隕石來的那一夜,播下了生命的種子


原理生命起源 Origin of Life在一項新的研究中,科學家在結合了天文學、地質學、化學和生物學的模型後發現:生命在地球表面冷卻到足以聚集液態水的幾億年後...

- 2017年10月12日23時26分
- 【原理】

原理

生命起源 Origin of Life

在一項新的研究中,科學家在結合了天文學、地質學、化學和生物學的模型後發現:生命在地球表面冷卻到足以聚集液態水的幾億年後就形成了;在太陽系形成期間,生命所需的基本材料就在太空中形成,並由隕石帶到了地球上的溫暖小池。

地球上生命的起源一直是科學中最基本的大問題之一,無論是化學家、生物學家、地理學家、或是天文學家都對痴迷於找出這個問題的答案。然而,想要破解這個謎題往往需要所有學科的共同努力。

我們還無法給出這個問題的確切答案,但在過去幾十年中,幾個有趣的可能性浮現在大家視野中。其中一個是20世紀80年代詳細研究的「RNA世界」學說所扮演的角色。我們知道,高等生物的遺傳信息都儲存在雙螺旋結構的DNA分子中。但還存在一種與DNA密切相關的分子在現代細胞中起著重要作用的分子,那就是RNA(核糖核酸);尤其是它們能催化某些特定的化學反應,並對在細胞內遺傳信息的傳送、及合成特定的蛋白質都是至關重要的。對於某些病毒來說,根本不需要DNA就能進行遺傳信息的存儲;相反,病毒里的所有遺傳信息都是用

RNA 編碼的。

DNA 和 RNA

RNA 和 DNA 的關鍵組成都是核苷酸,核苷酸長鏈中的序列決定了 DNA 和 RNA 所攜帶的信息。對 DNA 來說,經常會用一串字符來表示,其中每個字符代表形成每個 DNA 核苷酸的關鍵部分的四種可能的核鹼基之一,A 為腺嘌呤,C 為胞嘧啶,T

為胸腺嘧啶,以及G為鳥嘌呤。在 RNA 分子中,胸腺嘧啶 T 會被尿嘧啶 U 所替代。另一個區別是:眾所周知DNA通常是雙鏈螺旋結構,而 RNA 在外觀上更為多樣,最常見的是單鏈 RNA,能自我摺疊成非常複雜的形狀。

○ RNA 和 DNA 的區別。
| 圖片來源:Difference Between

RNA 對於生命來說至關重要,它所具有幾個關鍵特性使其能被列為在細胞出現之前更早期更原始的生命形態的候選者,更不必說多細胞生物了。其中最重要的屬性就是能進行自我複製,一個 RNA 可以聚集正確的核苷酸並將其排列成自己的副本。

早期的RNA世界

生命出現的最有前景的設想包括 RNA 中核苷酸鏈的形成、簡單前體細胞的自我複製,如脂肪酸會自發自組成膜(這個反應已在實驗室中被觀察到),形成原始的袋狀外殼,從而允許更多複雜的化學反應在其保護下進行。從這些簡單的開始,演變出更複雜的機制,特別是 DNA 的複製機制。

目前這種設想下的所有轉變都還只是推測,每個步驟都存在其他的解釋和模型,即便是 RNA 世界先於 DNA

世界這一概念也是如此。但是,我們生活在一個充滿希望的時代,在未來幾十年內建立一個物種起源的標準模型並不只是一種奢望。科學進展需要的將不僅是充滿創造力的設想,而要有具體的計算和實驗來顯示哪些進化途徑可行、哪些不可行。進展涉及到不同的研究領域:一方面,隨著我們對分子生物學的知識的增長,越來越多與生命從無到有的過渡有關的假設變得更能經得起實驗的測試。另一方面,在分子生物學和天文學分界上也出現了令人驚喜的新進展。

在過去的幾十年中,天文學家在了解行星系統是如何在年輕恆星周圍形成的研究方面取得了長足的進步,特別是和地球以及太陽系有關的演變歷史。這些新的結果都得益於最新一代的望遠鏡的出現,使得我們發現越來越多的系外行星,以及對年輕行星系統的直接觀測。包括新行星系統的化學演變模型在內的行星形成模型,為在太陽系中四十億年前的環境下可能出現怎樣的生命、以及它們在其他行星系統中會如何形成設置了場景。

天文學、化學和生物學的結合

○ 在NASA的艾姆斯研究中心懸掛的一幅壁畫中描述了地球上生命的出現。
| 圖片來源:NASA Ames Research Center

現在,天文學家和行星形成專家 Ben Pearce、Ralph Pudritz、Dmitry Semenov 和 Thomas Henning 利用天文學和生命起源化學來揭開 RNA世界的最早的時代:短 RNA 分子結合在一起以形成更長的分子的過程(「聚合」),然後在後期的化學演化階段中開始認真的自我複製。

