地球早期生命可能從「毒溫泉」開始 研究有助在太陽系其他星球上尋找生命形式

地球早期生命可能從「毒溫泉」開始 研究有助在太陽系其他星球上尋找生命形式

（神秘的地球uux.cn報導）據新浪科技：國外媒體報導，地球生命起源一直是困惑科學家數十年的未解謎團，目前，最新研究表明，地球早期生命可能是從「毒溫泉」開始的，同時，深入了解地球上複雜分子的形成過程，將有助於指引我們在太陽系其他星球上尋找生命形式。

在美國加州拉森火山國家公園的「邦帕斯地獄（Bumpass Hell）」，地面處於沸騰狀態，空氣中瀰漫著臭雞蛋氣味，氣泡從泥坑中噴湧，釋放出黏稠液體的爆裂聲，灼熱的蒸汽從地球火山口噴出。這處可怕的地形是以牛仔肯德爾·邦帕斯（Kendall Bumpass）的名字命名 ，1865年，當邦帕斯走近這裡，踩到薄薄的地殼，沸騰的酸水嚴重燒傷了他的腿部，導致他不得不進行截肢。

圖中是美國加州拉森火山國家公園的「邦帕斯地獄（Bumpass Hell）」，地熱池邊緣的溼潤和乾燥循環被認為促進了生物分子的聚集。

一些科學家主張稱，地球上的生命是在看似不適宜居住的條件下逐漸形成的，生物在地球上遊蕩之前，像邦帕斯地獄這樣的高溫溫泉可能促進化學反應，使簡單分子連接在一起，從而向複雜生命邁出第一步。然而，其他科學家將地球生命的起點聚焦於海底深處的熱液噴口，在海底熱液噴口處，富含礦物質的熱水從海底裂縫中翻滾而出。

當研究人員研究和辯論地球生命最初在哪裡誕生以及如何爆發式生長時，這項最新研究提供了重要的理論支持。美國加州大學聖克魯茲分校天體物理學家娜塔莉·巴塔哈（Natalie Batalha）稱，了解這顆行星上生命的起源可能為何處尋找地外生命提供重要線索。

美國宇航局艾姆斯研究中心化學家威諾娜·維康特雷（Wenonah Vercoutere）對此表示贊同，她說：「這項最新研究對於太空探索的未來具有重要意義，整個宇宙的物理規則都是相同的，那麼為什麼生物學規律無法延續下來？為什麼整個宇宙不存在生物活躍性呢？」

陸地溫泉

從生物化學核心來看，生命的組成僅依賴於幾種元素：化學元素、水或者其他可以發生化學反應的介質，以及為這些反應提供動力的能量來源。在地球上，所有這些成分都存在於陸地溫泉中，這裡是一些頑強生物的家園。例如：2016年發表在《自然通訊雜誌》的一篇文章指出，美國內華達州的「大沸泉（Great Boiling Spring）」，溫泉溫度高達77攝氏度，但是微生物還是設法在溫泉粘土灘附近水域生存下來。

加州勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室微生物生態學家詹尼弗·佩特裡奇（Jennifer Pett-Ridge）說：「像這樣的生存環境可能非常接近地球早期環境，所以這些生命形式最有可能與一些地球早期生命有關。」

溫泉中的微生物可以形成稱為「微生物墊（microbial mats）」的生物群落，由微生物墊是由多層微生物構成，它們遍布世界各地的地熱區域，其中包括：美國黃石國家公園、俄羅斯南部的加爾加溫泉，以及美國加州拉森火山國家公園——「邦帕斯地獄」所在地。

隨著時間的推移，微生物墊可以形成疊層巖，微生物和礦物質累積疊層的結構，疊層巖的分層結構映射了隨時間流逝的地質變化，就像樹木的年輪一樣。

研究人員在西澳大利亞內陸地區35億年前巖石中發現疊層巖證據，同時還發現溫泉礦床的相關證據，相關內容發表在2017年出版的《自然通訊雜誌》上。這項最新發現以及之前的微生物相關跡象，使得研究小組認為，地球上部分最早生命是在這樣溫泉環境中繁衍發展的。

加州大學聖克魯茲分校生物物理學家大衛·德默（David Deamer）用45年的時間探索地球上的生命是如何起源進化的，他開始研究脂質，即構成細胞周圍膜的油性分子。

