地球生命诞生之谜:所有生命都是细菌后代

2016-12-09 10:02:01 来源: 网易科技报道 网易号 举报
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生命几乎已经征服了地球上的每寸土地。

但在地球刚刚形成时,它实际上就是没有任何生机的石球。那么生命到底起源自哪里?它们最初是什么样子的?

地球生命诞生之谜:所有生命都是细菌后代
细菌是所有生命的共同祖先

在人类历史上,很多人相信“神创论”,即神明创造了生命,比如中国的女娲造人。还有许多令人觉得匪夷所思的理论。然而,这些传说或神话都不是真的。在过去100多年间,科学家们试图弄清楚地球上的第一个生命是如何诞生的。他们甚至尝试在实验室中重现“创世时刻”:从无到有凭空创造出全新的生命。尽管到目前为止,还没有人取得成功,但我们已经取得了很大进展。如今,许多研究生命起源的科学家坚信,他们正走在正确的道路上。

生命是古老的,恐龙可能是地球上最著名的已灭绝生物,它们起源自2.5亿年前,但生命可追溯到更久远的年代。目前,世界上最古老的已知化石有35亿年历史,比最古老的恐龙还要早14倍。但是化石记录可能进一步追溯历史。比如2016年8月份,研究人员发现了37亿年前的化石微生物。它们几乎与地球同时诞生的,地球形成于45亿年前。

如果我们假设生命是在地球上形成的,这似乎是合理的,因为我们还未在其他地方发现生命。(网易科学)那么,生命肯定是在地球形成的最初10亿年间出现的,最古老的化石已经可以证明这一点。为了缩小生命诞生的时间跨度,我们可以对生命最初的形态做出猜测。

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自从19世纪以来,生物学家们已经知道,所有生物都是由细胞构成的。细胞是17世纪发现的,当时现代显微镜刚刚被发明。但是整整过了100多年,人们才意识到细胞是所有生命的基本组成形式。你可能觉得自己与鲶鱼或霸王龙截然不同,但显微镜下显示我们的细胞非常相似。植物和菌类也是如此。

到目前为止,数量最庞大的生命形式当属微生物,它们每个个体只有1个细胞构成。细菌是最庞大的微生物群体,它们几乎无所不在。2016年4月份,科学家们推出了新版“生命之树”,即包括所有生命的家族树。几乎所有分支都是细菌。此外,生命之树的形状显示,细菌也是所有生命的共同祖先。换句话说,如今地球上所有活着的生物,包括人类,都是细菌的后代。

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这意味着,我们可以更精确地定义生命起源问题。只用35亿年前地球上存在的材料和条件,我们肯定能制造出细胞。那么,我们到底该如何去做呢?

第一章:第一个实验

活力论

在大多数历史中,没有必要考虑生命是如何诞生的,因为答案“显而易见”。在19世纪前,大多数人相信“活力论”。这是关于生命本质的一种唯心主义学说,它认为生物体与非生物体的区别就在于前者体内有一种特殊的生命“活力”,它控制和规定着生物的全部生命活动和特性,而不受自然规律的支配。它主张有某种特殊的非物质的因素支配生物体的活动。

当时,科学家们已经发现生命中几种看似比较独特的物质,比如尿素。它是在尿液中发现的,1799年被分离出来。尿素只是其中之一,当时的人们认为只有活体生物能够产生这些化学物质,或许正是它们为生命注入了能量,让生物变得与众不同。

但是1828年,德国化学家弗雷德里希·维勒(Friedrich W?hler)从普通化学物质氰酸铵中提炼出尿素,而氰酸铵显然与活着的东西没有任何关系。(网易科学)此后,许多科学家追随维勒的脚步,发现生命体内的化学物质全部可从简单的化学物质中提炼出来,而这些物质与生命没有任何关系。

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这些实验终结了“活力论”作为科学假设的特权,但人们很难就此割舍它。对于许多人来说,生命中的化学物质“没啥特别”就好像剥夺了生命的魔力,让我们与纯粹的机器没什么两样。为此,英国生物化学家本杰明·摩尔(Benjamin Moore)又于1913年提出“生物能源”理论,其本质上依然是“活力论”,只是改了不同的名字。

如今,“活力论”或“生物能源”理论开始出现在科幻电影中,比如某人的“生命能源”可以爆发,也可以耗尽。尽管这些让人感觉起来很有科技范儿,但实际上其理论早已经过时。

进化论

19世纪,查尔斯·达尔文(Charles Darwin)等人提出的进化论取得巨大突破。达尔文在1859年《物种起源》中阐述了自己的理论,并解释了拥有共同祖先的生物差异如此之大的原因。进化论认为,生命并非神明创造的,他们都是数亿年前原始生物的后裔,拥有共同的祖先。

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达尔文的理论在当时引发巨大争议,因为其与《圣经》相违背。此外,达尔文的理论没有说明生命是如何诞生的,但他曾在给朋友的私信中提及:如果有合适的水体,里面充满了简单的有机化合物,并有阳光照耀。某些化合物可能互相结合,形成类似生命的物质,比如蛋白质,然后开始不断进化,变得越来越复杂。这是个粗略的想法,但却成为生起源的首个假设基础。

前苏联生物化学家亚历山大·欧帕林(Alexander Oparin)曾于1924年发表《生命起源》一书。他在书中假设了生命诞生的过程,与达尔文的“池塘论”不谋而合。欧帕林想象地球形成时的形态:表面极度炎热,岩石从空中砸下,不断对地球进行撞击。其中,一块半融化的岩石含有大量化学物质,包括许多基于碳的成分。

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最后,地球冷却下来,水蒸气也凝结成液态水,第一场雨水降临在地球上。在地球上出现海洋之前,它非常炎热,且富含碳基化合物。现在两件事可能发生。第一,各种化合物互相发生反应,形成许多新的化合物,有些则非常复杂。欧帕林认为,分子是生命出现的关键,比如糖和氨基酸等,它们都可以在地球的水中形成。

