达尔文对地球早期生命的猜想也许是对的
2020-11-17 11:34:24   来源:化石网   评论:0 点击:

达尔文对地球早期生命的猜想也许是对的(化石网整理)据新浪科技:国外媒体报道,达尔文提出过许多出色的想法。其中最著名的当属由受自然选择驱动的进化论。地球上的大多数已知生命都可以用该理论来解释。但他也


达尔文对地球早期生命的猜想也许是对的

(化石网整理)据新浪科技:国外媒体报道,达尔文提出过许多出色的想法。其中最著名的当属由受自然选择驱动的进化论。地球上的大多数已知生命都可以用该理论来解释。但他也对其它许多问题进行了苦苦思索。在写给朋友的一封信中,他提出了一种关于地球早期生命如何形成的理论。在约150年后的今天看来,这封信极其具有预见性,如同预言一般。
 
与人们的普遍想法不同,达尔文并非第一个提出物种会进化的人。在19世纪,科学家针对“动物会随着时间的流逝不断变化,比如现代长颈鹿的脖子比古代更长”这一理论进行了大量探讨。
 
达尔文的关键贡献在于描述了“自然选择”这一进化机制。该理论认为,同一物种的动物需要为了食物、庇护所、以及繁殖后代的能力彼此竞争。只有最适合所在环境的动物才能成功产下后代,因此这些有益性状可以遗传给下一代,变得越来越常见。假如长脖子对长颈鹿有益,一代代过去,拥有长脖子的长颈鹿就会越来越多,直至达到最佳的脖子长度。达尔文在1859年出版的《物种起源》中,对这一观点进行了陈述。
 
生物进化这一事实透露了关于生命起源的一些线索。进化告诉我们,看似迥异的物种其实也可能是远亲,由同一位祖先进化而来。例如,人类目前亲缘关系最近的物种是黑猩猩,我们曾在约700万年前拥有同一位祖先。
 
不仅如此,目前生活在地球上的每一种生物最早都可追溯至同一祖先,名叫“最后的共同祖先”,生活在逾35亿年前、地球刚刚形成之时。
 
然而,进化论只解释了已知生命变化的方式和原因,并未讲述地球上的首个生命是如何形成的。
 
生命是如何开始的?
 
对生命起源的研究直到上世纪50年代才开始。当时,已经有许多科学家怀疑,生命起始于海洋。他们认为,在刚刚诞生的地球上形成了大量碳基化学物质,这些物质溶解在海洋中后,变得越来越稠密、浓度越来越高,这就是所谓的“原始汤”。这一理论由苏联生物学家亚历山大•奥巴林(Alexander Oparin)提出。1953年,一位名叫斯坦利•米勒(Stanley Miller)的美国学生证明,可以在一套模拟原始海洋和大气条件的简单装置中合成氨基酸,即蛋白质的基本组件。
 
几十年间,“生命起源于海洋”的理论始终处于主导地位。但这其中存在一个显而易见的问题:海洋的体积极其庞大,除非有数量惊人的碳基化学物质,否则这些物质可能会分散在海洋各处,历经多年都无法相遇。“水太多,分子太少。”剑桥医学研究委员会分子生物实验室的克劳迪娅•邦非奥(Claudia Bonfio)指出。
 
还有一种被广泛探讨的理论认为,生命也许起源于碱性热泉之中,类似于大西洋中部的“失落的城市”。富含矿物质的热水从海床底部的岩石中汩汩流出,形成了怪异的白烟。这些热泉提供的丰富化学能也许为第一批生物的诞生提供了能量。但今年5月发表的一项研究指出,在碱性热泉条件下“尚未证明能够直接合成氨基酸或核酸碱基”,而这两种物质对于我们所知的生命形式而言都不可或缺。
 
于是,我们又将目光投向了达尔文的理论。
 
给朋友的一封信
 
达尔文在1871年写给朋友的一封短信中介绍了自己的理论。
 
达尔文从未在书中写过生命是如何起源的,但他曾在私下里提出过猜想。最关键的文件是他在1871年2月1日写给好友、自然学家约瑟夫•道尔顿•胡克(Joseph Dalton Hooker)的一封信。这封信很短,只有四段话,而且由于达尔文字迹潦草,很难读懂。信中在简单讨论了近期针对霉菌开展的一些实验后,达尔文简要介绍了一项假说的开头部分:
 
“经常有人说,第一个生命诞生所需的全部条件如今都已经具备,也许过去也一直具备。但假如(这是个很不简单的‘假如’)我们可以让某个温暖的小池塘具备氨气、磷酸盐、光、热、电等条件,然后形成了某种蛋白质化合物,这种化合物再经历某些更加复杂的变化。放在现代,该物质会被立刻吞食或吸收掉。但在生物诞生之前,情况就不会这样了。”
 
