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值得尊敬的探索-寻找LUCA

(2020-01-09 20:36:27) 下一个

    这是有关生命起源的科普文。

    “我们从哪里来”是两百年来科学家们的研究课题。他/她们在寻找生命的最早共同祖先(Last Universal Common Ancestor,LUCA)。这些科学家的探索可能无法获得诺贝尔奖,可能也无法转化成IPO(公司上市)。但TA们的探索值得尊重。

    科学界认为地球在45.4亿年前诞生;44亿年前地球上有了水;40亿年前有了单细胞生物;21-16亿年前有了真核生物;16亿年前出现了最早的水生植物;6.65亿年前出现了最早的动物。这是个大致的时间表,科学界对具体的时间线认知有不同。维基百科有一个“生命演化历程”条目,可供参考。

    但是,谁是LUCA?从已发表的论文看:一些学者对海洋深处类似火山口的周围特别感兴趣,而 NASA 则发表过很多关于天外来客即陨石中含有 DNA 组成分子的论文。

生命起源于40亿年前

    2016年7月28日纽约时报网站上刊登了一篇“会见Luca,所有生命的祖先(Meet Luca, the Ancestor of All Living Things)”文章说 LUCA 在40亿年前就在地球上出现了,那时地球只有5.6亿岁。

    这篇文章说:

    新发现支持了那些认为生命起源于某些极端环境(例如在深海火山喷口或侧面)的观点,这与那些偏爱正常环境的人(例如达尔文提出的“温暖的小池塘”)不同。

    长期以来,所有生物的最早祖先一直不确定,因为生命的三个主要生物分类域:细菌域、古细菌域和真核生物域似乎没有共同的起源。古细菌域是类似细菌的生物,但具有不同的代谢,真核生物域则包括所有植物和动物。

    专家们最近开始相信细菌和古细菌是两个最早的域,而真核生物则在后来出现。德国杜塞尔多夫的海因里希海涅大学(Heinrich Heine University)的威廉·马丁(William Martin)领导的一组进化生物学家尝试辨别出细菌和古细菌域的生物体的性质开辟了道路。

    他们的出发点是细菌和古细菌的已知蛋白质编码基因。在过去的20年中,随着使用新型解码器的科学家从数千种微生物中沉积了基因序列,在DNA数据库中已经积累了(原核基因组的)约610万个蛋白质编码基因。

    通常,人类和小鼠中具有相同功能的基因是由第一个哺乳动物的祖先基因共同遗传而来的。因此,通过比较它们的DNA序列,可以将基因排列到进化家族树中。用这一方法,Martin博士和他的同事(将1,847个细菌和134个古细菌基因组中的所有6,103,411个蛋白编码基因)分选为286,514个基因簇(其中11,093个蛋白包含细菌的同源物和古细菌),再从中确定了355个基因簇,非常精确地指向了一种生活在深海喷口中的生物,该生物的生活条件是深海海水和气体以及充满金属和烟雾的喷涌。它就是LUCA。

    这种奇特的带极端的化学性质的生命形式所包围着深海喷口,似乎长期以来一直待在这个生命起源的地方。马丁博士及其同事周一在《自然-微生物学》(Nature Microbiology)上发表论文说,卢卡(LUCA)的355个基因包括一些能将氢代谢为能源的基因,以及一种叫做逆转回旋酶的基因,仅在极高温度的微生物中才能发现。这篇论文已被引用361次。论文作者在《细胞》(CELL)和《美国国家科学院院刊》(PNAS)发表过多篇相关论文。

    下面来看看这篇论文的图3:从基因组数据重建LUCA。LUCA是一种生活在高温、剧毒和缺氧的极端条件下的单细胞微生物。LUCA的基因具有碳、能量和氮代谢的痕迹。LUCA细胞可以保存能量。LUCA的基因包含成分能量代谢的两种酶:磷酸转乙酰酶(PTA)和ATP合酶亚基。

    LUCA的食物是来自火山喷发的气体:氢气、二氧化碳和硫化氢。火山喷发出的铁、镍、硫、氮、磷等元素也参与了LUCA的生命过程。

    根据基因排序确定的LUCA的将进化成:甲烷菌、嗜热菌、蓝细菌等。

    该论文的结论部分说:研究工作支持“FeS和过渡金属是古代生物代谢的遗迹”,“生命起源于热液喷口”,“地壳中的自发化学反应是由岩石-水相互作用引起的,在热力学上不平衡,这是生命起源的基础”和“古细菌和细菌的原始血统是依赖H2的自养生物”。数据提供了支持自养起源而非异养起源的证据。

后期重轰炸 

    也叫晚期重轰炸(Late Heavy Bombardment),是指约于38亿至41亿年前,大量的陨击在月球上形成大量撞击坑的事件,实际上对地球、水星、金星及火星亦造成影响。大量陨石撞击地球也可能是地球产生生命的原因

