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(7)

2017年03月01日 09:25 新浪科技 微博
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生命需要多种化学物质才能形成。生命需要多种化学物质才能形成。

  第六章:统一结论

  20世纪后半叶,生命起源理论的研究人员分成了几大阵营。每个阵营的科学家都力挺自己支持的理论,同时对其它理论加以诋毁。上一章中介绍的方法无疑是成功的,但每一种看似正确的理论都存在严重的问题。因此,一些研究人员如今希望能对这些理论加以统一。

  这一观点最初于几年前提出。而人们之所以会提出它,是因为一项乍看上去支持传统的RNA世界学说的研究结论。

  2009年,RNA世界学说的支持者们遇到了一个严重的问题。他们无法按照早期地球可能采取的方式生成核苷酸。这使得人们怀疑,原始生命根本就不是以RNA为基础的。

  约翰·萨瑟兰德从上世纪80年代就开始考虑这个问题了。他一直在思考,为什么制造RNA所用的核苷酸会如此困难,并用了多年时间寻求其它解决方案。

  而他的方案启发他提出了一套激进的新理论:生命的所有关键成分也许是同时形成的。

  “RNA中的一些关键化学成分就是无法组合到一起。”萨瑟兰德指出。每个RNA核苷酸分子都是由糖类、碱基和磷酸基团构成的。但实验证明,我们无法将糖类与碱基融合到一起,它们的形状并不吻合。

  因此萨瑟兰德在实验中使用了一些完全不同的物质。最终,他的研究团队共采用五种简单的分子,包括一种不同的糖、还有氨基氰(cyanamide),从名字上就可以看出,这是一种氰化物。该团队让这些物质进行了一系列化学反应,最终制成了四种RNA核苷酸中的两种。

  这是一次巨大的成功,萨瑟兰德也因此闻名遐迩。很多人认为这一发现进一步证明了RNA世界学说,但萨瑟兰德本人却并不这么看。

  “经典”的RNA世界学说认为,RNA在原始生命中承担了所有的功能。但萨瑟兰德认为这种可能性很小。他相信RNA起到了重要的作用,但不可能事事都由它解决。

  相反,他从绍斯塔克的研究中吸取了灵感。本文第五章中介绍过,绍斯塔克将认为复制能力最先出现的RNA世界学说与里斯的“细胞膜先出现”学说结合在了一起。而桑瑟兰德比他更进一步,提出了“所有关键功能同时出现”的理论。他希望能让细胞从零开始、完整地将自己组装起来。

  他的第一条线索是在核苷酸合成过程中发现的一个奇怪的细节,一开始还被认为视作巧合。

  萨瑟兰德合成过程的最后一步,是将磷酸基团连接到核苷酸上。但他发现最好一开始就将磷酸基团加入到混合物中,因为这可以加快早期反应速度。

  乍看上去,在不需要磷酸基团的时候就将其加入混合物中,容易使情况变得混乱棘手,但萨瑟兰德发现,这种混乱的状况反而有利于反应的进行。

  这让他不由得思考,混合物究竟该达到怎样的混乱程度。在早期地球上,水中肯定糅杂了数百种、甚至数千种不同的化学物质,就像一堆淤泥一样,但这种混乱程度或许也是存在最优水平的。

  我们在第一章中介绍过史丹利·米勒在上世纪50年代所做的实验,当时他使用的实验材料比萨瑟兰德要混乱复杂得多。其中的确含有一些生物所需的分子,但萨瑟兰德指出,这些分子“含量极少,剩下的是大量其它类型的非生物化合物。”

  萨瑟兰德认为,这意味着米勒的实验设置还不够理想。他使用的物质成分过于混乱,导致真正有用的化学物质反而被埋没其中。

  因此萨瑟兰德希望能实现一种折中情况,既不能太杂乱、导致重要物质无法发挥作用,又不能太简单、导致反应受到限制。如果控制好这一程度,生命的几大关键成分或许就可以同时出现了。

