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生命起源新发现:氨基酸最早形成于宇宙大爆炸后不久

 作者: 来源:36氪 发布时间:2018/7/12 11:12:24 字体大小:

编者按:地球上的生命是怎么来的?想必每个人都思考过这个问题。来自美国西雅图的系统生物学研究所的Stuart Kauffman和他在布达佩斯Eotvos大学的同事经过实验确定了地球上氨基酸最早的形成时间,为我们关于生命起源的思考添加了新元素。本文经授权译自MIT Technology Review原标题为" FIRST EVIDENCE THAT AMINO ACIDS FORMED SOON AFTER THE BIG BANG "的文章。

早在1952年,化学家Stanley Miller和Harold Urey就在是实验室里重现了大约40亿年前地球上存在的环境条件。他们把水、氨、甲烷和氢气混合在一个密封的烧瓶里来模拟早起的大气条件,之后加热烧瓶,并在其中释放点火花来模拟闪电。这个实验之所以出名,是因为在几天之内,这个烧瓶就开始充满了复杂的有机分子,如氨基酸,而这些复杂的有机分子正是生命的组成部分。

这个实验的影响是显而易见的。像氨基酸这种有机分子是组成生命的一部分,如果生命的组成部分很容易产生,那么也许生命本身就也不是那么难创造。这个实验提出了一种可能性,即无论外界的条件是怎样的,宇宙都可能出现生命。

自那以后,天文学家们在其他行星、小行星甚至在星际空间中发现了相同的粒子存在的证据。

这就又引出了一些很有意思的问题。分子是如何在宇宙中形成的,而更复杂的分子又是什么时候出现的呢?这对生命的起源又暗示着什么?

今天,我们从位于美国西雅图的系统生物学研究所的Stuart Kauffman和他在布达佩斯Eotvos大学的同事那里得到了一个答案。他们模拟了分子在早期宇宙中形成的方式,并展示了它们又是如何重新生成天文学家在太空中观察到的化学粒子的。这项工作具有非常重要的意义,它不仅可以帮助我们更进一步理解生命的起源,还能推动我们在实验室里用合成生物学的方式重新创造生命。

首先,我们需要了解一些背景知识。在地球上,生命可能在40亿年前就开始存在了,那时地球的环境条件和今天的情况完全不同。Miller和Urey在他们著名的实验中再现了一些早起地球的环境条件。

但是,地球是如何在一开始就产生这种混合物的呢?天文学家可以在太空中看到一些简单分子的存在的证据,比如水和氨,但也可以看到更复杂的分子,如多环芳烃和氨基酸。那么,这种混合物是如何产生的呢?

广义的答案是,大爆炸产生了大量的氢和氦,这些氢和氦融合在第一颗恒星中,产生了更重的元素,如碳、氧和氮,进一步的恒星形成过程造就了我们今天在地球上看到的更重的元素。(“大爆炸宇宙论”是现代宇宙学中最有影响的一种学说。它的主要观点是认为宇宙曾有一段从热到冷的演化史。在这个时期里,宇宙体系在不断地膨胀,使物质密度从密到稀地演化,如同一次规模巨大的爆炸。)

但是这些元素是如何结合形成分子的,具体方式还不清楚。一个原因是:对于原子来说,其可能形成的分子的种类数量是巨大的。Kauffman和他的同事说:“能够形成的不同类型分子的数量会随着构成它们的原子数量增加而呈指数级增长。”

所以他们的办法是只关注这些原子可能形成的分子的质量,这样可以简化问题。因为这样就把要研究考虑的对象变得更少了,所以更容易研究,因为很多不同的分子都有相同的质量。

从地球上分子的质量分布开始是一个很好的研究起点,因为它代表了科学界所知的多数化学多样性环境。

因此,Kauffman和他的同事研究了地球上分子质量的分布,他们从PubChem数据库中提取了9000多万分子的数据,其中绝大多数分子都是天然形成的。在这个地球上的分子样本质量分布中,最多的是达到了290道尔顿(质量相当于24个碳原子。原子质量单位有时称统一原子质量单位,或道尔顿,是用来衡量原子或分子质量的单位,它被定义为碳12原子质量的1/12)。

