假说众多 新研究探索深海中生命起源的秘密

■本报记者 张文静

地球上的生命是怎样开始出现的?这是人类最关心的问题之一,也是全世界科学家一直致力于研究但仍没有定论的课题。最近,英国《自然》杂志发表的一项研究成果称,科学家发现了在至少37.7亿年前深海热液口及其周围微生物活动的证据,这可能代表着地球上最早期的生命形式。这一发现为生命起源的探索增加了新的认识。

37.7亿年前地球海洋已存在生命

深海热液附近聚集着大量的生物,被科学家认为很可能是地球上最早支持生命活动的环境之一。

为了在深海热液环境中搜索早期生命的迹象,来自英国伦敦大学学院的研究人员马修·多德和同事对来自加拿大北部努瓦吉图克绿岩带的碧玉岩进行了分析,它们被认为是来自古时的深海热液。此前的研究已作出预估,努瓦吉图克绿岩带具有37.7亿年至42.9亿年左右的历史。

在研究中,研究人员观察了这些岩石中保存的管状和丝状结构,它们看起来类似于在其他海底热液环境中发现的细菌生命的结构。这些岩石中还保留了另一些重要特征,如氧化铁颗粒和碳酸盐岩,它们被认为代表了生物活性。

2016年9月,《自然》杂志就曾发表研究称,在格陵兰岛37亿年岩石中发现了叠层石,即微生物群落造成的地质结构,这项成果或许创造了地球上最古老生命迹象的新纪录。而此次研究团队的新发现,是对这一成果的重要补充。叠层石只形成于有光照的海洋表面水域,而新发现的生命迹象来自深海热液,这表明在如此早期的地球上,从海洋表面到其深处,都已经有生命存在了。

“对地球生命起源时间的研究有助于我们推测当时地球的环境,进而推测当时出现的生命形态特征。”上海交通大学生命科学技术学院教授王风平告诉《中国科学报》记者,对早期生命的研究是非常困难的。因为随着地球环境的变化,我们只能拿到有机分子作为证据,它们当然不可能有活的,而且很容易被风化、污染、变质。科学家此前进行了很多研究,有些获得的证据后来又被推翻了。所以至今在科学界,对于早期生命的形式、出现的时间等问题仍然存在着争议。

在王风平看来,此次英国研究人员的成果意义在于,他们拿到了重要的样品,排除了污染等不确定因素的影响,用精细的工作从不同方面验证了微生物来源,并取得了较为可靠的数据。从这些微生物的结构上来看,它们与现在深海热泉口的铁氧化细菌在特征上很相似。这为地球生命起源于深海热液的假说提供了一个佐证。

生命起源假说众多

对于地球上的生命起源,目前假说众多。其中,有“原始汤”起源说,认为早期地球的海洋中产生了存在有机分子的“原始汤”,这些有机分子是闪电等能源对原始大气中的甲烷、氨和氢等的物理化学作用而形成的;有“泥土造物”起源说,认为最早的有机生命体应该起源于泥土,泥土不仅使有机微粒聚在一起,更帮助它们逐步形成我们今天的基因模式;还有“外来星球输入”假说等。

随着人类对海底热液喷口及其生态系统研究的深入,科学家发现深海热液环境与地球早期的环境非常相似,热液微生物具有不依赖于太阳光、嗜热等特性。于是,生命起源于深海热液的假说也逐渐成为科学家的研究重点之一。

“这些假说都有各自的立足点,也不能说就是‘相互排斥’,有些还互相补充。”王风平说。

王风平的工作就与探索深海环境中早期生命迹象密切相关。2009年,王风平随美国阿尔文号深潜器在瓜伊马斯海盆下潜到2012米深,进行以“深海热液口的黑暗生命研究”为主题的研究,成为当时下潜最深的中国女科学家。

早在20世纪30年代,美国斯克利普斯海洋研究所的生物学家克劳德·左贝尔和同事就证实了海洋沉积物中存在微生物,并推测一些重要的生化过程可能正在沉积物中发生,如水解、氨化、生产甲烷、纤维素和葡萄糖降解等。

