生物学家和化学家之间就生命起源于陆地还是海底展开激烈辩论。瑞秋·巴西尔考察了双方的论点
“生命是如何开始的？”这个问题与“生命在哪里开始的？”这个问题密切相关。大多数专家对“何时”达成一致：38亿至40亿年前。但是，对于可能孕育这一事件的环境，仍然没有共识。自从深海热液喷口被发现以来，它们就被认为是生命的诞生地，特别是碱性喷口，例如在大西洋中脊“失落之城”区域发现的那些。但并非所有人都相信生命起源于海洋——许多人说那里的化学反应根本行不通，并正在寻找陆地上的诞生地。随着几种假设的出现，再现允许生命出现的条件的竞赛正在进行中。
1977年，第一个深海热液喷口在东太平洋海隆中洋脊被发现。这些喷口被称为“黑烟囱”，喷射出地热加热的水，温度高达 400°C，其中硫化物含量很高，与冰冷的海水接触时会沉淀形成黑色烟雾。2000 年，又发现了一种新型碱性深海热液喷口，位于中洋脊轴线稍偏离的位置。第一个区域，即失落之城，是在大西洋中脊亚特兰蒂斯地块山的海底发现的。
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这些喷口是通过一种称为蛇纹石化的过程形成的。海底岩石，特别是橄榄石（镁铁硅酸盐）与水反应，产生大量的氢气。在失落之城，当温暖的碱性流体（45–90°C 和 pH 值 9–11）与海水混合时，它们会形成 30–60 米高的白色碳酸钙烟囱。
1993 年，在碱性喷口实际被发现之前，来自美国加利福尼亚州 NASA 喷气推进实验室 (JPL) 的地球化学家迈克尔·拉塞尔提出了一种机制，生命可能在这种喷口处开始。1 他在 2003 年更新的想法2 表明，生命来自利用碱性喷口水与酸性更强的海水（早期海洋被认为比现在含有更多的二氧化碳）混合时存在的能量梯度。
这与细胞利用能量的方式相呼应。细胞通过将质子泵过膜来维持质子梯度，从而在内外之间产生电荷差。这种机制被称为质子动力势，相当于大约 3 个 pH 单位的差异。它实际上是一种储存势能的机制，当允许质子通过膜磷酸化二磷酸腺苷 (ADP) 生成 ATP 时，就可以利用这种能量。
拉塞尔的理论认为，热液喷口烟囱中的孔隙为细胞提供了模板，在连接喷口微孔的薄矿物壁两侧，喷口水和海水之间存在相同的 3 个 pH 单位的差异。这种能量，以及催化铁镍硫化物矿物，使得二氧化碳的还原和有机分子的产生，然后是自我复制分子的产生，最终是具有自身膜的真正细胞的产生。
化学花园
同样是 JPL 研究科学家的化学家劳拉·巴格正在使用化学花园来测试这一理论——这是一个您可能在学校做过的实验。巴格说，看着化学花园，“您会认为是生命，但绝对不是”，她专门研究自组织化学系统。经典的化学花园是通过将金属盐添加到活性硅酸钠溶液中形成的。金属和硅酸根阴离子沉淀形成明胶状胶体半透膜，包裹着金属盐。这建立了一个浓度梯度，为中空植物状柱的生长提供了动力。
“我们开始模拟您可能从喷口流体和海洋中获得的东西，我们可以生长微小的烟囱——它们本质上就像化学花园，”巴格解释说。为了模拟早期海洋，她将碱性溶液注入富含铁的酸性溶液中，制成氢氧化铁和硫化铁烟囱。从这些实验中，她的团队证明他们可以发电：四个花园略低于一伏，但足以为一个 LED 供电，3 表明深海喷口中提供能量的那种质子梯度是可以复制的。
