地球生命诞生之谜:所有生命都是细菌后代细胞生命起源自然界有机分子

但在地球刚刚形成时,它实际上就是没有任何生机的石球。那么生命到底起源自哪里?它们最初是什么样子的?

生命是古老的,恐龙可能是地球上最著名的已灭绝生物,它们起源自2.5亿年前,但生命可追溯到更久远的年代。目前,世界上最古老的已知化石有35亿年历史,比最古老的恐龙还要早14倍。但是化石记录可能进一步追溯历史。比如2016年8月份,研究人员发现了37亿年前的化石微生物。它们几乎与地球同时诞生的,地球形成于45亿年前。

第一章:第一个实验

活力论

在大多数历史中,没有必要考虑生命是如何诞生的,因为答案“显而易见”。在19世纪前,大多数人相信“活力论”。这是关于生命本质的一种唯心主义学说,它认为生物体与非生物体的区别就在于前者体内有一种特殊的生命“活力”,它控制和规定着生物的全部生命活动和特性,而不受自然规律的支配。它主张有某种特殊的非物质的因素支配生物体的活动。

当时,科学家们已经发现生命中几种看似比较独特的物质,比如尿素。它是在尿液中发现的,1799年被分离出来。尿素只是其中之一,当时的人们认为只有活体生物能够产生这些化学物质,或许正是它们为生命注入了能量,让生物变得与众不同。

但是1828年,德国化学家弗雷德里希·维勒(FriedrichWhler)从普通化学物质氰酸铵中提炼出尿素,而氰酸铵显然与活着的东西没有任何关系。(网易科学)此后,许多科学家追随维勒的脚步,发现生命体内的化学物质全部可从简单的化学物质中提炼出来,而这些物质与生命没有任何关系。

如今,“活力论”或“生物能源”理论开始出现在科幻电影中,比如某人的“生命能源”可以爆发,也可以耗尽。尽管这些让人感觉起来很有科技范儿,但实际上其理论早已经过时。

进化论

19世纪,查尔斯·达尔文(CharlesDarwin)等人提出的进化论取得巨大突破。达尔文在1859年《物种起源》中阐述了自己的理论,并解释了拥有共同祖先的生物差异如此之大的原因。进化论认为,生命并非神明创造的,他们都是数亿年前原始生物的后裔,拥有共同的祖先。

达尔文的理论在当时引发巨大争议,因为其与《圣经》相违背。此外,达尔文的理论没有说明生命是如何诞生的,但他曾在给朋友的私信中提及:如果有合适的水体,里面充满了简单的有机化合物,并有阳光照耀。某些化合物可能互相结合,形成类似生命的物质,比如蛋白质,然后开始不断进化,变得越来越复杂。这是个粗略的想法,但却成为生起源的首个假设基础。

前苏联生物化学家亚历山大·欧帕林(AlexanderOparin)曾于1924年发表《生命起源》一书。他在书中假设了生命诞生的过程,与达尔文的“池塘论”不谋而合。欧帕林想象地球形成时的形态:表面极度炎热,岩石从空中砸下,不断对地球进行撞击。其中,一块半融化的岩石含有大量化学物质,包括许多基于碳的成分。

第二,有些化学物质开始形成微观结构。许多有机化合物不溶于水,比如油会漂浮于水面上。这些化合物与水接触时可形成球形“团聚体”,厚度可达0.01厘米。如果你在显微镜下看这些团聚体,会发现它们的行为很像活细胞。它们会成长和改变形状,有时候还可一分为二。它们可从周围水中吸取化学物质,为此看似生命的化学物质可浓缩在其中。欧帕林认为,团聚体就是现代细胞的祖先。

1929年,英国生物学家霍尔丹(J.B.S.Haldane)提出类似理论。(网易科学)霍尔丹对进化论做出过巨大贡献,将达尔文的观点与新兴遗传学结合起来。就像欧帕林那样,霍尔丹认为有机化合物会在水中形成。他认为原始海洋会经历“热稀汤”的阶段,首个生命体或半生命体会形成,并被封闭在“油膜”中。

生命起源实验

尤里曾获得1934年诺贝尔化学奖,二战期间参加过曼哈顿计划,为原子弹核心收集不稳定的铀-235。尤里还对外太空化学产生兴趣,特别想知道太阳系形成时的场景。有一天,他在讲课时指出,地球最初形成时,大气层中可能根本没有氧气。这可能为欧帕林-霍尔丹的原始汤形成提供了理想条件,因为脆弱的化学物质在与氧气接触时可能被毁掉。

