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谁说生命诞生离不开水

文章发布时间:2015/5/26 3:21:09 来源:



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杨婴 昨天20:44

生命起源的摇篮,看起来可能跟今天的死亡谷一个样儿。图片来源:《新科学家》

(文/ Colin Barras)“某种温暖的小池塘”——1871年,达尔文给植物学家约瑟夫·胡克(Joseph Hooker)写了一封信,信中对生命摇篮的推测和描述至今还回响在我们耳边。他经过一番深思熟虑后认为,只要在湿润环境下布置好适当的材料,再给一点点光照、热量或电火花刺激,就可以通过单纯的化学反应创造出生命。

地球上的无生命物质如何、又在哪里转化为生命物质?目前我们还拿不出切实的证据来回答这个问题。从达尔文时代起,另外一些生命起源的假说也开始流行起来,有人说生命诞生于海底热液黑烟囱旁,有人说是在冰川中,有人则认为是在地球那充满辐射的首片海滩上。如果硬要我们选的话,恐怕大多数人还是青睐原始汤假说。

这么多年来,我们已经列出许多更详细的配方,用以展现早期地球怎样“煨炖”出有机小分子、有机小分子再怎样搭建复杂生命基石(如氨基酸、DNA、RNA等)的可能过程。这个过程除了需要正确的化学物质外,还需要温度和阳光,可能还要来几道闪电,此外,也是最重要的,还需要水,因为水是构成碳基生命所必不可少的溶剂。

不过在斯蒂文·本纳(Steven Benner)看来,上面的描述都是骗人的童话。他说:“我们总以为水的性质对生命来说很理想,其实恰恰相反,水是具有腐蚀性的。”本纳是美国佛罗里达州韦斯特海默科技研究所(Westheimer Institute of Science and Technology)的一名化学家,已经在合成生物学的前沿领域工作了30年。而合成生物学本身,就是想在试管中重新构建出让物质具有生命活性的化学条件。本纳并不是一个人,随着水的破坏效应渐趋昭显,许多研究者不禁要问:是时候挤掉生命配方中的水分了吗?

我们这颗行星地表的70%都被海洋所覆盖,我们身体重量的60%都被水所占据。几乎没有生命能长期脱离水而生存。对地球上的生命而言,水是能溶解有机分子、支撑有机反应的完美媒介,有了它才能完成生命活动的核心过程。

但这个“完美溶剂”也是个大麻烦。生物大分子不仅仅是“溶解于水”这么简单,水分子中富含电子的氧离子也会攻击这些大分子,让它们变得七零八落。本纳说:“眼下你身体里一个个细胞中的DNA正以每秒好几次的速度丢失着氨基基团,这都是拜水所赐。”生命只有通过化学反应不停修修补补,才能聪明地维持自身大分子的完整无缺。

湿漉漉不好办

可惜地球上的首个生命没时间开发出这类修补策略。在深入人心的“RNA世界”理论中,RNA被描述成第一种能够自我复制的分子,也是今天以DNA为遗传物质的生命的先驱。与DNA类似,RNA是由核苷酸组成的。核苷酸是一种复杂的有机大分子,由碱基和核糖这两种较简单的成分组成。数十年的研究表明,在水中合成核苷酸其实是件很棘手的工作。每个独立的小环节都是好好的,它们却无法顺畅地衔接。本纳说:“目前我们还停留在这么一种阶段:把第7步的产物刮下来,小心翼翼地舀进烧瓶后才能开始第8步。”如果没能在合适的时间将合适数量的各种分子舀进去,那就只能得到一团粘乎乎乱糟糟的东西。

10年前,本纳取得了一项突破。他证明硼酸盐(这类矿物中含有不同比例的硼元素和氧元素)可以在核糖搭建过程中充当脚手架。如此一来,这一步化学反应就成为了一种不需要人工干预的过程,更有可能自然发生了(参见《科学》杂志,第303卷,196页)。但是怎么把核糖接到碱基上仍不得而知,直到2012年,本纳终于提出了一个简单而大胆的建议:造生命,先去水。只要把水换成一种富碳贫氧的有机溶剂,比如甲酰胺(CH3NO),那么至少从理论上来说,正确的组分就能立即粘合在一起并连接成RNA(参见《化学研究报告》,第45卷,2025页)

早期地球大气中的氢氰酸(hydrogen cyanide)溶于水会生成甲酰胺(formamide)。甲酰胺的沸点比水高,因此,在环境温度很高时,水或许已经蒸发殆尽了,甲酰胺却只是变得更加浓缩。硼酸盐是火成岩剥蚀的产物,散布于今天的地表。本纳找来找去,终于在如今的地球上找到了一处地方,它既酷热难当又产出硼酸盐,完美地集合了生命源头可望而不可及的要素。这就是美国加利福尼亚州的死亡谷。本纳说,生命摇篮可能和它非常相似。