長鏈的 RNA 分子並不容易產生,它需要一些定義良好的條件。一個可能的情況是將深海中的熱泉(hydrothermal

vent)附近標記為生命開始的第一步。但這存在的問題是,在這樣的條件下聚合物可能形成多長時間,聚合作用似乎需要一個乾濕循環的環境,而這似乎不太可能在海洋深處發生。另一個問題是,在氰化氫(HCN)或氨(NH₃)這類分子中很難獲得合適的氮的供應。而如我們所知,氮在生命形成的初級階段是必不可少的。

溫暖小池的吸引力

另一個生命起源可能的發生地是「溫暖的小池塘」(warm little

ponds):在小型且不流動的一潭死水中,化學物質可以在比海洋更有利的條件下聚集和反應。具有由粘土或其他礦物質形成的池壁的池塘為某些化學反應的發生創造了特別有利的條件。這種池塘的一個重要特徵是存在乾濕循環的環境。每隔一段時間,這種池塘會變干,讓其中的化學濃度更高,讓核苷酸之間發生結合。一段時間後,池塘又會重新充滿水。這種循環非常可能在塑造這種池塘中的化學反應方面起到了作用。而「溫暖的小池塘」這一說法本身可以追溯到生命起源的最早的猜測之一:在1871年,達爾文寫給植物學家約瑟夫·胡克的信中。

○ 在美國加州拉森火山國家公園的浜帕斯地獄(Bumpass Hell)的一個溫暖的小池塘。溫暖小池被認為是地球上生命起源的首要候選地。
| 圖片來源:B.K.D. Pearce

在海洋覆蓋的地球表面甚至超過現在的四十億年前,主要由地幔形成的火成岩(如玄武岩)組成的大陸剛剛開始出現,溫暖的小池塘相比而言是非常稀少的。劇烈的火山噴發隨處可見,大氣幾乎完全被火山氣體占據。那麼有機分子可能從引發 RNA 世界進化的環境中產生嗎?

來自外太空的基礎材料

一個也許令人驚訝卻又合理的答案是,在地球或類似行星上出現的生命的基礎材料可能直接來自於外太空。年輕恆星周圍環繞的由氣體和塵埃組成的圓盤含有大量的氨(NH₃)和氰化氫(HCN),這兩者都為核鹼基的形成提供所需的氮。除這些圓盤最內部的區域以外,結冰的塵埃顆粒是非常有效的小型化學實驗室。事實上,在地球上實驗室設置的實驗中,顯示了在這些結冰的塵埃顆粒上收集到的分子當被紫外線照射時(如同年輕恆星的情況),是如何變成核鹼基的。

在這些實驗中,科學家能在這樣的條件下觀察到五種核鹼基中有三種(U、C 和 T)是自發形成的。科學家在隕石上發現了含有相當數量的三種鹼基(G,A 和 U)。研究發現,在太陽系形成期間,這些核鹼基在這些隕石的「母體」(即大型小行星)的內部合成。

宇宙的送貨服務:隕石和塵埃粒子

讓我們回到溫暖的小池塘中,雖然它為 RNA

分子形成更複雜的形態提供了最佳環境,但是構成生命的最基礎的材料,即小池塘中的核鹼基,起初又是從何而來的呢?小池塘周圍的大氣層中的化學成分,比如最主要的二氧化碳(CO₂)、氮氣(N₂)、二氧化硫(SO₂)和水分子(H₂O)對此沒有任何的幫助。在早期地球的條件下,即使偶爾的一陣閃電(正如在著名的米勒-尤列實驗中對有機分子起源的探索),也不會產生大量的核鹼基。

而另一方面,隕石落在地球上則是一個更靠譜的來源。在大約40億年前,隕石撞擊地球的強度是今天的一億到一千億倍之間,每年落在地球表面的隕石在一萬億到一千萬億公斤之間,每年約有2000公斤完整的碳化合物能從這個宇宙旅程中倖存下來。不僅如此,行星際塵埃顆粒(IDPs)的穩定流動能讓它們直接流向地球表面,隨之而來的是任何已在表面形成的化學物質。然而,這種相較而言平平無奇的到來實際上十分有效,每年約有6000萬公斤的完整碳化合物因此被帶到地球。

定量研究:隕石播種的溫暖小池

如果只是停留在談論隕石或塵埃顆粒攜帶核鹼基進入小池塘這種設想,我們得到的也只是一個假設的故事而已,它並不具有更多的解讀力,除非這一模型得到數據的支持。

Pearce 和他的同事為這種設想計算了一個詳細的模型。從一個月球隕石坑(環形山)中重建的歷史中,他們得出了三種隕石撞擊地球的可能情形:一個比較遲的撞擊模型,發生在大約39億年前的一次強烈的隕石轟擊,再加上另外兩個設定在約45億年前的模型,分別代表與最小和最大數量的隕石物質兼容的數據。