  换句话说,40亿年以前的地球上或许就有这么一个池塘,历经多年变化之后,里面的化学物质刚好达到了特定的混合水平,于是第一个细胞就形成了。

  这种说法或许难以令人信服,但萨瑟兰德找到的证据越来越多。从2009年至今,他已经证明了用来合成上述两种RNA核苷酸分子的化学物质还可以合成多种生命所需的分子。

  显然,下一步就是合成更多的RNA核苷酸了。他目前还没能做到这一点,不过在2010年,他合成了一些与核苷酸密切相连的、或许能够转化成核苷酸的分子。

  2013年,他还设法合成了氨基酸的前体分子。在此次实验中,他加入了氰化铜来帮助反应的进行。

  萨瑟兰德在实验中多次采用了氰化物,并在2015年对它们展开了进一步研究。他的实验显示,同样的化学物质组成还可以合成脂类前体分子,而脂类正是构成细胞膜的物质。这些反应需要在紫外线光的照射下进行,还需要加入硫和铜来加快反应速度。

  “细胞的必备组件都可以用成分相同的化学物质来合成。”绍斯塔克指出。

  如果萨森兰德所言不假,那么过去40年间、人们对生命起源的研究就全都是错误的。自从发现了细胞的复杂结构,科学家就一直假设最初的细胞是逐步形成的,隔段时间出现一种新的成分。

  萨瑟兰德指出,在莱斯利·奥格尔提出RNA最先出现之后,研究人员就一直在“试图理清不同成分出现的先后顺序”。但他认为,最理想的方法还是让所有细胞成分同时出现。

  “我们所做的一切,都是对‘让所有成分同时形成太过复杂’这个说法的挑战。”萨瑟兰德说道,“我们当然可以实现这一点。”

  绍斯塔克怀疑,大多数试图合成生命分子、将它们组合成活细胞的实验之所以均以失败告终,都是因为同一个原因:他们的实验材料太“干净”了。科学家们往往只使用自己感兴趣的化学物质,而不考虑早期地球上可能存在的其它物质。但萨瑟兰德的实验表明,只要向混合物中加入少量其它物质,便能引发更加复杂的化学反应。

  而绍斯塔克本人在2005年也亲自验证过这一点。他在试图让原始细胞容纳RNA酶的实验中发现,酶需要在镁的帮助下才能发挥作用,但镁会破坏细胞膜。而他的解决方法也十分令人惊讶:在合成囊泡时,用两种脂肪酸的混合物代替单一脂肪酸。这种混合物合成的囊泡可以不被镁所破坏,因此囊泡内部也就可以容纳RNA酶了。

  不仅如此,绍斯塔克还指出,最初出现的基因也许也是一种混合物。

  现代生物利用纯DNA来携带基因,但纯DNA刚开始时也许并不存在,而是RNA核苷酸与DNA核苷酸的混合物。

  2012年,绍斯塔克的研究证明,这样的混合物可以组合成一种“混合分子”,外观和表现都与纯RNA十分相似。这种混合型RNA/DNA链甚至还能折叠成不同的形状。

  这说明原始生命中是否存在纯DNA或纯RNA并不重要。“我相信最初的聚合物应当很接近RNA,只不过成分比真正的RNA更混杂一些。”绍斯塔克说道。

  不仅如此,我们在第三章中提到的TNA和PNA等分子也可能曾参与其中。我们还不知道这些物质在地球上是否存在,但如果存在的话,最初的生命也许在利用RNA分子的同时,也给它们留出了一些空间。

  这已经不仅仅是RNA世界学说了,而是“大杂烩”世界学说。

地球形成初期常常遭到陨石撞击。地球形成初期常常遭到陨石撞击。
也许生命最早是在浅海中形成的。也许生命最早是在浅海中形成的。
温泉也许正是生命的起源之处。温泉也许正是生命的起源之处。

  这些研究说明,第一个细胞的合成过程也许并不像我们一度以为的那样困难。细胞确实精密复杂,但如果简化程序、草草组装了事,即使功能不那么完善,原始细胞照样能够正常运作。