然而,很多不同的分子都有相同的质量。这个分布图形显示有一个长尾,证明样本中存在质量达上千道尔顿的的高质量分子。接下来,研究人员将这个分子质量分布与默奇森陨石上分子质量的分布进行了比较。默奇森陨石是一个大型的、经过充分研究的太空岩石,于1969年坠落在澳大利亚的Murchison镇。

各种分析表明,这块默奇森陨石至少含有58 000个不同的分子。但由于实验的限制,他们不能测量到200道尔顿以下和2000道尔顿以上质量的分子,因此Kauffman和他的同事必须想办法纠正这一漏洞。

默奇森陨石中分子与PubChem数据库中提取的分子有相似的质量分布。默奇森陨石中大多数分子的质量集中在240道尔顿左右,并且分布也有一个延伸的尾巴。这是非常有用的,因为默奇森陨石可以追溯到大约50亿年前太阳系形成的时候,这使它成为了早期化学进化的缩影。

这篇论文的关键思想是,通过比较这两种分布,有可能发现复杂的分子第一次形成的时间。

这个难题的一个重要部分是研究出这种分布模式是如何产生的。为了找到答案,Kauffman和他的同事研究了所有可能的化学物质空间,并发现分子可以以两种不同的方式形成。

在第一种方式下,较大的分子是由较小分子在随机积累中的反应形成的。研究人员说:“在这个过程中,几乎所有可能的小分子和成分在一段时间后就会被创造出来。”

然而,随机积累不能解释大分子的分布。Kauffman和他的同事说,它们些必须在一个不同的过程中形成,称为“优先依附”。他们说:“例如,肽链或多环芳烃不是通过随机积累的原子积累起来的,而主要是由氨基酸和芳香环等更大的粒子的积累来的。”

问题的关键是不同的分子形成过程会导致不同的分子质量分布。随机积累导致的峰值为240道尔顿,而小分子的形成相对较快。“优先依附”方式创造的是分布中的长尾部分,即更大的分子,这肯定是后来才形成的。

通过比较这两种分布在默奇森陨石和地球上的相对大小,应该有可能推断出“优先依附”的过程是何时开始的——换句话说,何时氨基酸首次出现在宇宙中。

这正是Kauffman和他的同事所做的事情。答案是:氨基酸首次出现在大爆炸后的1.68亿年,放眼整个宇宙,仅仅是一眨眼的时间。

Kauffman和他的同事与Miller-Urey的实验角度不同。这个实验并没有模拟地球上出现生命时的条件,而是再造了氨基酸在早期宇宙中形成的条件。事实上,氨基酸的产生时间似乎比我们想象的要早得多。

这对我们关于生命起源的思考有着重要的意义。Kauffman和他的同事说:“研究结果表明,生命的主要成分,如氨基酸、核苷酸和其他关键分子,在生命出现之前就已经存在了大约80-90亿年。”

由于地球上生命进化的精确条件又需要80到90亿年的时间形成,氨基酸不能成为生命潜在的标志,这点在Urey-Miller实验以后已经被证明。Kauffman和他的同事说:“在样本中存在氨基酸绝不能预示着存在生命。”

这也解释了为什么像Urey和Miller实验的延伸实验在几个月甚至几年里都一直没有产生任何有趣的结果。

即使是计算机模拟生命的起源,也从未有明确的证据表明,如何从氨基酸到自动催化化学网络,再到自我复制生命分子的。

这让一些人不再那么肯定宇宙充满生命。相反,研究生命起源的生物学家需要更仔细地观察生物(或者Kauffman和他的同事所称的“后化学”)进化发生的特殊条件。他们说:“生命的秘密是在这些分子的相互作用和化学后进化过程中进行编码的。”

显然,对于是生命起源这件事情的研究,道阻且长,仍需努力。

信源地址:/html/shownews.aspx          
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