在玻璃瓶中模擬原始海洋

黃增強(qiáng)

我們知道，地球誕生于46億年前，由太陽(yáng)星云形成。初生的地球是由氫、氦及一些固體塵埃聚合而成的內(nèi)核和外部包圍的一層氣體構(gòu)成，此時(shí)的地球沒(méi)有生命。隨著地球逐漸收縮，溫度也隨之升高，氫和氦迅速進(jìn)入宇宙空間，地球開(kāi)始由外往內(nèi)慢慢冷卻，產(chǎn)生了一層薄薄的硬殼——地殼。剛形成的地殼較薄，而地球內(nèi)部的溫度又很高，所以火山爆發(fā)頻繁，從火山噴出的氣體通過(guò)火山活動(dòng)噴射出地表，其中帶有大量的水蒸氣，這些水蒸氣形成了一圈包圍在地球外圍的原始大氣層，構(gòu)成了地球的還原性大氣。

地球雖然距離太陽(yáng)的位置不太近，但水蒸氣能被太陽(yáng)蒸干。由于地球本身有著足夠的引力拉住大氣層，所以地球才會(huì)形成得天獨(dú)厚的大氣環(huán)境。地球的地表不斷散熱，大氣層中的飽和水蒸氣冷卻凝結(jié)成雨水，于是，傾盆大雨從天而降，降落至地表下陷及低落處，形成了江河、湖泊和海洋。科學(xué)家們稱那時(shí)的海洋為原始海洋。

原始海洋雖然鹽分較低，但有機(jī)物質(zhì)異常豐富。當(dāng)時(shí)由于大氣中無(wú)游離氧，因而高空中沒(méi)有臭氧層阻擋，不能吸收太陽(yáng)輻射的紫外線，所以紫外線直射到地球表面，成為合成有機(jī)物的能源。此外，天空放電、火山爆發(fā)所放出的能量、宇宙間的宇宙射線，以及隕星穿過(guò)大氣層時(shí)所引起的沖擊波等，也都有助于有機(jī)物的合成。天空放電能量較多，而又在靠近海洋表面的地方釋放，在那里它作用于還原性大氣，所合成的有機(jī)物質(zhì)容易被雨水沖刷到原始海洋中，使原始海洋富含氨基酸、核苷酸、單糖、脂肪酸及卟啉等有機(jī)物質(zhì)。因此，原始海洋就成了原始生命的起源。

生命究竟是怎樣起源的？這個(gè)問(wèn)題在科學(xué)界存在多種臆測(cè)和假說(shuō)。為了探索和揭開(kāi)生命起源之謎，美國(guó)宇航局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的天體生物學(xué)家勞里·巴什和弗洛雷斯帶領(lǐng)的科研團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了一場(chǎng)“原始海洋模擬生命起源”的實(shí)驗(yàn)。

做實(shí)驗(yàn)之前，勞里·巴什和弗洛雷斯研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)土星的第六大衛(wèi)星——“土衛(wèi)二”的研究，發(fā)現(xiàn)“土衛(wèi)二”深處擁有孕育生命的熱液海洋——熱液噴口。熱液噴口是指海底的一些地方，在那里來(lái)自地殼下的熱水與接近冰點(diǎn)的海水混合在一起，這些通風(fēng)口形成了天然的煙囪，成為各種海洋生物的宿主。在熱液海洋中，因?yàn)殛?yáng)光無(wú)法穿透數(shù)千米的海水，所以海床的狀況基本是黑暗、嚴(yán)寒。但是在熱液噴口的周圍（從地殼內(nèi)部噴出熱水和物質(zhì)），卻有大量能夠在極端環(huán)境下生存的深海生物。熱液噴口提供了一個(gè)不需要陽(yáng)光照射就能生存的地方，微生物能夠從海底冒出的“滾滾黑煙”中，享受各種化學(xué)物質(zhì)組成的“自助餐”。新西蘭海洋微生物學(xué)家露西·斯圖爾特也認(rèn)為：“熱液噴口確實(shí)符合生命形成的最佳假設(shè)?！?/p>

為此，勞里·巴什和弗洛雷斯研究團(tuán)隊(duì)建立了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)室，并在實(shí)驗(yàn)室的玻璃瓶燒杯里構(gòu)建了一套類似深海熱液的生態(tài)環(huán)境模型，模型里面包含了水、礦物質(zhì)，以及通常在海底熱液噴口附近發(fā)現(xiàn)的氨和丙酮酸分子——它們被視為生命構(gòu)成的必要前提條件。

隨后，勞里·巴什和弗洛雷斯研究團(tuán)隊(duì)將模型中的溶液加熱至70℃，這個(gè)溫度與熱水噴口附近的溫度相同，而且他們調(diào)整了pH值，以模擬堿性環(huán)境，并驗(yàn)證假設(shè)。同時(shí)，他們還從混合物中除去了氧氣，因?yàn)樵缙诘牡厍蚺c今天完全不同，早期地球的海洋中只有很少的氧氣。

接著，勞里·巴什和弗洛雷斯研究團(tuán)隊(duì)還使用了礦物氫氧化鐵，或者稱綠銹，這種物質(zhì)在早期的地球上非常豐富。綠銹與注入溶液中的少量氧氣發(fā)生反應(yīng)，生成氨基酸、丙氨酸和-羥基乳酸。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)該模型中產(chǎn)生了一種值得留意的物質(zhì)——氨基酸。氨基酸是構(gòu)成動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)所需蛋白質(zhì)的基本物質(zhì)，在蛋白質(zhì)合成中至關(guān)重要，它不僅能轉(zhuǎn)變成酸、激素、抗體、肌酸等含氨物質(zhì)，還能轉(zhuǎn)變?yōu)樘妓衔锖椭?，并能氧化成二氧化碳、水和尿素，最終產(chǎn)生能量，從而孕育出生命體。

美國(guó)宇航局天體生物學(xué)家研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)九年的模擬實(shí)驗(yàn)，雖然并沒(méi)有在實(shí)驗(yàn)室中創(chuàng)造出生命本身，只是展示了深海熱液噴口有孕育出最終生命形態(tài)的可能，但這項(xiàng)最新研究實(shí)驗(yàn)結(jié)果為地球上生命的起源，以及我們可能在宇宙的其他地方發(fā)現(xiàn)生命提供了線索。