尋找生命起源

科學家們正在重拾一項被長期忽視的、關於生物學起源的百年預測

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本文發表於《大眾科學》的前部落格網路,反映了作者的觀點,不一定反映《大眾科學》的觀點


科學家們喜歡爭論這已不是什麼秘密——發表相互競爭的理論,在會議上大聲表達想法,甚至在推特上互相辯論。這些爭論對於剔除糟糕的想法很有用。但偶爾,一些有價值的想法也會被拋棄。

蘇聯科學家亞歷山大·奧巴林大約在一個世紀前提出的關於地球生命最初是如何形成的觀點就遭遇了這種情況。現在,他的觀點正在復興,支援它的論點正在佔據上風。

奧巴林預測,最早的生命形式是漂浮在生命構件原始湯中的液態團簇:甲烷、氨氣和懸浮在水中的其他有機物質的混合物。他認為,這些團簇會像水中的油滴一樣,自發地與周圍環境分離,並在構件經過時抓住它們——使得關鍵成分之間的接觸在液滴內部比在外部更容易發生。他提出,成分之間額外的接觸使得生命形成所需的化學反應成為可能。


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奧巴林繼續在試管液滴內進行基本的化學反應,以證實他的理論。他的實驗表明,液滴內部成分之間的緊密接近可以形成RNA的短序列,RNA是現代細胞中儲存資訊的分子之一(類似於DNA)。他的想法優雅而簡潔;擁擠的構建塊比分散的構建塊更可能相互作用,這是有道理的,就像人們在擁擠的公共汽車上比在空蕩蕩的公共汽車上獨自坐著時更可能交談一樣。

細菌、植物和我們身體中的細胞具有膜或細胞壁來界定細胞的內部和外部,而奧巴林的團簇則在沒有邊界的情況下與周圍環境分離。這些液滴比它們的環境更粘稠——意味著它們具有像油一樣的濃稠、粘稠的稠度,而它們的環境則像水一樣。不同的質地意味著這些油狀液滴更傾向於相互作用,而不是與它們的水狀環境相互作用。像這樣與周圍環境分離的原始生物需要進化的部分比具有膜的現代細胞要少——這是生命形成過程中的一個有利步驟。

不幸的是,政治和對生物學的有限理解阻礙了科學界接受奧巴林的液滴理論,無論它們多麼優雅。起初,他的想法以俄語發表,並沒有在他本國以外引起太多關注。一旦被翻譯出來,世界各地的科學家開始辯論他的工作。但由於他是一位蘇聯科學家,他提出的許多觀點都籠罩在馬克思主義哲學的光環下,導致西方科學家在冷戰期間拒絕了他的觀點。而且,很難理解奧巴林的團簇是如何導致現代細胞進化的;他使用的液滴的部分成分包含我們今天的細胞中不存在的成分。因此,生物學家們遺忘了奧巴林。

快進到2018年:韋恩州立大學的賈裡德·施拉德和匹茲堡大學的塞思·奇爾德斯兩位合作科學家在他們最喜歡的細菌內部注意到了一些有趣的東西。他們正在研究的蛋白質在細菌體內形成了團簇——他們進行的實驗表明,這些團簇是自發分離的液滴,就像奧巴林提出的作為最早生命形式的團簇一樣。

不久之後,在世界另一端的德國,馬克斯·普朗克生物化學研究所的研究人員發現了更多的團簇。他們正在研究一種不同型別的細菌,這種細菌進行碳固定——從大氣中吸收二氧化碳並將其轉化為氧氣和糖分子的過程,這些分子為細菌提供燃料。當這些研究人員混合碳固定蛋白部分時,他們對自己的發現感到驚訝。混合物凝結在一起,他們發現這些凝結物是自發分離的液滴,就像奧巴林的團簇以及奇爾德斯和施拉德在幾個月前發現的那些一樣。

這些發現將奧巴林的預測帶回到關於生命起源的現代辯論中。當現代細胞利用體內液滴來組織重要的反應時,更容易將自由漂浮的液滴視為生命的祖先。

在細菌細胞內發現液滴對於理解生命是如何開始的尤其令人興奮。儘管研究人員在細菌中發現的液滴不是現代細胞中液滴的首批例子——一位名叫克利福德·布蘭溫尼的普林斯頓科學家幾年前在蠕蟲細胞中看到了它們——但有理由認為,細菌內部的液滴比更復雜的動物和植物細胞中的任何液滴都更接近自由漂浮的祖先液滴。

但即使是細菌液滴也比奧巴林的自由漂浮祖先進化了許多步。為了充分理解早期液滴,科學家需要研究各種物種的大量液滴。透過這樣做,他們希望識別出所有現代液滴共有的特徵。這些特徵可能繼承自共同的自由漂浮祖先。目前,找到更多液滴進行比較應該不會太困難:導致液滴形成的代謝過程是由多種型別的細菌執行的,所有這些細菌都可能形成液滴供科學家比較。

事實證明,奧巴林可能是對的——不知何故,早在生物學證據支援他的觀點之前一個世紀,他就預測了生命進化中的一個基本步驟。奧巴林時代的科學界有理由質疑他的想法,因為缺乏證據。但西方科學家的政治議程確保他在關於生命起源的辯論中消失多年。今天,隨著新的證據和更寬容的政治環境,奧巴林再次在辯論中佔有一席之地。但在科學界完全證實他的想法之前,辯論將繼續進行。

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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