全景科学 ·

生命起源于小池塘,而不是海洋?

○ 南极洲的唐胡安池。| 图片来源:Pierre Roudier/Flickr


来源丨原理(ID:principia1687)

 

地球上的第一种生命形式出现在哪?是海洋吗?麻省理工学院的一项新研究发现,相比于海洋,原始的池塘可能更适合孕育地球上的第一种生命形式。

研究人员报告说,深度为10厘米左右的浅水可能含有高浓度的,而氮被许多科学家认为是地球上生命起源的关键成分。

按照研究人员的说法,在浅水池塘中,氮以氮氧化物的形式存在,它很有可能会积累到足够的量,与其他化合物发生反应,从而产生第一种生物体。而在更深的海洋中,氮会很难积累形成重要的、具有生命催化作用的物质。

这篇论文的主要作者Sukrit Ranjan是麻省理工学院地球、大气与行星科学系(EAPS)的博士后,他表示:“总的来说我们的意思是,如果你也像许多人一样,认为生命的起源需要含氮化合物,那么就要知道让生命的起源发生在海洋中是件很难的事情。”

破坏连接

如果原始生命确实起源于某个与氮相关的关键反应,那么科学家认为这种情况的发生可能有两种方式:

第一种假说认为,与生命起源有关的化学反应发生在深海中,那里的氮以氮氧化物的形式存在,它们能与从深海热泉冒出来的二氧化碳发生反应,形成构建了生命的第一批分子。

第二种基于氮的假说涉及到RNA,也就是如今帮助我们编码遗传信息的分子。原始形态的RNA很可能是一种自由漂浮的分子。一些科学家认为,当RNA与氮氧化物接触时,或许会被化学诱导形成最早的生命分子链。RNA的这种形成过程可以发生在海洋中,也可以发生在浅水湖泊和池塘中。

氮氧化物可能作为氮在地球大气中分解后留下的残余,沉积在海洋和池塘等水体中。大气中的氮由两个氮原子组成,它们通过很强的三价键连接在一起,只有像闪电这样的极端高能事件才可能破坏这种连接。Ranjan解释说:“闪电就像剧烈的炸弹爆炸,它产生的能量足以破坏大气中氮分子间的三价键,产生的氮氧化物会并随着雨水降落到水体中。”

科学家认为,在早期大气中可能存在足够多的闪电来产生丰富的氮氧化物,为海洋生命的起源提供燃料。科学家假设,一旦这些化合物进入海洋,闪电产生的氮氧化物的供应就会相对稳定。

然而,在这项新研究中,Ranjan发现了两种有可能摧毁大量氮氧化物的重要效应,这些效应在海洋中尤其显著。他和同事们查阅科学文献后发现,水中的氮氧化物会以两种方式分解:一种是氮氧化物会与太阳的紫外线相互作用,另一种是氮氧化物会与脱落于原始海洋岩石中的溶解铁相互作用

Ranjan表示,无论是紫外线还是溶解的铁,都有可能让海洋中很大一部分的氮氧化物遭殃,将这些化合物转化成气态氮重新送回大气中。这两个效应之前人们从未考虑过的两个重大因素,如果将它们纳入计算,那么就会发现海洋中氮氧化物的浓度就只有之前计算结果的1/1000

浅水池塘的优势

在海洋中,紫外线和溶解铁会导致合成生物体所需的氮氧化物大大减少。然而,在浅水池塘里,生命会有更好的机会扎根。这主要是因为池塘中能够稀释化合物的水量要少得多,因此池塘中氮氧化物的累积浓度也会高得多。包括紫外线和溶解铁之类的任何破坏效应对化合物的总体浓度影响都会更小。

Ranjan表示,池塘越浅,氮氧化物就越有可能与其他分子,特别是RNA相互作用,从而催化出第一种生物体。他说:“这些池塘可能有10到100厘米深,表面积在数十平方米以上。它们可能与今天南极洲的唐胡安池(Don Juan Pond)相似,在夏天,唐胡安池的池水深度大约为10厘米。”

可能这样的水体看起来并不算大,但Ranjan说这正是关键所在:在更深或更大的环境中,氮氧化物会被稀释得太多,从而会阻碍任何与生命起源有关的化学过程一些其他的研究小组估计,大约39亿年前,也就是恰好在地球上首次出现生命迹象之前,全世界可能有大约500平方公里的浅水池塘和湖泊。

Ranjan说:“与我们今天拥有的湖泊面积相比,这非常之小。然而,相比于研究生命起源之前的化学家所假定的表面积来说,这已经足够了。”

生命是起源于池塘还是海洋?这个争论仍然没有平息,但Ranjan的新研究为前者提供了一个令人信服的证据。

Ranjan认为,与其说这门学科的每一次进展就像是推倒了一排多米诺骨牌,倒不如说是在建造一座大教堂。在这个过程中,我们不会有真正的恍然大悟的时刻:“它更像是耐心地积累一次又一次的观察,而整体而言,最终出现的景象是——许多前生物合成途径的化学反应似乎更容易在池塘中实现,而不是在海洋中。”

参考链接:

http://news.mit.edu/2019/earth-earliest-life-ponds-not-oceans-0412

本文转载自公众号“原理”(ID:principia1687)

 

参与评论