生命搖籃大猜想

王也

大約在40億年前，地球上第一次出現(xiàn)了生命，它只是被包在某種囊中的遺傳分子，長得跟我們當(dāng)今所認(rèn)識(shí)到的任何生物都不像，結(jié)構(gòu)甚至比細(xì)菌的細(xì)胞還要簡單?？茖W(xué)家一直在鉆研這初始的生命究竟是如何形成的，他們認(rèn)為找到生命起源的地點(diǎn)也許是破解這個(gè)問題的關(guān)鍵。

科學(xué)家們正在探尋，除地球之外，現(xiàn)在宇宙中是否也存在這樣一個(gè)地方：它擁有能產(chǎn)生生命的關(guān)鍵元素，而且它的環(huán)境能供這些元素進(jìn)行完美的化學(xué)反應(yīng)。

小池塘猜想

達(dá)爾文是最早開始嘗試回答這個(gè)問題的人。1871年，他在一封信中描述了自己的猜想：有一個(gè)溫暖的小池塘，里面富含化學(xué)物質(zhì)和鹽，環(huán)境中還有光、熱和電。達(dá)爾文認(rèn)為在這樣的環(huán)境中，蛋白質(zhì)可能會(huì)自發(fā)地形成，然后會(huì)變成更復(fù)雜的有機(jī)體。20世紀(jì)50年代，美國化學(xué)家哈羅德·尤里和斯坦利·米勒進(jìn)行了著名的米勒—尤里實(shí)驗(yàn)。他們建立了一個(gè)受控型密封系統(tǒng)，模擬地球早期大氣層環(huán)境。

他們在長頸瓶中裝上溫水來模擬當(dāng)時(shí)的海洋，當(dāng)水蒸氣蒸發(fā)時(shí)，會(huì)被收集在另一個(gè)燒瓶中。尤里和米勒在該實(shí)驗(yàn)裝置中引入了氫氣、甲烷和氨氣，模擬早期大氣層無氧氣的狀況。然后，他們釋放電火花，來模擬閃電，進(jìn)入這種混合氣體構(gòu)成的無氧大氣層。最終，利用冷凝器將這些氣體冷卻成液體，收集進(jìn)行分析。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在冷卻的液體中大量地存在著有機(jī)化合物，約有10%到15%的碳以有機(jī)化合物的形式存在。其中2%屬于氨基酸，以甘氨酸最多。但核酸本身，如DNA或RNA則未出現(xiàn)。尤里和米勒得出結(jié)論稱，有機(jī)分子形式能夠來自于無氧大氣層，同時(shí)最簡單的生命體也可能孕育在這種早期環(huán)境中。

這場實(shí)驗(yàn)是20世紀(jì)最著名的實(shí)驗(yàn)之一，當(dāng)時(shí)在社會(huì)上造成不小的影響，不過現(xiàn)在我們知道，當(dāng)時(shí)在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中生成的有機(jī)成分，并不足以構(gòu)成生命，也意味著這場實(shí)驗(yàn)不足以說明達(dá)爾文的猜想是正確的。

生命想要“無中生有”，這三大要素必不可少：遺傳密碼、新陳代謝以及膜。遺傳密碼中攜帶可以用來制造細(xì)胞的生物藍(lán)圖;新陳代謝可以為細(xì)胞提供能量，而膜可以把這些成分和反應(yīng)統(tǒng)統(tǒng)包裹在里面。在現(xiàn)存的有機(jī)生物中，以上三個(gè)要素都是由相同的原子構(gòu)成的，即碳、氫、氧、氮、磷和硫。因此生命的搖籃至少要能提供充足的基本原子，還要有能讓原子發(fā)生反應(yīng)的基本條件。

海底起源猜想

當(dāng)生物化學(xué)家們還在苦苦思索這些問題時(shí)，深海探險(xiǎn)家在太平洋地區(qū)有了驚人的發(fā)現(xiàn)。在1979年，美國有艘潛水艇潛入了距海平面2千米深的海底，在那里發(fā)現(xiàn)了海底黑煙囪，它的原理和火山類似，只不過是在海底噴發(fā)。在海底黑煙囪中，人們發(fā)現(xiàn)了不同尋常的完整的生態(tài)系統(tǒng)。于是科學(xué)家猜想也許生命起源于這些海洋底部的熱泉。

