揭開生命的起源：過去五年的五個(gè)關(guān)鍵突破 _生命

揭開生命的起源：過去五年的五個(gè)關(guān)鍵突破。來源：Unsplash/CC0公共域
據(jù)對(duì)話（Seán Jordan和Louise Gillet de Chalonge）：關(guān)于地球上生命的起源，我們?nèi)匀挥泻芏嗖涣私獾牡胤?。
生命本身的定義是科學(xué)家們爭(zhēng)論的焦點(diǎn)，但大多數(shù)研究人員對(duì)活細(xì)胞的基本成分達(dá)成了一致。水、能量和一些基本元素是細(xì)胞出現(xiàn)的先決條件。然而，這種情況如何發(fā)生的確切細(xì)節(jié)仍然是個(gè)謎。
最近的研究集中在試圖在實(shí)驗(yàn)室中重現(xiàn)我們所知的構(gòu)成生命的化學(xué)反應(yīng)，在早期地球（大約40億年前）的條件下。由于技術(shù)進(jìn)步和對(duì)早期地球狀況的更好理解，實(shí)驗(yàn)變得越來越復(fù)雜。
然而，實(shí)驗(yàn)工作的興起非但沒有讓科學(xué)家們團(tuán)結(jié)起來并解決爭(zhēng)論，反而導(dǎo)致了許多相互矛盾的理論。一些科學(xué)家認(rèn)為，生命出現(xiàn)在深海熱液噴口，那里的條件提供了必要的能量。另一些科學(xué)家則認(rèn)為，陸地上的溫泉會(huì)提供更好的環(huán)境，因?yàn)樗鼈兏锌赡苋菁{隕石中的有機(jī)分子。這只是正在調(diào)查的兩種可能性。
以下是過去五年中最引人注目的五項(xiàng)發(fā)現(xiàn) 。
早期細(xì)胞的反應(yīng)
是什么能源推動(dòng)了生命起源的化學(xué)反應(yīng)？這就是德國一個(gè)研究小組試圖解開的謎團(tuán) 。該團(tuán)隊(duì)深入研究了402種已知反應(yīng)的可行性，這些反應(yīng)可以產(chǎn)生生命的一些基本成分，如核苷酸（DNA和RNA的構(gòu)建塊）。他們使用了早期地球上可能發(fā)現(xiàn)的一些最常見的元素。
這些反應(yīng)存在于現(xiàn)代細(xì)胞中，也被認(rèn)為是LUCA的核心代謝，LUCA是最后一個(gè)普遍的共同祖先，是一種單細(xì)胞、類細(xì)菌的生物體。
對(duì)于每一個(gè)反應(yīng) ，他們都計(jì)算了自由能的變化，這決定了一個(gè)反應(yīng)是否可以在沒有其他外部能量來源的情況下進(jìn)行。令人著迷的是，這些反應(yīng)中的許多都獨(dú)立于外部影響，比如三磷酸腺苷，這是活細(xì)胞中普遍的能量來源。
生命的基本組成部分的合成不需要外部能量的提升：它是自我維持的。
火山玻璃
生命依賴于分子來儲(chǔ)存和傳遞信息。科學(xué)家們認(rèn)為，核糖核酸鏈?zhǔn)荄NA發(fā)揮這一作用的前體，因?yàn)樗鼈兊慕Y(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單。
RNA在我們星球上的出現(xiàn)長(zhǎng)期以來一直讓研究人員感到困惑。然而，最近取得了一些進(jìn)展。2022年，美國的一個(gè)合作團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室中產(chǎn)生了穩(wěn)定的RNA鏈。他們通過將核苷酸穿過火山玻璃來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo) 。他們制作的線束足夠長(zhǎng) ，可以存儲(chǔ)和傳輸信息。
由于頻繁的隕石撞擊和高火山活動(dòng)，早期地球上存在火山玻璃。研究中使用的核苷酸也被認(rèn)為在地球歷史上的那個(gè)時(shí)候就存在。火山巖可能促進(jìn)了將核苷酸組裝成RNA鏈的化學(xué)反應(yīng) 。
熱液噴口
碳固定是二氧化碳獲得電子的過程。構(gòu)建構(gòu)成生命基礎(chǔ)的分子是必要的。
