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生命起源研究需考虑的行星环境因素

已有 1861 次阅读 2018-12-14 10:42 |个人分类:最新论文介绍|系统分类:科普集锦| 生命起源

生命起源研究需考虑的行星环境因素

(翻译:周春银)

Hadean.png

(图片来源Wikipedia:冥古宙时期的地球https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Hadean.png


早期地球的地质条件会影响生命起源前的反应作用,尤其是大气层缺氧、溶解铁和高能辐射作用。在生命起源研究中综合考虑行星环境条件将有助于我们在外界找寻生命。


介绍

目前在宇宙中我们(地球)是仅有的生命例子,大家仍在热议是哪些化学反应以及环境条件导致地球生物圈的起源形成。生命起源化学实验通常关注于,能够产生类似于共同祖先(last universal common ancestorLUCA)的物种或最终导致共同祖先形成的反应或分子过程。但是我们在了解认识早期地球环境时这些反应条件必需满足。在早期地球环境中进行的这些反应,也只是我们在实验室里从物理学上说可能的化学反应的一部分而已。影响生命起源前反应作用的主要因素,也是生命起源模拟实验需考虑的因素,包括大气层缺O2,溶解的亚铁和相关的反应矿物,以及表层/大气层辐射作用驱动的光化学作用。当我们在外界找寻生命证据的时候,很重要的一点就是要认识到各种类型的行星环境都可能导致生命爆发,然后我们才能在太阳系中某处将它们识别。尤其要注意的是,无需假设某种特定的(可在实验室中模拟的)条件,即必须具备或不可具备的某种环境,也无需满足独特条件的一系列环境因素。因为无论从宏观还是微观尺度上来说,地质和行星系统具有极大的多样性。


缺氧环境

在地球历史上最具深远意义的地球化学变化之一,就是生物光合作用形成了大气层的氧1。早期地球大气层被认为是富含N2/CO2/H2O/SO2,因此那时的海洋应该是略显酸性和缺氧的2,3,4,尽管在局部分层海洋中也可能存在氧化环境5。这有可能使得水体和热液混合区具有相对更高的溶解亚铁(Fe2+)以及多价铁矿物6Fe2+是一种反应活性的离子,能够促进多种生命起源前的相关反应如芬顿反应(Fenton chemistry),并可以作为RNA催化作用的辅助因子7。含铁矿物还可以为无机和有机化合物的氧化还原反应提供高反应活性表面,参与元素循环。其他矿物(包括粘土,其他金属氧化物,沸石)和二氧化硅凝胶物8甚至在含水体系也能够有效聚集反应物和生成物,包括核碱基和氨基酸。

通常实验室模拟实验都是在一般大气环境中进行的,主要是因为要保持严格的无氧环境具有实际困难。即使是微量的氧(低至ppm级)也可能会极大地改变实验结果。对于生命起源实验模拟来说,在一般大气环境中获得的结果是有一定意义的,但是仍有必要在完全不含O2 的体系中去研究这些反应作用。在早期地球环境中,缺氧环境导致的一个主要结果就是溶解的Fe2+离子的产生,而不是那些迅速沉积或氧化的铁。非常建议在缺氧环境下以及含溶解亚铁聚集条件下均可开展生命起源前的反应作用研究。这需要一系列的技术支持如无氧手套箱,氩净化试剂瓶,以及实验前对水做冷冻解冻脱气处理(freeze-pump-thaw degassing)。缺氧条件下的分析也必须十分地小心,因为即使是在转移的路上暴露几分钟在空气中,样品(如含还原铁的矿物)也会发生显著氧化,包括运输途中氧也会扩散进入原本密封的样品容器中,甚至在分析时氧化也会发生。许多有趣的生物起源前氧化还原反应的进行是由含Fe(II)的矿物或Fe2+的流体引起的,所以铁的氧化能够以化学方式进行而并不总是由一般大气环境下的混杂(contamination)引起的。在这类工作中正确合理的控制和样品处理方法是非常必要的,而且在实验过程中各个时间节点要控制铁的不同氧化状态(通过比色法、电化学法或其他技术手段)以区别这些氧化机制。对比目前而估计的早期地球上大气层CO2的聚集应该与早期海洋是平衡的,很可能是略酸性的环境(pH~5-7),而这也会影响反应作用。在生命起源前化学实验中测量和控制pH值是非常重要的工作,这样才能保证反应是在合理的条件下进行的。


辐射和光化学作用

在早期地球上,到达地球表面的高能太阳辐射比现今更强,因为那时年轻的类似太阳的恒星自转更快(随恒星年龄而下降),而且也缺少可以吸收紫外线的大气层臭氧(由大气层氧气产生)。因此那时候光化学作用以及紫外线放射参与的表层反应会非常强烈。许多研究已经探索过光化学作用对生命起源相关反应的影响,例如光催化矿物引起的原始代谢循环和/或有机合成作用9。有许多因素可以保护环境免受辐射作用,即使是在浅水表面,使得反应能够不受影响的进行。例如溶解的Fe2+离子及部分含铁矿物是有效的紫外线吸收体,即使在相同环境下紫外线引起的芬顿反应仍会产生对有机体或生命有害的基团10,11。尽管许多生命起源前反应环境如海洋或海底并不与太阳辐射产生直接相互作用,但光化学作用的影响仍然可以通过氧化剂的产物而得知,它们会进入水体并与Fe2+和其他类物质反应。无论实验是直接模拟表层或大气层与海洋或其他环境的反应,实验时对辐射因素的考虑并不多,因此有必要考虑光化学作用对地球化学体系的影响。一个海底系统仍可以受到大气层或水上光合作用产生的氧化剂的影响,例如硝酸盐/亚硝酸盐类,与溶解的铁和含铁矿物(由光化学作用或大气层的雷电作用产生)具有非常高的反应活性,对于深海火山口环境中新陈代谢作用的产生具有重要作用12


