生命科學

溫泉孕育地球生命?

過去認為生命最初誕生於深海熱泉,新證據卻顯現不同答案:陸地上活躍的火山溫泉可能是生命另一個起源。

撰文/范科南丹克(Martin J. Van Kranendonk)、狄默(David W. Deamer)、佐基奇(Tara Djokic)
翻譯/王心瑩

生命科學

溫泉孕育地球生命?

過去認為生命最初誕生於深海熱泉,新證據卻顯現不同答案:陸地上活躍的火山溫泉可能是生命另一個起源。

撰文/范科南丹克(Martin J. Van Kranendonk)、狄默(David W. Deamer)、佐基奇(Tara Djokic)
翻譯/王心瑩


創生之池?地球生命的起源可能類似美國黃石國家公園的大稜鏡溫泉(Grand Prismatic Spring)。


一片漆黑。我們奮力穿越澳洲西北部濃密的林下灌叢,僅憑全球定位系統(GPS)裝置螢幕的黯淡光源指引前路。我們沿著堆滿倒木的乾涸溪床走,光源太弱,一路看不清倒木而不停被絆倒。我們是兩位地質學家,在澳洲偏遠的皮爾巴拉(Pilbara)地區做研究;佐基奇在前,范科南丹克跟在幾步之後。我們的卡車停在某一小塊高地上,似乎相隔整個世界那麼遙遠,不確定GPS裝置的電池能否撐得夠久,帶領我們走回去。夜空有無數星星閃耀,低至地平線都還看得見,連木星也在金星附近閃爍,星象壯觀奇特。可惜這種奇景無法協助導航,我們這兩位科學家在澳洲荒野上跌撞前進,當時是2014年6月。


佐基奇帶頭爬上溪岸,卻突然踉蹌後退往下滑。是失去平衡嗎?為了防止她繼續下滑,范科南丹克急忙上前擋住她並往上推,結果她發出一聲尖叫、說了些聽不懂的話,然後結巴大喊:「蜘……蜘……蜘……蜘蛛!」原來佐基奇並非跌倒,而是準備逃跑,拚命想把纏在身上的粗蜘蛛網撥開,很怕會有危險。蜘蛛在澳洲惡名昭彰,在黑暗中,你大概不會以為自己碰上的是奇妙的友善生物吧。


我們在皮爾巴拉冒險摸黑前行,是因為整個白天都專注於佐基奇在德雷瑟地層(Dresser Formation)的新發現,那是34億8000萬年前形成的沉積岩層。其中一部份是皺褶的橘色和白色岩層,稱為矽華(geyserite),源自地表的火山間歇泉。岩層中出現的氣泡狀外觀,是黏黏的薄膜裹住氣體而形成,很可能由薄薄一層類似細菌的微生物產生。地表岩石和生物薄膜的跡象都支持一個新想法,這與地球上最古老的謎團之一有關:生命如何誕生,以及在何處誕生——證據指向大約35億年前陸地上的火山溫泉和熱池。


這與科學家從1977年以來描繪的生命起源圖像截然不同。那一年,研究潛艇「艾爾文號」(Alvin)在太平洋海底發現熱泉,熱泉會噴出礦物質(含有鐵和硫)和氣體(例如甲烷和硫化氫),周圍有原始細菌和大型蠕蟲,是很繁盛的生態系。此後生物學家提出理論,這類熱泉在大約40億年前的地表劇變中沒受到破壞,為最初的生命提供了能量、養份和安全的避風港。不過這理論有很多問題,其中一大問題在於海洋都是水,構成生物的分子可能會太快遭到稀釋而無法進行反應,並形成細胞膜和原始的新陳代謝。


如今我們和其他科學家認為,反覆乾涸又濕潤的陸地熱池可能是更適合的地方。熱池有熱能可以催化反應;乾涸期間,較簡單的分子可以形成聚合物這類複雜分子;濕潤期間,這些聚合物漂移到附近,等到再次乾涸又落入微小孔洞內,在那裡發生交互作用,甚至聚集在脂肪酸隔出的空間裡,這隔間便是細胞膜的原型。


佐基奇發現強而有力的地質證據,顯示如今位處乾燥炎熱貧瘠內陸環境的德雷瑟地層,以前曾是活躍的地熱區,就像美國黃石國家公園一樣有許多蒸騰的熱池和不時噴發的間歇泉。德雷瑟到處都有生痕化石,與古老溫泉系統密切相關。雖然德雷瑟並非地球誕生初期五億年間出現最原始生命的真正地點,但顯示出陸地熱液環境在地球歷史非常早期就已形成。達爾文早在1871年便曾提議,微小的生命始於「某種溫暖的小池」;如今不同領域的科學家一致認為,《物種起源》的作者憑直覺切中要旨。此外,這個觀點也可拓展到地球之外:我們往太陽系其他星體尋找外星生物時,這種以陸地為主的生命起源理論引導我們去不同星球找尋生命,與海洋理論的指引大不相同。


