科学家可能解决了生命起源的难题

作者: Robert F. Service

来源: 科学世界

发布日期: 2015-03-18 16:29:13

科学家们通过研究远古时期广泛存在的简单化合物,发现这些化合物经过一系列化学反应后,能产生生命的三种主要原料——核酸、氨基酸和脂类,为生命的起源提供了新的解释。这项研究虽然未直接证明生命起源,但回答了一些关键问题,有助于揭开生命起源的秘密。

地球上的生命究竟是如何起源的?要解答这个问题,我们面对着许多矛盾。我们知道,蛋白质是生命活动不可或缺的基础。而蛋白质的合成、生命的延续,都需要基因(如DNA和RNA)来存储和传递信息。然而,DNA或RNA的复制,却又离不开蛋白质的帮助。更不用说,这些生命活动都离不开脂类,因为脂类组成了细胞膜。然而,脂类需要酶来合成,而酶是基于蛋白质的物质,同时需要基因来编码。

这简直是一个“先有鸡还是先有蛋”的问题。

那么,基因,蛋白质和脂类,究竟谁先存在?最近,科学家也许揭开了这个谜。一组化学家发表论文说,他们发现,一些在远古时期广泛存在的简单化合物,经历一系列简单的化学反应后,能产生生命的三种主要原料——核酸、氨基酸和脂类,能为生命的起源点燃星星之火。虽然这项研究并没有证明生命究竟是如何起源的,但它回答了一些关键的问题,能帮助揭开一些深埋亿万年的秘密。

美国麻省总医院的分子生物学家、生命起源研究者杰克·索斯塔克(Jack Szostak)评价说:“这是一篇非常重要的论文。它提出了一种前所未有的场景,在同一地质背景下,将生命起源所需的所有重要原材料囊括在内。”长期以来,关于生命起源,科学家们都有各自喜欢的“场景”,他们各自支持不同的生物分子形成顺序。

比如说,“RNA党”的科学家认为,最早形成的生物分子是RNA,因为它不仅携带有基因信息,有时还能像蛋白质一样变身催化剂,加速特定的化学反应。而“代谢党”科学家认为,与其说是复杂的蛋白质酶,倒不如说是简单的金属催化剂“熬”出了一锅充满有机物的原始浓汤,从中诞生了其他生物分子。

“RNA党”的研究在2009年取得了重大突破。英国剑桥大学的约翰·萨瑟兰(John Sutherland)带领研究团队发现,经过一系列的化学反应后,RNA的4种核苷酸原料能从较简单的前体化合物乙炔和甲醛中生成。这说明,在原始汤中,即使没有蛋白质和脂类的参与,RNA也有可能自行产生。不过,有很多科学家对此提出批评,因为他们认为,乙炔和甲醛本身也是复杂的分子,那么,它们又是从何而来呢?

在这项最新研究中,萨瑟兰和他的同事们接受了同行的批评,继续往前追溯,看是否能形成比乙炔和甲醛更简单的分子,从而把生成RNA的化学反应往远古时期更进一步。幸运的是,他们成功了。在最新的Nature Chemistry杂志上,萨瑟兰的团队发表了一篇论文,称他们仅从氰化氢(HCN)和硫化氢(H2S)开始,加上紫外线,就生成了核酸的前体化合物。

更让人惊喜的是,萨瑟兰说,产生核酸前体的环境中,还产生了天然氨基酸和脂类的原始材料。这表明,在同一组化学反应中,可以同时生成生命起源所必须的绝大部分原材料。

萨瑟兰的团队说,原始的地球很适合这类化学反应的进行。地球刚形成的几亿年里,彗星就像暴雨一样撞到地面上,而氰化氢在彗星中很常见。在撞击的过程中,巨大的能量也能将氢、碳和氮元素合成为氰化氢。

同样的,萨瑟兰认为,硫化氢在早期的地球上十分普遍,强烈的紫外线很容易激发化学反应,而富含金属的矿物则扮演了催化剂的作用。即便如此,萨瑟兰说,产生不同生命原材料的化学过程之间,存在着很大差别。比如说,它们需要完全不同的金属催化剂,因此,这些原材料很可能并不是在同一个地方生成的。比如说,由于化学组成和能量分布存在些许不同,一些地方也许更适合氨基酸的生成,而另一些地方更适合脂类或核酸。

“接下来,这些物质会被雨水冲到同一个水塘中。”加州大学圣克鲁兹分校的生命起源研究者戴夫·迪莫(Dave Deamer)说。生命的火花,是在这样的水塘中开始闪烁的吗?这个答案也许已经永久地消失在了历史的长河里。但是,迪莫认为,它背后的化学原理,永远值得人类去钻研和思考。索斯塔克同意他的观点,他说:“这个场景提出了很多问题,我相信这值得人们讨论上好长一段时间了。”

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