关于生命起源的4项著名研究

关于生命起源的4项著名研究
2020年08月07日 10:53 新浪科技综合

  来源:原理

  十几年前,Jim Carrey主演过一部喜剧电影《冒牌天神》(Bruce Almighty)。在剧中,不停抱怨命运不公的主角布鲁斯突然被允许做一天无所不能的“上帝”,负责管理整个世界的运行。很快,布鲁斯就被写着所有人愿望的便利贴淹没了。

图片来源:《冒牌天神》图片来源:《冒牌天神》

  不得不说,布鲁斯在剧中领到的这个任务可能只算得上是“上帝简单模式”。如果想要给布鲁斯一些真正的考验,不如把他的任务推回到生命起源的阶段,毕竟生命的那些最初时刻才是最神秘、最吸引人的。(当然,电影也可能就成了一部科幻片。)

  虽然电影和故事只是一种虚构和畅想。但不可否认,生命的起源和早期进化一直是现代科学中最受关注的大问题之一。想要了解生命的起源,必须找到许多问题的答案,从生命起源的天体物理和行星背景,到前生命化学越来越复杂的发展,到第一批细胞的组装,再到达尔文进化论中的进化以及后来越来越复杂的生命形式的出现。

生命起源和早期进化的大致“时间轴”(横轴时间单位:十亿年)。| 图片设计:雯雯子;参考来源:《进化》生命起源和早期进化的大致“时间轴”(横轴时间单位:十亿年)。| 图片设计:雯雯子;参考来源:《进化》

  目前,我们已经对生命起源和早期进化的大致时间轴有了一定了解。主流学说认为,地球被认为在大约45亿年前形成,而生命很有可能起源于地球最后的主要增长阶段(约40亿年前)和最早的已知化学化石形成(约38亿年前)之间的2亿年中。

  在过去的半个多世纪里,有关生命起源的研究蓬勃发展。但科学的进程从来不是直线发展的,其中有一些关键发现突破了我们的认知,也有一些发现颠覆了以往的观点,但它们的共同之处在于,它们都让我们越来越靠近生命的开端。

时间:1953年  代表论文:A Production of Amino Acids Under Possible Primitive Earth Conditions  代表科学家:Stanley L。 Miller et al。时间:1953年  代表论文:A Production of Amino Acids Under Possible Primitive Earth Conditions  代表科学家:Stanley L。 Miller et al。 

  可以这么说,现代对生命起源的研究始于1953年。那一年,诺贝尔化学奖得主、化学家Harold Urey的博士生Stanley L。 Miller进行了迄今为止最著名的生物发生实验,改变了人们对前生命合成的看法。

  生物发生的第一步,首先需要大量“零件”,这是最容易理解的一步。这些零件包括氨基酸、脂类、糖等等分子。Miller设计了一个简洁的仪器来模拟早期地球环境。沸水代表着冥古宙的海洋,简单的气体混合物模拟着地球原始的大气,电火花则模拟了闪电。在这种条件下,仅仅几天后,密封仪器中无色的水就变了颜色,其中开始含有许多复杂的有机分子混合物。原本透明的玻璃变得污迹斑斑,沾满了粘稠的黑色有机污泥。

Miller-Urey实验装置简单示意图。| 图片来源:WikicommonsMiller-Urey实验装置简单示意图。| 图片来源:Wikicommons

  Miller对这些化合物进行了分析,发现其中含有丰富的氨基酸等物质。随后,科学家在相似的条件中创造了一系列有机分子,这些实验确凿地表明,早期地球一定富含着生命的基本分子。这类实验成功建立起了一种范式,将生命的起源追溯到这样一种“原始汤”中,仿佛就是达尔文笔下的那个“温暖的小池塘”。

时间:1977年  代表论文:Clustering of Suspension-Feeding Macrobenthos Near Abyssal Hydrothermal Vents at Oceanic Spreading Centers  代表科学家:Peter Lonsdale et al。时间:1977年  代表论文:Clustering of Suspension-Feeding Macrobenthos Near Abyssal Hydrothermal Vents at Oceanic Spreading Centers  代表科学家:Peter Lonsdale et al。

  事实上,一些科学家认为,1953年的实验在某种程度上来说是“过于成功”,以至于不少专家曾一度认为,生命起源之谜已经基本被解开了。米勒的影响力一直很大,许多“米勒派”的科学家相信,闪电带来了“原始汤”,生命就是从这样的环境中诞生。

  但答案显然没有那么简单。很快,新的发现似乎为生命诞生提供了另一种方案。

全球海底热液活动区的大致分布图。| 图片来源:Wikicommons全球海底热液活动区的大致分布图。| 图片来源:Wikicommons

  20世纪七八十年代,科学家在不见天日的深海海底,发现了充满生命的“黑烟囱”生态系统。这里富含矿物质的流体与炽热的火山地壳相互作用,形成喷口。这些喷口喷出的热流接触冰冷的海水时,会产生矿物沉淀,就好像冒着黑烟的大烟囱。在化学能的推动下,生命在这种不见阳光、远离地球表面的地方蓬勃发展。

