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生命是如何开始的?是如何从非生物起源的化合物中诞生?

新浪科技2022-02-21 11:33:170阅

现在,早先在液态水存在时已被改变的地壳物质在冥古宙(即从地球诞生到大约40亿年前)期间发生了早期再循环。可能包括俯冲作用。这一观测结果为水文循环提供了证据,关于该时期可能存在早期海洋的观点已经使地球最早期环境的讨论转向一个共识,初始板块发生了边界相互作用,即这些环境条件可能有利于生命的出现。此前认为,来自最古老锆石的地球化学数据表明,冥古宙时期温度太高,并表明当时地表温度相对较低;早期地壳分异形成富硅岩;甚至在这一时期,地球表面不可能存在液态水。

一些构造模型表明,冥古宙时期可能出现了有利于新生大陆形成的条件。热点的火山活动和大规模撞击事件也可能导致了高出海平面的地形高地。另一个重要的问题是地壳何时出现在海洋表面之上。

对于研究生命起源基本问题的人来说,早期地球不同环境之间相互关联的性质,越来越复杂的早期地球全球和局部环境演化模型已经成为重要的研究目标之一。因此,以及生命的化学构造块与承载这些分子的局部地质条件之间的相互作用,在必要的环境背景下探索生命的起源,水-岩界面上发生的化学演变,必须有前生命化学家、生物地球化学家、天体生物学家、大气科学家、地质学家、地球物理学家、天文学家和行星科学家的通力合作。都是生命起源研究的关键。

与这些过程有关的不确定性、影响和相互关系,这并不令人惊讶,都需要进一步加以研究。毕竟科学家们追溯了40多亿年的时间跨度,与生命起源相关的研究和假说充满了不确定性和争论,希望拼凑出这些高度复杂的过程。

并且将我们对冥古宙的理解转化为这些实验的精细边界条件。与此同时,科学家们必须质疑以往的假说,但生命的起源仍然是未解之谜。前生命化学领域的实验需要解释目前在全球和局部尺度上对早期地球的理解,并重新审视关于早期地球的未知因素,尽管对地球历史及其共同进化的生物圈的研究取得了巨大的进步,并将这些不确定性整合到他们的实验和模型中。

暴露的陆地也可能是前生命化学演变的关键。暴露在大气中的陆地经历了干湿循环,使化合物蒸发、浓缩。这些过程可能驱动了细胞基础构件的组装,如形成封闭囊泡的类脂化合物,使遗传信息的封装和代谢网络的建立成为可能。类似的过程也可能支持这些前体逐渐向自我维持的功能系统过渡。然而,尽管陆地在一些关于前生命世界的观点中处于中心地位,但冥古宙时期是否有可能出现陆地,目前仍然没有确切的结论。

年轻太阳照耀下的地球

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这一假想的地球早期海底场景描绘了一个大洋中脊扩张中心,“黑烟囱”在这里释放高温热液,金属离子和硫化物(黄点)与较冷的海水相互作用,在海底形成沉淀物。图中还显示了“白烟囱”排放的冷却液体,各种碳酸盐和蛇纹石矿物组合从中沉淀下来,并可能产生氢,有助于有机化合物的非生物合成。由于溶解铁的存在,海洋主要呈绿色。上部水柱中的光化学作用导致溶解的铁氧化为不溶的铁相,如图所示为赤铁矿(红点)或“绿锈”(绿点)。

撞击事件除了输入或产生必要的有机分子外,还可能以其他方式帮助了生命的起源,特别是通过刺激热液活动。早期撞击事件产生的各种结果,可能既有利于生命的起源,也对生命的起源构成挑战。这仍然是一个重要的研究课题。

已知最早的微体化石保存在太古代的岩石中,可以追溯到大约35亿年前。不过,即使是如此古老的微生物也有祖先,再往前追溯约6亿年,它们所留下的生物活动痕迹可能就保存在地质记录中,成为某种化学“化石”。地球上第一批生物究竟在何时出现,以什么样的方式出现,仍然是难以回答的科学问题。然而,有一个关键事实是确定的:生命出现的最初阶段与地球最早期环境的化学和物理条件的演变紧密交织在一起。

长期以来,不同领域的科学家们一直在思索一个问题:生命是如何从非生物起源的化合物(即前生物分子)发展而来的?然而,迄今为止所测试的前生命化学条件,包括特定种类的分子及其周围环境等,都未被证明能够在现实的行星条件下发挥作用。了解地球最初的化学环境,将有助于确定最终产生生命的非生物化学途径。由于这一知识空白,以及在早期海洋、大气和大陆的地质、地球物理和地球化学等方面的细节上还存在诸多未知因素,目前科学家还无法将合成最早期生物分子的实验工作与阐明早期地球条件的工作之间联系起来。

