生物學家和化學家之間就生命起源於陸地還是海底展開激烈辯論。瑞秋·巴西爾考察了雙方的論點
“生命是如何開始的？”這個問題與“生命在哪裡開始的？”這個問題密切相關。大多數專家對“何時”達成一致：38億至40億年前。但是，對於可能孕育這一事件的環境，仍然沒有共識。自從深海熱液噴口被發現以來，它們就被認為是生命的誕生地，特別是鹼性噴口，例如在大西洋中脊“失落之城”區域發現的那些。但並非所有人都相信生命起源於海洋——許多人說那裡的化學反應根本行不通，並正在尋找陸地上的誕生地。隨著幾種假設的出現，再現允許生命出現的條件的競賽正在進行中。
1977年，第一個深海熱液噴口在東太平洋海隆中洋脊被發現。這些噴口被稱為“黑煙囪”，噴射出地熱加熱的水，溫度高達 400°C，其中硫化物含量很高，與冰冷的海水接觸時會沉澱形成黑色煙霧。2000 年，又發現了一種新型鹼性深海熱液噴口，位於中洋脊軸線稍偏離的位置。第一個區域，即失落之城，是在大西洋中脊亞特蘭蒂斯地塊山的海底發現的。
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這些噴口是透過一種稱為蛇紋石化的過程形成的。海底岩石，特別是橄欖石（鎂鐵矽酸鹽）與水反應，產生大量的氫氣。在失落之城，當溫暖的鹼性流體（45–90°C 和 pH 值 9–11）與海水混合時，它們會形成 30–60 米高的白色碳酸鈣煙囪。
1993 年，在鹼性噴口實際被發現之前，來自美國加利福尼亞州 NASA 噴氣推進實驗室 (JPL) 的地球化學家邁克爾·拉塞爾提出了一種機制，生命可能在這種噴口處開始。1 他在 2003 年更新的想法2 表明，生命來自利用鹼性噴口水與酸性更強的海水（早期海洋被認為比現在含有更多的二氧化碳）混合時存在的能量梯度。
這與細胞利用能量的方式相呼應。細胞透過將質子泵過膜來維持質子梯度，從而在內外之間產生電荷差。這種機制被稱為質子動力勢，相當於大約 3 個 pH 單位的差異。它實際上是一種儲存勢能的機制，當允許質子透過膜磷酸化二磷酸腺苷 (ADP) 生成 ATP 時，就可以利用這種能量。
拉塞爾的理論認為，熱液噴口煙囪中的孔隙為細胞提供了模板，在連線噴口微孔的薄礦物壁兩側，噴口水和海水之間存在相同的 3 個 pH 單位的差異。這種能量，以及催化鐵鎳硫化物礦物，使得二氧化碳的還原和有機分子的產生，然後是自我複製分子的產生，最終是具有自身膜的真正細胞的產生。
化學花園
同樣是 JPL 研究科學家的化學家勞拉·巴格正在使用化學花園來測試這一理論——這是一個您可能在學校做過的實驗。巴格說，看著化學花園，“您會認為是生命，但絕對不是”，她專門研究自組織化學系統。經典的化學花園是透過將金屬鹽新增到活性矽酸鈉溶液中形成的。金屬和矽酸根陰離子沉澱形成明膠狀膠體半透膜，包裹著金屬鹽。這建立了一個濃度梯度，為中空植物狀柱的生長提供了動力。
“我們開始模擬您可能從噴口流體和海洋中獲得的東西，我們可以生長微小的煙囪——它們本質上就像化學花園，”巴格解釋說。為了模擬早期海洋，她將鹼性溶液注入富含鐵的酸性溶液中，製成氫氧化鐵和硫化鐵煙囪。從這些實驗中，她的團隊證明他們可以發電：四個花園略低於一伏，但足以為一個 LED 供電，3 表明深海噴口中提供能量的那種質子梯度是可以複製的。