英国伦敦大学学院的生物化学家尼克·莱恩也在尝试使用他的生命起源反应器来重现前生物地质电化学系统。他赞成拉塞尔的理论，尽管他对通常给予它的“代谢优先”标签不满意，这与假设合成复制 RNA 分子是生命第一步的“信息优先”理论相反。“它们被描绘成对立的，但我认为这很愚蠢，”莱恩说。“在我看来，我们正在努力弄清楚如何到达一个您可以进行选择并可以产生类似核苷酸的世界。”
莱恩被地球化学和生物化学的密切一致性所说服。例如，在喷口内部发现了诸如硫铁矿 (Fe3S4) 之类的矿物，它们与微生物酶中发现的铁硫簇显示出一些关系。它们可能充当原始酶，用于氢气还原二氧化碳和形成有机分子。“也存在差异，[喷口烟囱中微孔之间的]屏障比 [细胞膜] 更厚等等，但类比非常精确，因此问题变成了‘这些天然质子梯度是否有可能打破氢气和二氧化碳之间反应的屏障？’”
莱恩的简单台式开放式生命起源反应器4 正在模拟热液喷口条件。在半导体铁镍硫催化屏障的一侧，泵入碱性流体以模拟喷口流体，在另一侧，泵入模拟海水的酸性溶液。除了流速外，两侧的温度也可以变化。跨越膜，“第一步是尝试让二氧化碳与氢气反应生成有机物，我们似乎已成功地以这种方式生产出甲醛，”莱恩说。
到目前为止，产量非常低，但莱恩认为他们已经“证明了原理”。他们正在努力复制他们的结果，并证明看到的甲醛不是来自其他来源，例如管道的降解。莱恩说，在相同的条件下，他们还能够从甲醛中合成低产量的糖，包括 0.06% 的核糖，尽管不是在仅由反应器产生的甲醛浓度下合成的。
深入挖掘
美国伍兹霍尔海洋研究所的地球化学家弗里德里希·克莱因在调查热液喷口时，发现了深海起源故事的一个变体。他发现了海底岩石中存在生命的证据，这可能为生命的开始提供了合适的环境。
克莱因和同事们正在研究 1993 年从西班牙和葡萄牙海岸附近的伊比利亚大陆边缘钻取的岩芯样本。这些样本来自当前海底以下 760 米的岩石，这在早期未沉积的洋底以下 65 米处。他在样本中看到了一些不寻常的纹脉，这些纹脉由失落之城热液系统也发现的矿物组成。“这让我很感兴趣，因为这种矿物组合只有在热液与海水混合时才会形成，”克莱因说。这表明类似的化学反应可能在海底以下发生。
在这些纹脉中，经测定年代为 1.2 亿年前，克莱因的团队发现了化石微生物的包裹体。他认为，水镁石 (Mg(OH)2) 的干燥特性可能解释了微生物中有机分子的保存。这些分子包括氨基酸、蛋白质和脂质，这些分子通过共焦拉曼光谱法鉴定出来。克莱因说他最初持怀疑态度，但提取样本的分析证实了硫酸盐还原细菌和古细菌的独特脂质生物标志物，这些生物标志物也在失落之城热液喷口系统中发现。5 SEM 成像显示碳包裹体，他说“看起来像微生物的微菌落”。
虽然显然这些样本年轻得多，“这些微生物的存在告诉我们，在热液系统中的海底环境中，生命是可能的，这些系统可能在早期地球的大部分时间里都存在并活跃着，”克莱因观察到。“海底以下代表了另一个更受保护的环境。”
陆地锁定
但并非所有人都同意生命起源于深海热液系统。德国奥斯纳布吕克大学的阿门·穆尔基贾尼安说，这个想法存在几个大问题，其中之一是海水中发现的相对钠离子和钾离子浓度与细胞相比。
穆尔基贾尼安援引了他所谓的化学守恒原理——一旦在任何环境中建立，生物体将保留并进化出保护其基本生化结构的机制。因此，他说，对于含有钾是钠 10 倍的细胞来说，其起源于钠是钾 40 倍的海水，这是毫无意义的。他的假设是，原生细胞一定是在钾多于钠的环境中进化出来的，只有当它们的环境发生变化时，才进化出离子泵来去除不需要的钠。