米勒发现,第一天后瓶子里的水变成了粉红色,一周后液体变成深红色,浑浊不堪。显然,化学物质混合形成了新的东西。米勒分析混合物后发现,它含有2个氨基酸,分别是甘氨酸和丙氨酸。氨基酸常被称为生命的基石,它们用于形成蛋白质,以控制我们体内的大部分生物化学过程。米勒从无到有创造了生命诞生所需的两种最重要成分。这个实验也被称为米勒-尤里实验。

第二章:伟大的发现

解密DNA

到20世纪50年代初期,科学家们已经摆脱了神创论,开始探索生命在早期地球上自发形成的可能性。感谢米勒的实验,科学家们搞清楚了基因的构成。当时,科学家们已经发现了许多生物分子,包括糖、脂肪、蛋白质以及脱氧核糖核酸(即DNA)。今天,我们认为DNA上携带着基因感觉理所当然,但在20世纪50年代却令生物学家感到震惊。蛋白质非常复杂,为此科学家们以为它们就是基因。

直到卡内基研究所的阿尔弗雷德·赫希(AlfredHershey)和玛莎·却斯(MarthaChase)提出反驳证据。他们研究只含有DNA和蛋白质的病毒,发现关键DNA可进入细菌内部,而蛋白质却留在外面。显然,DNA才是真正的遗传物质。赫希与却斯的发现引发了疯狂竞赛,科学家们争相解读DNA结构及其秘密。第二年,剑桥大学的弗朗西斯·克里克(FrancisCrick)与詹姆斯·沃特森(JamesWatson)取得成功。解密DNA结构被称为20世纪最伟大的科学发现之一,也重塑了寻找生命起源的方法,揭示出隐藏在活细胞内部令人难以置信的复杂性。

利用这种机制,自从生命诞生以来,基因就可从父母传递给后代。(网易科学)你的基因也来自祖先细菌,利用克里克和沃特森发现的机制不断复制自己。在随后几年中,生物化学家们开始寻找DNA上到底携带者哪些信息,活细胞如何使用这些信息。揭开生命最深处的秘密首次如此之近。

解密RNA

然而,发现NDA还仅仅是个开始。DNA可以告诉你细胞如何制造蛋白质,这种分子可以执行许多必要任务。没有蛋白质,你就无法消化食物,你的心脏会停止跳动,你也无法呼吸。但是利用DNA制造蛋白质的过程是非常复杂的。对任何想要解释生命起源的人来说,这都是个大问题,因为很难想象有什么东西一开始就这么复杂。

最后,将RNA内的信息转给蛋白质的过程发生在巨大的分子中,它被称为核糖体。这个过程在每个活细胞,甚至最简单的细菌中发生。对于需要进食和呼吸的生命来说至关重要。任何对生命起源的解释都必须搞清楚DNA、RNA以及核糖体蛋白质之间的关系。现在看来,欧帕林与霍尔丹的想法似乎显得过于天真,而米勒的实验也只是探索生命诞生漫长道路的第一步。

迈出生命诞生探索第二步的人是英国化学家莱斯利·奥格尔(LeslieOrgel),在克里克的支持下,奥格尔于1968年提出自己的理论,他认为首个地球生命没有蛋白质或DNA,全部由RNA构成。为此,原始RNA分子应该具备多种用途,比如复制自己。生命起源自RNA产生了巨大的影响力,但也触发了持续至今天的科学大战。奥格尔发现了生命最关键的特征之一,那就是自我复制。在某种意义上说,他不仅描绘了生命最初如何构成,还阐述了生命到底是什么。

许多生物学家都支持奥格尔的“复制第一”理论。(网易科学)在达尔文的进化论中,创造后代的能力绝对是核心,生物“获胜”的唯一方式就是留下大量后代。但生命的其他特征也同样重要,其中最明显的就是新陈代谢,即从周围环境中提取能量,并利用其维持生存的能力。对于许多生物学家来说,新陈代谢肯定是生命的原始特征,复制是随后出现的。

第三章:寻找首个复制品

RNA酶发现

当时,科学家们认为RNA是所有生命的起源,特别是RNA具备许多DNA不具备的能力。RNA属于单链分子,不像双链DNA那样僵化,而是可以折叠成不同的形状。类似折纸的RNA看起来与蛋白质的行为非常相似,蛋白质也是长链结构,并有氨基酸而非核苷酸构成,这让它们可以构建更精细的结构。

