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核心提示
近日,有报道称,美国科学家通过模拟彗星撞击地球时的情况来研究地球的生命起源,它们实验认为小行星与地球撞击的过程中把水、能量和氨基酸带到地球,并引发了地球上的第一个化学反应并且制造出了蛋白质,从而让生命得以在地球上诞生。这个关于生命起源的研究实验,促发了我们再一次对“地球上的生命是怎样来的”关注和思考。
彗尾扫过地球带来了有机小分子
辽宁日报:据最近的报道称:美国科学家通过模拟彗星撞击地球时的情况来研究地球的生命起源,这样的研究依据是什么?研究生命起源为什么要模拟彗星撞地球?
王孔江:地球诞生于45亿年前,但直到37亿年前这段漫长的时间里,小行星、彗星撞击地球的事件较现代地球猛烈得多。这是原始地球实际发生的事件。生命起源在“撞击”事件后一个相对短的时间里,所以模拟彗星撞地球过程对了解生命起源的早期过程是有意义的。由于地球表面上剧烈活动,现在地球表面已经基本上找不到37亿年前的原始地球岩石圈的痕迹,所以只能根据现在地球及太阳系其他天体等的研究推测原始地球的情况,并通过模拟原始地球上的化学进化过程进行生命起源的实验研究。
辽宁日报:小行星、彗星撞击地球对生命起源起了什么作用?
王孔江:小行星的到访或彗星的尾巴扫过地球带来了水和氨基酸等小分子。一般认为,地球上的原始大气为还原性的,可能含有氨、甲烷、氰化氢、硫化氢、一氧化碳、二氧化碳、氢气、水等成分,但是没有游离的氧气或含量很低。原始大气中的一些气体和地壳表面的一些可溶性物质溶于水中。在宇宙射线、太阳紫外线、闪电、高温等的作用下,在原始大气中及原始海洋中均可能自然合成了一系列的小分子有机化合物,例如氨基酸、核苷酸、单糖、脂肪酸等。这些成分汇集在原始海洋中,科学家霍尔丹提出的“原始汤”,从而成为孕育生命的起点。
辽宁日报:生命起源最初是由有机小分子为最原始起点?
王孔江:是的,氨基酸、核糖、核酸碱基等都属于有机小分子,这些小分子可能通过彗星及小行星等带到地球上,也可能是地球上自然合成的。剧烈的“撞击”过程也可能合成一些生命小分子。
生命起源的研究希望回答,在原始地球条件下,从简单的生命小分子开始到生命相关大分子的合成到最终实现一个能自复制分子体系的各个阶段。
辽宁日报:地球生命诞生的标志是什么?
王孔江:“能自复制”是具有储存信息的能力,这为分子体系的进化成为可能,这也是生命起源的起点。具有能自复制的分子体系的类细胞体系的形成基本可以认定为地球生命诞生的标志。
但是就是这个类细胞体系的形成过程说起来简单,却是一个极其偶然和漫长的过程,简直就是个奇迹。
科学界主流观点认为地球生命并非来自星外
辽宁日报:最近美国科学家通过模拟彗星撞击地球时的情况来研究地球的生命起源,通过高压气体的“气枪”,非常快速地朝氨基酸、水和其他材料组成的胶囊开火——他们是不是在模拟彗星撞击地球时的情景类似来观察小分子是否能继续形成有机大分子?
王孔江:从报道中看是这样的。这是一种科学的模拟方法,是研究生命起源初期化学进化的一种方法之一。这种方式合成一些小分子是可能的,但是我个人并不看好通过这种方式合成现代意义上的生物大分子的可能。
辽宁日报:模拟地球的原始环境是不是说生命形成的这个过程确实是地球上发生的,而不是外星直接带来的?
王孔江:通过多年的研究,科学界的主流还是认为生命孕育的过程是在地球上发生的。但是作为生命起源的最初始的有机小分子如氨基酸等的来源可能是来自地球以外的,但这些小分子来自地球外远不能说明生命就起源于地球之外。
即使生命起源于地球之外,但这只是把生命起源的过程挪一个地方而已,根据现有的科学原理,生命起源所要研究的问题基本是相同的。如果生命起源于地球之外,接下来的问题就是,生命在地球外是如何起源的。
据目前所知,地球是宇宙中唯一具有智慧生命的地方。
辽宁日报:人类对地球生命起源过程的研究是什么时候开始的?