英國倫敦大學學院的生物化學家尼克·萊恩也在嘗試使用他的生命起源反應器來重現前生物地質電化學系統。他贊成拉塞爾的理論，儘管他對通常給予它的“代謝優先”標籤不滿意，這與假設合成複製 RNA 分子是生命第一步的“資訊優先”理論相反。“它們被描繪成對立的，但我認為這很愚蠢，”萊恩說。“在我看來，我們正在努力弄清楚如何到達一個您可以進行選擇並可以產生類似核苷酸的世界。”
萊恩被地球化學和生物化學的密切一致性所說服。例如，在噴口內部發現了諸如硫鐵礦 (Fe3S4) 之類的礦物，它們與微生物酶中發現的鐵硫簇顯示出一些關係。它們可能充當原始酶，用於氫氣還原二氧化碳和形成有機分子。“也存在差異，[噴口煙囪中微孔之間的]屏障比 [細胞膜] 更厚等等，但類比非常精確，因此問題變成了‘這些天然質子梯度是否有可能打破氫氣和二氧化碳之間反應的屏障？’”
萊恩的簡單臺式開放式生命起源反應器4 正在模擬熱液噴口條件。在半導體鐵鎳硫催化屏障的一側，泵入鹼性流體以模擬噴口流體，在另一側，泵入模擬海水的酸性溶液。除了流速外，兩側的溫度也可以變化。跨越膜，“第一步是嘗試讓二氧化碳與氫氣反應生成有機物，我們似乎已成功地以這種方式生產出甲醛，”萊恩說。
到目前為止，產量非常低，但萊恩認為他們已經“證明了原理”。他們正在努力複製他們的結果，並證明看到的甲醛不是來自其他來源，例如管道的降解。萊恩說，在相同的條件下，他們還能夠從甲醛中合成低產量的糖，包括 0.06% 的核糖，儘管不是在僅由反應器產生的甲醛濃度下合成的。
深入挖掘
美國伍茲霍爾海洋研究所的地球化學家弗里德里希·克萊因在調查熱液噴口時，發現了深海起源故事的一個變體。他發現了海底岩石中存在生命的證據，這可能為生命的開始提供了合適的環境。
克萊因和同事們正在研究 1993 年從西班牙和葡萄牙海岸附近的伊比利亞大陸邊緣鑽取的巖芯樣本。這些樣本來自當前海底以下 760 米的岩石，這在早期未沉積的洋底以下 65 米處。他在樣本中看到了一些不尋常的紋脈，這些紋脈由失落之城熱液系統也發現的礦物組成。“這讓我很感興趣，因為這種礦物組合只有在熱液與海水混合時才會形成，”克萊因說。這表明類似的化學反應可能在海底以下發生。
在這些紋脈中，經測定年代為 1.2 億年前，克萊因的團隊發現了化石微生物的包裹體。他認為，水鎂石 (Mg(OH)2) 的乾燥特性可能解釋了微生物中有機分子的儲存。這些分子包括氨基酸、蛋白質和脂質，這些分子透過共焦拉曼光譜法鑑定出來。克萊因說他最初持懷疑態度，但提取樣本的分析證實了硫酸鹽還原細菌和古細菌的獨特脂質生物標誌物，這些生物標誌物也在失落之城熱液噴口系統中發現。5 SEM 成像顯示碳包裹體，他說“看起來像微生物的微菌落”。
雖然顯然這些樣本年輕得多，“這些微生物的存在告訴我們，在熱液系統中的海底環境中，生命是可能的，這些系統可能在早期地球的大部分時間裡都存在並活躍著，”克萊因觀察到。“海底以下代表了另一個更受保護的環境。”
陸地鎖定
但並非所有人都同意生命起源於深海熱液系統。德國奧斯納布呂克大學的阿門·穆爾基賈尼安說，這個想法存在幾個大問題，其中之一是海水中發現的相對鈉離子和鉀離子濃度與細胞相比。