这是蛋白质具备惊人能力的关键,有些蛋白质具备加速或催化化学反应的能力,它们被称为酶。我们的内脏中有很多酶,它们可将食物的复杂分子分解为简单分子,比如细胞可利用的糖。没有酶,你就无法生存。但是奥格尔对克里克的理论存在疑问:如果RNA能像蛋白质那样折叠,或许它能形成酶。如果这是真的,RNA就可以成为活分子的起源,可以像DNA那样储存信息,像蛋白质那样催化化学反应。

但这纯粹是理论,此后10年都没有找到任何证据。直到20世纪90年代,专注于RNA研究的美国生物化学家托马斯·切赫(ThomasCech)与同事研究名为Tetrahymenathermophila的单细胞生物时,发现其细胞机制中包括RNA链,且RNA链的特定部分与其他部分分离,就好像某个部分被剪刀剪下。当切赫等人移除所有可能充当分子剪刀的酶和其他分子时,RNA依然保持着这个特性。为此,他们发现了首个RNA酶,即可将自己从RNA链上剪下的一小段RNA。第二年,其他科学家发现第二种RNA酶,即核酶。

RNA世界假说

为此,20世纪80年代末期,少数生物学家开始尝试复制RNA,哈佛医学院的杰克·索斯塔克(JackSzostak)就是其中之一。切赫曾于1988年发现一种RNA酶,它可以建立10个核苷酸长度的短RNA分子。索斯塔克对切赫发现的RNA酶非常痴迷,为此他希望在实验室中发现新酶的新特性。索斯塔克发现酶能让反应速度提高700万倍,RNA酶的确具有强大的能力。但这些酶依然无法复制自己。

2011年,剑桥分子生物实验室的菲利普·霍利格尔(PhilippHolliger)创造出改良版R18,并取名tC19Z,它最多可以复制95个核苷酸序列,相当于其自身长度的48%。尽管比R18多,但依然未达到100%。随后,美国加州斯克里普斯研究所的杰拉德·乔伊斯(GeraldJoyce)与特雷西·林肯(TraceyLincoln)创造出可间接复制自己的RNA酶。他们的酶可将两小段RNA连起来创造出第二种酶,它将另外两段RNA连起来创造出原始酶。这个过程可无限循环。但只有被给于正确的RNA链时,这种酶才起作用。

发现PNA

20世纪90年代初,生物学家们开始怀疑RNA世界假说的正确性。或许地球早期存在其他种类的分子,它们比RNA更简单,可以在原始汤中自我组装,并复制自己。这可能是生命诞生的初原,其后才产生了RNA、DNA以及其他分子。

1991年,哥本哈根大学的彼得·尼尔森(PeterNielsen)提出了原始复制者的候选者,其本质上是被彻底修改的DNA。尼尔森认为其DNA中依然保持着相同的碱基,但用聚酰胺代替糖成为分子的主体。他称新的分子为聚酰胺核酸(或肽核酸),简称PNA。

此后,其他化学家也提出了自己的替代核酸。2000年时,埃尔伯特·厄希恩莫瑟(AlbertEschenmoser)发现了苏糖核酸(TNA),它基本上可称为DNA,只是主链中没有糖。TNA链可以形成双螺旋,信息科在RNA和TNA之间复制传递。此外,TNA还能折叠成复杂形状,甚至形成蛋白质。这显示,TNA可以像RNA那样充当酶。2005年,埃里克·梅格斯(EricMeggers)发现乙二醇核酸(GRA),也可以形成螺旋结构。

第四章:质子的力量

显然,RNA世界假说并非完全正确。与此同时,另一种理论悄然兴起,其支持者认为生命并非以RNA、DNA或任何其他基因物质开始。相反,它最初只是利用能源的机制。在生物能够繁衍前,它必须能够维持自我生存。首先,你必须获得能源,从糖等富含能源的化学物质中获取。接着,你必须利用能源制造有用的东西,比如细胞。这个利用能源的过程被称为新陈代谢,许多科学家认为它非常重要,可能是生命需要做的第一件事。

代谢周期

那么,这些只能新陈代谢的生物看起来什么样?最有影响力的假设是20世纪80年代末的德国律师衮特尔(GünterWchtershuser)提出的,他认为地球上的第一个生命与我们已知的任何东西都不同,它并非由细胞构成,也没有酶、DNA或RNA。当热水从火山中流出时,水中富含火山气体,比如氨。当这些水流经岩石时,化学反应开始发生,特别是水中的金属有助于简单的有机化合物融合壮大。

