生命起源在哪裡?《Science》研究告訴你,在海底

作者 | 發布日期 2020 年 05 月 02 日 12:00 | 分類 自然科學 Telegram share ! follow us in feedly


回答生命起源的問題,就和回答「先有雞還是先有蛋」一樣難,不過關於這難題的研究,近期有了新進展。

科學家發現,海底熱液噴氣口周圍有 3 種金屬化合物,能使氫氣和二氧化碳發生反應,形成對細胞生長至關重要的高能量有機化合物。研究小組認為,高溫高壓的海底熱液噴氣口,很可能是地球生命的開始。

「新陳代謝先起源」假說

一直以來,關於地球生命的起源有多種觀點假說,「新陳代謝先起源」是其中之一。

「新陳代謝先起源」假說認為,早期地球化學過程會產生簡單的富含能量化合物,推動複雜分子合成,為生命和人類進化提供原料。

通常情況下,這假說會與「複製先起源」假說一起擺上檯面。

不同於「新陳代謝先起源」假說,「複製先起源」假說認為前生物合成的有機化合物能透過非生物自發聚合,形成有自我複製能力的遺傳資訊系統,並逐漸擁有「新陳代謝」能力。

關於這兩種地球生命起源假說的爭論一直不相上下。不過,近期一項研究發現為「新陳代謝先起源」假說增添一筆新論據。

杜塞爾多夫大學進化生物學家 William Martin 和斯特拉斯堡大學化學家 Joseph Moran 研究團隊在海底熱液噴口發現能生成有機分子的 3 種金屬化合物──甲酸鹽、乙酸鹽和丙酮酸鹽,這些化合物能把營養物質轉化為細胞生長。

早在 2016 年,William Martin 帶領的研究團隊就已發現關於初始新陳代謝的線索。

團隊掃描數千種細菌和古生菌基因組,辨識出 355 種有共同基因編碼的蛋白質。這些蛋白質表明,初始微生物會在高溫下大量繁殖並消耗氫氣,再透過電解將海洋的無機二氧化碳轉化成富含能量的有機化合物。

這同樣支援初始微生物生活在熱液噴口附近的觀點,因為噴口周圍有初始新陳代謝需要的所有條件。

為什麼海底熱液噴口處可能是地球生命的開始?

研究表明,現代生物會透過乙酰輔酶 a(acetyl-CoA)途徑將氫和二氧化碳結合形成有機分子。這過程將必要有機分子注入生化過程,進而推動蛋白質、碳水化合物和脂質生成;這些物質正是細胞能量代謝的核心。

問題是,現代生物是用 11 種 15,000 個氨基酸組成的酶執行乙酰輔酶 a 途徑,而地球初始有機體不存在這種「酶」。

William Martin 表示,如果沒有合適的蛋白質機制或催化劑,只把氫和二氧化碳放在一起,什麼事都不會發生。

那麼,有機體是如何自發性發展能力來執行乙酰輔酶 a 途徑?

2018 年,Joseph Moran 領導的研究團隊找到部分答案。研究指出,包括鐵、鎳和鈷等純金屬可催化水(水分子含有氫)和二氧化碳反應,形成乙酸和丙酮酸,這是達成乙酰輔酶 a 途徑的關鍵因素。

這發現表明,最早的生命可能只是以這些有機化合物為食,以此生存下來,且隨著時間推移,進化出一系列蛋白質機制使反應更有效。

不過 William Martin 認為,將水和二氧化碳轉化為必需的有機物,並不是初始微生物做到的。相反地,這些有機體是從氫氣和二氧化碳開始。

William Martin 想知道,是否能在沒有酶的情況下使乙酰輔酶 a 途徑發揮作用,熱液噴口附近常見的富含金屬礦物質是否導致氫與二氧化碳發生反應。

William Martin 及團隊認為,熱液噴口之所以不斷噴出氫氣,是因地殼深處的水和金屬之間的反應驅動。且團隊確定早期地球海洋的二氧化碳含量約是現在的 1 千倍。

為了找到答案,William Martin 和 Joseph Moran 團隊聯合調查熱液噴口附近發現 3 種富含鐵的礦物:硫復鐵礦、磁鐵礦和鐵鎳礦。他們分別將 3 種物質加到水溶液──在 100°C 和 25bars 壓力下,氫氣和二氧化碳冒泡了;類似深海熱液噴口的環境。

結果顯示,這 3 種礦物質都催化氫和二氧化碳反應,形成有機混合物,包括甲酸鹽、乙酸鹽和丙酮酸鹽。

William Martin 表示:

我們擁有的是持續化學能來源,是這些來源產生用於新陳代謝的高能量分子。

生命進化不僅需要食物,還需要某種將資訊從一個有機體傳遞給後代的原生分子。生命和食物來源、原生分子之間如何結合,目前還不清楚,但已知的是,任何早期達爾文體系都需要進食。

對這項新發現,應用分子進化基金會的化學家 Steven Benner 表示:

Martin 和 Moran 的團隊找到的過程肯定是早期生物體的某些食物來源。

One More Thing

生命究竟怎麼起源的?這仍是尚未解決的問題。

這個問題有多種臆測和假說──創造論、宇宙生命論、無生源論、化學起源說等。不過,從科學角度來看,大多數專家認為,所有生命都是由同一種初始生命形式共同進化而來。

目前尚不清楚早期生命形式如何進化,但科學家認為,這是自然過程,約發生在 39 億年前。

生命起源主要有三過程:第一是從無機物到有機小分子;第二是從有機小分子到有機大分子形式;第三是生物大分子演化到初始單細胞生命。第三個過程可說是研究的最大難題,也是爭議的焦點。

要研究生物大分子到初始單細胞生命的過程,需要從三方面入手,包括自我遺傳系統建立、蛋白質合成、生物膜系統形成。

雖然僅 3 個過程,但背後包含許多難以回答的問題:自我複製的生物大分子系統如何建立?蛋白質如何合成?如何具備遺傳功能?是先有新陳代謝能力還是先有遺傳?

這些問題僅是生命起源過程的很小部分,地球生命起源的背後,深藏的未解謎題遠不只於此。不過,也正是這些未知性使地球生命具神祕色彩,成為魅力所在,不是嗎?

(本文由 雷鋒網 授權轉載;首圖來源:NOAA

延伸閱讀: