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新的研究概述了生命起源的“水世界”理论

2019-09-11 101粘菌

40多亿年前,生命在我们新生的地球上生根发芽,这是一个比现在更潮湿、更严酷的地方,沐浴在炙热的紫外线下。最初是简单的细胞,最终转变成粘菌、青蛙、大象、人类和地球上其他生物王国。

新的研究概述了生命起源的“水世界”理论

这一切是怎么开始的?

位于加州帕萨迪纳的美国宇航局喷气推进实验室的研究人员和位于加州莫菲特场的美国宇航局艾姆斯研究中心(Ames Research Center)的美国宇航局天体生物学研究所(NASA’s Astrobiology Institute)的冰雪世界研究小组进行了一项新研究,描述了海底自然产生的电能可能是如何孕育生命的。尽管科学家们已经提出了这一假说,即“海底碱性热液生物的出现”,但这份新报告汇集了数十年的实地、实验室和理论研究,形成了一幅宏大而统一的图景。

根据这些发现,也可以被认为是“水世界”理论,生命可能是在温暖、温和的海底泉水中开始的,在很久以前,地球上的海洋搅动着整个地球。这种认为热液喷口可能是生命起源的地方的想法最早是在1980年由其他研究人员提出的,他们在墨西哥卡波圣卢卡斯附近的海底发现了这些喷口。这些被称为“黑烟”的喷口冒着滚烫的酸性液体。相反,在这项新研究中,喷气推进实验室的科学家迈克尔·拉塞尔(Michael Russell)在1989年首次提出假设,喷口更温和、更凉爽,并与碱性液体一起渗透。2000年,人们在北大西洋偶然发现了一个由这些碱性喷口组成的高耸建筑群,并将其命名为“失落之城”。

Russell说:“生命利用地球上的不平衡状态,这可能是几十亿年前在碱性热液喷口发生的情况。”“生命是解决这些不平衡的过程。”Russell是这项新研究的主要作者,该研究发表在4月份的《天体生物学》杂志上。

其他关于生命起源的理论描述了化学物质形成的池塘或“汤”,它们在地球破碎的岩石表面留下了凹坑。在一些化学汤模型中,闪电或紫外线被认为是池塘中生命的燃料。

新的研究概述了生命起源的“水世界”理论

“水世界”理论

Russell和他的团队提出的水世界理论认为,相对于周围古老的酸性海洋,温暖、碱性的热液喷口保持着一种不平衡的状态,而酸性海洋本可以提供所谓的自由能量来推动生命的出现。事实上,这些喷口可能造成了两种化学失衡。第一个是质子梯度,质子(即氢离子)更多地集中在喷口烟囱的外部,也称为矿物膜。质子梯度可以被用来获取能量——这是我们的身体在细胞结构中一直在做的事情,称为线粒体。

第二种不平衡可能与热液和海洋之间的电梯度有关。数十亿年前,当地球还年轻的时候,它的海洋富含二氧化碳。当来自海洋的二氧化碳和来自喷口的燃料——氢和甲烷——在烟囱壁上相遇时,电子可能已经转移了。这些反应本可以产生更复杂的含碳化合物,或有机化合物——我们所知道的生命的基本成分。像质子梯度一样,电子转移过程在线粒体中有规律地发生。

“在这些喷口中,我们有一个地质系统,它已经完成了生命活动的一个方面,”喷气推进实验室这项研究的第二作者 Laurie Barge说。“生命依赖于质子梯度和电子转移。”

正如所有高级生命形式一样,酶是发生化学反应的关键。在我们古老的海洋中,矿物质可能扮演着酶的角色,与四处游动并推动反应的化学物质相互作用。在水世界理论中,两种不同类型的矿物“发动机”可能排列在烟囱结构的墙壁上。

Russell说:“这些矿物发动机可以和现代汽车的发动机相比。”

“它们通过消耗燃料和排出废气,让生活像汽车发动机一样‘运转’。另一方面,DNA和RNA更像是汽车的电脑,因为它们引导过程,而不是让过程发生。”

其中一个微型发动机被认为使用了一种被称为绿锈的矿物,使它能够利用质子梯度产生一种含有磷酸盐的分子来储存能量。另一个引擎被认为是依赖于一种叫做钼的稀有金属。这种金属也在我们的身体中起作用,在各种酶中起作用。它帮助两个电子同时转移,而不是通常的一个,这是有用的驱动某些关键的化学反应。

“我们称钼为道格拉斯亚当斯元素,”Russell说,他解释说钼的原子序数是42,这恰好也是亚当斯的畅销书《银河系漫游指南》(the Hitchhiker’s Guide to the Galaxy)中“生命、宇宙和一切终极问题”的答案。Russell开玩笑说:“42岁可能是生命终极问题的一个答案!”

新的研究概述了生命起源的“水世界”理论

不仅适用于地球,也适用于其他潮湿、多岩石的世界

Barge说:“Russell的理论起源于25年前,在那段时间里,喷气推进实验室的太空任务已经在木卫二和土卫二上发现了液态水海洋和岩石海床的有力证据。”“我们已经了解了火星上水的历史,不久我们可能会在遥远的恒星周围发现类似地球的行星。通过在JPL的实验室里测试这个生命起源假说,我们也许可以解释生命是如何在我们太阳系的其他地方或更远的地方出现的,同时也可以得到一个如何寻找生命起源的想法。”

目前,碱性热液喷口是否是生命孵化地的最终问题仍然没有答案。Russell说,这些必要的实验设计和实施都非常困难,令人瞠目结舌,但几十年后,他和他的团队仍然乐于解决这些问题。

引用

NASA/Jet Propulsion Laboratory. "New study outlines 'water world' theory of life's origins." ScienceDaily. ScienceDaily, 15 April 2014.
www.sciencedaily.com/releases/2014/04/140415195712.htm.

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