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SA:比較行星學視角看生命起源
2020-10-27 | 作者: | 【 】【打印】【關閉

  生命起源是人類一直關心的基本科學問題,研究表明生命起源的路徑可能有多條。目前學術界普遍接受的觀點是化學起源,它包括前生命合成過程和分子自組裝過程兩步。前生命化學過程合成了核苷酸、氨基酸和脂質的分子構建模塊,這些分子模塊進一步自組裝形成細胞(Lin et al., 2019; Jordan et al., 2019)。關于前生命合成化學模型,一類沒有考慮行星環境背景,只做實驗室化學合成,比如低效率地合成非選擇性的核苷。另一類則考慮了行星環境背景,比如著名的米勒模擬實驗(Miller, 1953)就模擬了還原大氣發生的閃電作用、深海熱液噴口附近低效率地合成少量相關分子及其副產物,但缺少化學實驗驗證。近幾年,英國劍橋大學的John D. Sutherland團隊在前生命化學合成領域取得了新的突破,成功用HCN(氫氰酸)、H2S(硫化氫)和紫外線合成了核酸、氨基酸和脂質的前體,即Cyanosulfidic模型(Ritson et al., 2018; Patel et al., 2015)。這種模型將實驗室的結果和現存生命分子的核心生化性質、行星地質、地球化學和天體物理學的認識結合起來(Baross et al., 2020; Betts et al., 2018)(圖1),為理解生命的起源提供了重要的依據。 

1 研究生命起源的四種方法(Baross et al., 2020

  綜合前生命化學和行星早期表面環境演化的最新研究進展,假定生命起源的環境可以通過比較行星學獲得認識(地球早期環境的沉積記錄被構造改造),今年,美國哈佛大學Dimitar D. Sasselov教授、加州理工大學John P. Grotzinger教授與John D. Sutherland教授在Science Advances上系統論述了Cyanosulfidic模型是如何與行星早期環境的演化密切相關(Sasselov et al., 2020)。隕石撞擊、閃電和太陽耀斑對原始大氣(CO2、N2和水蒸氣)進行高能改造,生成HCN、CONO。HCN作為前生命化學的原材料,必須要在地球表面積累到一定濃度。生成的HCN與富Fe2+還原湖泊、潟湖和淺海發生反應,生成不溶于水的亞鐵氰化物鹽比如CaK2[Fe(CN)6]MgNa2[Fe(CN)6]。亞鐵氰化物鹽在干燥-濕潤的氣候循環下在沉積盆地中不斷富集,經過102~103年時間尺度,就有足夠的HCN類鹽供前生命化學合成。亞鐵氰化物鹽經過火山活動或者隕石撞擊等熱變質作用會形成變質鹽類,比如CaCN2、KCN、Mg3N2NaCN,這些鹽類一旦和pH中性附近的液態水接觸,就會快速變成活性的H2CN2、HCNNH3。在中程紫外線的照射和磷酸鹽、亞硝酸鹽的參與下,火山噴發的高濃度SO2HCN快速發生反應,生成現存生物分子的核酸、氨基酸和脂類前身而很少產出副產物(圖2)。 