頗為巧合的是，大約在兩年后，旅行者2號(hào)太空探測器發(fā)回了木衛(wèi)二的照片，人們通過照片推測木衛(wèi)二的冰殼下可能存在海洋。這個(gè)發(fā)現(xiàn)激起了人們對外星生命及其起源的興趣，也給了相信海底起源說的人信心，甚至有人認(rèn)為海底熱泉既然能在地球上孕育生命，也一定能在其他星球起到相同的作用。

但后來科學(xué)家們放棄了這個(gè)猜想，因?yàn)楹５缀跓焽柚写嬖诘臍浜亢艿?，而且它的溫度太高，新生的分子難以在這樣的高溫中保持完整，如RNA中的遺傳物質(zhì)會(huì)在高溫里被迅速降解。

21世紀(jì)之初，人們在大西洋中部發(fā)現(xiàn)了溫度較低的海底噴口，這個(gè)地方噴發(fā)堿性的海底熱泉。海水和海底礦物質(zhì)在此處發(fā)生反應(yīng)，生成帶有微小孔隙的巖石，以及富含氫氣的溫暖液體?？茖W(xué)家認(rèn)為巖石的氣孔是早期生命出現(xiàn)的理想之處，尤其是堿性熱泉和酸性海水之間存在電化學(xué)梯度，能自發(fā)形成乙酰磷酸和焦磷酸鹽，這是兩種能為活細(xì)胞供能的化學(xué)分子。它們也可以為分子合成提供能量，讓溶解的二氧化碳和氫氣合成有機(jī)分子，再構(gòu)建蛋白質(zhì)的組成部分和RNA。

陸地起源猜想

如此看來，堿性的海底噴口似乎是生命起源的理想搖籃，只不過它也有自己的短板——過于潮濕。在地球上還沒出現(xiàn)生命之前，生物分子是很罕見的，如果蛋白質(zhì)的組成成分被過分稀釋，那么它們就無法互相碰撞，最終形成蛋白質(zhì)鏈。于是科學(xué)家猜想，或許存在一個(gè)有著干濕循環(huán)的地方，讓最原始的分子能夠碰撞出生命的火花，借此出現(xiàn)了陸地起源的猜想。

陸地起源說認(rèn)為，生命開始于有著周期性干涸的環(huán)境中，脫水作用在合成有機(jī)分子時(shí)扮演著重要的角色。每當(dāng)一個(gè)蛋白質(zhì)的組成成分被添加進(jìn)蛋白質(zhì)鏈中時(shí)，會(huì)釋放出一個(gè)水分子。眾所周知，酶是活細(xì)胞的催化劑。在生命的初期，酶還沒有出現(xiàn)，只能依靠干燥的環(huán)境擔(dān)任脫水的作用。

科學(xué)家們認(rèn)為在火山島上的淡水池比在深海噴口附近更容易形成脂肪膜。在海洋中，溶解的鈣和鎂離子會(huì)妨礙脂肪酸聚集在一起形成連續(xù)的膜;但是在淡水中，脂質(zhì)可以輕易聚集，就像水油混合時(shí)，油會(huì)輕易和水分離，出現(xiàn)很明顯的邊界一樣。

為了證明這個(gè)猜想，科研人員從美國黃石國家森林和加州拉森國家公園的溫泉中采集樣品，再讓這些樣品經(jīng)歷干濕循環(huán)。他們發(fā)現(xiàn)，如果他們將這些樣品脫水然后再補(bǔ)充水分，其中類似RNA的分子就會(huì)被包裹在脂肪膜中，就像原始細(xì)胞膜能包裹遺傳物質(zhì)一樣。

有的科研人員認(rèn)為，比起火山水池，地?zé)崽锼坪跏歉硐氲沫h(huán)境，因?yàn)樗稍?。地?zé)崽锸侵赣脕磲尫诺責(zé)嵴羝臒釒r石?？蒲腥藛T認(rèn)為，這里的化學(xué)反應(yīng)更接近于我們自己細(xì)胞內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)，因?yàn)榈責(zé)嵴羝缓茉杏闹匾?。通過控制蒸汽濃度，小水滴的形成可以為生成RNA創(chuàng)造理想的環(huán)境。