第二,有些化学物质开始形成微观结构。许多有机化合物不溶于水,比如油会漂浮于水面上。这些化合物与水接触时可形成球形“团聚体”,厚度可达0.01厘米。如果你在显微镜下看这些团聚体,会发现它们的行为很像活细胞。它们会成长和改变形状,有时候还可一分为二。它们可从周围水中吸取化学物质,为此看似生命的化学物质可浓缩在其中。欧帕林认为,团聚体就是现代细胞的祖先。

1929年,英国生物学家霍尔丹(J. B. S. Haldane)提出类似理论。(网易科学)霍尔丹对进化论做出过巨大贡献,将达尔文的观点与新兴遗传学结合起来。就像欧帕林那样,霍尔丹认为有机化合物会在水中形成。他认为原始海洋会经历“热稀汤”的阶段,首个生命体或半生命体会形成,并被封闭在“油膜”中。

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这些理论告诉我们,生物是由纯粹的化学物质形成的,而非神明或“生命力量”创造的。生命在原始有机化学汤中形成的观点,被称为欧帕林-霍尔丹假设。这种假设是令人信服的,但却没有实验证据支持它,这种情况持续了20多年,直到哈罗德·尤里(Harold Urey)开始对生命起源发生兴趣。

生命起源实验

尤里曾获得1934年诺贝尔化学奖,二战期间参加过曼哈顿计划,为原子弹核心收集不稳定的铀-235。尤里还对外太空化学产生兴趣,特别想知道太阳系形成时的场景。有一天,他在讲课时指出,地球最初形成时,大气层中可能根本没有氧气。这可能为欧帕林-霍尔丹的原始汤形成提供了理想条件,因为脆弱的化学物质在与氧气接触时可能被毁掉。

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博士生斯坦利·米勒(Stanley Miller)听了尤里的课,后来提议与尤里共同验证这个想法。(网易科学)为此,1952年,米勒开始了最著名的生命起源实验。实验设置很简单,米勒联通了4个玻璃瓶,然后让地球早期存在的4种化学物质在里面循环,包括沸水、氢气、氨以及甲烷。他对这些气体进行反复电击,以模拟闪电袭击,地球形成时这种现象可能时有发生。

米勒发现,第一天后瓶子里的水变成了粉红色,一周后液体变成深红色,浑浊不堪。显然,化学物质混合形成了新的东西。米勒分析混合物后发现,它含有2个氨基酸,分别是甘氨酸和丙氨酸。氨基酸常被称为生命的基石,它们用于形成蛋白质,以控制我们体内的大部分生物化学过程。米勒从无到有创造了生命诞生所需的两种最重要成分。这个实验也被称为米勒-尤里实验。

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在此之后,其他科学家开始寻找凭空制造简单生物分子的方法,解决生命起源之谜的方法似乎越来越近。然而,生命显然远比人类想象的更加复杂。活细胞不仅仅由化学物质组成,它们就像复杂的小机器。突然,寻找生命起源成了远比科学家预期的更大挑战。

第二章:伟大的发现

解密DNA

到20世纪50年代初期,科学家们已经摆脱了神创论,开始探索生命在早期地球上自发形成的可能性。感谢米勒的实验,科学家们搞清楚了基因的构成。当时,科学家们已经发现了许多生物分子,包括糖、脂肪、蛋白质以及脱氧核糖核酸(即DNA)。今天,我们认为DNA上携带着基因感觉理所当然,但在20世纪50年代却令生物学家感到震惊。蛋白质非常复杂,为此科学家们以为它们就是基因。

直到卡内基研究所的阿尔弗雷德·赫希(Alfred Hershey)和玛莎·却斯(Martha Chase)提出反驳证据。他们研究只含有DNA和蛋白质的病毒,发现关键DNA可进入细菌内部,而蛋白质却留在外面。显然,DNA才是真正的遗传物质。赫希与却斯的发现引发了疯狂竞赛,科学家们争相解读DNA结构及其秘密。第二年,剑桥大学的弗朗西斯·克里克(Francis Crick)与詹姆斯·沃特森(James Watson)取得成功。解密DNA结构被称为20世纪最伟大的科学发现之一,也重塑了寻找生命起源的方法,揭示出隐藏在活细胞内部令人难以置信的复杂性。

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克里克与沃特森意识到,DNA是双螺旋结构,就像扭曲成螺旋的梯子,梯子的两极由名为核苷酸的分子构成。这种结构解释了细胞复制DNA的方式。换句话说,它解释了父母如何复制自己的基因,并将它们传递给后代。更关键的是,双螺旋结构可以“解压”,从而暴露了基因代码。基因代码由A、T、C、G等基因碱基构成,正常情况下,它们都被锁定在梯子的梯阶上。每个链被用作模本,重新创造另一个副本。

利用这种机制,自从生命诞生以来,基因就可从父母传递给后代。(网易科学)你的基因也来自祖先细菌,利用克里克和沃特森发现的机制不断复制自己。在随后几年中,生物化学家们开始寻找DNA上到底携带者哪些信息,活细胞如何使用这些信息。揭开生命最深处的秘密首次如此之近。

解密RNA

然而,发现NDA还仅仅是个开始。DNA可以告诉你细胞如何制造蛋白质,这种分子可以执行许多必要任务。没有蛋白质,你就无法消化食物,你的心脏会停止跳动,你也无法呼吸。但是利用DNA制造蛋白质的过程是非常复杂的。对任何想要解释生命起源的人来说,这都是个大问题,因为很难想象有什么东西一开始就这么复杂。

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每个蛋白质实际上是氨基酸按照特定顺序串成的长链。氨基酸的序列决定了蛋白质的三维形状,以及它的功用。信息被编码入DNA碱基序列中。因此,当细胞需要特别的蛋白质时,它会读取DNA中的相关基因,以便获得氨基酸序列。DNA非常宝贵,因此细胞喜欢将它包起来以确保安全。这样,它们可以复制DNA信息到另一种名为RNA的短分子上。如果DNA是图书,RNA就是潦草书写着关键信息的废纸。RNA与DNA很相似,但前者仅有一条线。