转折点是第一个代谢周期的产生。在这个过程中,一种化学物质被转化成一系列其他化学物质,直到最终原始化学物质再次出现。整个过程中,整个系统都需要吸收能量以推动周期循环,进而启动其他东西。这些东西形成了现代有机物,比如DNA、细胞以及大脑等。

热液喷口

1977年,俄勒冈州立大学科学家杰克·科利斯(JackCorliss)领导的团队潜入到东太平洋2500米深海中,测试加拉帕戈斯热点,那里有高耸的岩石脊(即活火山)从海底升起。科利斯发现,这些岩石脊本质上与热泉没什么区别。富含化学物质的滚烫热水从海底冒出来,通过岩石中的孔洞喷射出来。令人感到惊奇的是,这些“热液喷口”中竟然生存着许多奇怪的动物,包括巨大的蛤蚌、贻贝、冒贝以及管状蠕虫等,此外还有大量细菌。这些生物都依靠热液喷口中的能量生存。

发现质子

此后,生物化学家彼得·米切尔(PeterMitchell)终于搞清楚了生物如何从食物中获得能量,也就是我们如何维持生存。米切尔知道,所有细胞都将能量储存在相同的分子中,即三磷酸腺苷(ATP)。它由腺苷和三个磷酸基组成。添加第三个磷酸基需要耗费许多能量,然后能量被锁定在ATP中。当细胞需要能量时,ATP就会断裂分解变成二磷酸腺苷(ADP),释放出储存的能量。

现在我们知道,米切尔确定的过程正是地球上所有生物所依赖的。它正发生在我们的细胞中,就像DNA那样,它也是生命的基础。此外,米切尔还提出质子梯度的概念,所有细胞都需要质子梯度储存能量。现代细胞可通过泵出质子穿过膜产生梯度,但这包含复杂的分子机制,它不可能是突然出现的。为此,拉塞尔又提出新的理论,即生命肯定是在存在自然质子梯度的地方形成的,比如热液喷口。

但是这种喷口应该非常特别。因为地球刚刚形成时,海水还是酸性的,酸水中漂浮着大量质子。要想产生质子梯度,喷口中涌出的水中所含质子必须非常少,而且必须呈碱性。(网易科学)科利斯提出的热液喷口不合适,不仅因为它们太热,还因为它们时酸性的。直到2000年事,华盛顿大学的黛博拉·凯利(DeborahKelley)发现了第一批碱性喷口。

迷失之城

在大西洋海底一处山岭上,凯利发现了许多热液喷口,她称之为“迷失之城”。它们与科利斯的发现不同,这些喷口中流出的水温仅在40到75度之间,呈轻度碱性。富含碳酸盐矿物的水聚集成陡峭的白色“烟囱”从海底喷出,里面含有大量微生物。这些碱性热液喷口为拉塞尔的理论提供了完美支持,他认为“迷失之城”这样的喷口就是生命诞生之地。

但作为地质学家,凯利不太了解生物细胞,因此也无法让她的理论更有说服力。为此,拉塞尔与美国生物学家威廉·马丁(WilliamMartin)合作,利用凯利的设想改进自己早期的理论。他认为碱性热液喷口附近的岩石孔洞中积满了水,这些小口袋就像细胞。每个口袋中都含有必须的化学物质,包括黄铁矿等。与喷口中出现的自然质子梯度相结合,它们就成了新陈代谢开始的理想之地。当生命从热水中获得化学能后,就可以制造RNA等分子。最终,生命创造出自己的膜,成为真正的细胞,并从岩石口袋逃到海水中。

马丁检查了1930种现代微生物的DNA,并确认了它们共有的355个基因。由此显示,这些基因可能都是代代传下来的,所有微生物都拥有共同的祖先。此外,LUCA似乎已经适应了甲烷等化学物质的存在,这暗示它可能诞生于类似活火山的环境中,比如热液喷口。尽管如此,RNA世界假设支持者认为,热液喷口理论存在2个问题,第一个问题可能已被解决,而第二个问题更致命。

第二个问题是,这些喷口都位于深海中。正如米勒指出的那样,如果没有酶的帮助,RNA和蛋白质等长链分子无法在水中形成。对于许多研究人员来说,这是个无可辩驳的事实,因为所有这些化学分子与水不相容。但在过去10年间,第三种方法脱颖而出,并带动一系列非凡的实验,即凭空创造出完整细胞。