然後他們計算了大型的含碳隕石「播種」這些池塘的機率。具體來說,這些隕石的原始直徑約在20至40米之間,在穿過地球大氣層的途中分裂成小塊。天文學家再計算這種小隕石塊在適當大小(直徑在1到10米間)的溫暖小池附近(足以讓一些有機物質進入池塘)著陸的機率。

這個計算需要他們知道溫暖小池塘的數量,他們通過計算現今陸地上的類似池塘的數量,並根據地質演化模型考慮到當時整體較小的陸地面積完成了這項估計。為了保險起見,他們計算了池塘數量是估算的十倍以及十分之一倍時的情況。結果是,數以千計的小池塘都是以這種方式被種下生命出現所需的基礎物質。

模擬:溫暖小池中都發生些什麼?

那些由隕石或塵埃帶來的核鹼基一旦進入池塘,會發生什麼情況呢?其中一部分會丟失:當池中充滿水時,處於乾濕循環的某一個潮濕階段中,核鹼基會溶解在水中(水解)。一部分水會從池塘底部的玄武岩的細孔中滲出來,並將核鹼基一併帶入,在池內通過任何進一步的化學反應除去這些核鹼基。在乾燥階段,當池塘里的化學物質沉積為沉澱物時,太陽發出的紫外線輻射會將核鹼基分解成更簡單的化合物(光分解作用),除了那些在頂部沉積物保護下的核鹼基能幸免於難。

○ 在乾濕循環階段中,小池塘中的化學物質受到了不同影響。
| 圖片來源:McMaster University

隨著新的核鹼基以一定的速率被引入池塘,並因各種不同的機制而發生的核鹼基的流失,所以只能通過定量建模才能判斷在多個池塘中是否存在足夠多的核鹼基以讓更長鏈的RNA得以形成。同樣,研究人員再次考慮了早期地球可能出現的更乾燥、更潮濕,更熱和更冷的條件。這些條件決定了核鹼基形成RNA鏈的快慢。

基礎物質的搬運工:是隕石,不是塵埃

第一個有趣的研究結果就是能讓核鹼基在那樣惡劣的環境下生存下來的主要功臣——不是行星際塵埃顆粒,而是隕石。原因在於塵埃顆粒的穩定沉積直接與核鹼基丟失的機制呈競爭關係,如滲透和光分解作用。而隕石則能一次性沉積相當數量的核鹼基,從而導致至少在較短時間內有更高的核鹼基濃度。

但事實證明,較短的時間就足以使核鹼基形成更長鏈的RNA分子,而反過來這些RNA分子並不會像短的那些一樣容易被丟失。尤其是因為它們自身較大的尺寸,使得這些大分子不會通過玄武岩孔洞滲出。這也就是為什麼長鏈的RNA分子一旦形成就可以存活下來,並參與更複雜的化學反應中,也是為什麼這種情況發生在沉積在隕石上的核鹼基上,而不是來自於沉積在行星際塵埃顆粒沉積的穩定的核鹼基流。

快速形成的生命

沉積模型對生命起源的時機有著重要的意義。隨著時間的流逝,隕石的隕落率會迅速下降,所以只有一個比較短暫的機會。大多數隕石的核鹼基遞送必須發生得相當早,大約在41.7億年前。這表明,RNA世界的形成應該也在早期,即在地球表面充分冷卻到可宜居後的2到3億年之後,也就是說,在溫度降到足夠低後,地球表面足以聚集液態水(比如海洋和湖泊)。

需再次強調的是,我們很可能還需花上許久的時間才能找到一個完整、一致、能被普遍接受的地球生命起源的模型。Pearce 和他的同事現在所發表的計算結果是一個難題里其中的一塊拼圖,它表明了隕石可能在將生命的基石帶到地球這一事件上發揮了重要作用,並且在這種情況下,更長鏈的 RNA

片段會形成於較早期的地球。總體而言,這些計算增加了溫暖小池塘設想的可能性,加強其與深海熱泉模型相比的競爭力。

但在向標準模型前進的道路上,我們需要如同在這篇文章里描述的定量分析,將我們對於早期地球的地質學知識、化學條件、所涉及的分子的性質以及與隕石和行星際塵埃性質有關的天文信息結合在一起,用計算告訴我們那些關於從簡單化合物轉變成能自我再生的活細胞的假設步驟中,有哪些是可行的、哪些是不可行的。目前關於生命起源研究具有一個令人欣慰的現狀,它得益於許多不同研究領域的進步和突破,從微生物學到尋找系外行星,以及對恆星周圍的行星進行的觀測,我們正在穩步地擺脫臆測,漸漸進入定量分析的領域。

編譯:二宗主

參考連接:http://www.mpia.de/news/science/2017-10-rna-ponds?page=1


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