生命探秘:生命的诞生不止一次

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频道:地球故事
来源:大科技·科学之谜
作者:佚名

生命探秘:生命的诞生不止一次,地球生命的诞生可能不是只发生过一次,而是很多次才对。

 地球生命的诞生可能不是只发生过一次,而是很多次才对。

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通常认为,在地球约45亿年的历史中,生命的诞生只发生过一次。所以,我们常说,生命在宇宙中是很罕见的,只有在一个很难得的理想环境中才能诞生出来。

真的是这样的吗?最近,一些生物学家做了一些简单的化学实验,旨在重现生命的最早时刻,其结果却颠覆了上面的观点。研究表明,生命似乎比我们预期的更容易诞生出来,这个过程不需要什么魔法,不需要什么罕见的成分,不需要什么特殊的环境条件。

这就引出了一个更有趣的推测:与诞生过一次相反,生命可能有着许多次的诞生过程。生命可能会在数十万年里,一遍又一遍地以许多不同形式彼此独立地诞生出来,直到经历了地球上第一次物种大灭绝后,才形成我们今天所看到的一切。早期的地球上,生命可能不是一直孤单的。

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构建信息载体

在大约38亿年前,地球上产生了第一个有生命的东西。最早的生命应该是一种分子机器,没有细胞结构。接着,最早的生命进化为露卡(LUCA)——地球上所有生物的最后的共同祖先。之后,露卡分化出各种各样的生命。

最早的有生命的分子机器是怎么诞生出来的呢?生物学家们把生命诞生过程的每一个步骤都列出来,逐步解决这个问题。那么,第一步是什么呢?

生物与非生物之间最本质的区别,其实就是是否存在遗传信息。当前,大多数生物学家都支持RNA世界假说,即认为在DNA形成之前,生命的遗传信息是存储在RNA上的。RNA与DNA一样,是一种长链聚合物,组成单位称为核糖核苷酸。根据RNA世界假说,建立生命的第一步,就是如何建立核糖核苷酸。

2016年5月,德国慕尼黑大学的生物化学家托马斯·卡雷尔的团队发现了一个制造某些核糖核苷酸的非常简单方法,使用的原料不需要太多,只需要氰化氢、氨和甲酸即可。而这些原料在早期地球上,应该是极为丰富的。

他们的研究暗示,RNA的形成可能相对容易一些。卡雷尔还强调,这种合成反应真的不需要什么特殊的条件,可以发生在小池塘、深海等地球的各个地方。

有了制造核糖核苷酸的办法,那么,它们怎么组合成RNA呢?事实上,早在20年前,英国化学家莱斯利·奥格尔就发现,只需要一些泥土,核糖核苷酸就能自发地组装成RNA。这是因为泥土中的某些晶体携带的电荷会把核糖核苷酸吸引过来,并促使它们排成队,形成链状结构。

生产生物分子

遗传信息要想发挥作用,它得变为模板——依照自身指令来生产诸如蛋白质的物质,为生命提供能量和建造材料。这个过程被称为基因表达,是一种有许多分子参与的非常复杂的过程,它似乎很难在远古的泥土中涌现出来。那么,基因表达最初是怎么出现的?

美国科罗拉多大学的迈克尔·亚鲁斯和他的团队花了几年在旷野里做实验,把实验样品冻住、烤干……他们用了所有能想到的办法。最后,他的团队发现一个令人惊讶的简单反应,看起来很像基因表达过程:把RNA链和能自由活动的核糖核苷酸混合到一起,这些核糖核苷酸会自发地组合到一起,形成一种新的分子,而原来的RNA链似乎在这一过程发挥了模板作用。有趣的是,新的分子看起来像一种我们身体内常见的分子,叫作辅酶。

辅酶在当今生物体内很少能独立发挥作用,它们的工作主要是辅助其他更大的酶。也许,辅酶在最早期生命体中能独立发挥作用。

另外,就像卡雷尔找到的反应一样,亚鲁斯发现,他的反应也很容易地发生。不需要魔法,也不需要什么奇特的成分。

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复制自身

生命的一个关键属性就是繁殖。没有繁殖,生命就是一条死胡同。分子机器进行繁殖,就是要进行RNA的复制。

今天,我们有特殊的酶负责DNA的复制。但在2016年6月,美国哈佛医学院的杰克·绍斯塔克和他的团队发现,RNA可以复制自身,而且还不需要任何酶的帮助。实验中,他们把RNA链和可自由活动的核糖核苷酸混合到一起,就像亚鲁斯的研究一样。但是,绍斯塔克又额外添加了一些RNA片段,能与RNA链中的一部分相匹配。这些RNA片段似乎启动了RNA的复制过程,不一会儿,一个新的RNA链就复制出来了。

虽然其他的研究人员也找到了一些办法,能在没有酶的情况下让RNA进行复制。不过,绍斯塔克找到的办法反应速度更快。起到助推作用的RNA片段是一种很短的RNA链,它们应该可以在早期的地球上自发地形成。

他们找到的反应可能是早期生命采取的一种复制方式,尽管复制过程有着很多错误。不过,随着时间的流逝,RNA会进化出更好的复制机制。

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生命的多个开始

上面这些研究表明,地球生命的诞生可能并不是很难发生的。这就引出了一个有趣的可能性:地球生命的诞生可能不是只发生过一次,而是很多次。绍斯塔克表示,如果所有导致生命诞生的步骤都是很容易发生的话,那么生命可能在早期地球的许多地方诞生过很多次。

如果真的是这样的话,那么早期地球其实就是一个巨大的生物学实验室。在这里,许多不同种类的分子机器都会在地球的各个地方独立地诞生出来,它们可能是千奇百怪的。有一段时间里,它们会一起生活在地球上,但最终只剩下一种分子机器,并占领了整个地球——也许是因为它们更适应环境,也许只不过是交了好运。而其他独立诞生出的分子机器都灭绝了,这可能才是地球的第一次物种大灭绝,发生在数十亿年前。

但是,几乎没有任何化石记录告诉我们,那个时代究竟发生了什么。我们知道,露卡成为了最终的赢家,它们进化出所有未来的物种。可以肯定的是,露卡一定是十分成功的生命体。

过去的20年里,生物学家推测出,露卡应该是一种很先进的生物。它们可能已经将DNA而不是RNA当作遗传信息的载体,并且能用一个膜包裹起来,为生产蛋白质等分子提供了一个稳定的微环境。这一系列的创新,使得露卡能存活下来,而其他形式的生命却灭绝了。

鉴于一切都已成为历史,搞清楚生命如何诞生的主要办法,就是做实验。也许,在这研究过程中,我们没准还能制造出一种新型生命呢。

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