预测条件但不限制可能的环境

基于现已研究过的反应,根据pH值、温度、条件循环以及某些矿物催化剂等判断,有多种条件被认为是可能的或不可能的。目前还没有任何一套实验条件被生命起源学界普遍认同而能够产生生命出现所必需的所有反应。目前也并不确定生命起源是否都产生于同一套地质背景或多种地质背景13,也不确定是否所有必要的反应条件都必须满足(如在一套单一背景中含有多种环境循环变化)。对于某种反应而言可能有多种地球化学条件,例如氨基酸的合成可通过多种机制完成。其他而言,可能的地质条件会更有有限,例如某些特定新陈代谢方式的出现。从根本上来说成功的实验条件对于认识早期地球才是合理的,但同时也不应该让实验结果去限制与生命起源可能相关的环境类型,因为我们并不知道对早期地球环境的研究总结是否正好准确对应了相应的物理或化学条件。例如研究认为,狭窄钻孔中的热梯度能够促进碱基的合成以及长齐聚物的形成14,15。由此拓展而言,是有可能在表层或水下火山口环境中存在核苷酸反应,这些环境中岩石/矿物具有孔隙结构,但也可能存在于含有热梯度的孔隙介质环境中。生命起源实验不必对地质环境进行点对点的预测,我们的目标应该是,在具备相应条件的任何行星中去寻找生命起源的可能性。尤其在天体生物学和行星探索领域都是这样的,在这其中已经有许多令人惊讶的发现,那些化学条件和地质环境我们先前预测并不存在,但是现在太阳系中被发现,这也说明在系外行星上是可能出现生命的。

 

原文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-018-07493-3

原文作者:Laura M. Barge (NASA Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology)

 

参考文献: 

1. Lyons, T. W., Reinhard, C. T. & Planavsky, N. J. The rise of oxygen in Earth’s early ocean and atmosphere. Nature 506, 307–315 (2014).

2. Macleod, G., McKeown, C., Hall, A. J. & Russell, M. J. Hydrothermal and oceanic pH conditions of possible relevance to the origin of life. Orig. Life Evol. Biosphere 24, 19–41 (1994).

3. Halevy, I. & Bachan, A. The geologic history of seawater pH. Science 355, 1069–1071 (2017).

4. Trail, D., Watson, E. B. & Tailby, N. D. The oxidation state of Hadean magmas and implications for early Earth’s atmosphere. Nature 480, 79–83 (2011).

5. Huston, D. L. & Logan, G. A. Barite, BIFs and bugs: evidence for the evolution of the Earth’s early hydrosphere. Earth Planet. Sci. Lett. 220, 41–55 

6. Halevy, I., Alesker, M., Schuster, E. M., Popovitz-Biro, R. & Feldman, Y. A key role for green rust in the Precambrian oceans and the genesis of iron formations. Nat. Geosci. 10, 135–139 (2017).

7. Hsiao, C. et al. RNA with iron(II) as a cofactor catalyses electron transfer. Nat. Chem. 5, 525–528 (2013).

8. Westall, F. et al. A hydrothermal-sedimentary context for the origin of life. Astrobiology 18, 259–293 (2018).

9. Zhang, X. V. & Martin, S. T. Driving parts of Krebs cycle in reverse through mineral photochemistry. J. Am. Chem. Soc. 128, 16032–16033 (2006).

10. Wadsworth, J. & Cockell, C. S. The Janus face of iron on anoxic worlds: iron oxides are both protective and destructive to life on the early Earth and present-day Mars. FEMS Microbiol Ecol. 93, 1–9 (2017).

11. Cleaves, H. J. & Miller, S. L. Oceanic protection of prebiotic organic compounds from UV radiation. Proc. Natl Acad. Sci. USA 95, 7260–7263 (1998).

12. Wong, M. L., Charnay, B. D., Gao, P., Yung, Y. L. & Russell, M. J. Nitrogen oxides in early Earth’s atmosphere as electron acceptors for life’s emergence. Astrobiology 17, 975–983 (2017).

13. Stüeken, E. E. et al. Did life originate from a global chemical reactor? Geobiology 11, 101–126 (2013).

14. Kreysing, M., Keil, L., Lanzmich, S. & Braun, D. Heat flux across an open pore enables the continuous replication and selection of oligonucleotides towards increasing length. Nat. Chem. 7, 203–208 (2015).

15. Niether, D., Afanasenkau, D., Dhont, J. K. G. & Wiegand, S. Accumulation of formamide in hydrothermal pores to form prebiotic nucleobases. Proc. Natl Acad. Sci. USA 113, 4272–4277 (2016).




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