穆爾基賈尼安援引了他所謂的化學守恆原理——一旦在任何環境中建立，生物體將保留並進化出保護其基本生化結構的機制。因此，他說，對於含有鉀是鈉 10 倍的細胞來說，其起源於鈉是鉀 40 倍的海水，這是毫無意義的。他的假設是，原生細胞一定是在鉀多於鈉的環境中進化出來的，只有當它們的環境發生變化時，才進化出離子泵來去除不需要的鈉。
穆爾基賈尼安認為，生命可能起源於地熱系統，例如俄羅斯遠東地區的西伯利亞堪察加地熱田。“我們開始尋找哪裡可以找到鉀多於鈉的條件，我們發現的唯一東西是地熱系統，特別是當您有蒸汽從地下冒出來的地方，”他解釋說。只有蒸汽噴口形成的池塘才含有鉀多於鈉；地熱液體噴口形成的池塘仍然含有鈉多於鉀。如今存在少數幾個這樣的系統，分佈在義大利、美國和日本，但穆爾基賈尼安認為，在更熱的早期地球上，您會期望有更多這樣的系統。
美國加州大學聖克魯茲分校的大衛·迪默已經研究大分子和脂質膜超過 50 年。他從一個略有不同的角度進入這個領域，有些人稱之為“膜優先”。但是，他說，“我非常確信，理解生命起源的最佳方法是意識到它是一個分子系統，所有分子都協同工作，就像在今天的生命中一樣。”位置“歸結為我對合理性的判斷”，他沉思道。
反對深海起源的最大論點之一是生物學中發現瞭如此多的大分子。DNA、RNA、蛋白質和脂質都是聚合物，並透過縮合反應形成。“您需要一個波動環境，有時是溼的，有時是乾的——溼潤期，以便組分混合和相互作用，然後是乾燥期，以便去除水，這些組分可以形成聚合物，”穆爾基賈尼安說。“[深海] 熱液噴口中不可能發生這種事情，因為那裡不可能有乾溼迴圈，”迪默補充道。乾溼迴圈每天都發生在大陸熱液田中。這允許反應物的濃縮以及聚合。
我認為，假設自然選擇在 40 億年的時間裡無法提出改進方案是瘋狂的
迪默一直在實驗室中嘗試建立自己的原生細胞——透過混合脂質和 RNA 組分單磷酸腺苷和單磷酸尿苷。乾燥後，脂質自組裝成膜狀結構，如果核苷酸被困在脂質層之間，它們將經歷酯化反應生成 RNA 樣聚合物。經過多次乾溼迴圈，產量增加到 50%。6
迪默已透過直接 RNA 測序技術證實了這些聚合物在“原生細胞”中的存在。“我們確實有單鏈分子，其大小範圍在生物 RNA 的範圍內，”但迪默警告說，它不是生物體中的 RNA。他建立了 RNA 混合物，其中一些 RNA 的磷酸基團像在自然界中一樣鍵合，但有些 RNA 的鍵合“不自然”，他由此得出結論，這些 RNA“一定在這些小原生細胞中經歷了選擇和進化”。
但深海熱液噴口陣營尚未準備好認輸。巴格說，噴口環境可能允許反應物的濃縮和縮合反應。“您在海底到處都有凝膠，您有吸收物質的礦物，並且在 [煙囪微孔] 膜本身中也有凝膠，因此即使整個系統都是水性的，您也可以獲得脫水反應條件。”
萊恩還駁斥了鉀或鈉離子水平可能會固定未來代謝過程的觀點。“我認為，假設自然選擇在 40 億年的時間裡無法提出改進方案是瘋狂的，”萊恩解釋說。“在我看來，選擇驅動細胞內離子平衡。”他認為生命完全有可能在富鈉環境中進化，並隨著時間的推移進化出離子去除泵，從而產生當前富鉀細胞。
看到光明
另一個爭議點是紫外線 (UV) 的存在與否。這可能是陸地起源情景中的一個強大影響因素，因為早期地球上沒有保護性臭氧層，但在深海理論中完全不存在。RNA 核苷酸的相對紫外線穩定性表明選擇發生在紫外線下——在地球表面而不是在海洋中。
