生命的起源與高壓生命科學(xué)

韋志仁

（河北大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，河北保定 071002）

生命的起源與高壓生命科學(xué)

韋志仁

（河北大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，河北保定 071002）

自發(fā)現(xiàn)海底熱泉以來，科學(xué)家對深海熱泉的地質(zhì)結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分、生物群落、生物代謝過程等進行了深入的研究.海底熱液周圍呈現(xiàn)了和地球表面完全不同的生態(tài)環(huán)境，在暗無陽光的深海區(qū)域，嗜熱細菌完全依靠化學(xué)能量生存繁殖，而熱液中其他生物則以嗜熱細菌為食，形成了繁茂獨特的生態(tài)系統(tǒng).和地表常壓環(huán)境相比，在高壓熱液條件下，更容易聚合生成有機大分子，且有機大分子更穩(wěn)定、化學(xué)反應(yīng)活性更強，形成更多樣化的生命體.越來越多的科學(xué)家推測原始的生命大分子可能起源于海底熱液系統(tǒng).本文在綜述了有關(guān)“超高壓熱液生命”研究文獻的基礎(chǔ)上，提出采用高壓生物系統(tǒng)，研究在高壓狀態(tài)下生物發(fā)育生長的適宜條件，探索生物可能出現(xiàn)的新化學(xué)反應(yīng)和新生物性狀，進一步揭示新的生命進化規(guī)律.

熱液；海底熱泉；生命起源；高壓生命科學(xué)

生命產(chǎn)生于何時、何地，又如何發(fā)展演化成現(xiàn)在生機勃勃的地球生命？這些問題產(chǎn)生于人類思想意識活動，并伴隨歷史的發(fā)展，一直是困擾人類的最重要問題之一.生命起源的研究成果不但影響了自然科學(xué)本身的發(fā)展，還對人類意識形態(tài)、社會組織結(jié)構(gòu)變革產(chǎn)生過巨大的影響.1859年達爾文出版了《物種起源》，從生物進化的觀點闡述了地球各種生物之間的相互關(guān)系，人類開始擺脫宗教意識對生命現(xiàn)象的認識.此后的100多年里，達爾文生物進化論成為研究生物發(fā)展演化規(guī)律的主導(dǎo)理論.但最初的生命來自于哪里？生命是如何演化發(fā)展的？進化論并沒有給出確定的回答.隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們更加希望得到“生命起源和進化”的確切答案.

1924年，前蘇聯(lián)科學(xué)家奧巴林從唯物主義觀點出發(fā)，認為生命的起源過程是通過化學(xué)反應(yīng)途徑開始的，提出關(guān)于地球生命起源于“有機海洋”的假說.2年之后，奧巴林寫成《生命起源》，1936年出版了《地球上生命起源》一書.奧巴林認為生命起源是由簡單化合物不斷反應(yīng)的化學(xué)過程，把生命產(chǎn)生過程分成3個階段，第1階段由原始大氣的甲烷、水、氨和氫等在紫外線、宇宙射線等能量作用下，形成各種簡單有機化合物如醛、醇、酸等，這些化合物又進一步結(jié)合成胺鹽和胺等含氧、氮的碳氫衍生物，并和水一起降落到海洋，形成富含有機物的原始海洋.在第2階段，海洋中有機分子相互作用反應(yīng)生成氨基酸、核苷酸等有機大分子，并由氨基酸、核苷酸進一步形成多肽、多核苷酸直至蛋白質(zhì)、核酸等復(fù)雜的化合物.在第3階段，多肽、多核苷酸等大分子反應(yīng)結(jié)合成團聚體，這些團聚體具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)，更強的催化功能，最后生物大分子聚合物自組織產(chǎn)生了具有自我復(fù)制和代謝功能的細胞生物.

1953年，美國科學(xué)家Miller和他的導(dǎo)師Urey合作，將甲烷、氨、水蒸氣、氫氣的混合體裝在一個封閉的系統(tǒng)內(nèi)，在連續(xù)火花放電的作用下，經(jīng)過1周時間，合成了大量有機化合物，其中有11種氨基酸，包含甘氨酸、丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸.Miller的工作［1］首次從無機材料中獲得蛋白質(zhì)等生命大分子材料，開始了化學(xué)合成生命基本材料的探索過程.

