五大關(guān)鍵突破助力生命起源探秘|今日視點(diǎn)

2024-05-13 17:17:13 來源: 科技日報 點(diǎn)擊數(shù):


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??茖W(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共同祖先“露卡”的核心代謝機(jī)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(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。

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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(xué)團(tuán)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(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(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(jī)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(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(jī)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(yùn)行乙酰輔酶A途徑,而地球原始有機(jī)體不存在這種“酶”。

一個國際科研團(tuán)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(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(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。

責(zé)任編輯:左常睿

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