一个与地球生命起源有关的故事:人类是如何解开这个谜题(5)

2017年03月01日 09:25 新浪科技 微博
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在这样的环境中,生命所需的分子如何才能形成呢?在这样的环境中,生命所需的分子如何才能形成呢?
生命需要能量。生命需要能量。

  第四章:质子的力量

  我们在第二章中介绍过,科学家就生命的起源问题分成了三大阵营。一部分人认为,生命源自于RNA分子,但他们无法解释RNA或类似的分子最初是如何自发形成、并实现自我复制的。他们的研究刚开始还令人激动,最终却使人沮丧不已。不过就算是在该理论的鼎盛时期,依然有其他科学家认为,生命有着另一种截然不同的起源方式。

  RNA世界学说建立在一个简单的概念基础之上:繁殖是生物最重要的能力。许多生物学家都赞同这一点。然而,许多研究生命起源的科学家认为繁殖能力并不是最重要的。生物在繁殖后代之前,必须能够维持自己的生命。毕竟,如果你早早夭亡,就不可能有任何后代了。

  我们维持生命的方式是进食,绿色植物则会从阳光中汲取能量。这两者看似大相径庭,但本质上都是在吸收能量。这一过程就叫做新陈代谢。首先,你要获得能量;其次,你必须利用这些能量来生成细胞等必备物质。对能量的利用可谓至关重要。许多研究人员认为,这应当是生命最先拥有的能力。

  那么,这些仅有新陈代谢能力的生物究竟长什么样呢?最具影响力的假设由冈特·瓦施特肖塞(Günter Wachtershauser)于80年代末提出。他其实并不是一名专业的科学家,而是一名有着化学背景的专利律师。

  瓦施特肖塞提出,最初出现的生物“与我们见过的任何生物都截然不同”。它们并非由细胞构成,体内也没有酶、DNA或RNA。瓦施特肖塞想象出了一股从火山中冒出的水蒸气,其中富含氨气等气体,还有一些来自火山内部的微量矿物质。这些水在岩石上流过时,水中便会发生一系列化学反应。关键在于,水中的金属元素会帮助简单的有机化合物组合成更复杂的化合物。

  真正的转折点在于首个新陈代谢循环的出现。在该循环中,一种化学物质会被转化为其它一系列化学物质,最终重新生成最初的化学物质。而在这一过程中,系统会吸收能量,重新启动循环,继而开展各种生命活动。

  现代生物体内的各种结构,如DNA、细胞和大脑等,都是以这些化学循环为基础的。这些新陈代谢循环听上去并不能算作生物。瓦施特肖塞把他的设想结果称作“前体生物”(precursor organisms),并在论文中指出“你很难把它们称作有生命的东西”。但类似这样的新陈代谢循环正是每个生物的核心。你的细胞就像一座座微型化学加工厂,不断将一种化学物质转化为另一种物质。新陈代谢循环看起来并不像生物,但它们对于生命而言至关重要。

  上世纪80年代和90年代,瓦施特肖塞对自己的理论展开了极为详细的研究。他列出了最适合做反应表面材料的矿物,以及可能发生的化学反应循环。他的观点逐渐吸引了一批支持者。但这依旧停留在理论层面。瓦施特肖塞还需要实际发现来佐证自己的观点。幸运的是,这样的证据早在十年之前就被人发现了。

火山水温度很高,并且富含化学元素。火山水温度很高,并且富含化学元素。
图为太平洋中的海底热泉。图为太平洋中的海底热泉。
热泉周围生活着许多怪异的生物。热泉周围生活着许多怪异的生物。

  1977年,一支由俄勒冈州立大学的杰克·科里斯(Jack Corliss)带领的研究团队将一枚探测器送到了东太平洋海面下方2.5公里的深处,对加拉帕戈斯热点(Galápagos hotspot)展开了调查。这里的海床上分布着许多高高的石脊。而他们知道,这些石脊的火山活动十分活跃。

  科里斯发现,这些石脊上布满了热泉。滚烫的、富含化学物质的水通过岩石上的孔洞喷涌而出。令人惊奇的是,这些热泉周围聚集着大量奇特的生物,如巨大的牡蛎、笠贝、淡菜和管蠕虫等。水中还含有大量细菌。它们全都以热泉提供的能量为生。这一发现使克里斯名声大噪,也引发了他的思考。他于1981年提出,40亿年之前的地球上也存在类似的热泉,而这些热泉可能就是生命起源的场所。

  克里斯指出,热泉中可以产生种类丰富的化学物质,每一座热泉中都充满了原始化学物质的混合物。而这些热水在岩石上流过时,热量和压力便会使简单的有机化合物合成更加复杂的化合物,如氨基酸、核苷酸和糖类。热水即将流入海洋之前,水温下降,这些化合物便会开始形成链状结构,组成碳水化合物、蛋白质、以及DNA这样的核苷酸链等等。接下来,在热水流入海洋、进一步冷却之后,这些分子便组合成了简单的细胞。

