生命起源于水?答案可能沒那么簡單

              2021-01-13 15:05:27 果殼

              原文作者 | Michael Marshall

              活生物都離不開水,但水能分解DNA和其他關鍵分子。那么,最早的細胞是如何解決這個水悖論的呢?

              2021年2月18日,NASA的一架航天器將穿過火星大氣,點燃反推進火箭,在火星表面著陸,釋放名為“毅力號”的六輪巡視器。如果一切按計劃進行,這項任務將在杰澤羅隕擊坑(Jezero Crater)著陸,這是位于火星赤道附近的一個45公里寬的裂口,可能曾是一個液態水湖泊。

              在地球上的人們為“毅力號”歡呼雀躍之時,John Sutherland將在一旁冷靜觀察。Sutherland是英國MRC分子生物學實驗室的一名生物化學家,也是游說NASA造訪杰澤羅隕擊坑的科學家之一,杰澤羅隕擊坑符合他對生命起源的設想——無論是火星還是地球。

              生命可能起源于某次遠古撞擊后形成的陸地水體,比如加拿大曼尼古根湖一類的撞擊坑 | Planet Observer/Universal Images Group/Getty

              著陸點的選擇也反映出想法上的轉變:幾個分子是如何通過一系列化學反應成為了最初的生物細胞?雖然很多科學家一直推測這些先驅細胞來自海洋,但最新研究顯示,生命的關鍵分子和關鍵過程只可能出現在杰澤羅隕擊坑這樣的地方——由水流匯聚形成的一個相對較淺的水體。

              之所以這么說,是因為多項研究表明,生命的基本化學物質需要來自太陽的紫外線輻射才能形成,而且含水的環境必須是高度濃縮的,有時候甚至要完全干燥。在實驗室開展的實驗中,通過小心加熱簡單的碳基化學物質,把它們暴露在紫外線輻射中,并間歇性地將它們烘干,Sutherland等科學家已經能生成DNA、蛋白質和細胞的其他關鍵組分?;瘜W家還無法在模擬海水的環境下合成這么多不同的生物分子。

              新出現的證據讓許多研究人員拋棄了生命起源于海洋的假說,反而開始關注陸地環境,特別是那些干濕交替的區域。這種觀點的轉變并非沒有異議,但支持陸地起源說的科學家認為,這種假說解決了一個長期存在的悖論:雖然水是生命形成的關鍵,但水也能破壞生命的核心成分。

              華盛頓大學的行星科學家David Catling認為,地表上湖泊水潭的可能性很大,“過去15年里有大量研究都支持這個方向?!?/p>

              原始湯

              雖然對生命的定義沒有統一標準,但大部分研究人員都認同生命的構成離不開多種成分,一種是攜帶信息的分子,如DNA、RNA等;此外還必須有一套復制這些分子指令的方法,但復制過程可以不完美,允許出現錯誤,播下演化改變的種子。再者,最早的生物體必然有辦法實現自我喂養和維持,或許是利用了某些蛋白酶。最后,有些東西能將這些不同的部分組合起來,讓它們獨立于周圍環境。

              探索生命起源的實驗研究始于上世紀50年代,當時的許多研究人員都認為生命起源于海洋,源自一團被稱為原始湯(primordial soup)的碳基化學物質。

              這種想法是蘇聯生物化學家Alexander Oparin和英國遺傳學家J. B. S. Haldane在上世紀20年代分別提出的。兩人都將年輕的地球比作一個巨大的化學工廠,許多碳基化學物質溶解于早期海水中。Oparin推測之后形成了越來越復雜的顆粒,并最終形成了碳水化合物和蛋白質——他稱之為“生命的基礎”。

              1953年,芝加哥大學的青年研究員Stanley Miller描述了一個實驗,這個實驗被認為證實了這種假說[1],如今也已廣為人知。他用一個玻璃燒瓶裝水來模擬海洋,另一個燒瓶裝有甲烷、氨、氫來模擬早期的大氣。他將這些燒瓶用管子連接起來,并用電極模擬閃電。幾天的加熱和電擊足以產生甘氨酸,這是最簡單的氨基酸,也是蛋白質的一種必要成分。這個實驗讓許多研究人員相信生命起源于洋面附近。

