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達爾文對早期生命的猜想也許是對的

http://finance.sina.com   2020年11月15日 18:05   北京新浪網

  新浪科技訊 北京時間11月16日消息,據國外媒體報道,達爾文提出過許多出色的想法。其中最著名的當屬由受自然選擇驅動的進化論。地球上的大多數已知生命都可以用該理論來解釋。但他也對其它許多問題進行了苦苦思索。在寫給朋友的一封信中,他提出了一種關於地球早期生命如何形成的理論。在約150年後的今天看來,這封信極其具有預見性,如同預言一般。

  與人們的普遍想法不同,達爾文並非第一個提出物種會進化的人。在19世紀,科學家針對“動物會隨着時間的流逝不斷變化,比如現代長頸鹿的脖子比古代更長”這一理論進行了大量探討。

  達爾文的關鍵貢獻在於描述了“自然選擇”這一進化機制。該理論認爲,同一物種的動物需要爲了食物、庇護所、以及繁殖後代的能力彼此競爭。只有最適合所在環境的動物才能成功產下後代,因此這些有益性狀可以遺傳給下一代,變得越來越常見。假如長脖子對長頸鹿有益,一代代過去,擁有長脖子的長頸鹿就會越來越多,直至達到最佳的脖子長度。達爾文在1859年出版的《物種起源》中,對這一觀點進行了陳述。

  生物進化這一事實透露了關於生命起源的一些線索。進化告訴我們,看似迥異的物種其實也可能是遠親,由同一位祖先進化而來。例如,人類目前親緣關係最近的物種是黑猩猩,我們曾在約700萬年前擁有同一位祖先。

  不僅如此,目前生活在地球上的每一種生物最早都可追溯至同一祖先,名叫“最後的共同祖先”,生活在逾35億年前、地球剛剛形成之時。

  然而,進化論只解釋了已知生命變化的方式和原因,並未講述地球上的首個生命是如何形成的。

  生命是如何開始的?

  對生命起源的研究直到上世紀50年代才開始。當時,已經有許多科學家懷疑,生命起始於海洋。他們認爲,在剛剛誕生的地球上形成了大量碳基化學物質,這些物質溶解在海洋中後,變得越來越稠密、濃度越來越高,這就是所謂的“原始湯”。這一理論由蘇聯生物學家亞歷山大•奧巴林(Alexander Oparin)提出。1953年,一位名叫斯坦利•米勒(Stanley Miller)的美國學生證明,可以在一套模擬原始海洋和大氣條件的簡單裝置中合成氨基酸,即蛋白質的基本組件。

  幾十年間,“生命起源於海洋”的理論始終處於主導地位。但這其中存在一個顯而易見的問題:海洋的體積極其龐大,除非有數量驚人的碳基化學物質,否則這些物質可能會分散在海洋各處,歷經多年都無法相遇。“水太多,分子太少。”劍橋醫學研究委員會分子生物實驗室的克勞迪婭•邦非奧(Claudia Bonfio)指出。

  還有一種被廣泛探討的理論認爲,生命也許起源於鹼性熱泉之中,類似於大西洋中部的“失落的城市”。富含礦物質的熱水從海牀底部的岩石中汩汩流出,形成了怪異的白煙。這些熱泉提供的豐富化學能也許爲第一批生物的誕生提供了能量。但今年5月發表的一項研究指出,在鹼性熱泉條件下“尚未證明能夠直接合成氨基酸或核酸鹼基”,而這兩種物質對於我們所知的生命形式而言都不可或缺。

  於是,我們又將目光投向了達爾文的理論。

  給朋友的一封信

達爾文在1871年寫給朋友的一封短信中介紹了自己的理論。達爾文在1871年寫給朋友的一封短信中介紹了自己的理論。

  達爾文從未在書中寫過生命是如何起源的,但他曾在私下裏提出過猜想。最關鍵的文件是他在1871年2月1日寫給好友、自然學家約瑟夫•道爾頓•胡克(Joseph Dalton Hooker)的一封信。這封信很短,只有四段話,而且由於達爾文字跡潦草,很難讀懂。信中在簡單討論了近期針對黴菌開展的一些實驗後,達爾文簡要介紹了一項假說的開頭部分:

  “經常有人說,第一個生命誕生所需的全部條件如今都已經具備,也許過去也一直具備。但假如(這是個很不簡單的‘假如’)我們可以讓某個溫暖的小池塘具備氨氣、磷酸鹽、光、熱、電等條件,然後形成了某種蛋白質化合物,這種化合物再經歷某些更加複雜的變化。放在現代,該物質會被立刻吞食或吸收掉。但在生物誕生之前,情況就不會這樣了。”

  這段話需要費點工夫來理解,因爲有好幾點想法被雜糅在了一起,就好像達爾文是在一邊寫、一邊琢磨一樣。不過它的核心觀點其實很簡單。

  達爾文提出,生命不是在開闊的海洋中、而是在陸地上的一個小型水體中形成的,其中富含各種化學物質。這和“原始湯”理論本質相同,但有一項優勢:隨着水在溫暖的白天不斷蒸發,溶解在池塘中的化學物質的濃度也會隨之提高。生命所需的化學物質也可以在光、熱和化學能的共同驅動下開始合成。

