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假說眾多 新研究探索深海中生命起源的秘密

假說眾多 新研究探索深海中生命起源的秘密

■本報記者 張文靜

地球上的生命是怎樣開始出現的?這是人類最關心的問題之一,也是全世界科學家一直致力於研究但仍沒有定論的課題。最近,英國《自然》雜誌發表的一項研究成果稱,科學家發現了在至少37.7億年前深海熱液口及其周圍微生物活動的證據,這可能代表著地球上最早期的生命形式。這一發現為生命起源的探索增加了新的認識。

37.7億年前地球海洋已存在生命

深海熱液附近聚集著大量的生物,被科學家認為很可能是地球上最早支持生命活動的環境之一。

為了在深海熱液環境中搜索早期生命的跡象,來自英國倫敦大學學院的研究人員馬修·多德和同事對來自加拿大北部努瓦吉圖克綠岩帶的碧玉岩進行了分析,它們被認為是來自古時的深海熱液。此前的研究已作出預估,努瓦吉圖克綠岩帶具有37.7億年至42.9億年左右的歷史。

在研究中,研究人員觀察了這些岩石中保存的管狀和絲狀結構,它們看起來類似於在其他海底熱液環境中發現的細菌生命的結構。這些岩石中還保留了另一些重要特徵,如氧化鐵顆粒和碳酸鹽岩,它們被認為代表了生物活性。

2016年9月,《自然》雜誌就曾發表研究稱,在格陵蘭島37億年岩石中發現了疊層石,即微生物群落造成的地質結構,這項成果或許創造了地球上最古老生命跡象的新紀錄。而此次研究團隊的新發現,是對這一成果的重要補充。疊層石只形成於有光照的海洋表面水域,而新發現的生命跡象來自深海熱液,這表明在如此早期的地球上,從海洋表面到其深處,都已經有生命存在了。

「對地球生命起源時間的研究有助於我們推測當時地球的環境,進而推測當時出現的生命形態特徵。」上海交通大學生命科學技術學院教授王風平告訴《科學報》記者,對早期生命的研究是非常困難的。因為隨著地球環境的變化,我們只能拿到有機分子作為證據,它們當然不可能有活的,而且很容易被風化、污染、變質。科學家此前進行了很多研究,有些獲得的證據後來又被推翻了。所以至今在科學界,對於早期生命的形式、出現的時間等問題仍然存在著爭議。

在王風平看來,此次英國研究人員的成果意義在於,他們拿到了重要的樣品,排除了污染等不確定因素的影響,用精細的工作從不同方面驗證了微生物來源,並取得了較為可靠的數據。從這些微生物的結構上來看,它們與現在深海熱泉口的鐵氧化細菌在特徵上很相似。這為地球生命起源於深海熱液的假說提供了一個佐證。

生命起源假說眾多

對於地球上的生命起源,目前假說眾多。其中,有「原始湯」起源說,認為早期地球的海洋中產生了存在有機分子的「原始湯」,這些有機分子是閃電等能源對原始大氣中的甲烷、氨和氫等的物理化學作用而形成的;有「泥土造物」起源說,認為最早的有機生命體應該起源於泥土,泥土不僅使有機微粒聚在一起,更幫助它們逐步形成我們今天的基因模式;還有「外來星球輸入」假說等。隨著人類對海底熱液噴口及其生態系統研究的深入,科學家發現深海熱液環境與地球早期的環境非常相似,熱液微生物具有不依賴於太陽光、嗜熱等特性。於是,生命起源於深海熱液的假說也逐漸成為科學家的研究重點之一。

「這些假說都有各自的立足點,也不能說就是『相互排斥』,有些還互相補充。」王風平說。

王風平的工作就與探索深海環境中早期生命跡象密切相關。2009年,王風平隨美國阿爾文號深潛器在瓜伊馬斯海盆下潛到2012米深,進行以「深海熱液口的黑暗生命研究」為主題的研究,成為當時下潛最深的女科學家。