最后,将RNA内的信息转给蛋白质的过程发生在巨大的分子中,它被称为核糖体。这个过程在每个活细胞,甚至最简单的细菌中发生。对于需要进食和呼吸的生命来说至关重要。任何对生命起源的解释都必须搞清楚DNA、RNA以及核糖体蛋白质之间的关系。现在看来,欧帕林与霍尔丹的想法似乎显得过于天真,而米勒的实验也只是探索生命诞生漫长道路的第一步。

迈出生命诞生探索第二步的人是英国化学家莱斯利·奥格尔(Leslie Orgel),在克里克的支持下,奥格尔于1968年提出自己的理论,他认为首个地球生命没有蛋白质或DNA,全部由RNA构成。为此,原始RNA分子应该具备多种用途,比如复制自己。生命起源自RNA产生了巨大的影响力,但也触发了持续至今天的科学大战。奥格尔发现了生命最关键的特征之一,那就是自我复制。在某种意义上说,他不仅描绘了生命最初如何构成,还阐述了生命到底是什么。

许多生物学家都支持奥格尔的“复制第一”理论。(网易科学)在达尔文的进化论中,创造后代的能力绝对是核心,生物“获胜”的唯一方式就是留下大量后代。但生命的其他特征也同样重要,其中最明显的就是新陈代谢,即从周围环境中提取能量,并利用其维持生存的能力。对于许多生物学家来说,新陈代谢肯定是生命的原始特征,复制是随后出现的。

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从20世纪60年代开始,研究生命起源的科学家分为两大阵营:新陈代谢第一VS基因第一。与此同时,第三阵营认为容纳关键分子的容器最为重要,也就是说,无论是新陈代谢能力还是基因,都需要细胞。这三种观点都流传下来,许多科学家至今争论不休。然而20世纪80年代,惊人的发现似乎证实了奥格尔“生命起源自RNA”的理论。

第三章:寻找首个复制品

RNA酶发现

当时,科学家们认为RNA是所有生命的起源,特别是RNA具备许多DNA不具备的能力。RNA属于单链分子,不像双链DNA那样僵化,而是可以折叠成不同的形状。类似折纸的RNA看起来与蛋白质的行为非常相似,蛋白质也是长链结构,并有氨基酸而非核苷酸构成,这让它们可以构建更精细的结构。

这是蛋白质具备惊人能力的关键,有些蛋白质具备加速或催化化学反应的能力,它们被称为酶。我们的内脏中有很多酶,它们可将食物的复杂分子分解为简单分子,比如细胞可利用的糖。没有酶,你就无法生存。但是奥格尔对克里克的理论存在疑问:如果RNA能像蛋白质那样折叠,或许它能形成酶。如果这是真的,RNA就可以成为活分子的起源,可以像DNA那样储存信息,像蛋白质那样催化化学反应。

但这纯粹是理论,此后10年都没有找到任何证据。直到20世纪90年代,专注于RNA研究的美国生物化学家托马斯·切赫(Thomas Cech)与同事研究名为Tetrahymena thermophila的单细胞生物时,发现其细胞机制中包括RNA链,且RNA链的特定部分与其他部分分离,就好像某个部分被剪刀剪下。当切赫等人移除所有可能充当分子剪刀的酶和其他分子时,RNA依然保持着这个特性。为此,他们发现了首个RNA酶,即可将自己从RNA链上剪下的一小段RNA。第二年,其他科学家发现第二种RNA酶,即核酶。

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连续发现两种RNA酶显示,还有更多的RNA酶存在,从而说明生命起源自RNA十分可信。1986年,哈佛大学物理学家沃尔特·吉尔博特(Walter Gilbert)总结称,生命起源自RNA世界。他认为,在进化的第一阶段,在核苷酸汤中,许多具有催化活性能力的RNA分子开始自我组装。(网易科学)通过切割和粘贴不同的RNA片段,RNA分子可以创造出更有用的序列。最终,它们发现制造蛋白质和蛋白质酶的方式,从而催生了我们今天看到的生命。

RNA世界假说

2000年时,RNA世界假说获得更确凿的证据支持。花费30年时间研究活细胞分子结构的托马斯·施泰茨(Thomas Steitz)解开了核糖体的结构。每个活细胞都有核糖体,这种巨大的分子可从RNA中读取指令,串联氨基酸形成蛋白质。细胞中的核糖体构建了我们身体的大部分,而RNA才是核糖体的催化核心。这个发现非常重要,因为核糖体是生命的基础。RNA世界假设的支持者们对此狂喜,施泰茨也因此获得2009年诺贝尔奖。但此后,各种怀疑纷至沓来。

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RNA世界假说开始就存在2个问题。RNA真的能够自己执行所有生命功能吗?它在早期地球上能够形成吗?自从吉尔博特提出RNA世界假说以后的30年间,我们依然没有找到确凿证据,可以证明RNA能够做到理论上的所有事情。举例来说,如果生命始于RNA分子,RNA必须拥有自我复制的能力。但是没人知道RNA能自我复制,DNA也不行。它们都需要许多酶和其他分子帮忙才能复制自己。

为此,20世纪80年代末期,少数生物学家开始尝试复制RNA,哈佛医学院的杰克·索斯塔克(Jack Szostak)就是其中之一。切赫曾于1988年发现一种RNA酶,它可以建立10个核苷酸长度的短RNA分子。索斯塔克对切赫发现的RNA酶非常痴迷,为此他希望在实验室中发现新酶的新特性。索斯塔克发现酶能让反应速度提高700万倍,RNA酶的确具有强大的能力。但这些酶依然无法复制自己。

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此后,索斯塔克的学生大卫·巴特尔(David Bartel)发现名为R18的RNA酶,它可以根据现有模板在RNA链上增加新的核苷酸。也就是说,它不是随机增加核苷酸,而是可精确复制RNA链序列。尽管这依然不属于自我复制体,但已经十分接近。R18由189个核苷酸组成,可以添加11个核苷酸,意味着其链可延长6%。经过调整后,它可能会复制出与本身同样长的核苷酸链。