第五章:如何创造细胞

地球上的所有生物都由细胞组成,每个细胞基本上是个软球,有个牢固的外壁或膜保护。细胞中的某种成分将生命所需各种成分结合起来。如果细胞外壁被撕裂,内部物质就会流出来,细胞就会死亡。细胞外壁同样重要,有些生命起源科学技术认为,它可能是首先出现的东西。他们认为“基因第一”和“代谢第一”理论都是错误的,反而提出“区隔第一”的假设。

区隔第一

意大利科学家皮埃尔·路易吉·路易斯(PierLuigiLuisi)就是代表人物。他的推理很简单,但却无可辩驳。除非你先有一个容器可容纳所有分子,否则在化学物质泛滥的环境中,怎么可能确保RNA自我复制和新陈代谢?如果你接受这种说法,那么生命诞生只有一种方式。在地球早期,少数原材料物质必须形成粗细胞或原细胞(protocell)。这个挑战促使科学家在实验室中创造出简单的活细胞。

路易斯重新研究欧帕林的假设,后者曾认为特定化学物质形成名为“团聚体”的气泡,其核心中包含着其他物质。他认为,这些团聚体就是最初的原细胞。任何脂肪或油性物质都会在水中形成气泡或膜,这些化学物质被统称为脂类,它们形成生命的理论被称为“脂类世界”。

但是仅形成气泡还不够,这些气泡必须保持稳定,且能够分裂形成“子气泡”。它们还需要某些能控制物质进出的能力,毕竟它们还没有现代细胞用于实现这些功能的蛋白质。尽管提出了理论,但路易斯却未能提供令人信服的实验证据。1994年,路易斯提出首个原细胞可能含有RNA,而且这个RNA肯定能在原细胞内进行复制。这是个大胆的假设,意味着他抛弃了纯粹的“区隔第一”理论。

路易斯认为,细胞拥有外壁,但内部没有基因,它无法做任何事。它可能分裂为子细胞,但无法遗传有关自己的任何信息。要想含有更多基因,它必须进化,变得更为复杂。(网易科学)这个理论很快获得索斯塔克的支持,尽管后者支持RNA世界假说。索斯塔克说:“我们最终意识到,生命诞生需要两个第一,而细胞既有基因体系又有区隔体系。”路易斯与索斯塔克认为,通过将能够复制的RNA放在简单的脂肪气泡中,他们可凭空创造简单的活细胞。

神奇的黏土

添加蒙脱土的决定并非心血来潮。数十年的研究显示,蒙脱土可能对生命诞生非常重要。蒙脱土就是常见的黏土,当火山灰分解后就会形成。由于地球早期有很多火山,蒙脱土非常丰富。1986年,化学家詹姆斯·弗里斯(JamesFerris)证明,蒙脱土可充当催化剂,帮助有机分子形成。他还发现蒙脱土可加速小RNA的形成。弗里斯由此推测,这种看似普通的黏土可能是生命的起源之地。

索斯塔克也利用蒙脱土帮助制造原细胞。1年后,他发现原细胞可自行生长。随着越来越多RNA分子被包裹进原细胞,外壁变得越来越紧,原细胞好像要爆裂开似的。为了应对这种情况,原细胞会吸收更多脂肪酸,将它们补充到外壁中,让其膨胀到更大体型,以缓解内部膨胀。

更重要的是,原细胞还从其他包含较少RNA的原细胞处获得脂肪酸,导致其他原细胞缩小。这意味着,原细胞之间存在竞争,获得更多RNA者获胜。(网易科学)这显示,某种令人印象深刻的事情发生了。如果原细胞可以成长,或许它们也能分裂。索斯塔克的原细胞能自我复制吗?最初,索斯塔克证明原细胞可以分裂。可以通过挤压原细胞的孔洞,将里面的物质挤出来,后者形成子原细胞。但是这种方法也存在缺陷,因为原细胞会在这个过程中损失很多信息。

还有很多方法可帮助囊泡分裂,比如强大的水流可形成巨大力量,可以强迫囊泡分开。2009年,索斯塔克发现解决方法,创造出更为复杂的原细胞,就像圆葱那样的多层结构。尽管听起来十分复杂,实际上这种原细胞制造很简单。

索斯塔克还发现许多方法可促使原细胞分裂,这方面的问题似乎已经解决。但原细胞的能力依然不够。为了证明自己创造了地球上的首个生命,肖斯塔克需要原细胞中的RNA能够复制自己。(网易科学)这并不容易,因为经过数十年尝试,依然没人能制造出能自我复制的RNA。为此,索斯塔克重新了解奥格尔的RNA世界假说,并在其中发现了珍贵的线索。

