寻找生命起源

科学家们正在重拾一项被长期忽视的、关于生物学起源的百年预测

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本文发表于《大众科学》的前博客网络,反映了作者的观点,不一定反映《大众科学》的观点


科学家们喜欢争论这已不是什么秘密——发表相互竞争的理论,在会议上大声表达想法,甚至在推特上互相辩论。这些争论对于剔除糟糕的想法很有用。但偶尔,一些有价值的想法也会被抛弃。

苏联科学家亚历山大·奥巴林大约在一个世纪前提出的关于地球生命最初是如何形成的观点就遭遇了这种情况。现在,他的观点正在复兴,支持它的论点正在占据上风。

奥巴林预测,最早的生命形式是漂浮在生命构件原始汤中的液态团簇:甲烷、氨气和悬浮在水中的其他有机物质的混合物。他认为,这些团簇会像水中的油滴一样,自发地与周围环境分离,并在构件经过时抓住它们——使得关键成分之间的接触在液滴内部比在外部更容易发生。他提出,成分之间额外的接触使得生命形成所需的化学反应成为可能。


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奥巴林继续在试管液滴内进行基本的化学反应,以证实他的理论。他的实验表明,液滴内部成分之间的紧密接近可以形成RNA的短序列,RNA是现代细胞中存储信息的分子之一(类似于DNA)。他的想法优雅而简洁;拥挤的构建块比分散的构建块更可能相互作用,这是有道理的,就像人们在拥挤的公共汽车上比在空荡荡的公共汽车上独自坐着时更可能交谈一样。

细菌、植物和我们身体中的细胞具有膜或细胞壁来界定细胞的内部和外部,而奥巴林的团簇则在没有边界的情况下与周围环境分离。这些液滴比它们的环境更粘稠——意味着它们具有像油一样的浓稠、粘稠的稠度,而它们的环境则像水一样。不同的质地意味着这些油状液滴更倾向于相互作用,而不是与它们的水状环境相互作用。像这样与周围环境分离的原始生物需要进化的部分比具有膜的现代细胞要少——这是生命形成过程中的一个有利步骤。

不幸的是,政治和对生物学的有限理解阻碍了科学界接受奥巴林的液滴理论,无论它们多么优雅。起初,他的想法以俄语发表,并没有在他本国以外引起太多关注。一旦被翻译出来,世界各地的科学家开始辩论他的工作。但由于他是一位苏联科学家,他提出的许多观点都笼罩在马克思主义哲学的光环下,导致西方科学家在冷战期间拒绝了他的观点。而且,很难理解奥巴林的团簇是如何导致现代细胞进化的;他使用的液滴的部分成分包含我们今天的细胞中不存在的成分。因此,生物学家们遗忘了奥巴林。

快进到2018年:韦恩州立大学的贾里德·施拉德和匹兹堡大学的塞思·奇尔德斯两位合作科学家在他们最喜欢的细菌内部注意到了一些有趣的东西。他们正在研究的蛋白质在细菌体内形成了团簇——他们进行的实验表明,这些团簇是自发分离的液滴,就像奥巴林提出的作为最早生命形式的团簇一样。

不久之后,在世界另一端的德国,马克斯·普朗克生物化学研究所的研究人员发现了更多的团簇。他们正在研究一种不同类型的细菌,这种细菌进行碳固定——从大气中吸收二氧化碳并将其转化为氧气和糖分子的过程,这些分子为细菌提供燃料。当这些研究人员混合碳固定蛋白部分时,他们对自己的发现感到惊讶。混合物凝结在一起,他们发现这些凝结物是自发分离的液滴,就像奥巴林的团簇以及奇尔德斯和施拉德在几个月前发现的那些一样。

这些发现将奥巴林的预测带回到关于生命起源的现代辩论中。当现代细胞利用体内液滴来组织重要的反应时,更容易将自由漂浮的液滴视为生命的祖先。

在细菌细胞内发现液滴对于理解生命是如何开始的尤其令人兴奋。尽管研究人员在细菌中发现的液滴不是现代细胞中液滴的首批例子——一位名叫克利福德·布兰温尼的普林斯顿科学家几年前在蠕虫细胞中看到了它们——但有理由认为,细菌内部的液滴比更复杂的动物和植物细胞中的任何液滴都更接近自由漂浮的祖先液滴。

但即使是细菌液滴也比奥巴林的自由漂浮祖先进化了许多步。为了充分理解早期液滴,科学家需要研究各种物种的大量液滴。通过这样做,他们希望识别出所有现代液滴共有的特征。这些特征可能继承自共同的自由漂浮祖先。目前,找到更多液滴进行比较应该不会太困难:导致液滴形成的代谢过程是由多种类型的细菌执行的,所有这些细菌都可能形成液滴供科学家比较。

事实证明,奥巴林可能是对的——不知何故,早在生物学证据支持他的观点之前一个世纪,他就预测了生命进化中的一个基本步骤。奥巴林时代的科学界有理由质疑他的想法,因为缺乏证据。但西方科学家的政治议程确保他在关于生命起源的辩论中消失多年。今天,随着新的证据和更宽容的政治环境,奥巴林再次在辩论中占有一席之地。但在科学界完全证实他的想法之前,辩论将继续进行。

Sara Whitlock is currently getting her PhD in how bacteria keep their insides organized. Outside the lab, she's fed her curiosity about everything from viruses to the medical care of Olympic athletes while writing for STAT News and Pitt Med Magazine.

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