2011年,剑桥分子生物实验室的菲利普·霍利格尔(Philipp Holliger)创造出改良版R18,并取名tC19Z,它最多可以复制95个核苷酸序列,相当于其自身长度的48%。尽管比R18多,但依然未达到100%。随后,美国加州斯克里普斯研究所的杰拉德·乔伊斯(Gerald Joyce)与特雷西·林肯(Tracey Lincoln)创造出可间接复制自己的RNA酶。他们的酶可将两小段RNA连起来创造出第二种酶,它将另外两段RNA连起来创造出原始酶。这个过程可无限循环。但只有被给于正确的RNA链时,这种酶才起作用。

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对于许多怀疑RNA世界假说的科学家来说,缺少可自我复制的RNA是其致命短板。RNA似乎无法承担起启动生命的重任。而化学家们无法凭空制造出RNA,也重创了这种假设。但RNA已经证明,它的形成非常困难。问题是糖和碱基总是各自保持独立,固执地不愿意连接起来。

发现PNA

20世纪90年代初,生物学家们开始怀疑RNA世界假说的正确性。或许地球早期存在其他种类的分子,它们比RNA更简单,可以在原始汤中自我组装,并复制自己。这可能是生命诞生的初原,其后才产生了RNA、DNA以及其他分子。

1991年,哥本哈根大学的彼得·尼尔森(Peter Nielsen)提出了原始复制者的候选者,其本质上是被彻底修改的DNA。尼尔森认为其DNA中依然保持着相同的碱基,但用聚酰胺代替糖成为分子的主体。他称新的分子为聚酰胺核酸(或肽核酸),简称PNA。

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自然界从未发现过PNA,但其行为很像DNA。PNA链甚至可取代DNA分子链,只要碱基对正确即可。此外,PNA也拥有类似DNA的双螺旋结构。米勒感到非常好奇,他对RNA世界假说深表怀疑,并认为PNA才是更可信的第一种遗传物质。米勒重复他的经典实验,但这次他使用了甲烷、氮、氨和水,获得了PNA的聚酰胺主链。这表明,与RNA不同,PNA在地球早期很容易形成。

此后,其他化学家也提出了自己的替代核酸。2000年时,埃尔伯特·厄希恩莫瑟(Albert Eschenmoser)发现了苏糖核酸(TNA),它基本上可称为DNA,只是主链中没有糖。TNA链可以形成双螺旋,信息科在RNA和TNA之间复制传递。此外,TNA还能折叠成复杂形状,甚至形成蛋白质。这显示,TNA可以像RNA那样充当酶。2005年,埃里克·梅格斯(Eric Meggers)发现乙二醇核酸(GRA),也可以形成螺旋结构。

这些替代核酸在自然界中没有发现过,为此如果生命诞生时用过它们,在某个时刻也抛弃了它们,进而使用RNA和DNA。这可能是真的,但依然没有证据。到2000年左右,RNA世界假说的支持者陷入左右为难状态。一方面,RNA酶的确存在,包括生物机制中最重要的部分核糖体。但RNA没有复制能力,没人能搞清楚RNA如何在原始汤中形成。替代核酸可能解决后一个问题,但它们没有在自然界中存在的证据。

第四章:质子的力量

显然,RNA世界假说并非完全正确。与此同时,另一种理论悄然兴起,其支持者认为生命并非以RNA、DNA或任何其他基因物质开始。相反,它最初只是利用能源的机制。在生物能够繁衍前,它必须能够维持自我生存。首先,你必须获得能源,从糖等富含能源的化学物质中获取。接着,你必须利用能源制造有用的东西,比如细胞。这个利用能源的过程被称为新陈代谢,许多科学家认为它非常重要,可能是生命需要做的第一件事。

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代谢周期

那么,这些只能新陈代谢的生物看起来什么样?最有影响力的假设是20世纪80年代末的德国律师衮特尔(Günter W?chtersh?user)提出的,他认为地球上的第一个生命与我们已知的任何东西都不同,它并非由细胞构成,也没有酶、DNA或RNA。当热水从火山中流出时,水中富含火山气体,比如氨。当这些水流经岩石时,化学反应开始发生,特别是水中的金属有助于简单的有机化合物融合壮大。

转折点是第一个代谢周期的产生。在这个过程中,一种化学物质被转化成一系列其他化学物质,直到最终原始化学物质再次出现。整个过程中,整个系统都需要吸收能量以推动周期循环,进而启动其他东西。这些东西形成了现代有机物,比如DNA、细胞以及大脑等。

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尽管这些代谢周期听起来不像生命,但衮特尔为其命名为“前体生物”。它们是生物的核心,因为细胞本质上就是微观的化学处理厂,不断将一种化学物质转变成其他物质。代谢周期看似没有生命,但它们却是生命的基础。衮特尔不断完善自己的理论,并吸引了许多支持者。但他的设想都是理论性的,需要证据支持。幸运的是,他找到了证据。

热液喷口

1977年,俄勒冈州立大学科学家杰克·科利斯(Jack Corliss)领导的团队潜入到东太平洋2500米深海中,测试加拉帕戈斯热点,那里有高耸的岩石脊(即活火山)从海底升起。科利斯发现,这些岩石脊本质上与热泉没什么区别。富含化学物质的滚烫热水从海底冒出来,通过岩石中的孔洞喷射出来。令人感到惊奇的是,这些“热液喷口”中竟然生存着许多奇怪的动物,包括巨大的蛤蚌、贻贝、冒贝以及管状蠕虫等,此外还有大量细菌。这些生物都依靠热液喷口中的能量生存。