現(xiàn)代分子生物學(xué)已經(jīng)完全揭示出生命現(xiàn)象是高度有規(guī)律的、自組織化的有機大分子之間相互催化的反應(yīng)過程，這些反應(yīng)完全遵循物理、化學(xué)的基本規(guī)律.也有越來越多的科學(xué)家相信生命過程起源于地球原始的簡單化合物的化學(xué)反應(yīng)過程.

1 海底熱液生物系統(tǒng)的發(fā)現(xiàn)

1977年，美國深水探測器Alvin號在考察太平洋中脊地質(zhì)活動過程中，發(fā)現(xiàn)了2 500m深的海底熱液噴泉［2］.大洋中脊是地球板塊的交匯地區(qū)，多火山和地質(zhì)裂縫，海水通過破碎帶向下滲透，經(jīng)過熾熱的地下巖石后被加熱，以熱泉形式從海底涌出，并且溶解了玄武巖中大量的鐵、錳、銅、鋅、氫等元素，形成大量的多金屬硫化物和碳酸鹽等礦物，出口溫度高達350℃.在高溫偏酸性的熱液噴口周圍，生存著茂盛的生物群落，主要有細菌、古菌、管狀蠕蟲、蛤類、貽貝類等；此外還有管水母類、腕足動物、腸鰓動物、海蛇尾類及魚、蝦和蟹等.

這些生物不依賴陽光提供的能量，而是通過化學(xué)反應(yīng)，嗜熱細菌以化能自養(yǎng)方式生存繁育，其他生物再以細菌為食物.這一發(fā)現(xiàn)改變了生物只能依靠陽光的能量才能生存的觀念.此后不斷發(fā)現(xiàn)多種依靠其他能量來源生存繁育的細菌，這些細菌大多生存在高溫、高壓、強堿或強酸等環(huán)境中.這一現(xiàn)象極大地改變了人們對生命過程的認識，一些科學(xué)家大膽推測海底熱液系統(tǒng)可能是原始生命的起源地［3－6］.

隨著探測工作的深入進行，人們對海底熱液系統(tǒng)的溫度、pH值分布、化學(xué)成分有了更深入的了解.海底黑煙囪或者白煙囪是熱液系統(tǒng)的主體，從熱泉的噴口噴出的熱水溫度高達350℃，由于海底高壓作用而沒有形成氣態(tài).高溫?zé)崴芙饬舜罅繋r石成分，并從巖石裂縫涌出，其噴出物質(zhì)的濃度和溫度也從噴口附近向外逐漸變化，形成化學(xué)濃度和溫度的梯度分布［7－10］.

2 海底熱液生物系統(tǒng)的能量來源

高溫水溶液和蛇紋石發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成了生命過程中最重要的成分H2，以及各種有機碳元素化合物和大量硫化物［11－13］.在高溫高壓下，氫元素和各種碳化合物反應(yīng)生成烷烴類有機物［14－16］，這些是熱泉周圍的所有生物的能量來源.同位素測量表明水熱環(huán)境中生物的H和C元素均來自于地幔巖石，和地球中已有的有機生命中的H和C元素?zé)o關(guān)［17－18］，說明其生命的能量也非來自陽光.

噴出口的熱液含有豐富的化學(xué)氣體（如CO2，CH4，HCN，H2S）、礦物（黏土、鐵礦物等）和無機鹽等.高濃度的有機物、化學(xué)酸堿度梯度可以滿足各類生物分子材料的化學(xué)合成，在高壓和溫度梯度存在條件下，十分有利于生物大分子的自組織生長，使其可以形成十分復(fù)雜的，且具有高級功能的分子結(jié)構(gòu)，最終具備了強大生物功能.

通過模擬海底熱液系統(tǒng)的條件，可以合成出大量有機分子，特別是在有催化劑條件下，烴烷類分子具有很高的合成效率［19－23］.

3 模擬海底熱液系統(tǒng)合成各種有機分子材料和氨基酸

模擬高壓熱液環(huán)境，氮和氮氫氧化物被催化反應(yīng)生產(chǎn)NH3，這是生命有機體最初級的必要元素［24］，還可以合成丙酮酸［25］、有機硫化合物［26］、C－H－N－O化合物［27］、氨基乙酸等［28］.