本纳的化学路径为生命提供了首张“一锅合成法”配方,虽有些争议,却可能在没有人工干预的情况下“煮”出生命的浓汤。德国奥斯纳布吕克大学的化学家阿曼·穆尔基德亚尼安(Armen Mulkidjanian)也热衷于早期生命合成方面的研究,但是面对在远古的死亡谷中提炼出生命这种事,他发现了一个问题:“世界上的硼酸盐矿物全是在较年轻的岩石中找到的。”直到距今大约30亿年前,硼酸盐在地表的富集程度才足以启动生命起源的化学机制,这已经比我们预想的晚了10亿年,而在那之前,没有任何证据表明硼酸盐足够富集。

那么,生命到底起源于哪儿呢?穆尔基德亚尼安在俄罗斯东部的勘察加地热场中找到了灵感。这些地热点是流体在地壳中穿行时、以蒸汽形式冲出地表后形成的,而流体能从途经的岩石中滤得养分,并将其一点点富集起来。在地热烟囱中经常能发现硼酸盐,同时这些地方也能找到构成甲酰胺的化学物质。此外,地球上似乎没有任何一处地方像堪察加地热场那样,钠离子/钾离子的比值与活细胞内部一致。这项化学指标上的“巧合”让穆尔基德亚尼安变得更加大胆,坚信正是类似的环境才使生命萌芽(参见《美国国家科学院院刊》,第109卷,E821页)。

穆尔基德亚尼安对本纳故事的“改编”得到了很多人的支持。“地热场好就好在能为生命起源提供稳定的条件,因为这些化学条件都是由地球内部供给的,不像外生条件那么多变,”意大利罗马第一大学的欧内斯托·迪毛罗(Ernesto Di Mauro)说道,“如果把本纳的观点置于地热场的大框架中,你得到的‘起源现场’就没什么弱点了。”

地热化学途径可能非常适合首个生命的诞生。图片来源:《新科学家》

但别高兴得太早。这类“现场”需要40亿年前的地球能够提供像死亡谷或勘察加地热场这样的干燥环境。放在十年前,也许所有人都会觉得这不是问题:地球那时身处名为“冥古宙”的地质时期,气候酷热得似被地狱之火炙烤。然而近10年来,地质学家对“早期炙热地球”的观点渐渐不再热衷。他们的主要证据来自一种细小的矿物晶体——锆石。它们每颗直径不超过1毫米,质地坚硬耐磨,因此,即使由它们参与形成的岩石被后来的构造活动毁掉,锆石也能存留下来。

细致的研究表明,锆石晶体是在凉爽湿润的条件下形成的,这暗示:地球在自己的童年期是湿漉漉的,陆地恐怕只占到地表的5%或10%。美国帕萨迪纳市加州理工学院的行星科学家约瑟夫·柯什文克(Joseph Kirschvink)的想法更离奇,他猜想当时根本没有一块干燥的陆地。这让他得出了一个看似离经叛道的结论:如果最初的生命不需要水,那它就不可能起源于地球。

生命来自火星?

搜索地外生命一般也把“跟着水走”奉为圣旨,然而近年来在太阳系内外的发现已经让人们开始重新审视这种假设。柯什文克一直是“地球生命火星起源说”的拥趸,从1996年曝出ALH 84001号火星陨石藏有41亿年高龄“细菌”化石的不实新闻时起,他就对此非常热心。在他看来,虽然现在人们已经达成一致,认为这些“细菌”不过是形似细胞的岩石结构,但是我们也不能因此而贬低火星起源说。“给火星起源说敲丧钟还为时过早,”柯什文克说道。

如果生命起源需要干燥的环境,火星确实占尽天时地利。尽管火星的北极地区一度是个大洋盆,但它南部的高地从来没有被水淹没过。柯什文克说:“RNA世界在那儿应该混得不错。”他认为后来——可能就在那些我们今天熟悉的、以DNA为本的细胞生命从RNA世界中诞生之后,一颗小行星撞击了火星表面,将携带这些细胞的岩石和冰块大块大块地抛出大气层。也许区区9个月之后,它们中的一些就得以抵达地球。

2013年8月,本纳在意大利佛罗伦萨举行的戈尔德施密特地球化学大会上表示,柯什文克的论述是合乎逻辑的。本纳说:“有关证据似乎正一点点增加,以证明我们实际上都是火星人,证明生命起源于火星然后乘着石块来到地球。”这些言论引发了一众媒体的瞩目。

就在几周前,美国檀香山市夏威夷大学的詹姆斯·斯蒂芬森(James Stephenson)及其同事,为这个理论提供了进一步支持。他们证明,本纳化学路径中的一种关键组分在火星上产量丰富。在对代号MIL 090030、有着13亿年历史的一块火星陨石进行分析之后,他们发表了结果,证明其中富含硼元素(参见《公共科学图书馆·综合》,DOI: 10.1371/journal.pone.0064624)。“实话说,我很惊讶,”斯蒂芬森说,“以前竟然没人好好检查过火星样品中的硼元素。”他还表示,他很快就会和本纳合作,进一步完善这个想法。