來自俄羅斯的生命啟發


佐基奇纏上蜘蛛網的10年前,本文另一位作者狄默就已指出,火山熱池可以促成由薄膜構成的隔間,這是所有細胞的必要邊界。狄默帶領一群科學家前往俄羅斯遠東地區堪察加半島上的穆特洛夫斯基火山(Mutnovsky),要尋找類似生命誕生前的地點,可讓研究人員對40億年前生命尚未誕生時的地球樣貌有點概念。狄默認為,簡單的分子構件如果暴露於陸地溫泉這類具有乾濕循環的地方,也許可組成帶有資訊的較長聚合物,例如核酸(原始生命生長和複製的必需物質)。其他重要聚合物例如胜肽,或許也可在相同條件下由胺基酸組成。重要的是,還有另一種構件稱為脂質,或許可組成微小隔間,裹住並保護上述攜帶資訊的聚合物。生命起源需要這些化合物,而穆特洛夫斯基火山有大量的溫泉和間歇泉,他們可在當地測試這個想法。


狄默帶了一瓶白色粉末,含有地球在生命誕生前可能蘊藏的物質,包括四種胺基酸以及構成自然界現存核酸的四種鹼基,外加磷酸、甘油和脂質。他把混合物倒入滾燙的小型溫泉中央,過沒多久,泉水周圍冒出白色泡沫。泡沫由無數小泡構成,每一個都包含了生命起源熱湯裡的化合物。


假如水池邊緣的小隔間乾掉,裡面緊密聚集的物質是否會組成聚合物?這會是最初生命的墊腳石?回到實驗室後,狄默等人測試上述想法,把核苷酸這種簡單的核酸與脂質混在一起。混合物在酸性條件下歷經幾次乾濕循環,並處於類似堪察加熱池的高溫狀態,結果產生較長的聚合物,長度介於10~100多個核苷酸。後續研究運用X射線繞射,顯示聚合物類似核糖核酸(RNA)。此外,脂質裹住這些聚合物,形成大量的微小隔間,稱為原型細胞(protocell)。它們還沒有生命,但顯然是邁向生命的重要一步。


狄默的實驗只透過幾次乾濕循環就得到相當簡單的分子。他的同事美國加州大學聖克魯茲分校的電腦科學家戴默爾(Bruce Damer)認為,多循環幾次,便可能增添另一種重要特徵:最適者生存。戴默爾認為,每一次乾涸期,小泡的脂質膜會打開,聚合物和養份彼此混合。再度濕潤時,脂質膜會重新裹住混合後的不同聚合物,每一種混合物都代表大自然的一種實驗。原型細胞越複雜,就有越高的留存機會,因為分子混合物的多樣性高,較容易在各種條件下穩定原型細胞;一組分子在一種環境發揮作用,另一組則適合不同環境。然後,這些完整的原型細胞會把一組組聚合物傳給後代,沿著演化階梯往上爬。戴默爾認為這個模型很像一種化學電腦,多樣的聚合物便是各種隨機的「程式」,「啟動」生命功能。


2015年,戴默爾在兩階段循環加入第三期:介於乾與濕之間的中間階段。這想法源自一趟野外之旅,他與合作夥伴前往德雷瑟地層尋找疊層石(stromatolite),這是細菌叢的化石層,也是地球上最早的一些生命證據。戴默爾徒步穿越沙漠,附近有個花崗岩露頭稱為加勒利丘(Gallery Hill),上面有原住民雕刻的岩石壁畫。路途上,他注意到露頭的小凹洞有乾燥的棕色細菌叢,出於好奇拿水澆在菌叢上,它們居然恢復生機,變成綠色膠狀物。戴默爾領悟到,生命起源熱湯的乾濕循環如果還包含一個微濕期,其中的原型細胞會擠在一起成為類似的膠狀物,聚合物和養份可在脂質膜的邊界彼此混合並交換。如果原型細胞像這樣合作,就有較多機會獲得最適於生存的分子。


事實上早在40年之前,科學家福克斯(George Fox)和伍斯(Carl Woese)便提出「原生命」(progenote)概念,描述所有生命共有的原始期;福克斯對戴默爾說,那符合原型細胞膠的構想。


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