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1981年,科利斯提出假设,40多亿年前的地球早期也存在类似的热液喷口,它们就是生命最早诞生的地方。他认为,这些热液喷口可能含有各种化学物质,每个喷口实际上都是某种原始汤。当热水从岩石中流出时,热量与压力会促使简单的有机化合物融合为更复杂的化合物,比如氨基酸、核苷酸以及糖等。(网易科学)在接近水温不太热的海水处,这些化合物开始串成链,形成碳水化合物、蛋白质以及类似DNA的核苷酸。随着这些热水不断冷却,分子就会形成简单的细胞。

但米勒认为热液喷口温度太高,极端高温可以促使氨基酸等化学物质形成,但也会毁掉它们。糖等关键成分最多也仅会存在数秒时间。此外,这些简单的分子不太可能串成链状,因为周围的水会立即让它们分解。但迈克·拉塞尔(Mike Russell)支持科利斯的假设,认为热液喷口是衮特尔假设“前体生物”诞生的最理想环境,这促使拉塞尔提出了一个被广泛接受的生命起源理论。

发现质子

20世纪80年代,拉塞尔发现了古热液喷口的化石证据,它的温度在150摄氏度以下,生命分子可以比米勒假设的存在时间更长。此外,这些冷却的喷口中含有许多奇怪的东西,比如直径1毫米的黄铁矿管道。黄铁矿主要由铁和硫组成,可以形成气泡。拉塞尔认为,第一个复杂的有机分子就是在简单的硫铁矿结构中形成的。

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拉塞尔将自己的设想与衮特尔和科利斯的假设相结合,他认为深海中的热液喷口足以帮助形成黄铁矿结构,并将“前体生物”包裹其中。如果拉塞尔的设想是对的,生命应该起源自海底,新陈代谢也会首先出现。此外,他还尝试解释了最初诞生的生命如何获得能量。换言之,他提出了新陈代谢原理。

此后,生物化学家彼得·米切尔(Peter Mitchell)终于搞清楚了生物如何从食物中获得能量,也就是我们如何维持生存。米切尔知道,所有细胞都将能量储存在相同的分子中,即三磷酸腺苷(ATP)。它由腺苷和三个磷酸基组成。添加第三个磷酸基需要耗费许多能量,然后能量被锁定在ATP中。当细胞需要能量时,ATP就会断裂分解变成二磷酸腺苷(ADP),释放出储存的能量。

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米切尔想要知道细胞最初如何制造ATP,如何将足够能量存入ADP,以便于吸附第三个磷酸基?米切尔此前已经知道,酶可让ATP留在细胞膜上。他假设,细胞会泵出名为质子的带电粒子穿过膜。因此,膜的一面拥有大量质子,而另一面几乎没有。质子会尝试回穿,以保持两边质子数量平衡。但它们唯一能穿过的就是酶,这种质子流给了酶制造ATP的能量。

现在我们知道,米切尔确定的过程正是地球上所有生物所依赖的。它正发生在我们的细胞中,就像DNA那样,它也是生命的基础。此外,米切尔还提出质子梯度的概念,所有细胞都需要质子梯度储存能量。现代细胞可通过泵出质子穿过膜产生梯度,但这包含复杂的分子机制,它不可能是突然出现的。为此,拉塞尔又提出新的理论,即生命肯定是在存在自然质子梯度的地方形成的,比如热液喷口。

但是这种喷口应该非常特别。因为地球刚刚形成时,海水还是酸性的,酸水中漂浮着大量质子。要想产生质子梯度,喷口中涌出的水中所含质子必须非常少,而且必须呈碱性。(网易科学)科利斯提出的热液喷口不合适,不仅因为它们太热,还因为它们时酸性的。直到2000年事,华盛顿大学的黛博拉·凯利(Deborah Kelley)发现了第一批碱性喷口。

迷失之城

在大西洋海底一处山岭上,凯利发现了许多热液喷口,她称之为“迷失之城”。它们与科利斯的发现不同,这些喷口中流出的水温仅在40到75度之间,呈轻度碱性。富含碳酸盐矿物的水聚集成陡峭的白色“烟囱”从海底喷出,里面含有大量微生物。这些碱性热液喷口为拉塞尔的理论提供了完美支持,他认为“迷失之城”这样的喷口就是生命诞生之地。

但作为地质学家,凯利不太了解生物细胞,因此也无法让她的理论更有说服力。为此,拉塞尔与美国生物学家威廉·马丁(William Martin)合作,利用凯利的设想改进自己早期的理论。他认为碱性热液喷口附近的岩石孔洞中积满了水,这些小口袋就像细胞。每个口袋中都含有必须的化学物质,包括黄铁矿等。与喷口中出现的自然质子梯度相结合,它们就成了新陈代谢开始的理想之地。当生命从热水中获得化学能后,就可以制造RNA等分子。最终,生命创造出自己的膜,成为真正的细胞,并从岩石口袋逃到海水中。

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这种理论现在被视为生命起源最可信的假说之一。2016年7月份,马丁发布名为“最后共同祖先(LUCA)”的研究报告,为其提供进一步支持。报告中称,这种生物出现在数十亿年前,现在所有生命都是它的后裔。我们现在还未找到LUCA存在的直接化石证据,但通过研究今天的微生物,我们可以猜测它们的行为与外貌特征。

马丁检查了1930种现代微生物的DNA,并确认了它们共有的355个基因。由此显示,这些基因可能都是代代传下来的,所有微生物都拥有共同的祖先。此外,LUCA似乎已经适应了甲烷等化学物质的存在,这暗示它可能诞生于类似活火山的环境中,比如热液喷口。尽管如此,RNA世界假设支持者认为,热液喷口理论存在2个问题,第一个问题可能已被解决,而第二个问题更致命。

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第一个问题是,拉塞尔与马丁的假设没有任何实验证据支持。尽管他们提出了生命诞生的过程,但在实验室中却没有复制过。支持“复制第一”理论的人,不断提供新的实验数据,但支持“代谢第一”的人却没有。但马丁的同事尼克·拉尼(Nick Lane)已经建造“生命起源反应堆”,模拟碱性热液喷口进行试验,希望观察到代谢周期,甚至是RNA之类的分子。

