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“但是，如果（這是一個很大的假設）我們能夠想象在某個溫暖的小池塘裡，存在著各種氨和磷酸鹽、光、熱、電等等，那麼蛋白質化合物就會化學形成，準備進行更復雜的改變[…]”~查爾斯·達爾文，在給約瑟夫·胡克 (1871) 的信中
地球上所有的生命都是相關的。追溯所有曾經存在過的生物的獨立譜系，它們將匯聚到一個共同的起源點——生命的開始。查爾斯·達爾文不願發表他對生命起源的看法。他關於這個主題的唯一推測來自一封寫給他朋友和同事約瑟夫·胡克的私人信件，他在信中提到了一個“溫暖的小池塘”，生命的第一批分子可能在其中形成。
一項新的且有爭議的研究表明，達爾文的黑暗中的猜測接近真相。在本週早些時候發表的文章中，研究人員聲稱第一個細胞是在火山池中進化的。這個新的假設將生命起源的辯論從海洋深處帶回到了地球表面——其他科學家認為深海熱液噴口是新生生命最有利的環境。
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研究人員在阿爾門·穆爾基賈尼揚的領導下，推測現代細胞的化學成分反映了生命最初進化的原始環境。由於海洋和細胞的化學成分截然不同，他們認為生命不太可能在那裡進化。火山池或“溫暖的小池塘”的化學性質與細胞細胞質的組成更為相似。
研究人員為他們的觀點創造了“化學守恆原理”一詞，即生物體在整個時間過程中保留其化學特徵。他們推斷，第一個細胞的膜一定是簡單且易滲漏的。金屬離子可以暢通無阻地流入和流出，導致環境和原細胞之間達到平衡。隨著細胞適應周圍環境中的離子水平，它們開始依賴這些離子。環境變成了必需品。細胞進化出離子泵和離子緊密膜，以維持最初強加給它們的離子平衡——因此假設細胞本身是其祖先環境的反映。
這不是一種新方法。加拿大生物化學家阿奇博爾德·麥卡勒姆早在1926年就應用了這種方法，當時他注意到血液和海水之間的離子水平相似，並得出結論認為動物一定是在海洋中進化的。“麥卡勒姆也是第一個測量細胞內離子濃度的人，”穆爾基賈尼揚說。“他發現所有現代細胞都含有比鈉更多的鉀。”
這個有一個世紀曆史的觀察是穆爾基賈尼揚論點的基石之一：在活細胞中鉀的數量超過鈉，但在海洋和湖泊中，鈉占主導地位。其他離子，如鋅、鎂和磷酸鹽，在現代細胞中的濃度也遠高於過去和現在的海洋。
同樣一小部分離子被構建到細胞的核心機制中，從生命的最後共同祖先那裡繼承而來。DNA的骨架由磷酸鹽構成，許多古老的蛋白質需要鋅，細胞需要鉀離子來將氨基酸焊接在一起以製造蛋白質，這是生命中最重要的化學反應之一。
從這些觀察中，穆爾基賈尼揚和他的同事們得出結論，生命不太可能在海洋中進化。他們認為陸地泉，如黃石公園的泉水，是生命最早進化的更好的候選環境。他們認為，地熱活躍池是地球上唯一可以找到足夠高濃度的鉀、鋅、鎂和磷酸鹽的地方，以解釋細胞的離子含量。
除了包含正確的離子混合物外，研究人員還列出了使火山池成為早期生命合適搖籃的其他幾個特徵，這些特徵很大程度上借鑑了為解釋生命如何在熱液噴口中形成而發展的理論。“在流經熱岩石的水中，有機分子透過一種稱為蛇紋石化的過程自發產生，”穆爾基賈尼揚說。“邁克爾·羅素是第一個將這種反應引起生命起源研究人員關注的人。他還指出熱液噴口不是固體的，而是多孔的。他認為這些孔隙可以作為第一個細胞的孵化器。”
穆爾基賈尼揚將這兩種想法都融入了火山池模型中。“蛇紋石化也可能發生在大陸岩石中。事實上，地球化學家在從地表逸出的蒸汽中發現了有機分子。我們的地球化學分析表明，過去，由於當時的酸度較低，多孔礦物質會沉積在地熱池底部而不是泥漿中。細胞可能利用這些蜂窩結構生存。從某種意義上說，我們採用了羅素為深海生命起源而發展的這些想法，並將它們帶到了地表。”
在他們的論文中，研究人員寫道，“這裡概述的陸地情景包含了熱液噴口的所有有利於生命起源和早期進化的特徵，並且還增加了更多。”但並非所有人都信服。
來自華盛頓卡內基研究所的吉姆·克利夫斯說：“‘化學守恆原理’是一個假設，而不是一個經過驗證的原理”。“它在短時間尺度上可能是正確的，但誰能說自生命起源以來發生了什麼？”
“總的來說，考慮到在現有細胞中觀察到的變異性，我認為生物體是否會保持其原始組成是值得懷疑的。一旦它們控制了這個過程，它們是否至少同樣有可能修改了它們的胞質組成？任何與這種組成相匹配的現代環境都將純粹是巧合。總之，我從這篇論文中沒有得到太多我願意確信的東西。”
哈佛醫學院教授、2009年諾貝爾獎獲得者傑克·肖斯塔克對化學守恆原理也有類似的懷疑，但他並沒有完全否定火山池。“如果從生物化學角度來看，高鉀/鈉比率是一件好事，那麼提供這種比率的益生元情景可能更有利於生命的起源或早期進化，”肖斯塔克說。“但我們不能排除起源於低鉀環境，然後選擇高內部鉀的可能性。”
“與這些論點無關，我認為海洋不是生命起源的有利環境。由於鹽和離子濃度較低，淡水池塘似乎更有利，這將允許形成基於脂肪酸的膜。池塘中有機化合物的積累也比海洋中更容易想象，而且正如作者所表達的那樣，地熱活躍區域提供了許多優勢。”
熱液噴口假說的先驅之一邁克爾·羅素不想對這項研究發表評論。
我自己認為生命起源於火山水嗎？我不知道。但我確實知道，生命起源一直是一個分裂科學家並毒害辯論的話題。這並不奇怪。關於我們是誰以及我們來自哪裡這些問題會引發爭議，恰恰因為它們對我們所有人都很重要。但我仍然認為，不立即否定新想法很重要，特別是如果它們經過深思熟慮的話。我們的視野越開闊，我們有一天找到我們溫暖的小池塘的可能性就越高。
參考文獻
穆爾基賈尼揚, A., 等. (2012). PNAS Plus：陸地厭氧地熱田 原初細胞的起源。《美國國家科學院院刊》，DOI: 10.1073/pnas.1117774109
圖片
穆特諾夫斯基火山照片，版權所有：Anna S. Karyagina
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