本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定代表《大众科学》的观点。
“但是，如果（这是一个很大的假设）我们能够想象在某个温暖的小池塘里，存在着各种氨和磷酸盐、光、热、电等等，那么蛋白质化合物就会化学形成，准备进行更复杂的改变[…]”~查尔斯·达尔文，在给约瑟夫·胡克 (1871) 的信中
地球上所有的生命都是相关的。追溯所有曾经存在过的生物的独立谱系，它们将汇聚到一个共同的起源点——生命的开始。查尔斯·达尔文不愿发表他对生命起源的看法。他关于这个主题的唯一推测来自一封写给他朋友和同事约瑟夫·胡克的私人信件，他在信中提到了一个“温暖的小池塘”，生命的第一批分子可能在其中形成。
一项新的且有争议的研究表明，达尔文的黑暗中的猜测接近真相。在本周早些时候发表的文章中，研究人员声称第一个细胞是在火山池中进化的。这个新的假设将生命起源的辩论从海洋深处带回到了地球表面——其他科学家认为深海热液喷口是新生生命最有利的环境。
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研究人员在阿尔门·穆尔基贾尼扬的领导下，推测现代细胞的化学成分反映了生命最初进化的原始环境。由于海洋和细胞的化学成分截然不同，他们认为生命不太可能在那里进化。火山池或“温暖的小池塘”的化学性质与细胞细胞质的组成更为相似。
研究人员为他们的观点创造了“化学守恒原理”一词，即生物体在整个时间过程中保留其化学特征。他们推断，第一个细胞的膜一定是简单且易渗漏的。金属离子可以畅通无阻地流入和流出，导致环境和原细胞之间达到平衡。随着细胞适应周围环境中的离子水平，它们开始依赖这些离子。环境变成了必需品。细胞进化出离子泵和离子紧密膜，以维持最初强加给它们的离子平衡——因此假设细胞本身是其祖先环境的反映。
这不是一种新方法。加拿大生物化学家阿奇博尔德·麦卡勒姆早在1926年就应用了这种方法，当时他注意到血液和海水之间的离子水平相似，并得出结论认为动物一定是在海洋中进化的。“麦卡勒姆也是第一个测量细胞内离子浓度的人，”穆尔基贾尼扬说。“他发现所有现代细胞都含有比钠更多的钾。”
这个有一个世纪历史的观察是穆尔基贾尼扬论点的基石之一：在活细胞中钾的数量超过钠，但在海洋和湖泊中，钠占主导地位。其他离子，如锌、镁和磷酸盐，在现代细胞中的浓度也远高于过去和现在的海洋。
同样一小部分离子被构建到细胞的核心机制中，从生命的最后共同祖先那里继承而来。DNA的骨架由磷酸盐构成，许多古老的蛋白质需要锌，细胞需要钾离子来将氨基酸焊接在一起以制造蛋白质，这是生命中最重要的化学反应之一。
从这些观察中，穆尔基贾尼扬和他的同事们得出结论，生命不太可能在海洋中进化。他们认为陆地泉，如黄石公园的泉水，是生命最早进化的更好的候选环境。他们认为，地热活跃池是地球上唯一可以找到足够高浓度的钾、锌、镁和磷酸盐的地方，以解释细胞的离子含量。
除了包含正确的离子混合物外，研究人员还列出了使火山池成为早期生命合适摇篮的其他几个特征，这些特征很大程度上借鉴了为解释生命如何在热液喷口中形成而发展的理论。“在流经热岩石的水中，有机分子通过一种称为蛇纹石化的过程自发产生，”穆尔基贾尼扬说。“迈克尔·罗素是第一个将这种反应引起生命起源研究人员关注的人。他还指出热液喷口不是固体的，而是多孔的。他认为这些孔隙可以作为第一个细胞的孵化器。”
穆尔基贾尼扬将这两种想法都融入了火山池模型中。“蛇纹石化也可能发生在大陆岩石中。事实上，地球化学家在从地表逸出的蒸汽中发现了有机分子。我们的地球化学分析表明，过去，由于当时的酸度较低，多孔矿物质会沉积在地热池底部而不是泥浆中。细胞可能利用这些蜂窝结构生存。从某种意义上说，我们采用了罗素为深海生命起源而发展的这些想法，并将它们带到了地表。”
在他们的论文中，研究人员写道，“这里概述的陆地情景包含了热液喷口的所有有利于生命起源和早期进化的特征，并且还增加了更多。”但并非所有人都信服。
来自华盛顿卡内基研究所的吉姆·克利夫斯说：“‘化学守恒原理’是一个假设，而不是一个经过验证的原理”。“它在短时间尺度上可能是正确的，但谁能说自生命起源以来发生了什么？”
“总的来说，考虑到在现有细胞中观察到的变异性，我认为生物体是否会保持其原始组成是值得怀疑的。一旦它们控制了这个过程，它们是否至少同样有可能修改了它们的胞质组成？任何与这种组成相匹配的现代环境都将纯粹是巧合。总之，我从这篇论文中没有得到太多我愿意确信的东西。”
哈佛医学院教授、2009年诺贝尔奖获得者杰克·肖斯塔克对化学守恒原理也有类似的怀疑，但他并没有完全否定火山池。“如果从生物化学角度来看，高钾/钠比率是一件好事，那么提供这种比率的益生元情景可能更有利于生命的起源或早期进化，”肖斯塔克说。“但我们不能排除起源于低钾环境，然后选择高内部钾的可能性。”
“与这些论点无关，我认为海洋不是生命起源的有利环境。由于盐和离子浓度较低，淡水池塘似乎更有利，这将允许形成基于脂肪酸的膜。池塘中有机化合物的积累也比海洋中更容易想象，而且正如作者所表达的那样，地热活跃区域提供了许多优势。”
热液喷口假说的先驱之一迈克尔·罗素不想对这项研究发表评论。
我自己认为生命起源于火山水吗？我不知道。但我确实知道，生命起源一直是一个分裂科学家并毒害辩论的话题。这并不奇怪。关于我们是谁以及我们来自哪里这些问题会引发争议，恰恰因为它们对我们所有人都很重要。但我仍然认为，不立即否定新想法很重要，特别是如果它们经过深思熟虑的话。我们的视野越开阔，我们有一天找到我们温暖的小池塘的可能性就越高。
参考文献
穆尔基贾尼扬, A., 等. (2012). PNAS Plus：陆地厌氧地热田 原初细胞的起源。《美国国家科学院院刊》，DOI: 10.1073/pnas.1117774109
图片
穆特诺夫斯基火山照片，版权所有：Anna S. Karyagina
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