              在上世紀50年代開展的實驗中,Stanley Miller用簡單的成分創造出了氨基酸 | Bettmann/Getty

              但如今有許多科學家指出,這種假說存在一個根本性問題:構成生命的基礎分子會在水中分解。因為無論是蛋白質還是DNA和RNA這類核酸,它們的連接都很脆弱。蛋白質由氨基酸鏈組成,核酸由核苷酸鏈組成。如果將這些鏈放入水中,水會攻擊并最終破壞這些連接。在碳化學中,“水就是敵人,必須嚴格回避,”已故生物化學家Robert Shapiro在他1986年的《起源》(Origins)一書中寫道。這本書就批判了原始海洋論的假說[2]。

              這便是水的悖論。如今,細胞通過限制水在它們內部的自由移動來解決這個問題,美國明尼蘇達大學的合成生物學家Kate Adamala說。出于這個原因,大眾對細胞質(細胞內物質)的印象往往是錯的?!敖炭茣细嬖V我們,細胞質是一個什么都能裝的袋子,一切都在游來游去,”她說,“并不是這樣,細胞內的所有物質都是井然有序地搭建在一團膠體中,而不是一個水袋中?!?/p>

              許多研究人員認為,如果生物體能控制好水,那么其涵義是顯而易見的。生命很可能是在陸地上形成的——在間歇性有水的地方。

              陸地起源

              支持這種觀點的一些關鍵證據出現在2009年。已知組成RNA的核苷酸有四種,當時,Sutherland宣布他和他的團隊成功制造出了其中兩種[3]。他們從磷酸鹽和四種簡單的碳基化學物質開始,包括氨基氰。整個過程中,這些化學物質都溶解在水里,但它們是高度濃縮的,關鍵步驟也需要紫外線輻射。這種反應無法發生在海洋深處——只能發生在暴露于陽光下的小水潭或溪流中,因為那里可以讓化學物質高度濃縮,他說。

              之后,Sutherland的團隊證明,利用相同的起子化學物質,只要經過細微的差異化處理,也能產生蛋白質和脂質的前體[4]。研究團隊認為,如果含有氰化鹽的水被太陽烘干,也可能發生這些化學反應,留下一層干的氰化物,這些物質可能又受到了地熱活動的加熱。過去一年里,Sutherland的團隊已經利用陽光的能量和一些高度濃縮的同類化學物質生成了DNA的構成單元——這在之前被認為是不可能的[5]。

              美國NSF–NASA化學演化中心的生物化學家Moran Frenkel-Pinter和她的同事對這種方法進行了拓展。去年,他們的研究表明,氨基酸在完全干燥的情況下,會自發連接起來,形成類似蛋白質的鏈[6]。相較于其他的氨基酸,這類反應更容易用現今蛋白質中發現的20種氨基酸來實現。這意味著間歇性干燥或能幫助解釋為何生命在成千上萬種可能性中,只使用了那幾種氨基酸?!拔覀儼l現是它們選擇了今天的氨基酸?!盕renkel-Pinter說。

              干濕循環

              間歇性干燥還能幫助這些構成單元組裝成更復雜、類似生命的結構。

              彼時就職于加州大學戴維斯分校的David Deamer和Gail Barchfeld在1982年發表了這個方向上的一個經典實驗[7]。兩人的目標是研究脂質(另一類長鏈分子)如何自組織成包裹細胞的膜。他們先制作了囊泡:兩個脂質層包裹的核心有水的球泡。隨后,研究人員讓囊泡干燥,讓脂質重新組織成一個多層結構——就像一摞煎餅。之前浮在水中的DNA鏈被捕獲在脂質層的當中。當研究人員再次加入水時,囊泡再次形成了,這次里面還有DNA。這是形成簡單細胞的一個步驟。

              有一種生命起源場景假設生命源自能噴涌堿水的海底噴口,類似于大西洋里“失落之城”(Lost City)的構造 | D. Kelley and M. Elend/University of Washington

