达尔文关于早期生命的直觉可能是正确的

查尔斯-达尔文有一些相当好的想法。他最著名的是自然选择的进化论,它解释了我们所知道的关于地球上生命的大部分情况。但他也思考了许多其他的问题。在一封写给朋友的的信中,他提出了一个关于第一个生命如何形成的说法。

大约150年后,这封信提出的猜想非常有先见之明,甚至有可能是正确的预言。

与流行的看法相反,达尔文并不是第一个提出物种进化理论的人。动物种群会随着时间的推移而发生变化,例如今天的长颈鹿比它们的远古祖先的脖子更长,这一观点在19世纪就被广泛讨论。

恰恰相反,达尔文的主要贡献是概述了一种进化的机制:自然选择。这个想法是一个物种中的动物相互竞争,以获得食物、住所,并最终获得繁殖能力。只有最合适的人,也就是最适合环境的人,才会成功繁殖,所以他们的有益性状会传给下一代,变得更加普遍。所以,如果说脖子长对长颈鹿有帮助,那么经过几代长颈鹿的努力,脖子较长的长颈鹿就会大量繁殖,直到达到最佳的脖子长度。达尔文在1859年的著作《物种起源》中阐述了这一点。

进化的事实暗示了生命是如何开始的。进化论告诉我们,看似不同的物种有可能是远亲,他们的祖先可能是同一类物种。例如,我们最亲近的活体亲属是黑猩猩:我们共同的祖先至少生活在700万年前。

更重要的是,每一种生物体归根结底都是由一个单一的祖先繁衍而来:最后一个宇宙共同的祖先(Luca),它生活在35亿年前,当时地球刚刚形成。

然而,进化论并没有告诉我们第一个生命是如何形成的:它只告诉我们现有生命是如何以及为什么会发生变化。

达尔文在1871年写给朋友的信中简要地阐述了他的理论

生命是如何形成的

对生命起源的研究直到20世纪50年代才拉开序幕。那时许多科学家怀疑生命起源于海洋。他们认为,许多碳基化学物质在年轻的地球上形成,并溶解在海洋中,海洋变得浓稠而集中:即所谓的 "原始汤"。这是20世纪20年代由一位名叫亚历山大-奥帕林的苏联生物学家提出的。

1953年,一位名叫斯坦利-米勒的年轻美国学生证明,蛋白质的组成成分氨基酸可以在一个简单的仪器中形成,这个仪器模仿了原始海洋和大气。

生命起源于海洋的观点在数十年内一直占据主导地位,但有一个明显的问题。海洋是巨大的,所以除非碳基化学物质以惊人的数量制造,否则它们可能会漂流多年,永远不会相遇。"它会有太多的水和太少的分子,"英国剑桥MRC分子生物学实验室的克劳迪娅-邦菲奥说。

一个备受争论的替代方案是,生命可能始于像大西洋中部失落之城那样的碱性喷口。在那里,来自海底的富含矿物质的热水通过岩石渗出,形成了诡异的白色尖顶。这些喷口是丰富的化学能源来源,可能为第一批生物提供燃料。

但根据2020年5月发表的一篇评论,在碱性喷口条件下,"尚未证明 "可以直接合成氨基酸或核碱基--这两种物质对我们所知的生命至关重要。

这就把我们带回了达尔文的理论。

达尔文的一封信

达尔文从来没有在他的书中写过生命是如何开始的,但他私下里有过推测。

关键的文件是他在1871年2月1日写给他的好友,自然科学家约瑟夫·道尔顿·胡克的一封信。这封信距今已经有近150年的历史了。它很短--只有四段--由于达尔文的笔迹很凌乱,所以很难读懂。在信中,达尔文在简要讨论了关于霉菌的一些实验后,概述了一个假说的雏形。

"人们常说,第一次生产生物体的所有条件 现在都已经存在了,这可能已经存在了。但是,如果(哦,多么大的如果)我们能设想在某个温暖的小池塘里,有各种氨和磷盐、光、热、电等存在,一种蛋白质化合物已在化学上形成,准备进行更复杂的变化,在现在这样的物质[将]立即被吞噬,或被吸收,这在生物形成之前是不会出现的。"

“人们常说,第一次产生生命有机体的所有条件现在都具备了,而这些条件本来是可以具备的。但是,如果我们能够在温暖的小池塘里构想出各种各样的氨和磷酸盐、光、热、电等,一种蛋白质化合物是通过化学方法形成的,可以进行更为复杂的变化,那么这种物质(如果是这样的话)就会立即被吞噬或吸收。而在生物形成之前,这种情况是不可能发生的。”