穆尔基贾尼安认为，生命可能起源于地热系统，例如俄罗斯远东地区的西伯利亚堪察加地热田。“我们开始寻找哪里可以找到钾多于钠的条件，我们发现的唯一东西是地热系统，特别是当您有蒸汽从地下冒出来的地方，”他解释说。只有蒸汽喷口形成的池塘才含有钾多于钠；地热液体喷口形成的池塘仍然含有钠多于钾。如今存在少数几个这样的系统，分布在意大利、美国和日本，但穆尔基贾尼安认为，在更热的早期地球上，您会期望有更多这样的系统。
美国加州大学圣克鲁兹分校的大卫·迪默已经研究大分子和脂质膜超过 50 年。他从一个略有不同的角度进入这个领域，有些人称之为“膜优先”。但是，他说，“我非常确信，理解生命起源的最佳方法是意识到它是一个分子系统，所有分子都协同工作，就像在今天的生命中一样。”位置“归结为我对合理性的判断”，他沉思道。
反对深海起源的最大论点之一是生物学中发现了如此多的大分子。DNA、RNA、蛋白质和脂质都是聚合物，并通过缩合反应形成。“您需要一个波动环境，有时是湿的，有时是干的——湿润期，以便组分混合和相互作用，然后是干燥期，以便去除水，这些组分可以形成聚合物，”穆尔基贾尼安说。“[深海] 热液喷口中不可能发生这种事情，因为那里不可能有干湿循环，”迪默补充道。干湿循环每天都发生在大陆热液田中。这允许反应物的浓缩以及聚合。
我认为，假设自然选择在 40 亿年的时间里无法提出改进方案是疯狂的
迪默一直在实验室中尝试创建自己的原生细胞——通过混合脂质和 RNA 组分单磷酸腺苷和单磷酸尿苷。干燥后，脂质自组装成膜状结构，如果核苷酸被困在脂质层之间，它们将经历酯化反应生成 RNA 样聚合物。经过多次干湿循环，产量增加到 50%。6
迪默已通过直接 RNA 测序技术证实了这些聚合物在“原生细胞”中的存在。“我们确实有单链分子，其大小范围在生物 RNA 的范围内，”但迪默警告说，它不是生物体中的 RNA。他创建了 RNA 混合物，其中一些 RNA 的磷酸基团像在自然界中一样键合，但有些 RNA 的键合“不自然”，他由此得出结论，这些 RNA“一定在这些小原生细胞中经历了选择和进化”。
但深海热液喷口阵营尚未准备好认输。巴格说，喷口环境可能允许反应物的浓缩和缩合反应。“您在海底到处都有凝胶，您有吸收物质的矿物，并且在 [烟囱微孔] 膜本身中也有凝胶，因此即使整个系统都是水性的，您也可以获得脱水反应条件。”
莱恩还驳斥了钾或钠离子水平可能会固定未来代谢过程的观点。“我认为，假设自然选择在 40 亿年的时间里无法提出改进方案是疯狂的，”莱恩解释说。“在我看来，选择驱动细胞内离子平衡。”他认为生命完全有可能在富钠环境中进化，并随着时间的推移进化出离子去除泵，从而产生当前富钾细胞。
看到光明
另一个争议点是紫外线 (UV) 的存在与否。这可能是陆地起源情景中的一个强大影响因素，因为早期地球上没有保护性臭氧层，但在深海理论中完全不存在。RNA 核苷酸的相对紫外线稳定性表明选择发生在紫外线下——在地球表面而不是在海洋中。
这也将支持英国医学研究委员会分子生物学实验室的约翰·萨瑟兰在 2009 年提出的 RNA 开创性合成7 以及他在 2015 年提出的仅从氰化氢 (HCN)、硫化氢 (H2S) 和紫外线开始合成核酸前体的方案8。用紫外线照射 10 天富集了生物核苷酸的产量，增加了它们在紫外线下被选择的优势。
