科学家模拟地球最早的日子并见证了生命开始出现

科学家模拟地球最早的日子并见证了生命开始出现(图1)

读完这个故事,你将了解到以下内容:

一种主流理论认为,生命起源于非生物性的火山热泉中,其中元素、水和能量的恰当组合促使化学反应形成最早的原细胞。

为了进一步检验这一假设,一项新研究利用3D打印技术制作了一个复杂系统,旨在模拟远古地球上的热泉场。

在测试该系统时,团队成功形成了能够包裹引入RNA的囊泡,基本上构建出了原始细胞。

尽管人类一直在寻找外星生命,但迄今为止我们发现的唯一生物(无论是微生物还是其他形式)都存在于地球之上。如果我们知道生命最初是如何以及在地球上的哪个地方诞生的,那么在其他星球上探测生命或许会变得更容易一些——毕竟,要找到某种东西,首先就得知道在哪儿寻找。目前,寻找生命的真相仍是一个未解之谜,但随着时间推移,几种主流假说已逐渐浮现。

其中一种被称为“热泉假说”的理论认为,我们已知生命起源的摇篮是若干火山热泉,这些热泉提供了驱动化学反应所需的元素、水和能量,最终催生出原始细胞。该理论中的一个关键环节是所谓的湿-干循环过程。研究表明,通过湿-干循环,关键的聚合物(如RNA和肽类)可以被合成出来,干燥阶段促进缩合反应,而湿润阶段则有助于分子扩散。在实验室中,这一过程已被证实能够创造出原始代谢活动以及前细胞系统所需的条件——这目前仍属假设的前生命阶段,包含了生命早期的非细胞形式,即最后通用共同祖先LUCA。

然而,验证“热泉假说”却很困难,因为许多研究往往仅限于模拟单一水池中的WD循环。但最近一项发表在《天体生物学》期刊上的研究则更进一步:来自澳大利亚新南威尔士大学和科廷大学的研究团队精心使用3D打印技术制作了一个完整的化学水池系统,以模拟古代热泉场,这些热泉场或许正是早期生命诞生的起点。

现存的热泉场通常由多层池群网络构成,这些池群通过地表通道和地下脉络网络相互连接,水流主要由重力、喷泉溅射以及周期性的蒸发—沉淀循环驱动。“以往的研究主要集中于模拟单个池塘内的WD循环,这使得无法再现许多热泉场的实际条件,例如不同矿物组成以及多个热泉池之间及内部的温度、pH值和水流变化。”作者写道。

该系统包含一组由3D打印而成的杯状结构,由Arduino Uno控制器进行管理,可独立调节每个“池”中的温度——部分池水被加热至接近沸腾,而其他相邻池水则保持温热状态,这模拟了真实世界中热泉场的环境。为测试该系统,研究人员通过反复干燥和重新填充池水(即WD循环),并在每个池中加入来自陨石样本中的脂肪酸,以制造出被称为囊泡的脂质膜(这些是早期原细胞的关键成分)。该系统不仅成功生成了囊泡,还最终显示出囊泡包裹了引入的RNA分子,从而形成了原始的原细胞雏形。

该模型热泉池模拟器非常适合用于研究原细胞形成以及聚合物封装方面的实验,“作者写道。该模拟器的模块化特性将使研究人员能够设计并测试更先进的原型,以开展未来实验,旨在将地质化学复杂性与前生命化学联系起来。”

热泉作为生命形成可能候选地的进一步确认,可能会对在其他星球上寻找生命的探索产生巨大影响。毕竟,物理法则在整个宇宙中都是相同的,只要具备水、化学物质和能量,这里发生的事情在技术上也完全可以发生在任何地方。