  達爾文的想法在很多方面都極其不完善,但我們並不能責怪他,畢竟在他寫下這段話的時候,科學家還沒有發現DNA等核酸,生物學家對基因還一無所知,細胞內部的運作機制也仍然成謎。達爾文猜想,生命起源於蛋白質,但當時並沒有人清楚蛋白質究竟是什麼。一直到1902年,科學家才弄明白,蛋白質原來是由氨基酸構成的長鏈。

  但達爾文的基本構思至今仍是科學家研究的對象。並且許多研究人員相信,這是目前爲止對生命起源的最佳解釋。

  熱與光

  威斯康星大學麥迪遜分校的莉娜•文森特(Lena Vincent)所做的研究可以與“池塘說”兼容,不過她更傾向於持開放態度。她一直在嘗試合成能夠複製自身的化學物質組合。例如有一對名爲A和B的化學物質,分別可以合成對方,即A可以製造出B、B可以製造出A。這樣一對化學物質可以實現自我複製,但必須在二者都存在的情況下才能成功,單獨一種則不行。實踐中用到的化學物質組合比這要複雜得多,但基本原理是相同的。

  最關鍵之處在於,文森特是在礦物質表面開展實驗的。如果關鍵化學物質位於礦物質表面,“就更容易發生反應、與彼此接觸。”這些化學物質爲了附着在礦物質上,還會與彼此進行競爭。“我們認爲,這樣產生的環境可以創造出競爭優勢,說不定就是進化的前身。”而自然界中的池塘表層本身就覆蓋着黏土等礦物質。

科學家認爲,相比於體量巨大的深海,孤立的小池塘也許更可能孕育早期生命。科學家認爲,相比於體量巨大的深海,孤立的小池塘也許更可能孕育早期生命。

  還有許多證據顯示,陽光中的紫外輻射也可以驅動關鍵化學物質的形成,特別是RNA。RNA與DNA類似,科學家認爲它在早期生命的形成中扮演了關鍵角色。這種過程只能在光照充足的環境中發生。而在這一點上,小池塘無疑比深海更佔優勢。

  劍橋醫學研究委員會分子生物學實驗室的約翰•薩瑟蘭( John Sutherland)在相關研究中發揮了重要作用。他於2009年證實,利用紫外線輻射等簡單處理手段,在RNA的四種基本構件中,有兩種都可以由簡單的碳基化學物質形成。在此之後,他又證實,如果對處理方法稍加改動,這些初始化學物質還可以形成蛋白質的基本構件、或者構成細胞外膜的脂質。

  “他正在逐漸具備合成複雜核酸長鏈的完整條件。”明尼蘇達大學的凱特•艾達馬拉( Kate Adamala)指出。

  最後,陸地上的池塘在炎熱環境下會接近乾涸、下雨時再被重新注滿,如此周而復始。這種乾溼循環看似無關緊要,卻會對生命相關的化學物質產生重大影響。

  例如,薩瑟蘭在2009年開展的實驗只合成了RNA四種基本構件中的兩種。而在2019年,德國研究人員則一次制齊了四種。他們將簡單的碳基化學物質置於熱水中的礦物質表面,然後讓它們不斷經歷乾溼循環。如此持續幾天時間,便足以合成RNA的基本構件了。

  無獨有偶,加州大學聖克魯斯分校的戴維•迪莫(David Deamer)也證實,乾溼循環可以促進簡單“原細胞”的形成(即由一層脂質外殼包裹的RNA等生物分子)。此外,現任職於愛丁堡大學的瓦倫蒂娜•埃拉斯托娃(Valentina Erastova)也發現,在乾溼循環的條件下,氨基酸會與礦物質表面的簡單蛋白質銜接到一起。

池塘也許是生命的搖籃,因爲隨着池水蒸發,水中的化學物質濃度會不斷升高。池塘也許是生命的搖籃,因爲隨着池水蒸發,水中的化學物質濃度會不斷升高。

  生命的搖籃

  迪莫提出,“不斷波動的火山溫泉池塘”是生命最可能起源之處。薩瑟蘭則認爲,沿隕石撞擊坑流下的小溪在坑底匯成的池塘才是生命最早出現的地方。目前還不清楚究竟哪種可能性更大。還有很多年輕學者表示,我們對生命的起源過程仍然所知甚少,不足以排除任何一種情況,因此不願早早站邊。在實際研究中,仍有許多研究人員很重視“鹼性熱泉說”,儘管該假說也存在一定問題。

  不過有一點很清楚:達爾文的觀點極具前瞻性。他成功預見到,必須有一系列化學物質集中在一個小規模空間中,並且需要一個能量源來驅動化學反應。

  “就像達爾文的許多觀點一樣,”文森特指出,“‘溫暖的小池塘’假說也‘很有先見之明’。”

  文森特表示,達爾文在信中還提到了另一點,而這一點的重要性被人們“大大低估”了。“在這個溫暖的小池塘中發生的反應也許很容易發生,因此其實無時無刻不在進行。而我們之所以沒能觀察到這一點,也許是因爲,每當自然條件下合成了一個新蛋白質或類似分子,就被一隻飢腸轆轆的細菌吞噬掉了。”

  “我們討論生命起源時,總把它當成一件發生在遙遠過去的事情,”文森特表示,“但也許此時此刻,這件事情就在發生。”(葉子)

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