  这种设想很有道理,很快便吸引了人们的注意。但史丹利·米勒却不为所动。他在1988年的一篇文章中指出,这些热泉的温度太高了。虽然极端高温可以推动氨基酸等化学物质的形成,但米勒的实验表明,高温也可能对氨基酸造成破坏。糖类等关键化合物“最多只能坚持几秒钟”。此外,这些简单的分子也不可能形成链状结构,因为它们遇水就会土崩瓦解。

图为地质学家、生命起源学者迈克·拉塞尔图为地质学家、生命起源学者迈克·拉塞尔

  这时,地质学家迈克·拉塞尔(Mike Russell)也参与到了争论之中。他认为热泉理论是可以行得通的。并且他认为,这些热泉很适宜瓦施特肖塞提出的前体生物生存。最终,他提出了最被广为接受的生命起源理论。

  拉塞尔对地球表面在数十亿年间发生的变化有着浓厚的兴趣,他的生命起源理论也受到了这一背景的影响。上世纪80年代,他在一类较为温和的热泉(温度低于150摄氏度)中找到了化石证据。他认为若是在这样的温度下,有机分子便能存活更长时间。此外,这些热泉中的化石还有一些奇特之处:有一种名叫黄铁矿的矿物(由铁和硫构成)竟然形成了直径约1毫米的管状,拉塞尔在实验室中研究后发现,这些黄铁矿也可以形成球状小液滴。因此他认为,第一批复杂的有机分子可能就是在这些简单的黄铁矿构造中形成的。

  差不多就在这段时期,瓦施特肖塞发表了自己的观点。他也想象了一股富含化学物质的热水从矿物上流过时会发生什么情况,甚至还提出黄铁矿也参与了这些化学反应。拉塞尔依据这些事实做出了推断。他提出,如果深海的热泉足够温和、能够产生上述黄铁矿构造的话,热泉中也许就存在瓦施特肖塞设想的前体生物。如果拉塞尔的推断正确,那么生命就是在深深的海底诞生的,而且最先演变出了新陈代谢能力。

  拉塞尔在1993年发表的论文中阐述了自己的观点,此时距米勒的经典实验已经过去了40年。他并未像米勒一样引发巨大的轰动,但他的研究更加重要(这点仍存在争议)。瓦施特肖塞的新陈代谢循环和克里斯的热泉理论看似无关,但拉塞尔却成功将它们结合在了一起,提出了令人信服的结论。

  更令人吃惊的是,拉塞尔还解释了最初的生物是如何获取能量的。也就是说,他研究出了它们新陈代谢机制的运作方式。而他的理论基础,却来自一位被现代科学所遗忘的天才。

  上世纪60年代,生物化学家彼得·米歇尔(Peter Mitchell)因病被迫从爱丁堡大学辞职,随后在康沃尔的一处偏远住宅成立了私人实验室。他离群索居、缺乏资金。前文提到的多位科学家最初都认为他的理论荒诞不经。

  但不到20年,米歇尔就取得了最终的胜利:他荣获了1978年的诺贝尔化学奖。他的名字并非家喻户晓,但他的理论却被写入生物教科书中广为传颂。

  米歇尔将主要精力用在了研究生物如何处理从食物中获取的能量上。他知道所有细胞都将能量储存在同一个分子——三磷酸腺苷(ATP)中。该分子的关键部分是一条由三个磷酸基团构成的链状结构,三个基团均与腺苷相连。第三个磷酸基团加入这一结构时,需要大量的能量,而这些能量随后便被储存在了ATP中。

  当细胞需要能量时(例如当肌肉收缩时),ATP最末端的一个磷酸基团便会脱离主体,同时释放出能量,剩余的部分叫做二磷酸腺苷(ADP)。

  米歇尔想知道的是,这些细胞一开始究竟是如何合成ATP的?它们又是如何在ADP中积累起足够的能量、让第三个磷酸基团与主体相连的?米歇尔知道,合成ATP所需的酶存在于细胞器内膜或细胞膜上。因此他提出,细胞可能会将带电粒子(即质子)泵到这些膜外面,所以膜的一侧会有大量质子,另一侧则几乎没有。而为了平衡两侧的质子数量,膜外的质子会试图流回到膜的内侧。但有酶的地方才是它们的唯一“通道”。而当质子流过时,便会为酶提供合成ATP所需的能量。

  米歇尔在1961年首次提出了自己的观点,并用了接下来的15年时间证明它。如今我们已经知道,每个生物体内都会上演米歇尔所提出的这一过程。就像DNA一样,这个过程对生命同样具有至关重要的意义。

  拉塞尔将米歇尔的质子梯度理论运用到了自己的学说当中:细胞膜的一侧聚集了大量质子,另一侧则几乎没有质子。只有出现了这样的质子梯度,细胞才能储存能量。

  现代细胞通过将质子泵到膜的外侧来创造质子梯度,但这一过程需要复杂的细胞器参与,而细胞器并不是一开始就有的。因此拉塞尔运用逻辑进行了解释:生命形成之初,周围环境中一定存在天然的质子梯度。