模擬海底熱液系統(tǒng)，甚至可以合成出各種氨基酸分子.Alargov等人［28］模擬海底熱液條件，研究了溫度、壓力對有機產(chǎn)物聚合和分解的影響.在反應(yīng)溶液中注入甲醛和氨水，獲得了甘氨酸、丙胺酸、天冬氨酸等.文獻［29］報道在200～350℃，利用甘氨酸低聚物2min后可以合成出四甘氨酸，還可以合成出ω－氨基酸、谷氨酸.海底熱液系統(tǒng)顯然具有合成氨基酸生物大分子的天然條件［30－31］，其合成效率高于一般的合成條件［32］.我國科研人員對水熱合成氨基酸以及氨基酸聚合條件進行了初步的研究［33－35］.特別是田戈的研究工作，在沒有任何催化劑作用下，分別得到了甘氨酸二肽和丙氨酸的二肽.

Aubrey等人對氨基酸合成和降解的溫度特性進行了分析［36］，認為較低溫度有利于氨基酸的合成.Amend等人對氨基酸的反應(yīng)動力過程進行了研究［37］.研究結(jié)果證明在高壓熱液條件下也有利于縮氨酸、低聚肽的合成［38－39］，證實海底熱液環(huán)境適合于高分子碳氫化合以及氨基酸生成［30，40］.

4 生物大分子在高溫?zé)嵋簵l件下的穩(wěn)定性

生物大分子在高溫高壓狀態(tài)是否穩(wěn)定，是生命起源于高溫水熱系統(tǒng)假說成立的關(guān)鍵.氨基酸的高溫穩(wěn)定性歷來存有爭議，過去認為，高溫條件下會使生命大分子分解，使氨基酸發(fā)生水解現(xiàn)象.特別是Miller［41－43］堅持認為生命不可能起源于高溫?zé)嵋簵l件.

高溫是氨基酸等生物大分子分解的重要因素，Bernhardt在文獻［44］報道，甘氨酸、丙氨酸在250℃、26MPa的條件下，6h后幾乎完全分解，并研究了肽鍵高溫水解性能.White等人［45］報道在250℃，氨基酸（丙氨酸、酪氨酸、絲氨酸、蘇氨酸、賴氨酸）的半衰期小于7.5h.

Hazen等人［46］對氨基酸在熱液條件下的分解性能作了深入的研究，證實氨基酸在200℃時，幾分鐘內(nèi)分解，但在溶液中添加從海底熱液噴口周圍取出的礦物質(zhì)后，氨基酸能保持數(shù)天時間的穩(wěn)定性.溶液中的鹽分離子也能夠有效地保護RNA、DNA大分子的結(jié)構(gòu)，一些鹽溶液中的離子能屏蔽磷酸根的負電荷，保護DNA免受脫嘌呤和水解作用.除此之外，一定的壓力也能增加酶的熱穩(wěn)定性，使其在高溫、高壓的水溶液中保持穩(wěn)定［47］.有機物中自身也有的熱穩(wěn)定機制，蛋白質(zhì)修復(fù)酶具有保護DNA等大分子鏈的作用，使其在高溫下保持穩(wěn)定［48］.海底熱液的細菌最高承受溫度可以達到121℃［49］，說明生物大分子在較高溫下具有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，可維持正常的代謝功能.

Franiatte等人［50］的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)腺嘌呤在300℃，經(jīng)過96h，其濃度能夠達到穩(wěn)定.

海底嗜熱細菌在生命系統(tǒng)中起著關(guān)鍵的作用，嗜熱細菌能夠在極高溫度下生存，說明生物內(nèi)部具有熱穩(wěn)定系統(tǒng)，使其能夠在高溫下繼續(xù)保持酶催化作用［51－53］，保證嗜熱菌繁茂生長，維持熱液生態(tài)系統(tǒng)的存在［54］.

5 高壓對生物生理活性的影響

地球的生物都生活在地球大氣層下，大氣層既可以保護生物免受宇宙射線的傷害，大氣的壓力又使得生物分子之間，以及和水分子的弱鍵能夠穩(wěn)定結(jié)合.如果沒有大氣壓力，在常溫下，水分子的動能可使其逃離生命有機分子的束縛，生命也就不復(fù)存在.因此，壓力是維持生命過程必不可少的因素.