第二个问题是,这些喷口都位于深海中。正如米勒指出的那样,如果没有酶的帮助,RNA和蛋白质等长链分子无法在水中形成。对于许多研究人员来说,这是个无可辩驳的事实,因为所有这些化学分子与水不相容。但在过去10年间,第三种方法脱颖而出,并带动一系列非凡的实验,即凭空创造出完整细胞。

第五章:如何创造细胞

地球上的所有生物都由细胞组成,每个细胞基本上是个软球,有个牢固的外壁或膜保护。细胞中的某种成分将生命所需各种成分结合起来。如果细胞外壁被撕裂,内部物质就会流出来,细胞就会死亡。细胞外壁同样重要,有些生命起源科学技术认为,它可能是首先出现的东西。他们认为“基因第一”和“代谢第一”理论都是错误的,反而提出“区隔第一”的假设。

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区隔第一

意大利科学家皮埃尔·路易吉·路易斯(Pier Luigi Luisi)就是代表人物。他的推理很简单,但却无可辩驳。除非你先有一个容器可容纳所有分子,否则在化学物质泛滥的环境中,怎么可能确保RNA自我复制和新陈代谢?如果你接受这种说法,那么生命诞生只有一种方式。在地球早期,少数原材料物质必须形成粗细胞或原细胞(protocell)。这个挑战促使科学家在实验室中创造出简单的活细胞。

路易斯重新研究欧帕林的假设,后者曾认为特定化学物质形成名为“团聚体”的气泡,其核心中包含着其他物质。他认为,这些团聚体就是最初的原细胞。任何脂肪或油性物质都会在水中形成气泡或膜,这些化学物质被统称为脂类,它们形成生命的理论被称为“脂类世界”。

但是仅形成气泡还不够,这些气泡必须保持稳定,且能够分裂形成“子气泡”。它们还需要某些能控制物质进出的能力,毕竟它们还没有现代细胞用于实现这些功能的蛋白质。尽管提出了理论,但路易斯却未能提供令人信服的实验证据。1994年,路易斯提出首个原细胞可能含有RNA,而且这个RNA肯定能在原细胞内进行复制。这是个大胆的假设,意味着他抛弃了纯粹的“区隔第一”理论。

路易斯认为,细胞拥有外壁,但内部没有基因,它无法做任何事。它可能分裂为子细胞,但无法遗传有关自己的任何信息。要想含有更多基因,它必须进化,变得更为复杂。(网易科学)这个理论很快获得索斯塔克的支持,尽管后者支持RNA世界假说。索斯塔克说:“我们最终意识到,生命诞生需要两个第一,而细胞既有基因体系又有区隔体系。”路易斯与索斯塔克认为,通过将能够复制的RNA放在简单的脂肪气泡中,他们可凭空创造简单的活细胞。

地球生命诞生之谜:所有生命都是细菌后代
索斯塔克决定对这个理论进行试验,2年后取得巨大成功。他们对囊泡进行试验,它呈球形团块,外部拥有2层脂肪酸,内部则是液态。为了找到加速创造囊泡的方法,他们决定向其中添加名为蒙脱土的黏土颗粒。这让囊泡形成加速了100倍,黏土表面充当催化剂,就像酶那样。此外,囊泡可吸收蒙脱土粒子和黏土表面的RNA链,这些原细胞现在有了基因和催化剂。

神奇的黏土

添加蒙脱土的决定并非心血来潮。数十年的研究显示,蒙脱土可能对生命诞生非常重要。蒙脱土就是常见的黏土,当火山灰分解后就会形成。由于地球早期有很多火山,蒙脱土非常丰富。1986年,化学家詹姆斯·弗里斯(James Ferris)证明,蒙脱土可充当催化剂,帮助有机分子形成。他还发现蒙脱土可加速小RNA的形成。弗里斯由此推测,这种看似普通的黏土可能是生命的起源之地。

索斯塔克也利用蒙脱土帮助制造原细胞。1年后,他发现原细胞可自行生长。随着越来越多RNA分子被包裹进原细胞,外壁变得越来越紧,原细胞好像要爆裂开似的。为了应对这种情况,原细胞会吸收更多脂肪酸,将它们补充到外壁中,让其膨胀到更大体型,以缓解内部膨胀。

更重要的是,原细胞还从其他包含较少RNA的原细胞处获得脂肪酸,导致其他原细胞缩小。这意味着,原细胞之间存在竞争,获得更多RNA者获胜。(网易科学)这显示,某种令人印象深刻的事情发生了。如果原细胞可以成长,或许它们也能分裂。索斯塔克的原细胞能自我复制吗?最初,索斯塔克证明原细胞可以分裂。可以通过挤压原细胞的孔洞,将里面的物质挤出来,后者形成子原细胞。但是这种方法也存在缺陷,因为原细胞会在这个过程中损失很多信息。

还有很多方法可帮助囊泡分裂,比如强大的水流可形成巨大力量,可以强迫囊泡分开。2009年,索斯塔克发现解决方法,创造出更为复杂的原细胞,就像圆葱那样的多层结构。尽管听起来十分复杂,实际上这种原细胞制造很简单。

地球生命诞生之谜:所有生命都是细菌后代
通过喂食更多脂肪酸,原细胞会长大变形,延伸成类似绳子的长链。当原细胞足够长时,只需很小的力量就可让它分裂成数十个子细胞。每个子细胞都含有来自母体原细胞的RNA,且很少有RNA丢失。此外,原细胞可以重复这个过程,子细胞长大后,也会自我分裂。

索斯塔克还发现许多方法可促使原细胞分裂,这方面的问题似乎已经解决。但原细胞的能力依然不够。为了证明自己创造了地球上的首个生命,肖斯塔克需要原细胞中的RNA能够复制自己。(网易科学)这并不容易,因为经过数十年尝试,依然没人能制造出能自我复制的RNA。为此,索斯塔克重新了解奥格尔的RNA世界假说,并在其中发现了珍贵的线索。