奥格尔在20世纪70年代和80年代研究如何复制RNA链。从本质上说,这可能非常简单。利用松散的核苷酸组成单链RNA,然后将其与其他单链RNA互补。举例来说,CGC链可与GCG链互补。如果你重复这个过程2次,就可以得到原始CGC链的副本。奥格尔发现,在特定情况下,RNA链无需酶的帮助就可以自我复制,这相当于最早的生命复制其基因。

到1987年,奥格尔已经可以利用14个核苷酸的RNA链,创造与其互补的RNA链。他没有尝试创造更长的RNA链,但这已经足够为索斯塔克提供灵感。索斯塔克与其学生卡塔尔兹娜·亚达马拉(KatarzynaAdamala)试图在原细胞中重复这个过程。他们发现,这种反应需要镁的帮助,可是镁会毁掉原细胞。但他们找到更简单方法,利用所有活细胞中都有的柠檬酸盐。

此外,这种原细胞具有惊人的恢复性,能在100度高温中存活。在促使更多人相信,原细胞与最早的生命十分相似。最初,这些生命需要忍受流星不断撞击带来的酷热。索斯塔克没有专注于研究“复制第一”或“区隔第一”理论,而是找到两者同时发生的方法。这也激发科学家们利用统一方法寻找生命起源,即尝试创造出生命所需的所有功能,这种“一切第一”的假设积累了丰富的证据,可以解决现有理论的所有问题。

第六章:伟大的统一

2009年,RNA世界假说的支持者遇到一个巨大挑战,他们无法在地球早期环境中制造出核苷酸,也就是RNA的构建块。这让人们怀疑,最早的生命或许并非基于RNA诞生的。自从20世纪80年代,约翰·苏瑟兰德(JohnSutherland)就开始思考这个问题。幸运的是,苏瑟兰德找到了替代方案,并提出有关生命起源的新理论,即生命的所有关键成分都是同时形成的。

细胞整体诞生

每个RNA核苷酸都是由糖、碱基以及磷酸形成的。但想要吸引糖和碱基加入其中,几乎是不可能的,分子会产生错误的形状。为此,苏瑟兰德尝试完全不同的物质。最终,他的团队看中了5个简单的分子,包括不同的糖和氨基氰。苏瑟兰德等人将这些化学物质进行一系列反应,最终得到4个RNA核苷酸中的2个,它们没有独立的糖或碱基。

许多人将苏瑟兰德的发现视为RNA世界假说的延伸,但他自己不这样看。RNA世界假说认为,最早的生物由RNA控制生命的所有功能。但苏瑟兰德认为,RNA的确参与了许多反应,但它并非终极目标。苏瑟兰德的目标是凭空创造能够自我组装的完整细胞。他的第一个线索就是核苷酸合成过程中1个奇怪细节,最初看似偶然出现的。

苏瑟兰德实验的最后一步,是将磷酸结合到核苷酸上。但他发现最好从一开始就将磷酸混合其中,因为这会加速早期反应。苏瑟兰德认为,这种混乱是好事。混合磷酸后会让环境变得更复杂,也可促使所有生命成分同时产生。在地球早期,肯定有数十种乃至数百种化学物质漂浮在一起。这些混合物中的确应该含有生物分子,但还有大量其他非生物化合物。

这就像中世纪的炼金术那样神奇,但苏瑟兰德有确凿证据。自从2009年以来,他已经用同样的化学物质制造出2种RNA核苷酸,它们还可制造许多生命分子。下一步就是制造更多RNA核苷酸,但他还没有实现这个目标。2010年,苏瑟兰德创造出关系密切的分子,它们可能转变成核苷酸。2013年,他又创造出氨基酸的前体。这次,他添加了氰化铜以催化反应。2015年,他用类似方法制造出脂类前体,这些分子会构成细胞壁。

如果苏瑟兰德的发现是对的,那么我们过去40多年对生命起源的研究就都错了。自从细胞的复杂性被解开以来,科学家们始终致力于这样的假设,即第一个细胞肯定是逐渐构建完善的。比如奥格尔认为首先出现RNA,然后慢慢添加其他生命成分。但苏瑟兰德认为,最好的方式就是所有生命成分同时形成。这种理论的挑战在于,同时制造各种成分过于复杂。