電子供體是驅(qū)動(dòng)這種反應(yīng)所必需的。在早期的地球上， H2可能是電子供體。2020年，一組合作者表明，這種反應(yīng)可以自發(fā)發(fā)生，并由類似早期海洋深海堿性熱液噴口的環(huán)境條件推動(dòng) 。他們使用微流體技術(shù)來完成這項(xiàng)工作，微流體技術(shù)是一種通過模擬堿性通風(fēng)口來操縱微小體積液體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的設(shè)備。
這一途徑與許多現(xiàn)代細(xì)菌和古菌細(xì)胞（沒有核酸的單細(xì)胞生物）的運(yùn)作方式驚人地相似。
克雷布斯循環(huán)
在現(xiàn)代細(xì)胞中，碳固定之后是一系列化學(xué)反應(yīng) ，這些化學(xué)反應(yīng)在酶驅(qū)動(dòng)的復(fù)雜代謝網(wǎng)絡(luò)中組裝或分解分子。
但科學(xué)家們?nèi)栽跔?zhēng)論代謝反應(yīng)在這些酶出現(xiàn)和進(jìn)化之前是如何展開的。2019年，法國斯特拉斯堡大學(xué)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)取得了突破。他們表明，鐵，一種在早期地殼和海洋中含量豐富的鐵，可以推動(dòng)克雷布斯循環(huán)的11個(gè)步驟中的9個(gè) 。克雷布斯循環(huán)是存在于許多活細(xì)胞中的一種生物途徑。
在這里，亞鐵充當(dāng)了碳固定的電子供體，這推動(dòng)了一連串的反應(yīng) 。這些反應(yīng)產(chǎn)生了所有五種普遍的代謝前體——五種分子是所有生物體各種代謝途徑的基礎(chǔ) 。
古代細(xì)胞膜的構(gòu)建塊
理解生命的組成部分及其復(fù)雜的反應(yīng)是理解生命出現(xiàn)的一大步。
然而，無論它們是在陸地上的溫泉中還是在深海中展開，如果沒有細(xì)胞膜，這些反應(yīng)都不會(huì)走得很遠(yuǎn) 。細(xì)胞膜在原始細(xì)胞的生物化學(xué)及其與環(huán)境的聯(lián)系中發(fā)揮著積極作用。
現(xiàn)代細(xì)胞膜主要由一種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。它們的結(jié)構(gòu)是雙層的，親水性的頭向外指向，疏水性的尾向內(nèi)指向。
研究表明，磷脂的一些成分，如構(gòu)成尾部的脂肪酸，可以在一系列環(huán)境條件下自行組裝成這些雙層膜。但是這些脂肪酸存在于早期的地球上嗎？英國紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)最近的一項(xiàng)研究給出了一個(gè)有趣的答案。研究人員通過結(jié)合H重新創(chuàng)造了這些分子的自發(fā)形成₂-富含流體，可能存在于古代堿性熱液噴口，富含二氧化碳的水類似于早期海洋。
這一突破與穩(wěn)定的脂肪酸膜可能起源于堿性熱液噴口的假說一致，有可能發(fā)展成活細(xì)胞。作者推測(cè)，類似的化學(xué)反應(yīng)可能會(huì)在冰衛(wèi)星的地下海洋中展開，這些衛(wèi)星被認(rèn)為有類似于陸地的熱液噴口。
這些發(fā)現(xiàn)中的每一個(gè)都為生命起源的謎題增添了新的一塊。無論哪種理論被證明是正確的，對(duì)比鮮明的理論都在推動(dòng)尋找答案。
正如查爾斯·達(dá)爾文所寫：“虛假的事實(shí)對(duì)科學(xué)的進(jìn)步是非常有害的，因?yàn)樗鼈兺鶗?huì)長(zhǎng)期存在：但虛假的觀點(diǎn)，如果有一些證據(jù)支持，幾乎不會(huì)造成傷害，因?yàn)槊總€(gè)人都樂于證明自己的虛假性；當(dāng)這一點(diǎn)得到證實(shí)時(shí)，通往錯(cuò)誤的一條道路就會(huì)關(guān)閉，通往真理的道路往往同時(shí)也會(huì)打開。”