2 Cyanosulfidic前生命化學模型所需的原始化合物的積累過程。淺水盆地沉積物形成,以及它們與水圈、大氣圈相互作用的模型(Sasselov et al., 2020

  Cyanosulfidic化學模型所需要的條件在古老的火星和地球應該很常見。在地球和火星早期,隕石撞擊、閃電、火山作用和太陽耀斑很活躍,根據理論推測,原始大氣可能均含有N2-CO2(圖3),因此原始大氣通過高能改造可以生成前生命化學的原材料HCN?;鹦?/span>Gale隕石坑保存的濕潤-干燥湖相沉積物富含氰化物鹽,也支持了火星早期可能具有類似于Cyanosulfidic模型的前生命化學過程?;鹦潜4娴?/span>38億年前的沉積巖還含有多種自生和成巖礦物,這些礦物含有不同價態的C、H、O、S、N、P、Fe、Mn等元素,指示了早期火星曾經有大量中-弱酸性、不同鹽度的湖泊,生命元素循環活躍(圖3)。另外火星巖石或者隕石中能觀察到中-低等變質作用,說明火星很可能受過火山作用和隕石撞擊等熱變質事件,火山作用釋放出的SO2可以為Cyanosulfidic反應提供原材料。前生命合成過程所需要的原材料和條件,沒有一種環境能夠同時滿足,很可能不同的環境背景生成不同的生命分子,通過雨水河流將這些生命分子搬運到一起(Global Chemical Reactor; Stüeken et al., 2013)(圖4)。因此,前生命化學條件可能在早期火星和地球很常見(Sasselov et al., 2020)。 

3 火星和地球演化歷程的示意圖(Sasselov et al., 2020 

4 冥古宙時期地球不同環境發生的前生命化學過程(Stueken et al., 2013

  Cyanosulfidic化學模型的提出代表著前生命合成路徑已得到初步理論支持和實驗室驗證,還差早期地球和火星環境的實證。美國宇航局2020年發射的火星探測器將著陸Jezero隕石坑,為生命的起源研究提供前所未有的機遇。另外,對于早期地球環境的認識,主要基于比較行星學的研究。理論預測石質行星最終會演化出氧化地幔,從而具有N2-CO2大氣和穩定的氣候。雖然目前無法直接觀測地球和火星早期的大氣狀態,但通過觀測不同演化階段的地外石質行星的大氣光譜,可以有助于理解早期地球和火星大氣的組成。液態H2O的分布對于生命起源和宜居環境起到重要的作用,火星表面水的存續時間是否支持前生命合成還有待于火星探測器對火星早期的環境進行考察。未來生命起源的研究還需要更多學科交叉并相互印證。    

  【致謝:感謝地星室胡森副研究員的寶貴修改建議?!?/span>    

  主要參考文獻 

  1. Baross J A, Anderson R E, Stüeken E E. The environmental roots of the origin of life // Meadows V et al. (Eds.). Planetary Astrobiology. Tucson: University of Arizona Press, 2020: 71-92. 
  1. Betts H C, Puttick M N, Clark J W, et al. Integrated genomic and fossil evidence illuminates life’s early evolution and eukaryote origin[J]. Nature Ecology & Evolution, 2018, 2(10): 1556-1562.鏈接 
  2. Jordan S F, Rammu H, Zheludev I N, et al. Promotion of protocell self-assembly from mixed amphiphiles at the origin of life[J]. Nature Ecology & Evolution, 2019, 3(12): 1705-1714.鏈接 
  3. Lin W, Li Y, Wang G, et al. Overview and perspectives of Astrobiology[J]. Chinese Science Bulletin, 2019, 65(5): 380-391.鏈接 
  4. Miller S L. A production of amino acids under possible primitive earth conditions[J]. Science, 1953, 117(3046): 528-529.鏈接 
  5. Patel B H, Percivalle C, Ritson D J, et al. Common origins of RNA, protein and lipid precursors in a cyanosulfidic protometabolism[J]. Nature Chemistry, 2015, 7(4): 301-307.鏈接 
  6. Ritson D J, Battilocchio C, Ley S V, et al. Mimicking the surface and prebiotic chemistry of early Earth using flow chemistry[J]. Nature Communications, 2018, 9(1): 1-10.鏈接 
  7. Sasselov D D, Grotzinger J P, Sutherland J D. The origin of life as a planetary phenomenon[J]. Science Advances, 2020, 6(6): eaax3419.鏈接 
  8. Stüeken E E, Anderson R E, Bowman J S, et al. Did life originate from a global chemical reactor?[J]. Geobiology, 2013, 11(2): 101-126.鏈接 

  (撰稿:陳妍,林巍/地星室)

 
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