图为大西洋中“失落之城”地热区域的一部分图为大西洋中“失落之城”地热区域的一部分
图为一座叫做“黑烟斗”的热泉。图为一座叫做“黑烟斗”的热泉。

  热泉可能符合这样的条件,但一定要是一类特殊的热泉才行。地球刚刚形成时,海水的酸性很强,其中含有大量质子。而要想形成质子梯度,热泉中的水质子含量必须很低,也就是说,这些水必须是碱性的。

  科里斯发现的热泉就不行,不仅因为水温过高,还因为水呈酸性。但在2000年,华盛顿大学的黛博拉·凯利(Deborah Kelley)找到了第一座碱性热泉。

  凯利的科学之路历尽艰辛,但她终究取得了成功,并对海底火山和热泉产生了兴趣。最终,她在大西洋中部找到了一处地壳裂口,并在凸出海床的山脊上发现了一片布满热泉的区域。她将此地叫做“失落之城”(Lost City)。这些热泉与科里斯发现的热泉不同,水温仅有40-75摄氏度,并且呈弱碱性。海床上耸立着一根根白色烟囱状的结构,上面凝结着大量碳酸盐矿物质。这里生存着大量微生物。

  这些碱性热泉与拉塞尔的理论可以完美契合。拉塞尔也相信,像“失落之城”这样的热泉也许正是生命起源的地方。

图为细胞从热泉中逃逸的情景。图为细胞从热泉中逃逸的情景。
热泉周围生活着许多怪异的生物。热泉周围生活着许多怪异的生物。

  但问题是,作为一名地质学家,他对生物细胞的了解还不够,导致他的理论无法真正令人信服。因此拉塞尔与生物学家威廉·马丁(William Martin)展开了合作。2003年,两人共同发表了修改后的理论,进一步充实了生命起源学说。

  由于凯利所做的工作,他们知道了这些碱性热泉的岩石上分布着许多细小的、注满了水的孔洞。他们认为,这些小小的孔洞就像“细胞”一样。每个孔洞中都含有生命必需的化学物质,包括像黄铁矿这样的矿物等。再加上热泉创造的天然质子梯度,这里正适合演变出新陈代谢系统。

  拉塞尔和马丁指出,一旦生命开始从热泉水中汲取能量之后,它们就会开始合成RNA等分子了。最终还形成了膜结构,变成了真正的细胞。然后这些细胞便会离开岩石,进入海水之中。

  这一理论如今是生命起源领域最著名的假说之一。

  2016年7月,马丁在一篇论文中指出,他设法重建了“最后的共同祖先”(last universal common ancestor,简称LUCA)的一些特征。“最后的共同祖先”指的是某种数十亿年前的古生物,所有现代生命都从它演化而来。

  我们或许永远也找不到这种生物的直接化石证据,但我们可以通过观察现有的微生物、对它的外观和行为进行合理的推测。而这正是马丁的做法。

  他对1930种现代微生物的DNA进行了分析,发现有355个基因几乎为每种微生物所共有。说明这355个基因来自于这些微生物的共同祖先。

  在这355个基因中,有些基因负责让细胞从质子梯度中获取能量,但它们都无法凭空创造出质子梯度。这与拉塞尔和马丁的理论所预测的一模一样。并且,“最后的共同祖先”似乎能很好地适应甲烷等化学物质的存在,说明它们曾生活在火山活动频繁的环境中——比如热泉。

  尽管如此,RNA世界学说的支持者仍认为热泉理论存在两处疑点。其中一个问题或许已经得到了解决,但另一个问题却是致命的。

  第一个问题是,拉塞尔和马丁描述的过程缺乏实验证据。他们的理论环环相扣,但皆缺乏实验佐证。 “认为繁殖能力最先出现的人不断用实验数据来证明自己的观点。”生命起源专家阿尔曼·穆尔基加尼安指出,“但新陈代谢的支持者们却没有这么做。”

  不过,在马丁的同事、伦敦大学学院的尼克·雷恩(Nick Lane)的帮助下,情况可能会有所变化。他发明了一台“生命起源反应器”,能够模拟碱性热泉的内部环境。他希望今后能从中观察到新陈代谢循环、甚至找到RNA之类的分子。但目前还为时过早。

  第二个问题是热泉在深海中所处的位置。就像米勒在1988年指出的那样,没有酶的帮助,像RNA和蛋白质这样的长链分子是无法在水中形成的。

  许多研究人员认为,这一点足以推翻整个理论。“如果你懂一些化学知识,你就不会相信深海热泉理论,因为这些分子的化学性质是无法与水相容的。” 穆尔基加尼安说道。尽管如此,拉塞尔和他的支持者们仍然兴头高涨。但就在几年前,第三种理论开始逐渐兴起,并获得了一系列有力的实验证据。该理论提出了一种凭空制造出完整细胞的方法,而无论是RNA世界理论、还是热泉理论都没能做到这一点。

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