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化学世界的未解之谜——生命从何而来?

化学世界的未解之谜——生命从何而来?

    距地球上第一种生物从无生命物质中诞生,至今已近40亿年,但最初的生命是如何出现的,至今仍是个谜。那些相对简单的分子,最初如何从“原始汤”里创生出 来,并形成越来越复杂的化合物?这些化合物又如何开始进行能量代谢,并完成自我复制(这两者是定义生命的两个特性)?当然,在分子水平上,所有这些步骤都 是化学反应,也正因为如此,“生命从何而来”成了一个化学问题。

    关于这个问题,对科学家的挑战不再是构想出那些看似合理的假说,因为这样的假说已经太多了。例如,有研究者推断,在第一种能够自我复制的聚合物(类似 DNA或蛋白质一类的分子,是由许多更小单位构成的长链)的形成过程中,泥土等矿物质可能起到了催化剂的作用。还有人认为,正是因为深海热泉源源不断地提 供能量,才会产生结构复杂的化学物质。此外,还有研究者提出,地球上曾存在一个RNA(核糖核酸)世界,这个世界出现在DNA和蛋白质诞生之前。在这个世 界中,DNA(脱氧核糖核酸)的近亲RNA(它可以被看作是一种酶,并且可以像蛋白质那样催化化学反应)无处不在。

    我们现在要做的就是,找到一种方法,在加热的试管里面触发化学反应,验证上面提到的那些假说。科学家已经取得了一些进展,他们的研究表明,一些化学物质可 以自发排列,形成更加复杂的结构——例如氨基酸,还有众所周知的核苷酸(nucleotides,DNA的组成单元)。2009年,现供职于英国医学研究 委员会剑桥分子生物学实验室的约翰·萨瑟兰德(John Sutherland)所带领的团队已经证实,在“原始汤”中,确实可能存在自发的核苷酸合成过程。

    其他一些科学家则着重研究了特定RNA类似于酶的催化特性,为“RNA世界假说”提供了一些证据。通过这些步骤,科学家也许可以弄清楚,无生命物质如何转变成能自我复制、自我维持的系统,从而填补生命进化史上的这个缺失环节。

    由于科学家对太阳系奇特而丰饶的环境有了更深的认识——火星上曾经存在过液态水;土星卫星泰坦(Titan,土卫六)上有着甲烷海洋;木星卫星欧罗巴 (Europa,木卫二)和加尼米德(Ganymede,木卫三)的冰层之下,似乎潜藏着冰冷的咸海,因此地球生命的起源似乎只是一些宏大问题的一部分: 在哪些环境中,生命才会出现?生命的化学基础可以有多大的不同?过去16年,科学家已经发现了500多颗围绕着其他恒星运转的太阳系外行星,这些光怪陆离 的外星世界也让前述问题变得更加迷人。

    这些发现促使化学家展开想象,去创想原始生命可能的化学构成。例如,美国航空航天局(NASA)一直认为,液态水是生命存在的先决条件,但现在科学家却认 为不一定非得这样。液态氨、甲酰胺(formamide,一种油状溶剂,类似液态甲烷)或者木星上的超临界氢(super-critical hydrogen)可不可以充当其他生命的“水”?为什么生命必须要以DNA、RNA和蛋白质为基础?毕竟,科学家已经研制出了一些人造化学系统,只要有 合适的组成成分,它们不需要核酸就能完成复制。从本质上说,一个可以充当模板进行自我复制,并能与“复制品”分开的分子系统似乎就算是生命。

    美国应用分子进化基金会的化学家史蒂文·班纳(Steven Benner)说,当我们的研究只局限于地球生命时,“我们没法说清楚,它们之间的那些相似性(比如都会使用DNA和蛋白质)到底代表了它们来自同一祖先,还是说生命都需要是这样”。不过,如果我们坚持认为,我们看到的才是真实的,“那我们的研究就太没意思了”。

(责任编辑:化学自习室)
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