奥格尔在20世纪70年代和80年代研究如何复制RNA链。从本质上说,这可能非常简单。利用松散的核苷酸组成单链RNA,然后将其与其他单链RNA互补。举例来说,CGC链可与GCG链互补。如果你重复这个过程2次,就可以得到原始CGC链的副本。奥格尔发现,在特定情况下,RNA链无需酶的帮助就可以自我复制,这相当于最早的生命复制其基因。

到1987年,奥格尔已经可以利用14个核苷酸的RNA链,创造与其互补的RNA链。他没有尝试创造更长的RNA链,但这已经足够为索斯塔克提供灵感。索斯塔克与其学生卡塔尔兹娜·亚达马拉(Katarzyna Adamala)试图在原细胞中重复这个过程。他们发现,这种反应需要镁的帮助,可是镁会毁掉原细胞。但他们找到更简单方法,利用所有活细胞中都有的柠檬酸盐。

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索斯塔克将柠檬酸盐附着在镁上以保护原细胞,同时支持模板复制。换言之,他们实现了路易斯1994年提出的假设,在脂肪酸囊泡中对RNA进行复制。经过10多年研究,索斯塔克等人创造出了拥有自己基因的原细胞,它同时可从外界吸收有用的分子。这种原细胞可成长和分裂,甚至互相竞争。RNA可以在内部复制。无论从哪个角度来看,它们都与生命惊人的相似。

此外,这种原细胞具有惊人的恢复性,能在100度高温中存活。在促使更多人相信,原细胞与最早的生命十分相似。最初,这些生命需要忍受流星不断撞击带来的酷热。索斯塔克没有专注于研究“复制第一”或“区隔第一”理论,而是找到两者同时发生的方法。这也激发科学家们利用统一方法寻找生命起源,即尝试创造出生命所需的所有功能,这种“一切第一”的假设积累了丰富的证据,可以解决现有理论的所有问题。

第六章:伟大的统一

2009年,RNA世界假说的支持者遇到一个巨大挑战,他们无法在地球早期环境中制造出核苷酸,也就是RNA的构建块。这让人们怀疑,最早的生命或许并非基于RNA诞生的。自从20世纪80年代,约翰·苏瑟兰德(John Sutherland)就开始思考这个问题。幸运的是,苏瑟兰德找到了替代方案,并提出有关生命起源的新理论,即生命的所有关键成分都是同时形成的。

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细胞整体诞生

每个RNA核苷酸都是由糖、碱基以及磷酸形成的。但想要吸引糖和碱基加入其中,几乎是不可能的,分子会产生错误的形状。为此,苏瑟兰德尝试完全不同的物质。最终,他的团队看中了5个简单的分子,包括不同的糖和氨基氰。苏瑟兰德等人将这些化学物质进行一系列反应,最终得到4个RNA核苷酸中的2个,它们没有独立的糖或碱基。

许多人将苏瑟兰德的发现视为RNA世界假说的延伸,但他自己不这样看。RNA世界假说认为,最早的生物由RNA控制生命的所有功能。但苏瑟兰德认为,RNA的确参与了许多反应,但它并非终极目标。苏瑟兰德的目标是凭空创造能够自我组装的完整细胞。他的第一个线索就是核苷酸合成过程中1个奇怪细节,最初看似偶然出现的。

苏瑟兰德实验的最后一步,是将磷酸结合到核苷酸上。但他发现最好从一开始就将磷酸混合其中,因为这会加速早期反应。苏瑟兰德认为,这种混乱是好事。混合磷酸后会让环境变得更复杂,也可促使所有生命成分同时产生。在地球早期,肯定有数十种乃至数百种化学物质漂浮在一起。 这些混合物中的确应该含有生物分子,但还有大量其他非生物化合物。

地球生命诞生之谜:所有生命都是细菌后代
苏瑟兰德认为米勒的设置过于混乱,会导致好的化学物质在混合物中消失。为此,他试图找到“金发姑娘化学物质”,即混合物需要足够复杂,包括所有生命所需化合物,然后紧密结合起来。换言之,40多亿年前,地球上有个池塘,安静了无数年后才出现合适的化学物质混合物。然后可能在几分钟内,首个细胞就会诞生。

这就像中世纪的炼金术那样神奇,但苏瑟兰德有确凿证据。自从2009年以来,他已经用同样的化学物质制造出2种RNA核苷酸,它们还可制造许多生命分子。下一步就是制造更多RNA核苷酸,但他还没有实现这个目标。2010年,苏瑟兰德创造出关系密切的分子,它们可能转变成核苷酸。2013年,他又创造出氨基酸的前体。这次,他添加了氰化铜以催化反应。2015年,他用类似方法制造出脂类前体,这些分子会构成细胞壁。

如果苏瑟兰德的发现是对的,那么我们过去40多年对生命起源的研究就都错了。自从细胞的复杂性被解开以来,科学家们始终致力于这样的假设,即第一个细胞肯定是逐渐构建完善的。比如奥格尔认为首先出现RNA,然后慢慢添加其他生命成分。但苏瑟兰德认为,最好的方式就是所有生命成分同时形成。这种理论的挑战在于,同时制造各种成分过于复杂。

索斯塔克现在怀疑,大多数制造生命分子、或在细胞内组装它们的尝试之所以会失败,可能源于共同的原因,那就是这些实验“太干净了”。科学家们只使用少量他们感兴趣的化学物质,而排除了其他地球早期可能存在的物质。但苏瑟兰德的实验显示,通过添加更多化学物质,可以产生更复杂的现象。

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2005年,索斯塔克亲自实验这个想法。他试图让原细胞成为RNA酶的宿主。这种酶需要镁,但后者可能毁掉原细胞的膜。对此,索斯塔克的解决方法很简单,不用纯脂肪酸制作囊泡,而是用不同物质构建。这些新的、不够纯的囊泡可以对抗镁的影响,这意味着它们可以担任RNA酶的宿主。此外,索斯塔克宣称,他的第一个基因可能也接受了这种混乱。