要生成RNA，首先要制造核糖，也就是RNA中的R。創(chuàng)造R的原子可能早已存在在大氣中，不過沒有外力的幫助，這些原子不會(huì)自發(fā)變成我們需要的核糖。這時(shí)候硼酸鹽礦物可以成為有效的助力，它能引導(dǎo)原子合成更多的核糖，而且還能鞏固核糖的結(jié)構(gòu)，以免它們分崩離析。因此，有科研人員認(rèn)為沙漠才是生命的搖籃，因?yàn)閹r石中有著豐富的硼酸鹽礦物質(zhì)，偶爾還會(huì)有雨水濾出。

冰上起源猜想

上述的所有環(huán)境都有一個(gè)共同點(diǎn)，就是熱量。我們知道，溫暖的環(huán)境可以幫助推動(dòng)化學(xué)反應(yīng)，有些科研人員偏要反其道而行之，他們認(rèn)為生命可能起源于冰塊。當(dāng)水結(jié)冰時(shí)，溶解在水中的所有物質(zhì)都會(huì)被脫水，并濃縮成鹽水。這些鹽水被困在冰的狹窄裂縫中，進(jìn)而形成聚合物鏈，低溫還能幫助生物分子保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，讓它們得以繼續(xù)生長。

為了證明這個(gè)大膽的猜想，有科研人員將溶液中的成分與金屬離子凍在一起，嘗試制造RNA鏈。他們使用環(huán)境中常見的離子，幫助促進(jìn)催化反應(yīng)。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，反復(fù)的凍融循環(huán)有助于酶的生成，酶能催化化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生更多的RNA鏈。這非常符合我們最初對生命起源的期待?？梢?，冰似乎是一種有效媒介，它可以促進(jìn)生物分子轉(zhuǎn)換，使分子變成一個(gè)可以自我繁殖的系統(tǒng)。

遺憾的是，上述猜想都面臨了同一個(gè)問題，它們無法對新陳代謝如何參與生命進(jìn)程作出解釋，這導(dǎo)致了所有猜想都無法回答一個(gè)關(guān)鍵問題，即早期生命的三大要素：遺傳物質(zhì)、新陳代謝和膜是怎樣共同作用的。

火山口湖猜想

所有人都曾認(rèn)為，我們在研究生命起源時(shí)需要拆分所有元素，再逐一研究。之前大多數(shù)研究人員的研究重點(diǎn)，要么在遺傳物質(zhì)中，要么在新陳代謝上。如今，薩瑟蘭的團(tuán)隊(duì)正在探究一種新的猜想，認(rèn)為可能生命起源是“一蹴而就”的，并開始尋找可以讓所有元素一起發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)物質(zhì)。

薩瑟蘭把眼光投向了隕石坑。在40億年前，隕石撞擊地球是很常見的。這些來自外太空的巖石帶來了氰化氫，其中包含了有機(jī)分子的三大重要成分：碳、氮、氫。如果積聚的氰化氫在水和紫外線光的作用下變熱，也許可以形成一整套前驅(qū)分子，這些分子可以直接用來合成RNA、蛋白質(zhì)和脂質(zhì)。不過這個(gè)猜想也有一個(gè)問題，就是沒有生命把劇毒的氰化物作為碳或者氮的來源。

那么，生命起源的搖籃究竟是濕的、干的還是冷的呢？其實(shí)所有的猜想并不是相互排斥的。比如在薩瑟蘭的隕石猜想中，至少需要一個(gè)干濕循環(huán)過程和硫化氫的參與，這兩者都可以在陸地起源猜想和海洋起源猜想中尋找?guī)椭?。?dāng)一顆巨大的隕石撞擊地球時(shí)，會(huì)使地殼裂開。這時(shí)如果在隕石坑中有水池，它可以通過地殼裂縫滲透下去，到地球內(nèi)部足夠深的位置時(shí)，又會(huì)被再次加熱再向上冒泡。年輕的地球大陸上有很多火山口湖泊，它們有一些是由隕石撞擊后形成的，這些湖泊的邊界還會(huì)結(jié)冰，就像冬天的美國黃石公園的景致。在邊緣的冰和附近陸地的堿性熱泉噴口里，我們可以找到RNA中的酶以及新陳代謝作用。這樣看來，說不定火山口熱液湖就是我們一直在苦苦尋覓的生命起源的搖籃。