              “這種干濕循環無處不在,”如今就職于加州大學圣克魯茲分校的Deamer說,“就和雨水從濕潤的巖石上蒸發一樣簡單?!钡钱斔鼈儜玫街|一類的生物化學物質上時,他說,就會發生神奇的事。

              在2008年的一項研究中,Deamer和他的團隊將核苷酸和脂質與水混合,再讓它們經歷干濕循環。當脂質形成層狀物時,核苷酸連接成了類似RNA的鏈——如果沒有額外幫助,這種反應在水中是無法完成的[8]。

              其他研究指向了另一個元素:光。光可能也是生命起源的一個關鍵部分。這是麻省總醫院的合成生物學家Jack Szostak的團隊得出的一個結論,該團隊研究的是“原細胞”(protocell),這種簡易版細胞只含有少量化學物質,但可以自己生長、競爭、復制。如果這些原細胞暴露在與陸地相似的條件下,就會表現出與生命更相似的行為。Adamala參與的一項研究發現,原細胞能利用來自光的能量,以簡單的繁殖形式分裂[9]。無獨有偶,目前也就職于MRC分子生物學實驗室的Claudia Bonfio和她的同事在2017年證明了紫外線輻射能促進鐵硫簇的合成[10],而這對許多蛋白質都至關重要,包括電子傳遞鏈中的蛋白質,電子傳遞鏈能通過驅使能量儲存分子ATP的合成,幫助為所有活細胞供能。鐵硫簇遇到水就會斷開,但Bonfio的團隊發現,如果這些鐵硫簇被3-12個氨基酸長的簡單多肽包裹,它們就會更加穩定。

              要有水,但不要太多

              這類研究讓生命起源于光照充足的淺水表面的理論更有說服力。不過,具體需要多少水以及水在生命起源的哪一步發揮了作用仍是爭論不休的話題。

              和Deamer一樣,Frenkel-Pinter也認為干濕循環十分關鍵。她說,干燥的環境為形成蛋白質和RNA等鏈狀分子創造了條件。

              但是,單單形成RNA和其他分子并不構成生命。還需要形成一個能自維持的動態系統。Frenkel-Pinter認為水的破壞力可能在這方面起到了作用。當獵物演化得越跑越快,或是分泌毒素來抵抗捕食者時,最初的生物分子可能通過演化,抵擋住了水的化學攻擊,甚至還很好地利用了水的反應性。

              在新西蘭羅托魯瓦附近“地獄之門”溫泉地區開展的研究中,研究人員讓來自熱液池的樣本經歷干濕循環,這會促發化學反應,形成類似RNA的分子 | Westend61/Getty

              Frenkel-Pinter團隊之前的研究[6]證明了干燥能讓氨基酸自發地連接起來。今年,該團隊的后續研究發現他們的原蛋白能與RNA相互作用,使兩者在水中更加穩定[11]。實際上,水相當于一種選擇壓力:只有能在水中活下來的分子結合物才能繼續發展,因為其他的都被摧毀了。

              這里的觀點是,每次出現濕循環,較弱的分子或是那些無法與他者結合來保護自己的分子,就會被摧毀。Bonfio和她的團隊在今年的一項研究中證明了這一點[12],他們嘗試將簡單的脂肪酸轉換成類似現代細胞膜中發現的復雜脂質。研究團隊制作了脂質混合物,并發現簡單的脂質會被水摧毀,而更大更復雜的脂質會集聚起來?!暗搅艘欢〞r候,這些脂質會多到可以形成膜?!彼f。換言之,可能存在一個黃金水量:不會多到生物分子被太快摧毀,也不會少到沒有任何改變發生。

              溫熱的小水潭

              那么,這些過程都發生在哪里呢?關于這個問題,領域內存在代溝。許多資深研究員都有一個深信的理論,而年輕研究員愿意相信這個問題還沒有定論。

              開闊大洋的理論是不成立的,Frenkel-Pinter說,因為化學物質沒有辦法濃縮?!澳谴_實是個問題?!盉onfio表示同意。

              自上世紀80年代以來一直受到推崇的另一個海洋起源說是地質學家Michael Russell提出的,他之前是美國加州噴氣推進實驗室的獨立研究員。Russell認為生命起源于海底熱液噴口,那里有從底下地質構造中滲出的熱堿水。熱水遇到巖石后會產生化學能量,這種能量首先會驅動簡單的代謝循環,之后便開始形成并利用RNA一類的化學物質。