德默是溫泉-生命起源論的大力支持者，他曾證實地球溫泉可以產生類似氣泡的囊泡，該囊泡外層是脂質構成。像這樣的結構可能是現代細胞的祖先前體。

科學家認為，冰島的布拉佛溫泉是早期地球上可能形成生命的環境之一。

加州大學聖克魯茲分校天體生物學家布魯斯·戴默（Bruce Damer）運用計算機科學方法解決生命起源問題，他與德默合作測試溫泉的條件能否促使凝聚反應，即兩個分子結合成一個更大的合成物。

當水從溫泉中濺出並蒸發時，液體中的分子會發生凝結反應並連接起來，隨後的飛濺會增加更多的分子，這些分子可以在液體再次蒸發時進行額外的冷凝反應，反覆的潤溼和蒸發可以產生分子鏈。

2018年，戴默在紐西蘭一處活躍的地熱區域進行了實驗，該實驗被命名為「地獄之門」，為了驗證這一假設，他準備了裝有組裝RNA鏈所需成分的小瓶，RNA是一種核酸，在蛋白質合成過程中起到信使作用，可能催化了與早期地球生命起源有關的化學反應，這種混合物包括四種RNA構建成分中的兩種，這些核苷酸連接在一起形成RNA鏈。

戴默將打開的小瓶放在一個金屬盒中，該金屬盒有兩個CD盒大小，然後將該裝置放在一個接近沸騰的熱液池中。為了模擬原始地球時而溼潤、時而乾燥的環境，他向小瓶中注入酸性溫泉水，使小瓶逐漸蒸發乾燥，然後再重複幾次溼-幹循環。當他將小瓶拿回實驗室時，發現其中含有100-200個核苷酸長度的類RNA鏈。

這項研究結果發表在2019年12月出版的《天體生物學雜誌》上，該研究表明溫泉中可以形成複雜的分子，從而支持了地球生命可能在這樣的環境中生存發展的假設。2020年，達默和德默以及同事再次返回「地獄之門」實驗地點，來確認達默的研究結果，並進行了更多的溼-幹循環研究。

美國亞特蘭大市喬治理工學院化學家尼古拉斯·胡德（Nicholas Hud）從一個略微不同的角度研究生命起源：他探索了DNA和RNA核苷酸是如何起源的，他同意這些分子在陸地上比海洋中更有可能通過凝結反應連接在一起，在那裡可以發生乾濕循環。這些反應將產生水，當生活環境周圍存在很多水的時候，這樣的化學鍵的形成在能量上是不利的。胡德說：「形成這種結構的最佳地點是炎熱乾燥的地方，潮溼、炎熱的環境最不容易形成它們。」

水下環境

然而，有證據表明，潮溼、高溫環境正是生命起源的地方，在黑暗深海底的熱液噴口，加熱的水噴湧進入海水之中，其溫度僅高於冰點幾攝氏度。

2017年，研究人員在加拿大魁北克省發現37.7億年前的化石證據，其源自遠古海底，顯示出熱液活動的多種跡象。研究人員稱，這些獨特化石結構類似於微生物，從而表明深海環境中可能存在地球早期生命的相關證據。

在大西洋「遺失之城」發現的石灰巖煙囪等噴口的化學成分支持著微生物的生存。

這些海底環境可能非常極端：一些噴湧黑色水柱的熱浪噴口溫度高達400攝氏度，然而，如果熱液噴口在孕育早期生命方面發揮重要作用，那麼它很可能是溫度適宜的熱液噴口。例如：「遺失之城」是大西洋中部的一個熱液區，從火山口流出的流體溫度在40-90攝氏度之間，這裡因其引人注目的石灰巖煙囪而聞名，一些海底石灰巖煙囪高度大約60米。

這些石灰巖煙囪是微生物的家園，它們以一種叫做蛇紋巖化的化學反應產物為食，加州美國宇航局噴氣推進實驗室天體物理學家勞裡·巴格（Laurie Barge）說：「熱液噴口是非常有趣的環境，因為它們位於水和巖石的交界面。」

像遺失之城這樣的區域，水和巖石之間的化學反應使得從噴口流出的水比海洋中的水鹼性更高，而海水中含有更高濃度的正電荷氫離子。從鹼性水向酸性水的梯度變化就像電池正極和負極之間的差異，它可作為化學活性的能量來源。