  现在我们已经知道,这些“烟囱”广泛地分布在海底,喷口附近的生态系统丰富多彩。人们也越来越意识到,在各种极端环境中,无论在酸性的池塘,还是沸腾的火山附近,或是冰冻的极地岩层中,生命比我们想象的更顽强和丰富,许多微生物甚至依赖来自矿物的微弱化学能就可以生存。一些科学家因此提出,为什么一定要假设生命就诞生于“温暖的小池塘”呢?事实上,生命的“零件”散落在宇宙的各个角落。

时间:1982年  代表论文:Self-Splicing RNA: Autoexcision and Autocuclization of the Ribosomal RNA Intervening Sequence of Tetrahymena  代表科学家:Thomas Cech et al。时间:1982年  代表论文:Self-Splicing RNA: Autoexcision and Autocuclization of the Ribosomal RNA Intervening Sequence of Tetrahymena  代表科学家:Thomas Cech et al。

  在对生命早期演化的研究中,长期以来隐藏着一个“先有鸡还是先有蛋”的问题。

  现如今,所有细胞生物都在使用DNA作为遗传物质,DNA携带的遗传信息能构造出蛋白质,从而实现生物的功能。DNA编码着合成蛋白质的信息,而DNA的复制又需要蛋白质的催化——那么,哪个先出现的?在生命的早期,是如何发展出这样复杂而完整的闭环的呢?

  20世纪60年代,Francis Crick提出了一种可能的猜想,其中的关键就是RNA。在生命早期,RNA可能同时作为信息的载体和催化剂。这样的猜想不无道理,RNA与DNA很相似,它们同样可以承载遗传信息,但结构比DNA更简单,似乎带着更多“原始”的影子。

  在不久之后,一些关键的线索出现了。1978年,Sidney Altman首次发现RNA在一种催化反应中是必需的。1982年,Thomas Cech首次证明RNA分子本身可以起到催化作用。Cech把一个未经处理的RNA分子放入没有蛋白质的试管中后,它开始了自我剪接。也就是说,RNA分子可以将自身切成碎片,并将遗传上重要的RNA片段重新连接在一起。目前,已知的RNA酶(也叫核酶)已有百种。Altman和Cech也因此被授予1989年诺贝尔化学奖。

  这些证据有可能指向,在生命早期很有可能是一个RNA世界。那时,RNA是唯一的编码分子,它们随后在自我复制中进化出了更为稳定DNA分子,并让生命迈入了蛋白质世界。但这段故事的细节目前仍然很模糊,毕竟生命分子很难留下动植物那样的化石线索。现在,还有许多研究都在追寻这种从RNA到DNA的变化是如何产生的,并希望找到最古老蛋白质的线索。

时间:1999年  代表论文:2-Methyhopanoids as biomarkers for cyanobacterial oxygenic photosynthesis  代表科学家:Roger E。 Summons et al。 时间:1999年  代表论文:2-Methyhopanoids as biomarkers for cyanobacterial oxygenic photosynthesis  代表科学家:Roger E。 Summons et al。

  在探索生命起源的研究中,还有一些化合物被作为“分子标记”。比如,如果某一类化合物在活细胞之外很少出现,而在特定岩层中找到了它们的踪迹,就可以被看作是一种有说服力的生命证据。

藿烷类化合物在稳定细胞膜方面具有重要作用。| 图片来源:Wikicommons藿烷类化合物在稳定细胞膜方面具有重要作用。| 图片来源:Wikicommons

  藿烷类化合物(Hopanoids)就属于这样一类有机物。每个藿烷都有一个独特的骨架,藿烷类化合物在稳定保护性的细胞膜方面发挥着重要作用,这类物质可能是所有分子生物标记物中最具说服力的之一。

  1999年,Roger Summons和团队在西澳大利亚25亿年前的黑色页岩中发现了藿烷分子变体。这里的岩石几乎没有受到过热量的改变,也没有受到地表生物或者地下水的污染,因此有可能让古老的生物分子保留下来。这些被称为2-甲基藿烷(2-Methyhopanoid)的分子只在光合蓝藻中被发现,而蓝藻是古地球上最主要的氧气制造者。

  Summons认为,地球上的光合作用在25亿年前就开始了。这个年代与当时已知的氧气的增加是一致的。这项研究也为古生物学开辟了新的道路,科学家可以在保存下来的分子碎片中寻找光合作用的起源。

  但对持怀疑态度的人来说,尽管样本所在的岩层条件优越,但污染仍会是个大问题。藿烷类化合物在地球上四处都是,在如此长久的地球历史中,我们并不能确定这些藿烷究竟是何时以何种方式到达那里的。

  在生命起源的研究中有太多不确定性,因此类似的争论比比皆是,它们虽然看起来激烈,甚至针锋相对,但也总是很有趣,总能带来新的发现。

  生命的起源只是第一步,非生命系统产生原始的生命形式,随后演化出成生物个体,并最终在地球上步入自然选择驱动的进化和多样化的轨道。这个过程经历了数十亿年,相关的研究自然也不是几篇论文就能囊括。也许有一天,我们或许能用一个更完整、更可靠的故事,最终回答生命起源的问题。但这个答案中的每一个字、每一句话的背后,一定都包含了无数的争论、推翻与重建。

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