大杂烩世界

现代生物使用纯DNA携带它们的基因,但纯DNA最初可能并不存在。它们可能是RNA核苷酸与DNA核苷酸的混合体。2012年,索斯塔克证明,这种混合体可以构成“镶嵌”分子,其外貌和行为都很像RNA。这些RNA与DNA混合链甚至可折叠。这表明,最早的生物是否能制造纯RNA或纯DNA都不重要,它们可以使用混合版的RNA,甚至混有TNA或PNA的核苷酸。这不是RNA世界,而是“大杂烩世界”。

这些研究显示,制造最早的细胞似乎并不太困难。细胞的确拥有复杂的机制,但事实证明,它们可以吸收任何东西维持自身生存,虽然这依然不是很好。这种粗细胞似乎不太可能在地球早期生存下来。但当时没有太多竞争,也没有具有威胁性的掠食者,为此从多方面来看,它的生存环境比现在容易得多。

但是苏瑟兰德和索斯塔克的理论也存在缺陷,第一种生物肯定拥有某种新陈代谢机制。从一开始,生命就必须获得能源,否则它无法生存。即使马丁和拉塞尔有关生命起源于深海热液喷口的理论存在错误,但其部分元素肯定是正确的,比如金属对生命起源非常重要。

地球生命诞生之谜:所有生命都是细菌后代
在自然界,许多酶的核心处都有金属原子,这通常是酶的活跃部分,分子的其他部分基本属于支持结构。第一个生命没有这些复杂的酶,为此它们很可能是用“裸金属”作为催化剂。这样看来,热液喷口变得更加重要。如果你看到现代新陈代谢,看起来真的很像铁簇。它与生命诞生于喷口中或附近的理论不谋而合,因为这里富含铁和硫。

如果苏瑟兰德或索斯塔克的理论正确,喷口理论就证明是个错误,生命不可能起源于深海。苏瑟兰德说,我们发现的化学物质十分依赖紫外线,而紫外线的唯一来源就是太阳,为此其反应只会发生在有阳光照射的地方,这就排除了深海喷口理论。索斯塔克也认为,深海并非生命温床。但这些问题不能完全驳斥热液喷口理论,或许喷口位于浅水中,那里有阳光,氰化物也可接触到。

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生命诞生于陆地?

阿尔缅(Armen Mulkidjanian)则提出新的假设,生命或许起源于陆地,比如火山口中的池塘中。无论细胞属于哪种生物,它们都含有许多磷酸、钾以及其他金属,但很少有钠。如今,细胞可能通过泵出或泵进机制实现这个目标,但第一个细胞可能无法做到,因为它们不具备这种必要机制。阿尔缅认为,第一个细胞肯定形成于与现代细胞拥有相同化学物质混合物的地方。这立即就排除了海洋,因为细胞中所含磷钾比例远高于海洋,但钠却更少。

而活火山附近发现的地热池塘却更为理想,这些池塘中拥有细胞中发现的所有金属物。索斯塔克还认为,地热活跃区的浅湖或地表池塘也很理想,比如黄石公园火山区的那种热液喷口。苏瑟兰德的化学物理论在此也可有很好的解释。温泉中有合适的化学物质,水位波动会导致某些地方干涸,还有来自太阳的大量紫外线。索斯塔克认为,这些池塘同样适合他的原细胞诞生。

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在诸多争论中,萨瑟兰德又提出了第三个可能,即陨石撞击坑。在地球形成的最初5亿年中,地球经常受到流行撞击,而中等撞击就可以创造类似阿尔缅形容的池塘。首先陨石多是金属构成的,陨石坑中往往富含金属,比如铁和硫等。更重要的是,陨石撞击会融化地壳,导致低热活动和热水流出。

苏瑟兰德假设,溪流沿着陨石坑斜坡流下,滤掉岩石中的氰基化学物质,上面还有紫外线照射。这些溪流中的化学物质稍有不同,为此也会发生不同的反应,这有助于整体有机化学物质诞生。最后,溪流流入陨石坑底部的池塘,这里所有片段融合起来,形成了首个原细胞。

地球生命诞生之谜:所有生命都是细菌后代
现在,有关生命起源的各种争论还在持续,分歧依然在化学物质和原细胞身上。如果任何假设中缺少关键化学物质或存在可能毁掉原细胞的物质,它肯定会被排除在外。

这意味着,我们在历史上首次开始全面地解释生命起源问题。到目前为止,苏瑟兰德与索斯塔克的“一切第一”理论只提供了粗略的叙述,但其却拥有过去数十年的实验支持。这种理论吸收了每种生命起源假设中值得信服的细节,尝试利用最好的地方,同时解决其所遇到的问题。举例来说,它并非反对拉塞尔的热液喷口理论,而是尽可能提炼其有意义的研究。

我们不太可能确定40多亿年前到底发生了什么。即使你能制造出反应堆,制作出大量大肠杆菌,但你依然无法确定生命就是那样诞生的。我们能做的就是赋予所有证据相应的故事,这也意味着我们正接近人类史上最大的分歧,即生命到底如何诞生?

地球生命诞生之谜:所有生命都是细菌后代
达尔文《物种起源》发表之前死去的人,肯定不知道人类的起源,因为他们对进化一无所知。但是现在的所有人,几乎都知道我们与其他动物之间的关系。同样,俄罗斯宇航员尤里·加加林(Yuri Gagarin)首次绕地飞行后,所有人都将可以前往其他世界旅行。即使我们自己从未去过,太空旅行已经成为现实。这些事实以微妙的方式改变了我们的世界观,让我们变得更聪明。进化教我们珍视其他生物,因为它们是我们的兄弟姐妹。太空旅行让我们可以去看看遥远的世界,并了解其独特性和脆弱性。

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坦率地说,知道自己来自哪里,知道最初的祖先什么样,这些知识将改变我们。从纯科学角度来看,它告诉我们生命如何在宇宙中诞生,在哪里能找到它们。它还会告诉我们许多有关生命本质的东西。

王真 本文来源:网易科技报道 责任编辑:王真_NT5228
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