  这样粗糙的细胞似乎不可能在早期地球上存活下去,但当时它们面临的竞争并不激烈,也没有对它们造成威胁的天敌,因此从某些方面来看,那时的生命或许反而比现在轻松得多。

  但还有一个萨瑟兰德和绍斯塔克均未解决的关键问题:最初的生物必须拥有某种形式的新陈代谢体系。毕竟,生命如果无法获取能量,就必死无疑。

  在这个问题上,萨瑟兰德赞同迈克·拉塞尔、比尔·马丁、以及第四章中其它“新陈代谢论”支持者的观点。“RNA世界学说和新陈代谢论都有道理,”绍斯塔克指出,“我们必须解决新陈代谢的起源问题,化学能的来源非常关键。”

  虽然马丁和拉塞尔有关海底热泉的学说是错误的,但他们理论中的许多方面却十分正确,其中之一就是金属对生命起源具有重大的影响。

  自然界中的许多酶都含有金属原子,这通常是酶中的“活性”成分,其它成分只不过起到了支持作用而已。但最初的生命不可能含有如此复杂的酶,因此它们也许会采用“赤裸裸”的金属作为催化剂。

  冈特·瓦施特肖塞此前就曾提出过,生命最初是在黄铁矿上形成的。拉塞尔也曾强调称,热泉的水中富含金属元素,可以起到催化剂的作用。马丁在对“最后的共同祖先”生物的研究中更是发现了大量含铁的酶。

  此外,萨瑟兰德的化学反应需要依赖铜才能进行,绍斯塔克的原始细胞中的RNA也需要镁才能发挥功能。

  这样看来,热泉或许真的起到了至关重要的作用。“现代生物的新陈代谢体系中确实存在铁硫簇这样的物质,说明生命最初有可能是在热泉中、或热泉周围形成的,因为热泉的水中富含铁和硫。”

  因此,如果萨瑟兰德和绍斯塔克的想法正确的话,热泉理论的一个关键论点就是完全错误的:生命不可能起源于深海之中。

  “我们研究出的化学反应过程高度依赖于紫外线的照射。”萨瑟兰德指出。而阳光是紫外线的唯一来源,因此这些反应必须在阳光下才能进行。“这就排除了生命在深海中形成的可能性。”

  绍斯塔克也认为深海并非生命起源之地。“最糟糕的一点是,深海与大气层中的化学物质完全隔绝了开来,而大气层中有大量氰化物这样的高能催化物质。”

  不过,这些问题并没有完全排除热泉理论的可能性。也许这些热泉所处的水域较浅,能够接受阳光的照射,也能接触到大气中的氰化物。

  阿尔曼·穆尔基加尼安则提出了另一种理论:也许生命最初是在陆地上的某个火山池塘中形成的。

  穆尔基加尼安研究了细胞的化学成分,着重观察了哪些化学物质可以被细胞吸收、哪些则会被坚决排除在外。结果发现,无论来自于哪种生物,细胞中都含有大量的磷酸盐、钾和其它金属元素,但几乎没有钠的存在。

  现代细胞可以控制化学物质的进出,但原始细胞肯定做不到这一点,因为它们缺乏必要的细胞器。因此穆尔基加尼安认为,原始细胞形成之处所含的化学物质成分也许和现代细胞的成分差不多。

  这样一来,海洋立刻就被排除在外了。细胞中的钾和磷酸盐含量比海洋中高得多,钠的含量则比海洋中少得多。相反,靠近活火山的地热池更有可能是生命起源的地方。这些池塘中的金属成分刚好与细胞相吻合。绍斯塔克也支持这一观点。“我最倾向于生命是在陆地上某个地热活动较为活跃的浅水池塘中形成的,”他说道,“这些热泉并不是海底热泉,而是类似于黄石公园的火山热泉。”

