美国航天局新研究称海底电能使生命诞生

美国每日科学网站4月15日发表题为《新研究勾画生命起源的“水世界”理论》的文章称，生命是大约40亿年前起源于我们初生的地球上的，当时地球是一个比现在更为潮湿和荒芜的地方，浸透于炽热的紫外射线中。最初的单细胞生物最终变成了粘液菌、蛙类、大象、人类以及我们地球生物界的其余成员。这一切是如何开始的呢?

美国航天局加州帕萨迪纳喷气推进实验室的研究人员与该局天体生物学研究所的“冰冻世界”团队联合进行了一项新研究，它描述了海底自然产生的电能是如何能够使生命得以产生的。尽管科学家先前已提出过这种假设——被称为“海底碱性热液状态下的生命诞生”，但这篇新论文把数十年的野外、实验室和理论研究组合成一幅宏大、统一的图画。

根据这一研究结果——它也可以被视为“水世界”理论，在地球各处出现海洋以前很久，生命可能就开始形成于海底温暖、柔和的喷泉中。这种关于喷发热液的海底出口可能是生命起源之地的设想最早是在1980年由其他研究人员提出的，当时这些研究人员曾在墨西哥卡博圣卢卡斯附近的海底发现过这样的出口。这些被称为“黑色烟筒”的海底出口，流出灼热的酸性液体。相比之下，新研究——其理论最早是由喷气推进实验室的科学家迈克尔·拉塞尔于1989年提出的——引为证据的海底出口温度更低些，而且流淌着碱性液体。2000年人们在北大西洋偶然发现了这样一个由此类碱性出口组成的巨大组合体，并把它称为“失落之城”。

拉塞尔说：“生命利用了地球上的不平衡状态，几十亿年前在海底碱性热液出口发生的也许就是这种情况。生命是使这些不均衡状况得到化解的过程。”拉塞尔是这篇发表在《天体生物学》杂志4月号上的新论文的第一作者。

有关生命起源的其他理论描述的是崎岖的地球表面上密密麻麻的化学物质池塘，即“原生汤”。在其中的一些化学汤模型中，闪电或紫外光被认为激发了这些池塘中的生命。

拉塞尔及其团队提出的“水世界”理论认为，这些温暖的海底碱性热液出口保持着与周围远古酸性海洋之间的不平衡状态——这可能提供了促使生命出现的所谓自由能量。事实上，这些海底出口可能造成了两种化学不平衡。第一种是质子梯度，在这种情形下，质子即氢离子更多地集中在海底喷烟口的外侧，它又被称为矿物膜。质子梯度可能被用来生成能量——我们人体中名为线粒体的细胞结构中就一直在进行这种活动。

第二种不平衡可能是热液液体与海洋之间的电梯度。在几十亿年前当地球还很年轻时，地球上的海洋中富含二氧化碳。当海洋中的二氧化碳与来自海底出口的燃料——即氢和甲烷——越过喷烟口壁相遇时，也许出现了电子的转移。这些反应可能产生了更为复杂的有机化合物，即我们所知道的生命的必要成分。与质子梯度一样，电子转移过程经常发生在线粒体中。

原文摘要：

The Drive to Life on Wet and Icy Worlds

Michael J. Russell, Laura M. Barge, Rohit Bhartia, Dylan Bocanegra, Paul J. Bracher, Elbert Branscomb, Richard Kidd, Shawn McGlynn, David H. Meier, Wolfgang Nitschke, Takazo Shibuya, Steve Vance, Lauren White, Isik Kanik

This paper presents a reformulation of the submarine alkaline hydrothermal theory for the emergence of life in response to recent experimental findings. The theory views life, like other self-organizing systems in the Universe, as an inevitable outcome of particular disequilibria. In this case, the disequilibria were two: (1) in redox potential, between hydrogen plus methane with the circuit-completing electron acceptors such as nitrite, nitrate, ferric iron, and carbon dioxide, and (2) in pH gradient between an acidulous external ocean and an alkaline hydrothermal fluid. Both CO2 and CH4 were equally the ultimate sources of organic carbon, and the metal sulfides and oxyhydroxides acted as protoenzymatic catalysts. The realization, now 50 years old, that membrane-spanning gradients, rather than organic intermediates, play a vital role in life's operations calls into question the idea of “prebiotic chemistry.” It informs our own suggestion that experimentation should look to the kind of nanoengines that must have been the precursors to molecular motors—such as pyrophosphate synthetase and the like driven by these gradients—that make life work. It is these putative free energy or disequilibria converters, presumably constructed from minerals comprising the earliest inorganic membranes, that, as obstacles to vectorial ionic flows, present themselves as the candidates for future experiments. Key Words: Methanotrophy—Origin of life. Astrobiology 14, 308–343.

标签: 单细胞生物 海底电能 生命诞生

作者：参考消息