如果年轻太阳表现出类似的活跃程度,那么早期地球大气中的二氧化碳、甲烷、水和含氮物种(如氮气分子)将以高于今天的速率进行光分解(与光发生相互作用而裂解)。地球表面的紫外线通量也会更大,可能会影响前生物化合物的合成、降解和转化。此外,这些分子的强光解作用可能贡献了某些关键成分,帮助启动了原始的化学合成代谢,包括那些利用一氧化碳和氮氧化物(NOx)所进行的代谢。通过计算方法,或者利用早期似太阳天体的观测研究所建立的早期太阳光谱的精确模型,是开发早期地球大气光化学模型的关键。

合作填充空白

联系和协调这些研究团队是一项相当重大的任务,需要科学家们走出舒适圈,并在跨学科合作的过程中积累经验。

事实上,这里所讨论的过程或假说都不能孤立存在。迄今为止,不同的研究团体都各自对生命起源和地球早期环境展开研究,并且通常只进行表面上的跨学科合作和互动。对于一些非常困难的问题,他们都没有取得里程碑式的进展。美国国家航空航天局(NASA)天体生物学计划提出了新的“前生命化学和早期地球环境(PCE3)研究协调网络(RCN)”,目的就是为了填补这一空白。这是一个研究联盟,旨在通过加强地球科学家和前生命化学家之间的跨学科交流,来改变生命起源的研究现状。

PCE3研究协调网络的成员来自一个不断壮大的群体,其中包括许多刚刚开始职业生涯的科学家,他们已经准备好将早期地球的环境知识与前生命化学模型更好地结合起来。2020年秋季,来自不同学科的科学家参加了PCE3的研讨会,主题包括地球的行星形成;地壳与挥发性储层的相互作用;生命基础构件的性质、来源和数量;早期地球的地质环境;可能导致越来越复杂的前生命分子的反应途径;以及如何通过对现代生物化学的研究,来追溯地球生命起源的方法。

PCE3的主要目标是培养一种新的研究文化,在这种文化中,我们将在现实的行星条件下测试潜在的前生命化学途径,并将早期地球环境的动力学和限制条件完全纳入起源假说。例如,在化学合成信息聚合物的过程中,此类实验的产物往往定义了下一步的研究步骤,很少或根本没有考虑导致成功反应的条件(如盐度、pH、氧化状态、溶解物质等)是否可能存在于早期的地球环境中。考虑到我们已经对冥古宙的情况有所了解,相关的地球科学知识能够并且应该为这项工作的下一步提供帮助。在新的合作方案中,我们可以通过减少假设并提高环境合理性,来对可能的前生命化学场景进行筛选。

研讨会参与者探讨了早期地球环境及其与前生命化学关系研究中的关键未知因素,对每个主题中最重要的开放性问题进行了汇总。他们特别感兴趣的课题包括前生命化学模型和实验所必需的化学和物理条件,以及可能存在于行星现实之外的前生命化学情景。例如,有与会者强调了局部环境动态特性的若干方面为“关键的未知因素”,这些方面包括干湿循环、温度-压力梯度、冻融循环、关键分子的大气生成速率、氧化还原波动和火山排气等。与会者还确定矿物表面和溶液中金属离子的成分和浓度为重要的未知因素;这些因素可能影响了局部环境中前生命化学反应的类型、速率和复杂性。

但冥古宙海洋的组成及其在地球历史最初几亿年间的演变在很大程度上仍是未知的,我们甚至不了解液态水是否一直存在,尽管研究者们在理论上取得了进展,或者普遍存在。现代海洋中的氧化化合物,如硫酸盐等,很可能在冥古宙海洋中并不存在;当时的海洋可能是酸性的,富含还原铁,这是大气层富含二氧化碳,同时缺少氧气的结果。冥古宙海洋主体的化学过程、水-岩相互作用和热液作用等,决定了所有近地表和深海海洋流体的性质,同时有助于调节气候,并设定前生物反应可能发生的条件。

这些气体在大气层中随时间和空间的分布,决定了前生命化学过程中所必需的化学反应物的可得性。在太阳能输入可能减弱,以及大规模日冕物质抛射期间可能出现的高紫外线辐射情况下,这些气体还有助于调节地表温度和宜居性。地磁场也是备受关注和辩论的主题,其存在和强度会进一步调节气体在大气层的滞留和逃逸。