  萨瑟兰德提出的化学反应在这种地方很有可能发生。这里的化学成分恰好满足条件,水位线时高时低、因此有些地方偶尔会干涸,还能接收到足够的紫外线照射。

  并且绍斯塔克还表示,这样的池塘很适合他的原始细胞生存。“原始细胞的温度在多数时间里都比较低,利于RNA复制和其它简单新陈代谢活动的进行,”绍斯塔克指出,“但它们的温度偶尔也会短暂升高,帮助RNA链为下一轮复制做好准备。”此外,热水带动的水流还能帮助原始细胞分裂。而萨瑟兰德在研究了这些理论之后,又提出了第三种观点:生命最初可能是在陨石撞击处形成的。

DNA由许多相似的核苷酸分子构成DNA由许多相似的核苷酸分子构成

  地球在形成后的头五亿年间,常常遭到陨石的撞击,但此后频率便大大下降。如果撞击规模刚好合适,也许便能创造出与穆尔基加尼安假设的池塘相似的环境。

  首先,陨石的主要成分是铁。受到陨石撞击的区域往往含有大量的铁和硫。并且,陨石撞击会使地壳融化,导致了地热活动和热水的产生。

  萨瑟兰德想象,小溪从撞击坑的斜坡上缓缓流下,将岩石中的氰化物溶解在水中,同时接受着来自上方的紫外线照射。每道水流中的化学成分都稍有不同,因此会发生不同的化学反应、产生不同的有机化合物。

  最终,这些水流汇入了撞击坑底部的火山池塘中,所有物质聚集到了一处,第一个原始细胞就这样诞生了。“这是一种非常特殊的情况。”萨瑟兰德表示。但他是在自己发现的化学反应的基础上进行猜测的,“这是唯一能说得通的方法。”绍斯塔克并不确定两种说法中哪种才是对的,但他认为萨瑟兰德的理论更值得重视。

  目前争论仍在继续,短期内依然难下定论。两种假设都需要从化学反应和原始细胞两个方面进行评判,如果哪种假设少了一种关键的化学元素、或是含有某种会破坏细胞的物质,就会立刻出局。

  这也意味着在人类历史上,我们即将首次解开生命起源这个未解之谜。

  迄今为止,绍斯塔克和萨瑟兰德提出的“所有成分共同出现”的理论仅仅是进行了一番大致的描述,但其中的每一步都得到了数十年来的实验证据支持。

  该理论对每一种生命起源学说都进行了借鉴,在博取百家之长的同时,努力解决这些理论存在的问题。

这些发现改变了我们看待世界的方式这些发现改变了我们看待世界的方式

  40亿年前究竟发生了什么,我们将永远不得而知。我们只能努力提出一种符合所有证据的理论。这些证据来自于一系列化学实验、来自于我们对40亿年前地球环境的了解、以及对最早的生命形式的了解。最终,在长达一个世纪的不懈努力之后,这样的理论终于开始逐渐成型。

  这意味着,我们正在接近人类历史上的一道重要分水岭。这道分水岭之后的人都将知道生命起源的真相,而在此之前的人则对此毫不知情。

  在达尔文于1859年发表《物种起源》之前去世的人就不了解人类从何而来,因为他们根本没听过进化论的概念。但如今每个在世的人都知道,我们和其它动物其实是近亲。

  而如果你出生在尤里·加加林1961年进入太空之后,你就会知道,人类是可以前往其它星球的。就算我们不能亲身体验,也都知道太空旅行已经成为了现实。

  这些事实都在逐渐改变着我们的世界观,并增加了我们的智慧(这一点还有待商榷)。进化论让我们学会了珍稀其它生命,因为它们都是我们的近亲。太空旅行则给了我们从远处欣赏地球的机会,让我们了解到这个世界是多么独特而脆弱。

  如今在世的人中,有一部分将成为历史上首批真正理解了生命起源的人。他们将会知道自己最古老的祖先长什么样子、生活在什么地方。

  这些知识将为我们带来巨大的改变。单从科学层面来看,它将帮助我们了解生命在宇宙中是如何形成的、以及生命可能存在于哪些地方。它还将让我们更好地理解生命的本质。但除此之外,我们尚不清楚生命起源将为我们揭露怎样的真相。(叶子)

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