王孔江:1953年,美国科学家进行了气体放电实验,用甲烷及氨等模拟原始还原大气,用水相来模拟原始海洋,用放电来模拟火山闪电,最后合成了甘氨酸,丙氨酸,谷氨酸等有机物,开创了对生命起源的实验研究。这个实验之后的大量实验研究表明,生命所需的主要有机小分子完全可能在原始地球条件下合成。
辽宁日报:有机小分子又是如何变成蛋白质等有机大分子的呢?
王孔江:最近美国的这个实验研究说明在模拟的原始地球环境中,彗星及小行星等撞击地球时的极端环境下,在特定的范围内不仅不会破坏氨基酸等小分子,而且这个过程中的诸如化学反应机理、是否能促进核酸等大分子合成等问题尚需进一步研究。而且我们注意到首批原始生命的出现是在大规模行星撞击地球停止后的几亿年出现的,这可能意味着需要对大规模行星撞击地球事件对生命起源的意义进行进一步研究。
生命的奇妙之处在于在水溶液中高效脱水
辽宁日报:科学界正在进行生命大分子合成的研究?
王孔江:对,基于蛋白质化学原理,生命起源过程需要在没有蛋白酶催化的条件下形成30个氨基酸残基以上的肽及核酸,近年来这方面的研究取得了较大进展。例如,我们实验室的研究表明,在原始海洋中大量存在的钠离子、氯离子等简单离子能有效促进多肽的合成。矿物表面可以吸附带电荷的肽和核酸。另外,生物大分子并不能独立表现生命现象,只有形成了以蛋白质、核酸为基础的多分子体系时,才能表现生命萌芽。
这些分子体系通过有序性进化的长期过程,其结构、功能日趋复杂和完善,由此产生出原始生命。这里面还有一个关键问题就是遗传密码的起源问题。这些问题都在进一步探讨,目前还未找到确定的答案。
辽宁日报:大家确实都对生命是如何起源的感兴趣,科学研究生命起源就是为了解答这个问题?
王孔江:我们说了地球上生命的起源本身就是一个奇迹,对地球上这一奇迹的发生发展的过程及原理的探索当然是一项激动人心的事业,也是自然科学必须面对的主要任务之一。虽然对这些研究的现实意义尚难评估,但是通过对这一过程的研究它将使我们对生命现象本身有更深的认识,在这个过程可能会形成许多新的原理和发现,可能对化学、生物等科学的促进作用是非常巨大的。
辽宁日报:近几年对火星等太阳系内星际探索的一个任务就是考察是否有生命的存在或者是否有生命起源的条件,其中重要的一项就是要发现是否有“水”的存在,这是为什么?
王孔江:目前生命起源研究的一个公认的原则是,生命体系的很可能是起源于原始海洋,生命起源化学反应是在水溶液中进行的。这就是为什么在火星探测,月球探测等太空计划中,探测水的存在是其主要的科学目标之一“水”的问题也很有意思。根据已知的化学原理,如果没有酶的帮助,水溶液并不适合许多生命体系反应的进行,例如多肽及核酸等生命关键分子的合成反应实质上就是化学上的脱水反应。在水溶液中进行脱水反应无论在热力学或动力学上都是非常不利的。但是生命的奇妙之处就在于,已知生命的所有反应不仅都是在水溶液中进行的,而且是在水溶液中极其高效地进行,这里面的有些机理我们现在还不十分清楚。
辽宁日报:近几年来受到高度关注的海底热泉形成的“黑烟囱”,被认为是地球生命的起源途径之一?
王孔江:近30年来,科学家在世界各地的大洋海底相继发现海底热液和“黑烟囱”(硫化物区),“黑烟囱”附近生物链的生存环境与太古代生命起源时期类似,黑烟囱周围的生物群可以依靠硫化物来生存,而与普通的生物迥异。因为,“黑烟囱”的高温高压环境也可合成生物小分子,所以有专家认为,生命的起源很可能就是从海底的“黑烟囱”开始的。但这目前也只是一种假说,许多问题如这些在极端条件下生命分子的稳定性,分子体系(如自复制的分子体系)的稳定性,原始类细胞体系的稳定性等等问题都有待回答。
□本报记者/刘洪宇
蛋白质
专家档案
王孔江博士,中国科学院生物物理研究所研究员,博士生导师,生物技术课题组长。曾在美国航空航天局NSCORT中心进行博士后研究,研究领域:核酸光化学,蛋白质及氨基酸化学,生命起源。其课题组的研究有助于对生命起源过程中多肽合成的了解。