这段话需要费点工夫来理解,因为有好几点想法被杂糅在了一起,就好像达尔文是在一边写、一边琢磨一样。不过它的核心观点其实很简单。
 
达尔文提出,生命不是在开阔的海洋中、而是在陆地上的一个小型水体中形成的,其中富含各种化学物质。这和“原始汤”理论本质相同,但有一项优势:随着水在温暖的白天不断蒸发,溶解在池塘中的化学物质的浓度也会随之提高。生命所需的化学物质也可以在光、热和化学能的共同驱动下开始合成。
 
达尔文的想法在很多方面都极其不完善,但我们并不能责怪他,毕竟在他写下这段话的时候,科学家还没有发现DNA等核酸,生物学家对基因还一无所知,细胞内部的运作机制也仍然成谜。达尔文猜想,生命起源于蛋白质,但当时并没有人清楚蛋白质究竟是什么。一直到1902年,科学家才弄明白,蛋白质原来是由氨基酸构成的长链。
 
但达尔文的基本构思至今仍是科学家研究的对象。并且许多研究人员相信,这是目前为止对生命起源的最佳解释。
 
热与光
 
威斯康星大学麦迪逊分校的莉娜•文森特(Lena Vincent)所做的研究可以与“池塘说”兼容,不过她更倾向于持开放态度。她一直在尝试合成能够复制自身的化学物质组合。例如有一对名为A和B的化学物质,分别可以合成对方,即A可以制造出B、B可以制造出A。这样一对化学物质可以实现自我复制,但必须在二者都存在的情况下才能成功,单独一种则不行。实践中用到的化学物质组合比这要复杂得多,但基本原理是相同的。
 
最关键之处在于,文森特是在矿物质表面开展实验的。如果关键化学物质位于矿物质表面,“就更容易发生反应、与彼此接触。”这些化学物质为了附着在矿物质上,还会与彼此进行竞争。“我们认为,这样产生的环境可以创造出竞争优势,说不定就是进化的前身。”而自然界中的池塘表层本身就覆盖着黏土等矿物质。
 
还有许多证据显示,阳光中的紫外辐射也可以驱动关键化学物质的形成,特别是RNA。RNA与DNA类似,科学家认为它在早期生命的形成中扮演了关键角色。这种过程只能在光照充足的环境中发生。而在这一点上,小池塘无疑比深海更占优势。
 
剑桥医学研究委员会分子生物学实验室的约翰•萨瑟兰( John Sutherland)在相关研究中发挥了重要作用。他于2009年证实,利用紫外线辐射等简单处理手段,在RNA的四种基本构件中,有两种都可以由简单的碳基化学物质形成。在此之后,他又证实,如果对处理方法稍加改动,这些初始化学物质还可以形成蛋白质的基本构件、或者构成细胞外膜的脂质。
 
“他正在逐渐具备合成复杂核酸长链的完整条件。”明尼苏达大学的凯特•艾达马拉( Kate Adamala)指出。
 
最后,陆地上的池塘在炎热环境下会接近干涸、下雨时再被重新注满,如此周而复始。这种干湿循环看似无关紧要,却会对生命相关的化学物质产生重大影响。
 
例如,萨瑟兰在2009年开展的实验只合成了RNA四种基本构件中的两种。而在2019年,德国研究人员则一次制齐了四种。他们将简单的碳基化学物质置于热水中的矿物质表面,然后让它们不断经历干湿循环。如此持续几天时间,便足以合成RNA的基本构件了。
 
无独有偶,加州大学圣克鲁斯分校的戴维•迪莫(David Deamer)也证实,干湿循环可以促进简单“原细胞”的形成(即由一层脂质外壳包裹的RNA等生物分子)。此外,现任职于爱丁堡大学的瓦伦蒂娜•埃拉斯托娃(Valentina Erastova)也发现,在干湿循环的条件下,氨基酸会与矿物质表面的简单蛋白质衔接到一起。
 
生命的摇篮
 
迪莫提出,“不断波动的火山温泉池塘”是生命最可能起源之处。萨瑟兰则认为,沿陨石撞击坑流下的小溪在坑底汇成的池塘才是生命最早出现的地方。目前还不清楚究竟哪种可能性更大。还有很多年轻学者表示,我们对生命的起源过程仍然所知甚少,不足以排除任何一种情况,因此不愿早早站边。在实际研究中,仍有许多研究人员很重视“碱性热泉说”,尽管该假说也存在一定问题。
 
不过有一点很清楚:达尔文的观点极具前瞻性。他成功预见到,必须有一系列化学物质集中在一个小规模空间中,并且需要一个能量源来驱动化学反应。
 
“就像达尔文的许多观点一样,”文森特指出,“‘温暖的小池塘’假说也‘很有先见之明’。”
 
文森特表示,达尔文在信中还提到了另一点,而这一点的重要性被人们“大大低估”了。“在这个温暖的小池塘中发生的反应也许很容易发生,因此其实无时无刻不在进行。而我们之所以没能观察到这一点,也许是因为,每当自然条件下合成了一个新蛋白质或类似分子,就被一只饥肠辘辘的细菌吞噬掉了。”
 
“我们讨论生命起源时,总把它当成一件发生在遥远过去的事情,”文森特表示,“但也许此时此刻,这件事情就在发生。”

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