索斯塔克现在怀疑,大多数制造生命分子、或在细胞内组装它们的尝试之所以会失败,可能源于共同的原因,那就是这些实验“太干净了”。科学家们只使用少量他们感兴趣的化学物质,而排除了其他地球早期可能存在的物质。但苏瑟兰德的实验显示,通过添加更多化学物质,可以产生更复杂的现象。

大杂烩世界

现代生物使用纯DNA携带它们的基因,但纯DNA最初可能并不存在。它们可能是RNA核苷酸与DNA核苷酸的混合体。2012年,索斯塔克证明,这种混合体可以构成“镶嵌”分子,其外貌和行为都很像RNA。这些RNA与DNA混合链甚至可折叠。这表明,最早的生物是否能制造纯RNA或纯DNA都不重要,它们可以使用混合版的RNA,甚至混有TNA或PNA的核苷酸。这不是RNA世界,而是“大杂烩世界”。

这些研究显示,制造最早的细胞似乎并不太困难。细胞的确拥有复杂的机制,但事实证明,它们可以吸收任何东西维持自身生存,虽然这依然不是很好。这种粗细胞似乎不太可能在地球早期生存下来。但当时没有太多竞争,也没有具有威胁性的掠食者,为此从多方面来看,它的生存环境比现在容易得多。

但是苏瑟兰德和索斯塔克的理论也存在缺陷,第一种生物肯定拥有某种新陈代谢机制。从一开始,生命就必须获得能源,否则它无法生存。即使马丁和拉塞尔有关生命起源于深海热液喷口的理论存在错误,但其部分元素肯定是正确的,比如金属对生命起源非常重要。

生命诞生于陆地?

阿尔缅(ArmenMulkidjanian)则提出新的假设,生命或许起源于陆地,比如火山口中的池塘中。无论细胞属于哪种生物,它们都含有许多磷酸、钾以及其他金属,但很少有钠。如今,细胞可能通过泵出或泵进机制实现这个目标,但第一个细胞可能无法做到,因为它们不具备这种必要机制。阿尔缅认为,第一个细胞肯定形成于与现代细胞拥有相同化学物质混合物的地方。这立即就排除了海洋,因为细胞中所含磷钾比例远高于海洋,但钠却更少。

而活火山附近发现的地热池塘却更为理想,这些池塘中拥有细胞中发现的所有金属物。索斯塔克还认为,地热活跃区的浅湖或地表池塘也很理想,比如黄石公园火山区的那种热液喷口。苏瑟兰德的化学物理论在此也可有很好的解释。温泉中有合适的化学物质,水位波动会导致某些地方干涸,还有来自太阳的大量紫外线。索斯塔克认为,这些池塘同样适合他的原细胞诞生。

在诸多争论中,萨瑟兰德又提出了第三个可能,即陨石撞击坑。在地球形成的最初5亿年中,地球经常受到流行撞击,而中等撞击就可以创造类似阿尔缅形容的池塘。首先陨石多是金属构成的,陨石坑中往往富含金属,比如铁和硫等。更重要的是,陨石撞击会融化地壳,导致低热活动和热水流出。

苏瑟兰德假设,溪流沿着陨石坑斜坡流下,滤掉岩石中的氰基化学物质,上面还有紫外线照射。这些溪流中的化学物质稍有不同,为此也会发生不同的反应,这有助于整体有机化学物质诞生。最后,溪流流入陨石坑底部的池塘,这里所有片段融合起来,形成了首个原细胞。

这意味着,我们在历史上首次开始全面地解释生命起源问题。到目前为止,苏瑟兰德与索斯塔克的“一切第一”理论只提供了粗略的叙述,但其却拥有过去数十年的实验支持。这种理论吸收了每种生命起源假设中值得信服的细节,尝试利用最好的地方,同时解决其所遇到的问题。举例来说,它并非反对拉塞尔的热液喷口理论,而是尽可能提炼其有意义的研究。

我们不太可能确定40多亿年前到底发生了什么。即使你能制造出反应堆,制作出大量大肠杆菌,但你依然无法确定生命就是那样诞生的。我们能做的就是赋予所有证据相应的故事,这也意味着我们正接近人类史上最大的分歧,即生命到底如何诞生?