              Russell不贊同Sutherland的實驗方法。他說:“他在做的都是些令人眼花繚亂的化學實驗?!睂ussell來說,這些都是不相關的。因為現代微生物是用完全不同的化學過程來生成RNA一類的物質。他認為肯定是這些過程先出現,而不是這些物質先出現?!吧鼤暨x非常特別的分子。但你不能從現成的分子中挑選,你必須從頭生成那些分子,那才是生命的過程?!?/p>

              Sutherland反駁道,RNA、蛋白質等等形成后,演化就會開始,原微生物就能找到新的方式來生成這些分子并讓它們自我維持。

              與此同時,許多研究人員也表達了對Russell的熱液噴口說的質疑,指出其缺少實驗依據。

              相比之下,模擬地表情況的化學實驗已經合成出核酸、蛋白質和脂質的構成單元?!吧詈嵋簢娍诩僬f并不包括這些合成。簡單說是因為這個實驗還沒有做,而且可能做不出來?!盋atling說。

              Frenkel-Pinter也不同意噴口假說,因為她研究的分子在這些條件下活不了多久?!斑@些原肽的形成條件與熱液噴口的相容性不高?!彼f。

              5月,地球化學家、德國杜塞爾多夫大學的博士后Martina Preiner和同事提出了一個可能的解決辦法。她認為在熱液噴口下方的巖石里,熱量和化學反應會讓水分子結合或分解,從而形成干燥的空間[13]?!皫r石和水的相互作用能在一定程度上減少水分?!彼f。更多的海水會間歇性地滲入,形成“類似干濕循環的過程”。這應會讓深海巖石更適合關鍵分子的形成,Preiner說,但她也指出這只是一種假設?!爱斎?,你還是要做相應的實驗來證明這會產生特定反應?!?/p>

              不過,現階段尚無證據。同時,生命起源于陸地上較小水體的理論也得到了越來越多的實驗支持。

              Sutherland更傾向于隕石撞擊坑,這個坑受到太陽和撞擊殘余能量的加熱,多條水流從斜坡面流下,最終在坑底匯合。這可能是個復雜的3D環境,有礦物表面作為催化劑,碳基化學物質可能經歷了水解和太陽烘干的循環?!澳憧梢韵鄬ψ孕诺卣f,這必須發生在地表,而不是在海洋中或地殼下10公里的地方?!盨utherland說,“然后我們還需要磷酸鹽、鐵。鐵-鎳隕石很容易提供這些物質?!弊矒衾碚撨€有一大優勢:隕石撞擊震動了大氣,產生了氰化物,Sutherland說。

              Deamer則主張另一種假說:火山溫泉。在今年的一項研究中,他和同事Bruce Damer提出,脂質可能在溫泉中形成原細胞[14],這和他早前實驗的結果一致。溫泉邊緣發生的干濕循環可能促進了RNA等核酸的形成和復制。

              Deamer在現代火山溫泉開展了多項實驗來驗證他的想法。2018年,他的團隊證明了囊泡能在溫泉中形成[15],甚至還能包裹核酸——但它們無法在海水中形成。2019年的一項后續研究發現,當得到的囊泡干燥后,核苷酸會連接成類似RNA的鏈[16]。

              NASA“毅力號”火星車將在火星的杰澤羅隕擊坑中搜尋生命跡象 | ESA/FU-Berlin

              縮小生命起源地的范圍需要充分地理解前生命化學(prebiotic chemistry):這么多的反應如何一起發揮作用,反應發生的條件范圍是什么。美國印第安納州的初創公司Allchemy總裁、化學家Sara Szymku?率領一支團隊嘗試了這項艱巨的任務。該團隊在9月發表了一項綜合性研究,利用一種計算機算法探索了巨大的已知前生命反應網絡是如何產生今天生命中用到的各種生物分子的[17]。

              這個網絡的冗余性很高,即使多個反應被抑制,關鍵的生物化合物還是能形成。出于這個原因,Szymku?認為現在排除生命起源的任何場景都為時過早。那需要系統性地檢驗一系列不同的環境,來看看在這些環境下會發生哪些反應。