此后深海热液起源假说的发现和进展是伴随着几十年来全球海洋地质调查进行的。

1979年,阿尔文号深潜器首次在太平洋的加拉帕戈斯洋中脊发现了深海热液喷口和热液生态系统。在2500米深处的热液口环境中,研究人员发现了大量自养微生物。这些微生物不以阳光、氧气为能量维系生命,而以环境中大量存在的硫化物为“食物”,并且作为生产者供应着整个热液生态系统中的约三百多种新型动物物种。随后,国际大洋钻探计划的科学家于1994年在海床下数百米深的沉积物样品中又发现了具有活性的微生物。

深海之下,可能隐藏着地球生命起源的秘密。

还需继续探索

在对深海早期生命形式的研究中,对古菌的发现和研究近期取得了一些突破性的进展。

1990年,美国伊利诺伊大学微生物系教授卡尔·乌斯在《美国国家科学院院报》上发表了研究成果,他发现了一种能产生甲烷的微生物,它从外形上看是与大肠杆菌一样的“细菌”,但核糖体RNA序列上却显示它与大肠杆菌并不是“近亲”,反而与那些在高浓度盐水中生长或者在沸腾热泉中生长的微生物关系非常亲密。

产生甲烷、害怕氧气、高盐、高温,这些条件让卡尔·乌斯联想到地球早期的环境。他据此推断,这些微生物“很可能是地球上最古老的生命”。卡尔·乌斯把这类微生物称为“古菌”,将其与细菌、真核生物并列组成了“三域系统”。

2015年,瑞典乌普萨拉大学的研究人员泰斯·艾特玛在《自然》上在线发表文章,论述了其发现的一种具有里程碑意义的新古菌——洛基古菌。尽管属古菌域,洛基古菌却与真核生物共有许多基因,比如从前只在真核生物中被发现过的构成细胞骨架的蛋白质。泰斯·艾特玛认为,洛基古菌的发现填补了古菌如何演化成真核细胞的空白,这也是从简单细胞到复杂细胞的进化过程中缺失的一环。

“泰斯·艾特玛刚刚又在《自然》上发表一篇文章,将洛基古菌的范围扩大了。”王风平介绍说。

2013年,王风平带领的研究小组发现MCG古菌在系统发育上处于一个新分支,显著不同于目前分类已确定的所有古菌门类。因此,他们提议将MCG古菌归类于一个全新的门类,命名为“深古菌门”。这项成果发表在《国际微生物生态学会会刊》,是目前首个由中国学者提议的古菌门分类,被认为是中国在古菌和生命起源及演化研究的重要贡献之一。此后,王风平团队首次发现和证实了古菌具有自养产乙酸的代谢方式,这项研究成果发表在《自然》的子刊《自然—微生物》上。

“深古菌门提出后,又有很多新的研究跟上去,得到了不少有趣的发现。”王风平说,“比如在深古菌门内发现了一种与甲烷代谢密切相关的关键的酶,具有这个酶就可以产生甲烷或者吸收甲烷。在这个酶被发现之前,人们认为只有全古菌门能代谢甲烷,现在扩展到了深古菌门。因为甲烷的代谢途径被认为是非常古老的,所以这个发现与生命起源很有关系。”

如今,在生命起源领域,科学家们正在做着抽丝剥茧般的研究。“我们也要特别小心,因为现在的工作很可能是盲人摸象,我们只摸到了一个部分。未来我们会更注重较为整体和全面的视角,包括提出微生物组学等,因为很多时候生物起作用也是需要合作的,而不是孤立的。对于生命起源的研究,还有很多未知领域值得去挖掘。”王风平说。

《中国科学报》 (2017-03-24 第4版 自然) 更多阅读 37.7亿年前地球海洋已存在生命

来源:news.sciencenet.cn

标签:生命

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