圖片來源：視覺中國

科技日報記者?劉霞

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

近年來，科學家競相在實驗室中模擬約40億年前早期地球的環(huán)境，試圖重現(xiàn)生命誕生的化學反應(yīng)。物理學家組織網(wǎng)在近期報道中，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特的奧秘。

早期細胞內(nèi)的反應(yīng)自我維持

導致生命起源的化學反應(yīng)靠什么能源推動呢？德國杜塞爾多夫大學科學家試圖解開這一謎團。

該團隊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)代細胞中，也被認為是所有物種分化前最后一個共同祖先“露卡”的核心代謝機制。

針對每一個反應(yīng)，研究人員都計算了自由能的變化。自由能決定了某個反應(yīng)能否在沒有其他外部能量來源的情況下進行。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。

地熱熱流推動生命分子集結(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-慕尼黑大學團隊在稍早時間出版的《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雜的化學混合物中形成的。

研究人員構(gòu)建了一個模擬這種自然現(xiàn)象的實驗裝置。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)。他們使用這個裝置，對一個包含氨基酸、核堿基和核苷酸等在內(nèi)的混合物進行了處理。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)的細微差異，實現(xiàn)特定分子的分離和集結(jié)。

火山玻璃促進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)用分子演化基金會的科學家宣布，他們在實驗室內(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，就會形成長度為100—200個核苷酸的RNA長鏈。這些RNA鏈足夠長，可以存儲和傳輸信息。

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，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分子轉(zhuǎn)變成RNA的整個過程，表明一兩個含碳分子即便只經(jīng)歷單一地質(zhì)學過程，也能形成足夠長的RNA，并有進一步演化的可能。

熱液噴口或是有機分子形成的溫床

無機物變成有機物的化學反應(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，最初的無機物是如何轉(zhuǎn)化為有機物的？

驅(qū)動這種反應(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)代生物會通過乙酰輔酶A途徑，將氫和二氧化碳結(jié)合形成有機分子。但現(xiàn)代生物是利用11種由15000個氨基酸組成的酶來運行乙酰輔酶A途徑，而地球原始有機體不存在這種“酶”。

一個國際科研團隊發(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)備完成了這項試驗工作。

細胞膜構(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)，如果沒有細胞膜，促進生命形成的反應(yīng)都不會走得很遠。

現(xiàn)代細胞膜主要由名為磷脂的化合物組成，磷脂含有一個親水性的頭部和兩個疏水性的尾部。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胞膜。但早期地球上存在細胞膜構(gòu)建塊——脂肪酸嗎？

英國紐卡斯爾大學開展的一項新研究中，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)育成活細胞。