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海洋孕育了氨基酸和原始膜

在深邃、没有阳光的海洋中，炎热、冒泡的裂缝似乎根本不适合生命，更不用说生命的起源了。然而，最近的研究表明，两种基本成分——氨基酸和原始细胞膜——可以在海底的热液喷口附近自发可靠地形成。这些发现支持了一些科学家几十年来一直支持的关于生命起源的假设。

热液喷口是海底断层线附近的化学温泉。有些被称为白烟囱，有精心制作的矿物柱或烟囱，里面装满了可以发生化学反应的微小腔室。在华氏158度（70摄氏度）时，通风口对气泡浴来说有点热，但事实证明，正好适合形成氨基酸和可以作为细胞膜的结构。

科学家怀疑，大约40亿年前，像这样的深热喷口可能已经孕育了地球上的生命。一些热液喷口释放碱性液体，碱性液体可以提供构建复杂有机分子所需的能量。英国埃克塞特大学的地球系统科学家蒂莫西·伦顿（Timothy Lenton）表示，生命的基本化学“似乎与生命始于这种炎热、黑暗、化学能驱动的环境中，你可能会期望相匹配”，他是2017年《海洋科学年度评论》中一篇关于海洋生物地球化学的文章的合著者。

通风口假说有点争议，但最近的实验为它增添了分量。在其中一项中，美国宇航局天体生物学家Laurie Barge和她的同事展示了蛋白质基石氨基酸如何在碱性喷口附近形成。美国加利福尼亚州帕萨迪纳喷气推进实验室的驳船在寻找不在地球上的生命时，对地球上生命的起源产生了兴趣。无论是在另一颗行星上还是在地球上的深海喷口，地质学和生物学都将紧密相连。

为了了解生命的积木是否可能在古老的通风口附近形成，Barge的团队在实验室里创建了微型通风口。他们模拟的海水含有氨、简单的有机分子丙酮酸盐和氢氧化铁矿物，所有这些都可能存在于地球的早期海洋中。水耗尽了氧气，并调整到华氏158华氏度，这是白烟囱的温度。该团队去年在《美国国家科学院院刊》上报道，在这些模拟喷口中，化学条件允许电子在铁矿物和丙酮酸之间流动，产生氨基酸丙氨酸。

研究人员可以通过调整不同氢氧化铁矿物的比例来调节丙氨酸的产生量，以控制铁释放的电子数量——例如“可以向上或向下调谐的表盘”。电子从碱性喷口连续流动，为触发化学反应提供恒定的源。

天体生物学家Laurie Barge在她的美国宇航局实验室重新创建了微型热液喷口。这张图片展示了矿物烟囱在温暖的海水和一些简单的原始分子中形成。Barge发现，在这个设置中，她可以产生氨基酸丙氨酸，这是蛋白质的基石之一。图片来源：美国宇航局/喷气推进实验室-加州理工学院/弗洛雷斯

创造生活的基石

氨基酸很重要，但生命是细胞组织的——没有细胞膜，细胞就无法工作。在第二个实验中，伦敦大学学院的生物化学家尼克·莱恩和他的同事展示了原始膜如何在碱性通风口附近形成。

Barge使用古代深海条件的实验室复制品来确定是否可以在那里形成脂质包围的气泡，称为囊泡——一种原细胞。他的团队在酸性模拟海水中添加了14种脂肪酸和其他化学物质，这些化学物质可能存在于早期海洋中。科学家将液体调整为碱性，使化学物质进入溶液中。当研究人员慢慢将溶液与海水混合时，脂肪酸会组装成囊泡。去年11月，科学家在《自然生态与进化》杂志上报道，囊泡在像白烟囱一样惊人的条件下形成——在华氏158度，碱度强。

伦敦大学学院的生物地球化学家、论文的合著者肖恩·乔丹表示，早期的研究未能在热碱性盐水中形成囊泡——但这是因为他们使用的脂肪酸类型较少。他的团队使用了各种各样的方法，这为他们提供了更多相互联系的方式。