坦率地说,知道自己来自哪里,知道最初的祖先什么样,这些知识将改变我们。从纯科学角度来看,它告诉我们生命如何在宇宙中诞生,在哪里能找到它们。它还会告诉我们许多有关生命本质的东西。

THE END
1.生命之花(大奥)剧评很偶然的点开了2024年的大奥这部剧,讲真我真的算是富士电视台《大奥》的忠实观众了,当年芒果台播出的大奥三部曲(第一章、华之乱、明治篇)都看过,后来也陆续看了大奥的几部SP,对我而言,大奥系列剧就是浓缩着欲望和爱,权力和爱交织辉映,爱的痴缠又绝望,爱是占有,爱是欲望,爱是熊熊火焰燃烧你我的即视感,既https://movie.douban.com/review/15720686/
2.“之命“汉语词典在线查词语“之命“ - 汉语词典在线查词语关于词语大全:使用本系统可以轻松查询词语的意思,目前已收录词语共30多万条。请输入要查询的词语,将显示该词语的解释。https://cha.100why.cn/ciyu/Search/%E4%B9%8B%E5%91%BD
3.人体生命科学馆展区展区配置的有标本、文化展板、LED灯光效果等。 运动展区分为骨骼、骨连接、肌肉三大部分,墙面造型动感通透,展示了机体之美、运动之美,中部造型柜巧妙的以层层递进的手法表现,在不影响整体造型的同时又兼具功能性。 消化系统 展区配置约60件标本、文化展板、LED灯光效果等。 消化系统展示从舌、 咽到食管、 胃、肝https://yxy.hxu.edu.cn/info/1274/2000.htm
4.科学网—达尔文进化论之扬弃,生命起源理论之革新!对哲学来说,人既是主体又是客体,但人也是生命的一种存在形式,因此,忽视生命的本质就不可能深刻认知人类自身,更不可能完美诠释哲学,这就是为何哲学从来都不乏生命的身影。生命的起源与演化之复杂与悠长程度远远超出了一切自然科学所能驾驭的范畴,因此,对此的科学探索也需借助哲学家的深邃思辨。https://blog.sciencenet.cn/blog-1475614-805836.html
5.提前带你逛自贡方特恐龙王国准备好开启一段奇幻冒险之旅了吗?正在如火如荼建设中的自贡方特恐龙王国,将有10项大型高科技主题项目、近30项室外游乐项目,以全新的互动式体验,把游客带入一个前所未见的恐龙世界,展开一场场神奇的历险之旅。 这个奇妙的恐龙王国到底有些什么好玩的?《生命之光》3D巨幕影院项目,运用超震撼视觉体验,讲述了从宇宙大爆炸到地球生命诞生的演变过程。让http://www.zgm.cn/content/622707530bacc
6.2021年首届主题班会设计大赛一等奖教案——来之不易,生命需珍惜生3:因为我很惜命。(笑)我在家里呆着,哪里也没有去,按时听网课,完成老师布置的作业。我觉得我很棒,我就是我最敬佩的人。 师:这位同学身为我国公民,高度配合国家的工作,并且很珍惜自己生命,让我们为他鼓掌! (掌声、笑声) 生4、5、6发言…… http://www.jys6z.com/index.php/content/345
7.融合生物与技术我们知道生物领域中有诸如有机体和生态系统这样的概念,而与之对应的人造物则包括机器人、公司、计算机回路,等等。而对于两者共有的灵魂,由于两者都具备生命属性,我们将这些人造或天然的系统统称为“活系统”(代表具有生命活力特质的系统)。 蜂群思维 蜜蜂之道:分布式管理https://blog.csdn.net/qq_39384184/article/details/88942248
8.《国家公园——万物共生之境》第3集:白鹭“哥哥”牺牲了自己的《国家公园:万物共生之境》 收藏 正在播放《国家公园——万物共生之境》第3集:白鹭“哥哥”牺牲了自己的生命击退了“入侵者” 《国家公园——万物共生之境》 第1集 荒原新生 00:50:00 《国家公园——万物共生之境》 第2集 相伴同行 00:50:00 《国家公园——万物共生之境》 第3集 生命交响 00:50:00 https://tv.cctv.com/2023/08/17/VIDECTBALWqxGYJ0guWwRZuf230817.shtml
9.古来征战几人回:俄旅之七—生命之路。拉托加湖古来征战几人回:俄旅之七 — 生命之路 。拉托加湖 列宁格勒保卫战纪念碑:“生命之路”上的“断环” 赴俄第五天上午,我们从圣彼得堡乘车向东北约40公里,去参观拉托加湖。 拉托加湖为欧洲最大的淡水湖,旧称涅瓦湖。湖长219千米,平均宽83千米,平均深51米。北岸大多高岩岸,有许多深切的小峡湾,湖岸曲折。南岸https://www.jianshu.com/p/48d173b8ee6e