為了研究水下熱液噴口的狀況，巴格在實驗裡了建立了模擬環境，她說：「我們可以模擬自然界所看到的事物。」為了描繪早期地球的海洋環境，她在一個倒置玻璃瓶中裝滿了含鐵但不含氧的酸性混合物，塑料管一端穿過玻璃瓶狹窄底部，連接著穩定的鹼性溶液，其作用就像一個排氣口。

當巴格和同事將含有RNA核苷酸的鹼性噴口溶液注射到一個海洋模擬瓶時，單個的RNA核苷酸將連接成短鏈。這些短鏈僅有3-4個核苷酸長度，但研究人員在2015年發表在《太空生物學》雜誌的研究報告中稱，深海熱液噴口的條件狀況可能支持地球生命孕育的相關反應。

潛在的問題

對德默而言，在水下熱液噴口附近組裝生命元素存在著巨大障礙：浩瀚海洋會稀釋分子，所以它們不會濃縮到足以引發化學反應的狀態。此外，水下環境沒有「幹-溼循環」。這需要反覆蒸發處理，才能將足夠多的分子聚集在一起，使其相互碰撞發生反應，從而形成更長的鏈。此外，德默表示，與溫泉中的淡水不同，鹹海水會抑制薄膜的形成，並抑制分子連接在一起的反應。

然而，學術界對德默的熱溫泉理論也提出了批判，美國宇航局艾姆斯研究中心天體生物學家大衛·德斯馬拉斯（David Des Marais）說：「DNA和RNA鏈是由磷酸鹽和糖分子交替組成的，但是糖在溫泉環境中非常不穩定。」

現在排除水下「幹-溼循環」可能還為時過早，美國鹽湖城猶他大學海洋微生物學家比爾·布雷澤爾頓（Bill Brazelton）說：「可能會有一些水保存在噴口處，之後由於火山口消耗水進行蛇紋巖化反應，從而製造出其他分子，你可以在海底巖石中進行這些脫水循環。」

當前科學家可能無法確定地球生命如何孕育誕生：地球最早期大多數地質記錄都已消失，除地球上的溫泉和深海噴口之外，還有許多生命起源的推測理論。例如：最新研究表明，小行星碰撞可能會將過熱的海水輸送至地殼中，產生類似溫泉的水熱系統。

德斯馬拉斯說：「我認為我們必須承認一點，為了促進生命孕育繁衍，早期生命可能歷經了許多坎坷之路。」

地外生命

研究人員正在使用自己所學到的知識，分析生命在地球上何時何地起源發展，這些知識或將指引人類在地球之外尋找生物特徵。目前太陽系存在幾顆頗有希望的星球，很可能在這些星球上發生神秘的生命形式。

加州大學聖克魯茲分校科學家巴塔哈說：「美國宇航局真正感興趣的是在木衛二和土衛二等冰封衛星表面之下的海洋中是否存在生命。」科學家有證據表明，這兩顆衛星表面冰殼之下有含鹽液態海洋。

圖中是美國宇航局「卡西尼號」飛船拍攝的土衛二冰凍表面噴湧的水蒸氣，其中含有：碳、氮和氧的化合物。羽流中的氫是冰下海洋熱液活動的證據，類似於地球上的深海噴口。

這些衛星有趣之處在於除了存在液態水之外，它們的表面噴射水柱，從而表明存在著熱液活動。美國宇航局「卡西尼號」太空探測器甚至在土衛二噴射羽流中發現含有碳、氮和氧的化合物，以及構成蛋白質的胺基酸等一些成分。木衛二和土衛二之所以吸引天文學家，是因為它們的海底活動可能類似於我們地球海洋的熱液噴口，這樣的環境將潛在地為生命提供化學條件。

表面冰凍衛星也可能促進凝結反應，巴格說：「即使你處於一顆冰冷的衛星，你也會經歷冰的凍結和融化過程，所以，我認為有必要說，如果幹溼循環很重要，那麼我們應該在太陽系中尋找任何可能促進脫水振蕩的環境條件。」

但是要尋找遠古生命跡象，德默和戴默認為火星是更有可能存在生命的星球。礦床樣本分析表明，地球遠古時期曾存在溫泉和熱液活動，維持了溼潤和乾燥循環，這對於凝結反應孕育生命是至關重要的。

目前，多個國家提出了火星探索計劃，美國宇航局「毅力號」火星車將在2021年2月登陸火星耶澤洛隕坑，尋找遠古生命的跡象，例如：採集巖石樣本中的礦物質。儘管火星和「邦帕斯地獄」相隔5460萬公裡，但它們兩者環境的差別並不大。