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氢气是地球生命起源最大助力

已有 1034 次阅读 2019-9-15 08:27 |系统分类:科研笔记

最近非常高兴地阅读了尼克莱恩教授的科普佳作《生命的跃升:40亿年演化史上的十大发明》,从最新研究进展角度,重新认识生命起源这一问题,也让我有机会从最新研究角度,重新认识氢气在生命起源过程中的地位。建议有兴趣的读者购买阅读这本书,虽有一点难度,但对于理解氢气医学的进化必然性很有帮助。


按照他的观点,我们永远都无法知道地球生命到底如何起源,即使我们将来能在实验室中制造出细菌甚至虫子,也不能说明这是地球远古真正的生命起源过程。从学术角度,地球生命起源要么来自地外生命,甚至是地外智慧操纵下的产物,要么是在最巧合的自然环境下偶然产生的。但我们真是无法知道真实的答案。虽然如此,但科学家仍然希望能找到接近真实的生命起源路线图。

关于生命起源,有一个影响比较大的说法。就是1953年的米勒试验。当年米勒用一个大烧饼装满了水和混合气,模拟他认为的原始地球大气。他选择的气体是根据木星大气组成,因为他假定这就是年轻地球的大气组成。这些成分包括氨气、甲烷和氢气。然后他往这团气体中通电火花模拟闪电,然后等待几天、几周和几月,对其中的成分进行分析,判断他炖的这瓶汤生出什么。他的发现超过了想象,因为他创造出一锅原始汤,含有近乎神秘的有机分子,特别是含一些氨基酸。氨基酸是蛋白质的元件,也是最具有象征意义的生命分子。

简单说就是给原始地球大气通一通电,就产生了生命分子,这就给人这样一种感觉,地球大气产生生命就是非常自然而然的结果。这一发现新闻报道竟然成为《时代》周刊的封面文章。到今天这一观念仍然是生物学教科书的经典内容。

不过米勒原始汤的假说已经基本上被否定了。因为对地球远古岩石的分析发现,地球原始大气并不是甲烷氨气和氢气。而对更符合地球大气成分的原始大气进行同样的电极,则没有制造出原始汤成分。不过接近原始汤的一个证据是,一些含有脏水小行星和流星上,发现有不少类似原始汤的氨基酸等成分。米勒的假说无论对错,但较真说不是生命的真正起源,有机分子是生命的组成成分,但和活的生命完全不是一个概念。


尼克莱恩教授认为,生命的过程一定是这样的:首先食物中的氢被剥离出,然后氢和氧反应释放出能量。需要强调的是这里他说的氢并没有直接说是氢气,而更接近于氢原子。

他认为,所有生命,最后都是氢和氧这两种原子结合成水获得能量的过程。这是符合热力学定律的生命能量逻辑规则。他为什么对氢有如此高的推崇,且听他接受最新关于生命起源的两个假说。

一是认为生命起源于海底热泉黑烟囱。在海底加拉帕戈斯裂谷的泉口和后来发现的200多个泉口群,都是黑的一塌糊涂的烟囱。这里的海水温度接近400度,含有大量强度硫化物和酸性物质,这个海底像地狱一样的世界,竟然是物种接近热带雨林一样的生命世界。有体型巨大的没有嘴没有肛门的管状蠕虫,大量没有眼睛的虾成群结队。这个生命世界是怎么建立起来的。其中位于食物链最底层的是一种硫细菌,这种细菌能从热泉中提取氢,然后氢和二氧化碳反应成有机物,这非常类似光合作用的过程。其他生物要么是直接吃细菌为生,要么就是把这些细菌放在身体内进行饲养,给自己提供有机物和能量。但这种黑烟囱仍然存在一些无法自圆其说的问题,尤其是无法解释从有机物到细胞之间的进化过程。

最新更合理的说法是来自另外一种海底热泉,这种热泉和黑烟囱的区别是,和黑烟囱有很多不同,其中一个很大的差别是这里是碱性,而黑烟囱是酸性。这里热泉水是因为海底火山爆发产生的大量热,产生了大量氢气并导致海底被电子还原。还原状态的海底把多种气体改变,例如把二氧化碳变成甲烷,把氮气变成氨,硫酸变成硫化氢。这是非常接近米勒的原始汤的成分。作者把这种海底热泉称为碱性泉口。这里有形成生命最大的圣餐,源源不断来的海底的氢气,氢气和二氧化碳反应产生有机物,这是一切地球生命的基础,只是海底是更直接的反应。因此海底碱性热泉是最符合生命摇篮的热力学要求。

至于在这里如何进化出真正的生命,作者也有比较想象的介绍。简单说就是从进化角度,地球生命有一个原始祖先,具体说这个祖先是细菌的前辈,这个祖先和现在的细菌不一样,甚至都没有进化出细胞膜的结构,只是借助于岩石的缝隙结构完成早期的生命进化。这种原始祖先的前一段生命进化过程可能是一种病毒,这种病毒非常类似艾滋病病毒,就是RNA逆转录病毒,许多这种病毒通过相互配合,杂交和突变,最后进化出DNA为信息载体的新的病毒和细菌祖先,然后才从这种生命摇篮中脱离出来,进入到更大范围的地球环境中完成后续的进化过程。这个假说认为,原核生命中真细菌和古细菌几乎是一起完成的进化过程,而不是哪个先出现然后进化出另外一个类型。古细菌后来在获得线粒体和叶绿体在逐渐进化出真菌、植物和动物等真核高等生命形式。看过尼克的另外一个关于线粒体的科普书部分章节,对线粒体进化过程中,氢气也是重要的参与者。

地球生命早期进化有氢气直接参与,在原核向真核生物进化的关键过程也有氢气参与。地球生命进化的最关键过程,氢气都是不可或缺的参与者。




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