海底熱液系統(tǒng)處于海平面2 000m以下，壓力20MPa，熱泉的細菌和其他生物在高壓狀態(tài)繁茂生長.一些生活在海洋表面的生物如鯨魚、章魚等也能夠下潛到2 000m以下，說明生物對壓力有極強的適應(yīng)能力.

生命體內(nèi)包含大量的水分子，生物大分子侵潤在水溶液的包圍中，穩(wěn)定的高壓以三維方向施加到大分子上，不會對分子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞性作用.只有當壓力變化較快時，會對大分子產(chǎn)生剪切力，對細胞的各種膜結(jié)構(gòu)產(chǎn)生壓縮力，使通過膜傳送的化學(xué)物質(zhì)數(shù)量出現(xiàn)偏差，甚至膜結(jié)構(gòu)被損壞，膜內(nèi)液體物質(zhì)流失，引起細胞代謝功能障礙，甚至生命體失去活性.這一現(xiàn)象已經(jīng)應(yīng)用于超高壓滅菌的工藝.

早期關(guān)于壓力對生物生理影響的研究始于20世紀六七十年代，可能由于傳統(tǒng)的觀念中“壓力一定是生命過程中的不利因素”的影響，研究工作只是檢驗生物對壓力的反應(yīng)，并未深入研究其他問題.所采用的實驗裝置均為小型的高壓容器，加壓過程也過于簡單，沒有考慮到加壓過程和容器內(nèi)氣體成分對生物生理的影響.

20世紀70年代Menzies等人［55－61］對海洋的一些生物（棘皮動物、招潮蟹、深海片腳類動物等）在高壓下的生理表現(xiàn)做了一些定性表述，定義了生物在壓力作用下的幾種狀態(tài).隨著壓力的增加，生物會出現(xiàn)抽搐、昏厥、直至死亡的過程，實驗表明很多海洋生物能夠承受超過10MPa壓力.Rice等人總結(jié)了海洋生物在高壓狀態(tài)下的生理反應(yīng)［62］，也證實一些海洋生物體在小于10MPa下（如片腳類動物），可以維持正常生理功能.

隨著深海熱泉的發(fā)現(xiàn)，人們開始重新審視壓力和生命現(xiàn)象的關(guān)系.研究發(fā)現(xiàn)，生物承受的壓力極限大得驚人，Sharma等人［63］證實細菌的承壓能力超過上千MPa，一種緩步綱生物的耐壓極限甚至超過GPa［64］.

海底熱泉最主要的特征是水溶液處于高壓狀態(tài)，因為海底高壓，水才不會因為過高的溫度（低于飽和蒸氣壓溫度）而汽化，生物體細胞內(nèi)的結(jié)合水也不會發(fā)生離解.顯然高壓對生命大分子材料合成和維持生物高溫活性有非常積極的作用.

人類作為最復(fù)雜的生命體其耐受壓力的能力也是很強的.在飽和潛水的過程，人類已經(jīng)成功潛水達到500m深度，俄羅斯實驗用的小白鼠在飽和潛水中，最大耐受壓力達到20MPa.

人們還利用壓力效應(yīng)用于植物和菌種的培育研究［65］，認為生物在壓力作用下的協(xié)變效應(yīng)會引起生物性能的變化.這些研究還處于很初級的階段，主要缺點是壓力容器較小，加壓過程簡單，加壓時間短.加壓只是作為短時間處理手段，而不是作為生長發(fā)育的環(huán)境條件.加壓的氣體環(huán)境未加仔細考慮（一般為空氣或氮氣）.實際上不當?shù)募訅哼^程可能對生命體產(chǎn)生破壞作用，而氣體環(huán)境也會影響正常的生物代謝過程，一些常壓下無害的氣體在高壓下可能成為有毒氣體，損害某些生物器官.營養(yǎng)條件也會影響到生物生長發(fā)育.因此有必要重新審視這一研究課題，重點探索高壓狀態(tài)下生物發(fā)育和生長的適宜環(huán)境，進而研究在這一環(huán)境下的生物生長發(fā)育過程和性能改變.

雖然科學(xué)家已經(jīng)意識到高壓熱液環(huán)境和原始的生物分子起源的關(guān)聯(lián)性［66－67］，但有關(guān)高壓環(huán)境對生物生長發(fā)育影響的研究還處于空白.

