生命起源在哪裡?Science 研究告訴你,在海底

回答生命起源的問題，就跟回答「先有雞還是先有蛋」一樣難。

不過，關於這一難題的研究近期有了新進展。

科學家們發現，在海底熱液噴口的位置，周圍有三種金屬化合物，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。

由此，研究小組認為，高溫高壓的海底熱液噴口處，很可能是地球生命的開始。

雷鋒網(公眾號：雷鋒網)註：圖源 Science

「新陳代謝先起源」假說

一直以來，關於地球生命的起源有著多種觀點假說，「新陳代謝先起源」是其中之一。

「新陳代謝先起源」假說認為，早期地球上的化學過程會產生簡單的富含能量的化合物，以此推動了複雜分子的合成，最終為生命和人類進化提供了原料。

通常情況下，這一假說會與「複製先起源」假說一同被擺上檯面。

不同於「新陳代謝先起源」假說，「複製先起源」假說則是認為前生物合成的有機化合物能夠通過非生物自發聚合形成具有自我複製能力的遺傳信息系統，並逐漸擁有了「新陳代謝」能力。

關於這兩個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」假說增添了一筆新論據。

杜塞道夫大學進化生物學家 William Martin 和斯特拉斯堡大學化學家 Joseph Moran的研究團隊在海底熱液噴口的位置發現了能夠生成有機分子的三種金屬化合物——甲酸鹽、乙酸鹽和丙酮酸鹽，這些化合物能夠把營養物質轉化為細胞生長。

事實上，早在 2016 年，William Martin 帶領的研究團隊就已發現了關於原始新陳代謝的線索。

該團隊掃描了數千種細菌和古生菌的基因組，識別出 355 種有共同基因編碼的蛋白質。這些蛋白質表明，原始微生物會在高溫下會大量繁殖並消耗氫氣，再通過電解將海洋中的無機二氧化碳轉化成富含能量的有機化合物。

這同樣支持了原始微生物生活在熱液噴口附近的觀點，因為在噴口周圍存在著原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，現代生物會通過乙醯輔酶 a（acetyl-CoA）途徑將氫和二氧化碳結合形成有機分子。這一過程將必要的有機分子注入生化過程，從而推動蛋白質、碳水化合物和脂質的生成；而這些物質正是細胞能量代謝的核心。

然而，問題是，現代生物是利用 11 種由 15000 個胺基酸組成的酶來運行乙醯輔酶 a 途徑，而地球原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，把氫和二氧化碳放在一起，什麼都不會發生。

那麼，有機體是如何自發地發展它們的能力來運行乙醯輔酶 a 途徑的呢？

2018 年，Joseph Moran 領導的研究團隊找到了部分答案。研究指出，包括鐵、鎳和鈷在內的純金屬可以催化水（水分子含有氫）和二氧化碳的反應，形成乙酸和丙酮酸，這是實現乙醯輔酶 a 途徑的關鍵因素。

這一發現表明，最早的生命可能只是以這些有機化合物為食，以此獲得生存，且隨著時間的推移，會進化出的一系列蛋白質機制使反應更加有效。

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原始微生物所做。相反，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醯輔酶 a 途徑發揮作用，熱液噴口附近常見的富含金屬的礦物質是否會導致氫與二氧化碳發生反應。

雷鋒網註：圖源 Science

William Martin 及其研究團隊認為，熱液噴口之所以會不斷地噴出氫氣，是由地殼深處的水和金屬之間的反應驅動。並且，該團隊確定早期地球海洋中的二氧化碳含量大約是現在的 1000 倍。

為了找到答案，William Martin 和 Joseph Moran 的團隊聯合調查了在熱液噴口附近發現的三種富含鐵的礦物：硫復鐵礦、磁鐵礦和鐵鎳礦。他們分別將這三種物質添加到水溶液中——在 100°C 和 25 bars 的壓力下，氫氣和二氧化碳冒著泡；類似於深海熱液噴口的環境。

結果顯示，這三種礦物質都催化了氫和二氧化碳的反應，形成了有機混合物，包括甲酸鹽、乙酸鹽和丙酮酸鹽。

William Martin 表示：

我們所擁有的是一種持續的化學能來源，是這些來源產生了用於新陳代謝的高能量分子。

生命的進化不僅需要食物來源，還需要某種將信息從一個有機體傳遞給後代的原生分子。生命和食物來源、原生分子之間是如何結合的，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。

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

Martin 和 Moran 的團隊所描述的過程肯定是早期生物體的一些食物來源。

One More Thing

生命究竟是怎樣起源的？

這仍是一個尚未解決的科學問題。

關於這個問題，存在著多種臆測和假說——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，所有的生命都是由同一種原始生命形式共同進化而來的。

目前尚不清楚早期生命形式如何進化，但科學家們認為，這是一個自然過程，大約發生在 39 億年前。

生命的起源主要有三個過程：第一個是從無機物到有機小分子；第二個是從有機小分子到有機大分子形式；第三個生物的大分子演化到原始單細胞的生命。其中，第三個過程可以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原始單細胞生命的過程，需要從三個方面入手，主要包括自我遺傳系統建立、蛋白質合成、以及生物膜系統的形成。

雖然僅有三個過程，但其背後包含著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？

而這些問題僅是生命起源過程的一小部分，地球生命起源的背後，深藏的未解謎題還遠不止於此。不過，也正是這些未知性使得地球生命頗具神秘色彩，成為其魅力所在，不是嗎？雷鋒網

參考來源：

【1】https://www.sciencemag.org/news/2020/03/was-life-s-first-meal?from=timeline

【2】https://www.sciencemag.org/news/2016/07/our-last-common-ancestor-inhaled-hydrogen-underwater-volcanoes

【3】https://simple.wikipedia.org/wiki/Origin_of_life

【4】https://baike.baidu.com/item/%E7%94%9F%E5%91%BD%E8%B5%B7%E6%BA%90%E7%90%86%E8%AE%BA/189034?fr=aladdin

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