五大关键突破助力生命起源探秘

本文转自：科技日报

生命从单一的微生物形态演化到现在复杂的生态系统，其中充满了争议和谜题。图片来源：视觉中国

【今日视点】

◎本报记者 刘 霞

地球生命是如何起源的，一直是一个引人入胜的谜题。科学家不断追寻，提出了一些解释，但仍有一些问题没有得到解答。

近年来，科学家竞相在实验室中模拟约40亿年前早期地球的环境，试图重现生命诞生的化学反应。物理学家组织网在近期报道中，总结了最近5年有关生命起源的五大关键突破，人们或许可管窥其中独特的奥秘。

早期细胞内的反应自我维持

导致生命起源的化学反应靠什么能源推动呢？德国杜塞尔多夫大学科学家试图解开这一谜团。

该团队使用早期地球上可能存在的一些最常见元素，深入探究了402种制造生命基本组成部分核苷酸的已知反应。这些反应不仅存在于现代细胞中，也被认为是所有物种分化前最后一个共同祖先“露卡”的核心代谢机制。

针对每一个反应，研究人员都计算了自由能的变化。自由能决定了某个反应能否在没有其他外部能量来源的情况下进行。结果发现，其中很多反应都可以在没有三磷酸腺苷等外部能源的情况下进行。这就是说，生命基本组成部分的合成不需要外部能量，它可以自我维持。

地热热流推动生命分子集结

在地球的原始环境中，生命是如何诞生的？答案可能与地球早期地质结构的一项特征——岩石裂缝有关。这些裂缝在早期地球上普遍存在，热流经常穿过这些裂缝，形成温度梯度。

德国路德维希-马克西米利安-慕尼黑大学团队在稍早时间出版的《自然》杂志上发表论文称，穿过岩石裂缝的热流，能净化与生命化学起源相关的分子。该研究可解释生命最初的基本成分是如何从复杂的化学混合物中形成的。

研究人员构建了一个模拟这种自然现象的实验装置。该装置含有仅170微米的裂缝，以模拟地壳中的裂缝网络。他们使用这个装置，对一个包含氨基酸、核碱基和核苷酸等在内的混合物进行了处理。通过在裂缝中创建温度梯度，研究人员成功从该混合物中分离出50多种与生命起源相关的分子。这一成果证明，即使是微小的温差，也足以根据分子结构的细微差异，实现特定分子的分离和集结。

火山玻璃促进RNA合成

RNA可能是地球上最早出现的遗传物质，但其在地球上如何出现一直让研究人员困惑不已。

2022年，来自美国应用分子演化基金会的科学家宣布，他们在实验室内产生了稳定的RNA链。研究表明，核苷三磷酸盐经由玄武岩玻璃的过滤，就会形成长度为100—200个核苷酸的RNA长链。这些RNA链足够长，可以存储和传输信息。

论文合著者史蒂文·班纳指出，由于频繁的陨石撞击和活跃的火山活动，火山玻璃遍布于早期地球上。这一研究的意义在于贯通了早期地球小有机分子转变成RNA的整个过程，表明一两个含碳分子即便只经历单一地质学过程，也能形成足够长的RNA，并有进一步演化的可能。

热液喷口或是有机分子形成的温床

无机物变成有机物的化学反应被称为“固碳作用”。固碳作用对于构建组成生命的基础分子不可或缺。那么，最初的无机物是如何转化为有机物的？

驱动这种反应需要供体提供电子。在早期地球上，氢气可能是电子供体。研究表明，现代生物会通过乙酰辅酶A途径，将氢和二氧化碳结合形成有机分子。但现代生物是利用11种由15000个氨基酸组成的酶来运行乙酰辅酶A途径，而地球原始有机体不存在这种“酶”。

一个国际科研团队发表研究论文指出，这种反应可以自发发生，类似早期深海碱性热液喷口周围的环境，为反应提供了助推力，他们使用微流体设备完成了这项试验工作。

细胞膜构建块可自发形成

不管生命是在陆地上的温泉中还是深海内出现，如果没有细胞膜，促进生命形成的反应都不会走得很远。

现代细胞膜主要由名为磷脂的化合物组成，磷脂含有一个亲水性的头部和两个疏水性的尾部。它们是双层结构，亲水性的头朝外，疏水性的尾朝内。

研究表明，磷脂的一些成分，如构成尾部的脂肪酸，能在一系列环境条件下自行组装成这些双层细胞膜。但早期地球上存在细胞膜构建块——脂肪酸吗？

英国纽卡斯尔大学开展的一项新研究中，研究人员将可能存在于古代碱性热液喷口的富氢液体，与类似于早期海洋中存在的富含二氧化碳的水结合，重新展示了这些分子的自发形成过程。这一研究与假说相吻合，即稳定的脂肪酸可能起源于碱性热液喷口，并发育成活细胞。