早在20世紀30年代,美國斯克利普斯海洋研究所的生物學家克勞德·左貝爾和同事就證實了海洋沉積物中存在微生物,並推測一些重要的生化過程可能正在沉積物中發生,如水解、氨化、生產甲烷、纖維素和葡萄糖降解等。

此後深海熱液起源假說的發現和進展是伴隨著幾十年來全球海洋地質調查進行的。

1979年,阿爾文號深潛器首次在太平洋的加拉帕戈斯洋中脊發現了深海熱液噴口和熱液生態系統。在2500米深處的熱液口環境中,研究人員發現了大量自養微生物。這些微生物不以陽光、氧氣為能量維繫生命,而以環境中大量存在的硫化物為「食物」,並且作為生產者供應著整個熱液生態系統中的約三百多種新型動物物種。隨後,國際大洋鑽探計劃的科學家於1994年在海床下數百米深的沉積物樣品中又發現了具有活性的微生物。

深海之下,可能隱藏著地球生命起源的秘密。

還需繼續探索

在對深海早期生命形式的研究中,對古菌的發現和研究近期取得了一些突破性的進展。

1990年,美國伊利諾伊大學微生物系教授卡爾·烏斯在《美國國家科學院院報》上發表了研究成果,他發現了一種能產生甲烷的微生物,它從外形上看是與大腸桿菌一樣的「細菌」,但核糖體RNA序列上卻顯示它與大腸桿菌並不是「近親」,反而與那些在高濃度鹽水中生長或者在沸騰熱泉中生長的微生物關係非常親密。

產生甲烷、害怕氧氣、高鹽、高溫,這些條件讓卡爾·烏斯聯想到地球早期的環境。他據此推斷,這些微生物「很可能是地球上最古老的生命」。卡爾·烏斯把這類微生物稱為「古菌」,將其與細菌、真核生物並列組成了「三域系統」。

2015年,瑞典烏普薩拉大學的研究人員泰斯·艾特瑪在《自然》上在線發表文章,論述了其發現的一種具有里程碑意義的新古菌——洛基古菌。儘管屬古菌域,洛基古菌卻與真核生物共有許多基因,比如從前只在真核生物中被發現過的構成細胞骨架的蛋白質。泰斯·艾特瑪認為,洛基古菌的發現填補了古菌如何演化成真核細胞的空白,這也是從簡單細胞到複雜細胞的進化過程中缺失的一環。

「泰斯·艾特瑪剛剛又在《自然》上發表一篇文章,將洛基古菌的範圍擴大了。」王風平介紹說。

2013年,王風平帶領的研究小組發現MCG古菌在系統發育上處於一個新分支,顯著不同於目前分類已確定的所有古菌門類。因此,他們提議將MCG古菌歸類於一個全新的門類,命名為「深古菌門」。這項成果發表在《國際微生物生態學會會刊》,是目前首個由學者提議的古菌門分類,被認為是在古菌和生命起源及演化研究的重要貢獻之一。此後,王風平團隊首次發現和證實了古菌具有自養產乙酸的代謝方式,這項研究成果發表在《自然》的子刊《自然—微生物》上。

「深古菌門提出后,又有很多新的研究跟上去,得到了不少有趣的發現。」王風平說,「比如在深古菌門內發現了一種與甲烷代謝密切相關的關鍵的酶,具有這個酶就可以產生甲烷或者吸收甲烷。在這個酶被發現之前,人們認為只有全古菌門能代謝甲烷,現在擴展到了深古菌門。因為甲烷的代謝途徑被認為是非常古老的,所以這個發現與生命起源很有關係。」

如今,在生命起源領域,科學家們正在做著抽絲剝繭般的研究。「我們也要特別小心,因為現在的工作很可能是盲人摸象,我們只摸到了一個部分。未來我們會更注重較為整體和全面的視角,包括提出微生物組學等,因為很多時候生物起作用也是需要合作的,而不是孤立的。對於生命起源的研究,還有很多未知領域值得去挖掘。」王風平說。

《科學報》 (2017-03-24 第4版 自然)
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