新的讨论和方向

早期地球的大气和海洋

传统上,对生命起源的研究往往是在界限分明的领域中进行的。现在,研究者们开始合作分析地球的早期岩石记录,并通过数值模拟获得新的见解。地球最早期的化学环境越来越受到研究人员的关注,在生命起源的研究中,更加跨学科的方法正变得越来越有前景。

在目前的太阳演化模型中,太阳系刚诞生不久时,早期太阳的总能量输出(光度)被限制在当前水平的70%左右。即便如此,通过观测其他恒星系中发现的类似年轻太阳的天体,科学家发现早期太阳的紫外线输出可能高于现在的水平。这些类似天体不仅表现出高能量的释放,也产生了更频繁的日冕物质抛射事件。

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这是另一种可能的早期地球环境,天空呈现蓝色,表明大气较少被还原,可能主要由二氧化碳和分子氮组成。新爆发的火山喷出的火山灰云将玻璃、粘土和其他矿物质沉积到液态水池中。热液泉中的水由于溶解了铁而呈现绿色,与来自不同水池的淡水混合,形成了化学梯度,这种化学梯度可能在前生命化学和早期生命演化中至关重要。蒸发和降水补给(即干湿循环)导致了一个动态环境,驱动了在许多前生命化学场景中十分重要的化学反应。冥古宙时期地磁场的存在和强度,可能部分屏蔽了太阳耀斑及其高能带电粒子的影响。

新浪科技讯 北京时间2月21日消息,据国外媒体报道,早期地球的环境条件和导致生命产生的化学物质紧密地交织在一起,不可分割。现在,地球科学家和前生命化学家正在以新的方式展开合作,试图了解生命最初是如何出现的。

构造板块和微行星撞击

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这里展示了一个潜在的早期地球环境,显示了由微行星撞击造成的短暂的、富含甲烷的大气层。在这种大气中,由于年轻太阳产生的紫外线通量更高,导致光化学反应增强,从而产生沉淀在地球表面的大分子有机凝析物。在新形成的一个较小的撞击坑内,水通过温度梯度循环,将活性金属和其他离子从溶解的岩石输送到近地表。

来自固体地球的挥发性排放在很大程度上组成了早期的地球大气,其他因素——如小行星和微行星的频繁和较大规模的撞击——的影响仍存在争议。撞击事件导致的化学相互作用可能产生了甲烷和氢分子等还原性气体,而早期的火山活动可能产生了二氧化碳和氮气等相对氧化性的气体。

除了影响陆地的出现,构造过程还会影响海洋和大气组成、地球气候,以及可能塑造前生命化学的各种热液景观。例如,原始地壳的风化作用会降低大气中的二氧化碳水平,抑制全球温室效应,改变海洋化学成分。随着更多的陆地暴露在海平面以上,风化的速度也会加快。

生命是如何开始的,这是人类经验中一个不可或缺的核心问题,它与一个更大的问题——我们宇宙中是否是孤独的——有着内在的联系。随着人类对行星宜居性、其他行星和卫星上的生命以及太阳系外行星系的探索逐渐深入,早期地球研究的重要性也被放大。在这项研究中,确定导致生命出现的特定环境条件和化学途径,无疑是最为重要的目标之一。(任天)

在早期地球的天空、海洋和地壳发生演变的过程中,地球也受到了小行星和微行星的撞击。早期的撞击可能破坏了近地表环境,但也可能向地球提供了关键的前生命化合物,如氨基酸、糖、嘌呤(构成现代DNA和RNA基础的含氮有机化合物)和活性磷。还有研究者认为,这些撞击创造了一个短暂的、高度还原性的大气层,与今天高度氧化性的大气层迥然不同。大多数前生命化学模型都认为,还原条件是产生基本前生命化合物的最可能途径。

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在40多亿年前的地球早期,由于受到小行星或微行星的撞击,可能形成了短暂的还原性大气层,大气被富含甲烷和有机物的防紫外线烟雾染成橙色,与土卫六的大气相似。高浓度的溶解铁可能使海洋呈现出绿色(冥古宙海洋的空间范围和持续时间尚不清楚,但其存在得到了锆石颗粒氧同位素数据的支持)。热点火山作用、板块边界的相互作用以及大规模撞击事件可能会将陆地块抬升到海洋表面之上,从而支持许多前生命化学模型所要求的干湿循环。与此同时,外部影响,如太阳耀斑和阳光中更高的紫外线通量等,也可能影响地球的大气和表面化学。
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