的加热下,多股水流沿斜坡流下,最后在底部汇合成一个水塘。这将是一个复杂的三维环境,矿物表面充当催化剂,碳基化学物质则在水中反复溶解,并在阳光下干燥。“在某种程度上,你可以肯定地说,这一切需要在地表完成,而不能在海洋深处或地壳下十公里处,”萨瑟兰说,“然后我们需要磷酸盐和铁。铁镍陨石很容易就能将这些东西带到地球上。”此外,撞击坑理论还有一个更大的优势:陨石在撞击大气层时能产生氰化物。


迪默一直支持的是另一种观点:火山温泉。在今年的一项研究中,他和同事布鲁斯·戴默提出,脂质可能在热泉中形成了原始细胞,正如他在早先实验中所揭示的那样。温泉边缘的干湿循环驱动了RNA等核酸分子的形成和复制。


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迪默在现代火山温泉中进行了若干实验,以验证他的观点。2018年,他的团队发现囊泡可以在温泉中形成,甚至可以包裹核酸——但它们无法在海水中形成。去年的一项后续研究发现,当产生的囊泡干燥后,核苷酸会连接形成类似RNA的链。


缩小生命起源地的范围需要对生命起源前的化学有更广泛的了解,包括许多反应如何结合在一起,以及反应发生的条件范围等。化学家Sara Szymkuć是创业公司Allchemy的总裁,她所领导的团队试图挑战这一庞大的任务。在9月发表了一项综合研究中,该团队利用计算机算法探索了一个庞大的已知前生物反应网络如何产生如今众多的生物分子。


这个网络是高度冗余的,因此即使多个反应被阻断,关键的生物化合物仍然可以形成。出于这个原因,Szymkuć认为目前排除任何生命起源场景都为时过早。我们需要系统地检验一系列不同的环境,看看哪些反应会在哪里发生。


地球之外


如果萨瑟兰的实验确实指明了地球生命如何开始,那这些实验也可以帮助我们探索宇宙中其他生命的可能起源。


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美国国家航空航天局的“毅力号”漫游车将在火星耶泽罗陨石坑中寻找生命迹象


火星吸引了最多的注意力,因为有明确证据表明其表面曾经存在过液态水。NASA的毅力号漫游车之所以选择在耶泽罗撞击坑着陆,部分原因是那里似乎曾经是一个湖,而且可能含有萨瑟兰所研究的化学物质。他帮助撰写了一份由卡特林主持的报告,并在2018年提交给NASA。报告中总结了生命起源前的化学发现,并就毅力号的着陆地点提出了建议。萨瑟兰说:“我们展示了这种化学反应,并指出耶泽罗撞击坑,也就是他们最终选择的陨石坑,是这种化学反应发生可能性最高的地方。”


毅力号还需要两个月的时间才能抵达火星,它所收集的样品将需要数年时间才能通过一项尚未命名的未来任务返回地球。因此,我们还需要一段很长的时间,才能确定火星是否有生命存在,或者是否在数十亿年前就有生命存在。但即使没有发现生命存在的证据,毅力号也可能揭示生命起源前的化学痕迹。


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卡特林认为,最好的情况是毅力号在火星沉积层中找到复杂的碳基分子,如脂质或蛋白质,或这些分子降解的残骸。他还希望找到干湿循环的证据。这些证据可能以碳酸盐层的形式出现,因为碳酸盐层通常是是湖泊干燥和多次填充后形成的。卡特林还推测“生命在火星上并没有走得特别远”,因为我们还没有看到任何明显的迹象,比如清晰的化石或富含碳的黑色页岩。他说:“我们寻找的东西很简单,甚至可能就是生物起源前的痕迹,而不是真正的细胞本身。”


一种可能的情况是,火星在形成生命的过程中只完成了最初的几个化学步骤,而不是全部。在这种情况下,我们可能会发现火星化石——不是生物化石,而是“前生命”化石。