圖片來源：視覺中國

科技日報記者?劉霞

地球生命是如何起源的，一直是一個引人入勝的謎題。科學家不斷追尋，提出了一些解釋，但仍有一些問題沒有得到解答。

近年來，科學家競相在實驗室中模擬約40億年前早期地球的環境，試圖重現生命誕生的化學反應。物理學家組織網在近期報道中，總結了最近5年有關生命起源的五大關鍵突破，人們或許可管窺其中獨特的奧秘。

早期細胞內的反應自我維持

導致生命起源的化學反應靠什么能源推動呢？德國杜塞爾多夫大學科學家試圖解開這一謎團。

該團隊使用早期地球上可能存在的一些最常見元素，深入探究了402種制造生命基本組成部分核苷酸的已知反應。這些反應不僅存在于現代細胞中，也被認為是所有物種分化前最后一個共同祖先“露卡”的核心代謝機制。

針對每一個反應，研究人員都計算了自由能的變化。自由能決定了某個反應能否在沒有其他外部能量來源的情況下進行。結果發現，其中很多反應都可以在沒有三磷酸腺苷等外部能源的情況下進行。這就是說，生命基本組成部分的合成不需要外部能量，它可以自我維持。

地熱熱流推動生命分子集結

在地球的原始環境中，生命是如何誕生的？答案可能與地球早期地質結構的一項特征——巖石裂縫有關。這些裂縫在早期地球上普遍存在，熱流經常穿過這些裂縫，形成溫度梯度。

德國路德維希-馬克西米利安-慕尼黑大學團隊在稍早時間出版的《自然》雜志上發表論文稱，穿過巖石裂縫的熱流，能凈化與生命化學起源相關的分子。該研究可解釋生命最初的基本成分是如何從復雜的化學混合物中形成的。

研究人員構建了一個模擬這種自然現象的實驗裝置。該裝置含有僅170微米的裂縫，以模擬地殼中的裂縫網絡。他們使用這個裝置，對一個包含氨基酸、核堿基和核苷酸等在內的混合物進行了處理。通過在裂縫中創建溫度梯度，研究人員成功從該混合物中分離出50多種與生命起源相關的分子。這一成果證明，即使是微小的溫差，也足以根據分子結構的細微差異，實現特定分子的分離和集結。

火山玻璃促進RNA合成

RNA可能是地球上最早出現的遺傳物質，但其在地球上如何出現一直讓研究人員困惑不已。

2022年，來自美國應用分子演化基金會的科學家宣布，他們在實驗室內產生了穩定的RNA鏈。研究表明，核苷三磷酸鹽經由玄武巖玻璃的過濾，就會形成長度為100—200個核苷酸的RNA長鏈。這些RNA鏈足夠長，可以存儲和傳輸信息。

論文合著者史蒂文·班納指出，由于頻繁的隕石撞擊和活躍的火山活動，火山玻璃遍布于早期地球上。這一研究的意義在于貫通了早期地球小有機分子轉變成RNA的整個過程，表明一兩個含碳分子即便只經歷單一地質學過程，也能形成足夠長的RNA，并有進一步演化的可能。

熱液噴口或是有機分子形成的溫床

無機物變成有機物的化學反應被稱為“固碳作用”。固碳作用對于構建組成生命的基礎分子不可或缺。那么，最初的無機物是如何轉化為有機物的？

驅動這種反應需要供體提供電子。在早期地球上，氫氣可能是電子供體。研究表明，現代生物會通過乙酰輔酶A途徑，將氫和二氧化碳結合形成有機分子。但現代生物是利用11種由15000個氨基酸組成的酶來運行乙酰輔酶A途徑，而地球原始有機體不存在這種“酶”。

一個國際科研團隊發表研究論文指出，這種反應可以自發發生，類似早期深海堿性熱液噴口周圍的環境，為反應提供了助推力，他們使用微流體設備完成了這項試驗工作。

細胞膜構建塊可自發形成

不管生命是在陸地上的溫泉中還是深海內出現，如果沒有細胞膜，促進生命形成的反應都不會走得很遠。

現代細胞膜主要由名為磷脂的化合物組成，磷脂含有一個親水性的頭部和兩個疏水性的尾部。它們是雙層結構，親水性的頭朝外，疏水性的尾朝內。

研究表明，磷脂的一些成分，如構成尾部的脂肪酸，能在一系列環境條件下自行組裝成這些雙層細胞膜。但早期地球上存在細胞膜構建塊——脂肪酸嗎？

英國紐卡斯爾大學開展的一項新研究中，研究人員將可能存在于古代堿性熱液噴口的富氫液體，與類似于早期海洋中存在的富含二氧化碳的水結合，重新展示了這些分子的自發形成過程。這一研究與假說相吻合，即穩定的脂肪酸可能起源于堿性熱液噴口，并發育成活細胞。