生命起源的深海“冷泉热液”说

 

1 生命起源的一个可能逻辑/线索

1）深海极热极寒的特殊环境（利于有机分子形成与保存，缺一不可）——冷泉热液循环区。

2）原生汤（分子自组装，生命大分子形成）。

3）PNA、TNA、肽-RNA复合物反馈回路（最初的遗传机制形成）。

4）从RNA到DNA/蛋白质（遗传物质协同进化，遗传机制的固定）。

5）最早的生命形式出现-古菌/病毒（超越分子层面的原始生命个体形式出现）。

6）古菌的多样化（后续生命进化形式的原型开始孕育）。

 

2 逻辑/线索的推演分析

1）生命从无到有，需要一个特殊环境条件的激发：极热利于生命分子的产生，极寒利于生命分子的保持，两种环境需要在一个较小的时空内长期共存。以往的争论中，多强调了有机分子的热产生，而忽略了其保存的冷条件。深海冷泉热液循环区可以提供一个持续的产生并及时保存的特殊环境。

图1：深海冷泉热液循环（吴能友等，2019）

2）原生汤与生命大分子的自组装：原生汤是一种充满有机化合物的水溶液，各种化合物具有一定的化学能与生物活性，在彼此的接触碰撞中触发分子自组装，引发其自身的二次变化。如图2所示，在分子世界，通过简单的分子自组装甚至可以催生出“行走的大分子搬运工”这类超乎想象的结构与功能。生命演化的一个关键就是DNA和蛋白质的出现。在原生汤内，基于分子自组装机制，原始RNA、DNA和蛋白分子（肽）的出现与进化不是问题。

   

图2：原生汤想象图与分子自组装（行走的大分子搬运工）

3）原始遗传机制的发生：生命的关键物质产生后，另外一个关键事件就是所谓“复制”的遗传机制的确立。Charles Carter和Peter Wills认为存在着一条连接“原始化学汤”与“遗传密码”的捷径：一条从肽-RNA复合物发展而来的紧凑反馈回路（图3）。

从早期RNA研究证据来看，原始的DNA和蛋白质可能具有共同的起源。由此，可以大胆推测的是，遗传机制（遗传密码：从DNA到蛋白的复制）的产生本身就蕴含在了DNA和蛋白质共同起源的过程之中。

 

图3：肽-RNA共同演化模型

4）最初生命形式的出现。在分子层面的生命物质基础和遗传机制解决后，逻辑上最初生命形式出现应该就是DNA+蛋白质的第一次成功组装，例如病毒，就是一个蛋白质外壳包裹了一团核酸。这种组装的意义超越了分子层面的活动，奠定了以个体（包括细胞）为单位的结构与功能统一的生命形式的进化。现有证据表明，古菌具有高度的多样性，并与原核生物和原生生物存在紧密的进化关系。我们认为，以个体为单位的生命形式的进化，都可以在古菌中找到他们的起源，包括最原始的神经元细胞在内。

 

3 进化的逻辑与分析的逻辑

作者在阅读生命起源文献过程中，一个比较突出的感受就是，我们总是试图用一些“非此即彼”、“由果及因”的分析逻辑去框定进化的逻辑。对于生命的起源与进化，确立“对立统一”的辩证逻辑是一切分析的前提。另外，就是不要颠倒了因果的前后关系。

杨新国

8月28日于银川

 

参考文献：

吴能友, 等.  冲绳海槽海底冷泉-热液系统相互作用[J]. 海洋地质与第四纪地质, 2019, 39(5): 23-35. doi: 10.16562/j.cnki.0256-1492.2019070102

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