圖片來源：視覺中國

科技日報(bào)記者?劉霞

地球生命是如何起源的，一直是一個(gè)引人入勝的謎題。科學(xué)家不斷追尋，提出了一些解釋，但仍有一些問題沒有得到解答。

近年來，科學(xué)家競相在實(shí)驗(yàn)室中模擬約40億年前早期地球的環(huán)境，試圖重現(xiàn)生命誕生的化學(xué)反應(yīng)。物理學(xué)家組織網(wǎng)在近期報(bào)道中，總結(jié)了最近5年有關(guān)生命起源的五大關(guān)鍵突破，人們或許可管窺其中獨(dú)特的奧秘。

早期細(xì)胞內(nèi)的反應(yīng)自我維持

導(dǎo)致生命起源的化學(xué)反應(yīng)靠什么能源推動(dòng)呢？德國杜塞爾多夫大學(xué)科學(xué)家試圖解開這一謎團(tuán)。

該團(tuán)隊(duì)使用早期地球上可能存在的一些最常見元素，深入探究了402種制造生命基本組成部分核苷酸的已知反應(yīng)。這些反應(yīng)不僅存在于現(xiàn)代細(xì)胞中，也被認(rèn)為是所有物種分化前最后一個(gè)共同祖先“露卡”的核心代謝機(jī)制。

針對每一個(gè)反應(yīng)，研究人員都計(jì)算了自由能的變化。自由能決定了某個(gè)反應(yīng)能否在沒有其他外部能量來源的情況下進(jìn)行。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，其中很多反應(yīng)都可以在沒有三磷酸腺苷等外部能源的情況下進(jìn)行。這就是說，生命基本組成部分的合成不需要外部能量，它可以自我維持。

地?zé)釤崃魍苿?dòng)生命分子集結(jié)

在地球的原始環(huán)境中，生命是如何誕生的？答案可能與地球早期地質(zhì)結(jié)構(gòu)的一項(xiàng)特征——巖石裂縫有關(guān)。這些裂縫在早期地球上普遍存在，熱流經(jīng)常穿過這些裂縫，形成溫度梯度。

德國路德維希-馬克西米利安-慕尼黑大學(xué)團(tuán)隊(duì)在稍早時(shí)間出版的《自然》雜志上發(fā)表論文稱，穿過巖石裂縫的熱流，能凈化與生命化學(xué)起源相關(guān)的分子。該研究可解釋生命最初的基本成分是如何從復(fù)雜的化學(xué)混合物中形成的。

研究人員構(gòu)建了一個(gè)模擬這種自然現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)裝置。該裝置含有僅170微米的裂縫，以模擬地殼中的裂縫網(wǎng)絡(luò)。他們使用這個(gè)裝置，對一個(gè)包含氨基酸、核堿基和核苷酸等在內(nèi)的混合物進(jìn)行了處理。通過在裂縫中創(chuàng)建溫度梯度，研究人員成功從該混合物中分離出50多種與生命起源相關(guān)的分子。這一成果證明，即使是微小的溫差，也足以根據(jù)分子結(jié)構(gòu)的細(xì)微差異，實(shí)現(xiàn)特定分子的分離和集結(jié)。

火山玻璃促進(jìn)RNA合成

RNA可能是地球上最早出現(xiàn)的遺傳物質(zhì)，但其在地球上如何出現(xiàn)一直讓研究人員困惑不已。

2022年，來自美國應(yīng)用分子演化基金會(huì)的科學(xué)家宣布，他們在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)產(chǎn)生了穩(wěn)定的RNA鏈。研究表明，核苷三磷酸鹽經(jīng)由玄武巖玻璃的過濾，就會(huì)形成長度為100—200個(gè)核苷酸的RNA長鏈。這些RNA鏈足夠長，可以存儲(chǔ)和傳輸信息。

論文合著者史蒂文·班納指出，由于頻繁的隕石撞擊和活躍的火山活動(dòng)，火山玻璃遍布于早期地球上。這一研究的意義在于貫通了早期地球小有機(jī)分子轉(zhuǎn)變成RNA的整個(gè)過程，表明一兩個(gè)含碳分子即便只經(jīng)歷單一地質(zhì)學(xué)過程，也能形成足夠長的RNA，并有進(jìn)一步演化的可能。

熱液噴口或是有機(jī)分子形成的溫床

無機(jī)物變成有機(jī)物的化學(xué)反應(yīng)被稱為“固碳作用”。固碳作用對于構(gòu)建組成生命的基礎(chǔ)分子不可或缺。那么，最初的無機(jī)物是如何轉(zhuǎn)化為有機(jī)物的？

驅(qū)動(dòng)這種反應(yīng)需要供體提供電子。在早期地球上，氫氣可能是電子供體。研究表明，現(xiàn)代生物會(huì)通過乙酰輔酶A途徑，將氫和二氧化碳結(jié)合形成有機(jī)分子。但現(xiàn)代生物是利用11種由15000個(gè)氨基酸組成的酶來運(yùn)行乙酰輔酶A途徑，而地球原始有機(jī)體不存在這種“酶”。

一個(gè)國際科研團(tuán)隊(duì)發(fā)表研究論文指出，這種反應(yīng)可以自發(fā)發(fā)生，類似早期深海堿性熱液噴口周圍的環(huán)境，為反應(yīng)提供了助推力，他們使用微流體設(shè)備完成了這項(xiàng)試驗(yàn)工作。

細(xì)胞膜構(gòu)建塊可自發(fā)形成

不管生命是在陸地上的溫泉中還是深海內(nèi)出現(xiàn)，如果沒有細(xì)胞膜，促進(jìn)生命形成的反應(yīng)都不會(huì)走得很遠(yuǎn)。

現(xiàn)代細(xì)胞膜主要由名為磷脂的化合物組成，磷脂含有一個(gè)親水性的頭部和兩個(gè)疏水性的尾部。它們是雙層結(jié)構(gòu)，親水性的頭朝外，疏水性的尾朝內(nèi)。

研究表明，磷脂的一些成分，如構(gòu)成尾部的脂肪酸，能在一系列環(huán)境條件下自行組裝成這些雙層細(xì)胞膜。但早期地球上存在細(xì)胞膜構(gòu)建塊——脂肪酸嗎？

英國紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)開展的一項(xiàng)新研究中，研究人員將可能存在于古代堿性熱液噴口的富氫液體，與類似于早期海洋中存在的富含二氧化碳的水結(jié)合，重新展示了這些分子的自發(fā)形成過程。這一研究與假說相吻合，即穩(wěn)定的脂肪酸可能起源于堿性熱液噴口，并發(fā)育成活細(xì)胞。