但莱恩认为，“生命在紫外线下进化的一个大问题是，今天没有生命使用紫外线作为能量来源——它倾向于破坏分子而不是促进生物化学。”他还认为，陆地方案中提出的合成化学看起来根本不像我们所知的生命。“它从氰化物或硫化锌光合作用开始，最终得到一种弗兰肯斯坦化学，”莱恩说。“这种化学反应可能有效，但要将其与我们所知的生命联系起来，我认为几乎是不可能的。”
学科分歧
仔细观察，那些支持陆地起源的人和那些支持海洋起源的人之间的分歧在于学科。合成化学家通常倾向于大陆起源，而地质学家和生物学家大多倾向于深海热液喷口。化学家认为不可能在热液喷口中进行化学反应，而生物学家则认为，陆地化学提出的方案与在生物化学中看到的任何东西都不一样，并且没有缩小地球化学和生物化学之间的差距。
那么，有没有办法团结这些学科？“目前，这些想法之间没有太多共同点，”莱恩说。迪默同意。“在这一点上，我们只能说，每个人都有权根据自己的想法对合理性做出判断，但随后他们也必须进行实验和观察测试。”
较小的问题是可以解决的——这就是我早上起床的原因
我们需要的是关键的证据或实验，可以将各个点连接起来，并解释生命是如何以及在哪里从前生物世界开始的。“如果我们能在我们正在制造的所有这些万亿个随机聚合物中找到一种核酶，那将真是一个重大突破，”迪默建议道。核酶是 RNA 催化剂，是细胞蛋白质合成机制的一部分，但它们是第一个自我复制分子的候选者。
支持生命起源于深海热液喷口的进一步证据集中在展示一套合理的代谢步骤，从而产生复杂的分子。在 JPL，他们正在研究氨基酸在化学花园中的行为，巴格说。“我们正在努力制造一种氨基酸，然后看看 [氨基酸] 是否会卡在烟囱里，以及您是否可以浓缩它们并可能制造一些肽。”
“存在问题和困难，”莱恩承认。“我们真的能让二氧化碳与氢气反应生成更复杂的分子，如氨基酸和核苷酸吗？我相当有信心我们能做到这一点，但我意识到我们尚未证明这一点。”其他难题包括脂质膜是否可以在高钙和镁离子浓度的海水中稳定存在。但莱恩说，热力学驱动力的大问题已由热液喷口解决。“这让我有信心，较小的问题也将在这种情况下得到解决，即使它们现在看起来很困难——这就是我早上起床的原因。”
当然，还有另一种可能性——生命根本不是在地球上开始的。泛种论——生命是从太空播种的理论，似乎很古怪，但并非所有人都将其排除在外。“可以论证生命实际上起源于火星，”迪默说，因为火星是第一个冷却到可以支持生命的温度的星球。
无论情况是否如此，其他地方的生命肯定是可行的。木星的卫星欧罗巴和土星的卫星土卫二都是候选者，因为它们都有冰壳下的海洋。在未来五年内，美国宇航局计划向这两颗卫星发送太空探测器，以寻找生命迹象。了解我们自己的起源故事可以帮助我们确定在哪里寻找。
参考文献
1 MJ Russell、RM Daniel 和 AJ Hall，《Terra Nova》，1993 年，5, 343 (DOI: 10.1111/j.1365-3121.1993.tb00267.x)
2 W Martin 和 MJ Russell，Philos. Trans. R. Soc. B: Biol. Sci., 2003, 358, 59 (DOI: 10.1098/rstb.2002.1183)
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8 BH Patel et al, Nat. Chem., 2015, 7, 301 (DOI: 10.1038/nchem.2202)
本文经 化学世界 许可转载。本文于 2017 年 4 月 16 日首次发布。