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我们不知道答案的125个科学问题(12)生命的起源 精选

已有 5160 次阅读 2018-2-4 11:56 |个人分类:科学教育|系统分类:科普集锦| 生命的起源

本系列不仅仅是Science杂志问题的个人翻译,而是试图给出一个答案的可能线索...... 

上接第(11)个问题:http://blog.sciencenet.cn/blog-318012-1089804.html

生命的起源始终是一个迷,无法不让人着迷......

12.地球生命在何处、如何产生? How and Where Did Life on Earth Arise

    在过去的五十年里,科学家们采用了两面夹击的策略对地球生命的起源问题进行了集中的研究。一些科学家采用从现在到过去追溯历史的方法去研究生命的起源,而另一些科学家则采用从过去到现在的模拟演化方法,即从45.5亿年前地球的形成开始,研究构成生命的化学物质如何产生、变化直到最后组合成真正的生命体。

    采用追踪溯源的方法,古生物科学家发现了距今34亿年的微生物化石。通过对更加古老岩石的化学分析发现,地球上能够进行光合作用的生物体在37亿年以前就已经基本形成。研究人员发现留下这种迹象的生物体在当时就已经具备了今天所有物种所具有的基本生命特征。今天所有的生物体都具有两种基本的生命物质:携带遗传信息的DNA和用来催化化学合成过程的蛋白质。因为DNA和蛋白质这两种物质彼此紧密依赖而互为依存,所以很难想象它们当中的哪一个会比另一个更早出现。但反过来如果说它们两个是同时出现在原始的原生汤(如图1所示,原生汤是一种充满有机化合物的水溶液,在这样的溶液中各种化合物都有一定的生物活性,比如它们都存储有一定的化学能,在光的作用下或彼此的接触碰撞中可以发生组合和变化)中,这似乎也是让人难以置信的。

图1 原生汤的想象图

   然而大量的实验却表明远古时代生命的最初形式似乎更像是建立于第三种物质之上,它既不是DNA和蛋白质,而更像是RNA。原来认为RNA仅仅是细胞中的信使,但研究发现RNA具有令人吃惊的多样性,它不仅能携带遗传信息,而且还能够像蛋白质一样工作。例如,有一些RNA分子可以开启或关闭基因的携带表达,而另一些RNA则可以像蛋白质那样去和其他蛋白质或分子结合。实验室环境下的模拟实验显示,RNA不仅具备自我复制的能力而且还保持一些其他必要的催化功能,从而支撑了原始细胞的存活能力。

   现在大多数的生物学家都同意,生物体的进化过程中一定经历过一个所谓的“RNA”时期,经过这个过渡时期以后,生物体的进化才进入到现代生物所具有的DNA和蛋白质分工的时期。后来经过不断的自然选择,一种比RNA催化能力强几千倍的物质开始取代RNA分子的某些功能,这就是蛋白质的出现。蛋白质的出现取代了RNA以前所具有的蛋白质的功能,让RNA逐渐成为更加专业的遗传信息的携带者,当然其中的某些更加稳定的RNA分子结合发展成了DNA分子,而有些RNA分子则变成了专门从DNA中复制信息的真正信使。这样进化的结果是生物体遗传信息的复制更加可靠,而生物体的化学合成过程则更加有效。


图2 RNA时代假设(RNA World Hypothesis)中自我复制的RNA

   而另一些科学家则集中精力研究没有生命的史前地球是怎样从没有生命体的化学环境过渡到有生命进化的RNA时期。1953年,工作在芝加哥大学的Stanley MillerHarold Urey发现他们可以利用实验揭示这一过程。他们用氨气、甲烷和其他一些气体组成的混合气体模拟史前地球的大气,然后给这些气体通上电流,就像空气中的闪电一样,他们的实验结果显示,这种方法可以产生氨基酸等其他生命体中存在的关键物质。


图3 Stanley Miller及其实验装置

  但是今天很多科学家认为早期地球大气主要成分并非是氨气和甲烷或者其他气体,而是二氧化碳(这有证据,如深层古老冰川中封闭的气体)。但是尽管如此,实验物理学家依然可以在更接近史前大气的环境下制造出生命体中存在重要的物质。另外,来自地球以外的彗星和陨石也可以从太空中带来某些重要的有机化合物。

  但无论如何,究竟在地球的何处这些构成生命重要的物质最终结合成最原始的生命体目前依然是一个激烈争论的话题。从二十世纪八十年代开始,许多科学家声称地球的生命应该出现在从深海底地热喷口处涌出的滚烫的充满了矿物质的水里(如图4所示)。热源说的证据来自于对生命进化树底层的研究,经过对地球上现存的最原始的微生物物种的研究发现,这些微生物在热水中都能表现出旺盛的生命力。但是后来热源说的热度逐渐降低,因为最近的研究发现那些在热水里显得很活跃的微生物从来没有在化石中被发现。相反,它们似乎是一类比较耐寒物种的后代而后来进化出了具有耐热的能力。而另一些人则怀疑这些精细的RNA分子在滚烫的热水中就根本不能存活(现在大家都知道蛋白质在热水中会发生凝固)。尽管还有种种迹象显示远古时候的潮汐或海洋被厚厚的冰川所覆盖,但就这样一个不靠谱的热源理论,到现在依然没有一个更好的理论来替代。


图4 海底的热泉

  然而目前正在进行的研究工作对地球上生命是怎样产生的似乎可以提供更多的线索。有些科学家正在从事的实验显示基于RNA的原始细胞可以进行自我复制和进化。NASA和欧洲航天局发射了可以观测彗星的探测器,从而可以确定彗星表面的物质,进一步缩小从外太空进入地球表面的那些可能的化学成分。

    在这些所有的研究中最令人激动的就是在火星上发现生命的迹象。最近的火星探测器已经提供了火星上曾经存在液态水的强有力证据,证据表明火星可能曾经具有适于生命存活的环境。将来针对火星的探测行动将集中在寻找火星地下生命的迹象或者寻找火星上已经灭绝生物的化石。如果火星上真的有生命存在的迹象,那么这将预示地球和火星能够独立地进化出生命,而这又进一步预示了生命现象是宇宙之中的普遍现象。当然还会有一种可能就是生命也许是发源于某一星体,然后不断扩散迁移到其他星球。或许在40亿年以前,火星的微生物被一颗陨石带到了地球,然后我们原来没有生命的地球获得了自己的生命体,这些微生物经过几十亿年的不断进化,构成了我们今天的生物世界。


图5 火星的探测:火星好奇号(Mars Curiosity Rover)在火星表面的照片

Carl Zimmer

注释:作者 Carl Zimmer,著有《灵魂铸就肉体:人脑的发现以及其如何改变世界》



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