6 高壓生命科學(xué)的意義

在地球原始條件下，海洋的火山活動遠比現(xiàn)在活躍，到處存在著相對穩(wěn)定的海底熱液系統(tǒng)，產(chǎn)生了大量的有機物大分子，有機大分子之間以及和礦物之間互相催化作用，形成了復(fù)雜而又規(guī)則的自組織結(jié)構(gòu).隨著分子量愈來愈大，結(jié)構(gòu)和功能的精密化，RNA，DNA，以及各種蛋白質(zhì)相繼產(chǎn)生.同樣，構(gòu)成細胞的膜層組織也可以產(chǎn)生于這樣的條件，最終誕生了具有生命屬性的大分子團，直至細胞產(chǎn)生.按照地球生物最初來源于化學(xué)演化的觀點，可以想象，在生物演化的過程中，先是有了基本的生物大分子材料，如蛋白質(zhì)、RNA、DNA、細胞膜等，再進一步組裝成細胞結(jié)構(gòu).在早期細胞形成過程中，不同的細胞包含了不同結(jié)構(gòu)的DNA，這些細胞極有可能發(fā)育成各種不同的生命體，生命過程的早期就形成了較復(fù)雜生物群.

相比于地表大氣壓力環(huán)境，高壓使生物大分子之間以及和水分子的結(jié)合更加緊密，可使分子間內(nèi)能增加，分子結(jié)構(gòu)的有序程度增強，大分子分解溫度的閾值提高，使生命體適宜生存的溫度范圍更寬，能夠在更高的溫度下保持穩(wěn)定和活性.高壓使得分子間距減小，降低了分子間化學(xué)反應(yīng)的激活能閾值，提高分子反應(yīng)活性，能夠完成在常壓、常溫狀態(tài)下不可能發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，且化學(xué)反應(yīng)速度更快，從而可以形成更復(fù)雜的生物結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生更強大的生物功能.因此，從生物小分子合成到大分子組裝，以及后來的生命演化過程中，高壓熱液系統(tǒng)的化學(xué)反應(yīng)條件無疑比地球表面的常壓、常溫具有更多的優(yōu)勢.

因此，筆者認為可以建立完善的超高壓生物系統(tǒng)，研究在高壓、超高壓狀態(tài)下生物的生存條件.研究壓力、溫度、營養(yǎng)、氣體條件改變對不同生物發(fā)育生長的影響.目的在于發(fā)現(xiàn)生命現(xiàn)象中的未知反應(yīng)，尋找新生物物質(zhì)生成的途徑，以及研究可能激活生物基因快速變化的條件，獲得具有新性狀的生命體，探索極端狀態(tài)下生物快速微進化的可能性.

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（責(zé)任編輯：趙藏賞）

Origin of life and high－pressure life sciences

WEl Zhiren
（College of Physics Science and Technology，Hebei University，Baoding 071002，China）

Since the submarine hot spring was discovered，the geological structure，chemical composition，biological community and metabolism of the submarine hot spring have been deeply researched by scientists.The ecological environment of submarine hot spring greatly differs from the environment of the Earth＇s surface.In the dark deep sea area without sunlight，thermophilic bacteria completely rely on chemical energy to survive and multiply，and other creatures feed on themselves on the thermophilic bacteria and therefore form a luxuriant and unique ecological system.Compared with atmospheric pressure environment，biological macromolecules under ultra high pressure are easier to be polymerized，more stable，and have stronger chemical reaction activity，therefore generate more diversity of life forms.More and more scientists realize that the life macromolecule might originate in the submarine hot spring system.Based on overviewing research literatures about ultra high pressure hydrothermal life，the author proposes to apply the high pressure bio－ecological system to explore the optimum conditions for biological growth and development under high pressure，and determine new possible chemical reactions and new biological traits of organisms，and further to reveal new laws of life evolution.

hydrothermal；submarine hot spring；origin of life；high－pressure life science

Q10

A

1000－1565（2013）02－0210－08

10.3969／j.issn.1000－1565.2013.02.018

2012－12－10

國家自然科學(xué)基金資助項目（50472037；50772027）

韋志仁（1962－），男，河北保定人，河北大學(xué)研究員，主要從事納米、晶體材料及高壓水熱合成等研究.Weizhiren－1＠163.com