穆尔基德亚尼安同意,早期火星的自然条件可能适合生命起源,并且苦笑着指出了证据,表明那时的火星恐怕还拥有与勘察加相似的地热场,这可是他最推崇的生命摇篮样式。

但是他很怀疑,干燥之地诞生的生命乘着火星陨石到达湿漉漉的地球后,还能不能适应得了。遗传学研究表明,我们地球上的生命都可以追溯到一小群细胞,它们依靠共享基因产物存活,最终创造出一个单细胞生命体,它就是我们的“最后普遍共同祖先”(last universal common ancestor)。穆尔基德亚尼安说:“如果你把一个原始火星细胞扔进地球的大海里,它恐怕不大可能孤零零地繁殖。”更可能的情况是:它将一整套微生物生态系统从火星搬到了地球。

地球上的生命,有可能最初起源于火星。因为按照一些最新研究的观点,那里的环境比湿漉漉的地球更适宜生命的诞生。图片来源:barewalls.com

回归达尔文

这会引申出一个更大的问题。不管这种柔弱的早期生命形式在哪种环境哪颗行星上萌芽,当它们第一次接触潮湿的环境时,水的腐蚀性肯定会让它们痛不欲生。所有的证据都表明,与水的“第一次亲密接触”发生在很早以前,毕竟生命已经在海洋中繁荣了几十亿年。“这里有个悖论,”本纳承认,“为了解决水的问题,我们把水撇开了,但紧接着又得绕回水里。”他说,唯一切实的解决方法是,让一个干燥的摇篮慢慢变得湿润,然后让各种各样的分子物竞天择、生死由命。

或者,我们可以把故事再多改动一些。美国亚特兰大市佐治亚理工学院的化学家尼古拉斯·哈德(Nicholas Hud)指出,大多数研究者认可DNA是RNA以某种方式进化而来的,因此我们至少应该思考一下这种可能性——RNA是由另一种在水中性质稳定的分子进化而来的。他说:“我看着RNA时,发现这种分子表现完美、无懈可击,但要做到这个地步很难。”他认为,这种完美性也许泄露了天机,说明自然选择参与塑造了RNA。“哪个才更接近事实?生命起源于火星,空运至地球,移居他乡后重续漫漫进化路?还是起源于地球却改了开头,从一种不同于RNA的分子开始?

哈德的想法可以把柯什文克的火星故事、本纳的化学反应都扔到一边,但我们需要重新思考有关生命化学起源的基本假设,毕竟它目前还以RNA为根本。看来,就算在生命起源之前,要解决水之疑难,可能终究还要依靠自然选择原理。生命的起源和消逝,都与达尔文息息相关。

 

编译自:《新科学家》,No more primal soup: Creating life without water

扩展阅读

无水之境

2013年,NASA的机遇号火星车发现了火星上流淌过汩汩清泉的证据。而存在可饮用水,至今仍被当作火星可能栖居生命的证明。但当我们意识到水有碍于地球早期生命(见正文)时,我们是不是该去别处找找了呢?

实际上,美国航空航天局(NASA)和其他地方的天体生物学家,老早就把“生命离不开水”扔一边了。除了地球和火星之外,太阳系里最可能有生命的当数木卫六(Titan)。它是土星最大的卫星。卡西尼号探测器从2004年起开始进入环绕土星的轨道,记录下了土卫六的稠密大气,以及大气下的崎岖地貌和平坦洋面。但土卫六的海洋并非蓄满水,而是甲烷和乙烷这些烃类物质。美国纽约州康奈尔大学的行星科学家乔纳森·鲁奈(Jonathan Lunine)说:“土卫六是个好地方,做无水环境下化学自组织实验很不错。”

土卫六泰坦是太阳系里除地球外唯一拥有液态湖泊的地方。尽管那些湖泊里并不是水,但天体生物学家已经在研究那里诞生生命的可能性。图片来源:NASA/卡西尼

土卫六上寒冷刺骨,温度低达-180℃,生命即便存在,也没法用和地球生命相似的化学原理生存。实验室模拟确认,尽管这颗星球这么寒冷,其表面仍然能生成构成蛋白质的基本物质——氨基酸。虽然对我们地球生命碳化学过程至关重要的共价键无法快速形成和断裂,较弱的范德华力却变得足够强韧,可以在生物化学过程中扮演出彩的角色。

可能用来支撑生命的化学路径如此琳琅满目,无论生命起源时离不离得开水,无论它们需要的是什么,我们都应该放飞想象、海纳百川。毕竟,我们已经通过NASA开普勒太空望远镜这样的项目找到了2000多颗奇异的行星,它们环绕在别的太阳身旁,绝大多数都与地球大相径庭。鲁奈说:“在探索未知领域时,我们不能被已知的东西限制住。我们也不能在寻找生命起源的钥匙时,被‘水环境’这片叶子遮住眼睛。”


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