這也將支援英國醫學研究委員會分子生物學實驗室的約翰·薩瑟蘭在 2009 年提出的 RNA 開創性合成7 以及他在 2015 年提出的僅從氰化氫 (HCN)、硫化氫 (H2S) 和紫外線開始合成核酸前體的方案8。用紫外線照射 10 天富集了生物核苷酸的產量，增加了它們在紫外線下被選擇的優勢。
但萊恩認為，“生命在紫外線下進化的一個大問題是，今天沒有生命使用紫外線作為能量來源——它傾向於破壞分子而不是促進生物化學。”他還認為，陸地方案中提出的合成化學看起來根本不像我們所知的生命。“它從氰化物或硫化鋅光合作用開始，最終得到一種弗蘭肯斯坦化學，”萊恩說。“這種化學反應可能有效，但要將其與我們所知的生命聯絡起來，我認為幾乎是不可能的。”
學科分歧
仔細觀察，那些支援陸地起源的人和那些支援海洋起源的人之間的分歧在於學科。合成化學家通常傾向於大陸起源，而地質學家和生物學家大多傾向於深海熱液噴口。化學家認為不可能在熱液噴口中進行化學反應，而生物學家則認為，陸地化學提出的方案與在生物化學中看到的任何東西都不一樣，並且沒有縮小地球化學和生物化學之間的差距。
那麼，有沒有辦法團結這些學科？“目前，這些想法之間沒有太多共同點，”萊恩說。迪默同意。“在這一點上，我們只能說，每個人都有權根據自己的想法對合理性做出判斷，但隨後他們也必須進行實驗和觀察測試。”
較小的問題是可以解決的——這就是我早上起床的原因
我們需要的是關鍵的證據或實驗，可以將各個點連線起來，並解釋生命是如何以及在哪裡從前生物世界開始的。“如果我們能在我們正在製造的所有這些萬億個隨機聚合物中找到一種核酶，那將真是一個重大突破，”迪默建議道。核酶是 RNA 催化劑，是細胞蛋白質合成機制的一部分，但它們是第一個自我複製分子的候選者。
支援生命起源於深海熱液噴口的進一步證據集中在展示一套合理的代謝步驟，從而產生複雜的分子。在 JPL，他們正在研究氨基酸在化學花園中的行為，巴格說。“我們正在努力製造一種氨基酸，然後看看 [氨基酸] 是否會卡在煙囪裡，以及您是否可以濃縮它們並可能製造一些肽。”
“存在問題和困難，”萊恩承認。“我們真的能讓二氧化碳與氫氣反應生成更復雜的分子，如氨基酸和核苷酸嗎？我相當有信心我們能做到這一點，但我意識到我們尚未證明這一點。”其他難題包括脂質膜是否可以在高鈣和鎂離子濃度的海水中穩定存在。但萊恩說，熱力學驅動力的大問題已由熱液噴口解決。“這讓我有信心，較小的問題也將在這種情況下得到解決，即使它們現在看起來很困難——這就是我早上起床的原因。”
當然，還有另一種可能性——生命根本不是在地球上開始的。泛種論——生命是從太空播種的理論，似乎很古怪，但並非所有人都將其排除在外。“可以論證生命實際上起源於火星，”迪默說，因為火星是第一個冷卻到可以支援生命的溫度的星球。
無論情況是否如此，其他地方的生命肯定是可行的。木星的衛星歐羅巴和土星的衛星土衛二都是候選者，因為它們都有冰殼下的海洋。在未來五年內，美國宇航局計劃向這兩顆衛星傳送太空探測器，以尋找生命跡象。瞭解我們自己的起源故事可以幫助我們確定在哪裡尋找。
參考文獻
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本文經 化學世界 許可轉載。本文於 2017 年 4 月 16 日首次釋出。