              地球之外

              如果Sutherland的這類實驗確實能指明生命是如何在地球上出現的,它們也有助于探索生命在宇宙其他地方的起源。

              火星的關注度最高,因為有清晰的證據表明,火星表面曾有液態水。NASA“毅力號”火星車的著陸點是杰澤羅隕擊坑,這么選擇的一部分原因那里曾是一個湖泊,可能發生過Sutherland研究的化學過程。2018年,在Catling牽頭的向NASA的匯報中,Sutherland幫助撰寫了文稿,概括了前生命化學的研究結果,并對“毅力號”的探索位置給出了建議?!拔覀兿蛩麄兘榻B了前生命化學,并指出杰澤羅隕擊坑是這種化學最有可能發生的位置,而他們最后也確實選擇了這里?!盨utherland說。

              “毅力號”抵達火星還要兩個月左右。幾年之后,才能通過尚未命名的未來任務,把在火星采集到的樣本帶回地球。因此,火星上現在是否有生命或幾十億年前是否有過生命的答案,還要很久才能揭開。但即使沒有,它也能揭示前生命化學的痕跡。

              Catling說,最好的情況是“毅力號”在火星沉積層中發現復雜的碳基分子,比如脂質或蛋白質,或是它們降解后的殘留物。他還希望能看到干濕循環的證據,比如湖泊多次干涸又重新注滿所形成的碳酸鹽層。他推測“火星上的生命沒怎么演化”,因為我們還沒有看到這方面的任何明顯證據,比如清晰的化石或富含碳的黑色頁巖?!拔覀冋业臇|西很簡單,只要能顯示前生命特征就行,并不需要是真正的細胞?!?/p>

              一種可能的情況是,火星只邁出了形成生命的最初幾個化學步驟,但沒有一直發展下去。如果這樣的話,我們找到的可能不是生命的化石,而是生命前化石。

              參考文獻:

              1. Miller, S. L. Science117, 528–529 (1953).

              2. Shapiro, R. Origins: A Skeptic’s Guide to the Creation of Life on Earth (Summit, 1986).

              3. Powner, M. W., Gerland, B. & Sutherland, J. D. Nature459, 239–242 (2009).

              4. Patel, B. H., Percivalle, C., Ritson, D. J., Duffy, C. D. & Sutherland, J. D. Nature Chem.7, 301–307 (2015).

              5. Xu, J. et al. Nature582, 60–66 (2020).

              6. Frenkel-Pinter, M. et al. Proc. Natl Acad. Sci. USA116, 16338–16346 (2019).

              7. Deamer, D. W. & Barchfeld, G. L. J. Mol. Evol.18, 203–206 (1982).

              8. Rajamani, S. et al. Orig. Life Evol. Biosph.38, 57–74 (2008).

              9. Zhu, T. F., Adamala, K., Zhang, N. & Szostak, J. W. Proc. Natl Acad. Sci. USA109, 9828–9832 (2012).

              10. Bonfio, C. et al. Nature Chem.9, 1229–1234 (2017).

              11. Frenkel-Pinter, M. et al. Nature Commun.11, 3137 (2020).

              12. Bonfio, C., Russell, D. A., Green, N. J., Mariani, A. & Sutherland, J. D. Chem. Sci.11, 10688–10697 (2020).

              13. do Nascimento Vieira, A., Kleinermanns, K., Martin, W. F. & Preiner, M. FEBS Lett.594, 2717–2733 (2020).

              14. Damer, B. & Deamer, D. Astrobiology20, 429–452 (2020).

              15. Milshteyn, D., Damer, B. Havig, J. & Deamer, D. Life8, 11 (2018).

              16. Deamer, D., Damer, B. & Kompanichenko, V. Astrobiology19, 1523–1537 (2019).

              17. Wo?os, A. et al. Science369, eaaw1955 (2020).

              原文以How the first life on Earth survived its biggest threat — water標題發表在 2020年12月9日的《自然》的新聞特寫版塊上

              © nature

              doi: 10.1038/d41586-020-03461-4

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