这些显微镜图像显示了在伦敦大学学院的一个实验室中形成的脂质环绕的小囊泡，当时研究人员在深海热液喷口等条件下混合了各种脂肪酸和其他化学物质。在左边，囊泡看起来是亮绿色的；在右边，它们被放大以显示其肿胀的结构。这些实验首次证明，在热液喷口的条件下，原始细胞需要囊泡可以形成。图片来源：S.F.乔丹等人/自然生态与进化2019

一些科学家不相信生命起源于一个深层的碱性热液喷口。加州大学圣克鲁斯分校的生物物理学家David Deamer表示：咸海水会破坏产生细胞膜所需的脂肪酸的几个人之一。他表明，通过润湿和干燥脂肪酸，可以在淡水中形成囊泡——不需要深海喷口。他举了吹肥皂泡的例子。肥皂在溶液中与水一起无序，但向其中吹气，分子会组装成膜。

想象一下一个淡水温泉，周围的地面在雨后变得潮湿，然后定期干燥。随着东西的干燥，溶解在水中的化合物变得更加集中。当干燥去除水分子时，能量会释放出来，形成允许形成复杂有机分子的键。

Deamer表示，支持淡水模型的另一点是第一个自复制分子的起源。如果生物体要繁殖，它们必须有办法将信息传递给下一代；许多科学家认为RNA是第一个能够做到这一点的分子。多年前，Deamer和他的同事通过在浅淡水池中润湿和干燥简单的有机分子，创造了像RNA一样运作的复杂分子。干燥过程组织分子更复杂，不需要外部能量的冲击。

不过，这个故事并不那么简单。这两个研究营都努力证明他们在实验室中制造的基本生物分子实际上会在生物体内发挥作用。尽管如此，热液喷口的支持者表示，他们拥有所有正确的成分——包括启动生命所需的能量。白烟囱可以通过两种方式提供能量，一种或两种方式都可以提供构建复杂有机分子所需的动力。

一些科学家认为，生命不是从海洋喷口开始的，而是从地球表面的淡水温泉开始的。冰岛赫韦拉韦利尔的这个地热池可能代表这种环境。图片来源：FILIP FUXA / SHUTTERSTOCK

第一种情况是当碱性液体从海底喷出并与酸性海水碰撞时。这种pH梯度在通风口烟囱上产生轻微的电荷。（在另一项研究中，驳船通过将热液烟囱与电线连接在一起来点亮一个小LED。）地球早期的海洋比今天更酸，这表明深海喷口可能有足够的能量。

碱性喷口提供能量的另一种方式是喂养电子在海洋中的化学物质和岩石之间流动的过程。这种水下电流本可以推动第一次赋予生命的化学反应。丹麦奥胡斯大学的电微生物学家Lars Peter Nielsen表示：“电力是生命的起源所必需的”。“电力让这一切走到了一起”。

也许关于海洋生命起源的最令人信服的论点是时机。跟踪生命形式演变的研究表明，地球上最早的生命大约在40亿年前出现。Lenton表示，这个时间表意味着生命几乎肯定起源于海洋。第一批大陆在40亿年前还没有形成，所以地球的表面几乎完全是海洋。

地球上一些最古老的生命证据来自加拿大沉积岩中的古代化学特征和化石，这些特征和化石可能形成于海底。2017年在《自然》杂志上报道的一项研究甚至发现了管状化石，这些化石看起来像今天生活在热液喷口附近的微生物——但在至少有37.7亿年历史的岩石中。

Deamer认为，35亿到40亿年前，如果火山的两侧从水中冒出来，就会有一些陆地。可以通过降雨在这些陆地上形成淡水池。如果这有道理的话，地球上生命的淡水起源也是如此。

生命起源于深海还是浅层陆地淡水还有待观察。但现在似乎使用早期地球化学产生了关键的有机分子以及容纳它们的膜。

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