达尔文提出,生命的起源,不是在开阔的海洋中,而是在陆地上一个较小的水体中开始的。这需要一点解读,部分原因是几个想法被卡在一起:这读起来好像达尔文在写下他的假说时也在思考。但核心思想很简单。

水池可能是孕育生命的温床,因为生命的化学构件会随着白天水的蒸发而集中起来

这在本质上是原始汤的想法,但有一个优点:在池子里,当水在一天的高温下蒸发时,任何溶解的化学物质都会变得集中。生命物质的最初合成将由光、热和化学能的某种组合来推动。

在许多方面,达尔文的想法不可否认是不完整的,但不能因此而责怪他。他是在DNA等核酸被发现之前写的这封信,在生物学家对基因如何工作一无所知的时候,活体细胞的内部运作原理很大程度上还是个谜。达尔文想象生命是从蛋白质开始的,但没有人真正知道蛋白质是什么:直到1902年,人们才明白蛋白质是氨基酸链。

但同样的基本轮廓至今仍在追寻,许多研究者坚信达尔文提出的雏形是我们对生命起源的最好解释。

光与热

一位研究人员的工作与池塘环境相适应,她就是威斯康星大学麦迪逊分校的莉娜·文森特--尽管她更愿意保持开放的心态。

她正试图创造出一组化学物质,作为一个群体复制自己。最简单的例子是一对化学物质A和B,其中每一个都有能力制造另一个,所以A制造了B,B制造了A,这样的一对化学物质将能够进行自我复制,尽管两者都不能单独复制。在实践中,化学物质的组合比这更复杂,但原理是一样的。

最关键的是,文森特在矿物的表面进行实验。如果关键化学物质在矿物表面,"它们更有可能发生反应并相互接触,"她说。这些化学物质也可以竞争性地附着在矿物上。"我们认为,这可以创造你需要的环境,以便看到竞争优势,这也许是进化的前兆"。

池塘,就其性质而言,被粘土等矿物表面所包围。

他正在稳步推进生成复杂核酸的完整方案--凯特-阿达玛拉。

还有很多证据表明,阳光中的紫外线辐射可以推动关键生物化学物质的形成--特别是RNA,一种类似于DNA的核酸,被认为是创造第一个生命的关键成分。这样的过程只能发生在光线充足的地方--这又指向了一个小水体而不是深海。

英国剑桥MRC分子生物学实验室的约翰-萨瑟兰是一个关键人物。2009年,他证明了RNA的四个构件中有两个是由简单的碳基化学物质形成的,前提对它们进行简单的处理,比如沐浴在紫外线辐射中。

科学家认为,与大片的深海相比,孤立的小水潭更有可能孕育出早期生命

此后,他又证明了,同样的起始化学物质,经过微妙的不同处理,也可以成为蛋白质的构件,或构成细胞外膜的脂肪脂质的基本成分。

明尼阿波利斯的明尼苏达大学的凯特-阿达玛拉说:"他正在稳步走向合成长复杂核酸的完整方案"。

生命的摇篮

一种理论认为"波动的火山温泉池 "是最有可能让生命开始的环境。另一个替代方案是:一个陨石坑,溪流从两边流下,在底部的池子里汇合。目前还不清楚哪种情况更可信。此外,许多年轻的研究人员还特别指出,他们并不致力于一种或另一种方案,他们认为现在的研究现状是对能够产生生命的条件还不够了解,不能排除任何能生成生命物质的途径。

尽管碱性喷口假说存在问题,但许多研究人员仍然非常看待这一假说。

然而,很明显的是,达尔文的想法是有远见的。他设想了一系列化学物质需要集中在一个小空间里,以及需要一种能够驱动化学反应的能量来源。

"就像达尔文的许多见解一样,"文森特说,温暖的小池塘假说 "非常有先见之明"。

她特别指出,达尔文在信中还提到了另外一点,这一点 "没有得到充分的重视"。"在那个温暖的小池塘里发生的过程可能很容易发生,以至于它们一直在发生。"她说。“我们可能看不到它,只是因为,每当一种新的蛋白质或类似的物质自然形成时,一种饥饿的细菌就会把它吞噬掉”。

"我们谈论生命的起源,就像它是发生在过去深处的东西,"文森特说。"但这是一件即使在现在也可能经常发生的事情。"

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