    2015年日本东北大学、国立材料科学研究所和广岛大学的研究人员在进行模拟陨石撞击古代海洋的撞击实验后发现陨石对古代海洋的影响可能产生了核碱基和氨基酸。研究人员把碳酸氢盐放在一个密闭的金属容器中,以0.855 ± 0.035 km/s的速度模拟陨石冲击,样品的压力达到4–7 GPa持续约1μsec,然后迅速消散。冲击结果同时形成了DNA和/或RNA中的核碱基(胞嘧啶和尿嘧啶),以及各种蛋白质氨基酸(甘氨酸,丙氨酸,丝氨酸,天冬氨酸,谷氨酸,缬氨酸,亮氨酸,异亮氨酸和脯氨酸)的形成。他们的研究成果发表在《地球与行星科学快报》上

陨石中的糖

    日本东北大学的古川善博(Yoshihiro Furukawa)等人和 NASA 马里兰州戈达德太空飞行中心的研究人员在2019年12月3日《美国国家科学院院刊》一期上发表文章介绍说,他们在陨石中发现了核糖和其他生物所必需的糖。他们用气相色谱质谱仪(gas chromatography mass spectrometry)分析了两颗陨石:西北非(NWA)801(陨石分类:CR2型)和默奇森(Murchison)(陨石分类:CM2型)的成分。

    此次研究发现NWA801陨石中阿拉伯糖(D-arabinose),核糖(D-ribose),木糖(D-xylose),来苏糖(D-lyxose)含量为2.3 - 11ppb,默奇森陨石中四种戊糖的含量为6.7 - 180ppb。两个陨石中也发现了几种己糖。

    NWA801是2001年在摩洛哥发现的碳质球粒陨石。它的质量为5kg,是在摩洛哥的Zagora购买。它有超过45亿年的历史,比地球古老。

    另一块默奇森陨石是于1969年9月28日在澳大利亚维多利亚州默奇森附近发现的陨石,质量超过100千克。成分上总铁占22.13%,水占12%,有机物含量较高:氨基酸17~60ppm,脂肪烃>35ppm,芳香烃3319ppm,富勒烯>100ppm,羧酸>300pm,羟基酸15ppm,嘌呤类和嘧啶类1.3ppm,醇类11ppm,磺酸68ppm,膦酸2ppm。对核碱基的碳同位素含量分析同样显示这些化合物并非来自地球。

    研究人员对两块陨石、陨石溅落地区的土壤,藻类和高等植物的δ13C同位素丰度测定,确定这些糖确实只有外太空的陨石里存在。

     另外,1950年9月20日在肯塔基州穆雷(Murray)以东约15公里处发现了15块陨石共12.6公斤。70年来科学界研究这种CM2型碳质球粒陨石,分析确定了17个氨基酸,其中7个包含D(右旋)和L(左旋)异构体。这些氨基酸中有11个未在地球上蛋白中发现,这表明它们是地球外的。

    那么宇宙中的有机物质是怎样形成的?

星际冰中的核碱基合成

    这是2019年9月27日由日本北海道大学(Hokkaido University)大場康弘(Yasuhiro Oba)等人在《自然-通信》上发表论文的题目

    他们把H2O,CO,NH3和CH3OH按 5:2:2:2的比例用气相沉积法沉积到铝板上,沉积过程是在真空中且在10K(-263°)的低温下用紫外灯连续照射,总共200小时的沉积产生了的冰厚度约为3600层薄膜。实验过程中又加过用氘化甲醇同位素混合物(包括CH3OH,CH2DOH,CHD2OH,CD3OH和CH3OD)的混合物代替纯的甲醇(CH3OH)。此外,在相同条件下使用15NH3气体(15N纯度= 98%)代替14NH3进行了另外的15N同位素探测实验。然后使用高分辨率质谱仪(HRMS)和高效液相色谱仪(HPLC)对所得产物进行分析。实验结果是在同一样品中检测到除鸟嘌呤外的所有DNA / RNA核碱基(胞嘧啶,尿嘧啶,胸腺嘧啶,腺嘌呤,黄嘌呤和次黄嘌呤核苷)。“目前的结果强烈表明,从分子云到恒星和行星的演化为太空中的核碱基合成提供了合适的环境。”

    这篇论文的参考文献[12]是2016年4月8日发表在《科学》杂志上的星际冰类似物的紫外线照射下的核糖和相关糖”。该实验是用H2O,CH3OH,NH3,在低温(T = 78 K)和低压(p = 10-7 mbar)条件下受到紫外线照射。结果,在实验的星际冰类似物中检测到了醛糖和酮糖等。

    这些实验及论文支持星际物质包含核碱基成分的结论。

结论

    科学家们推测:地球上最早的生命可能诞生在海洋中火山口处,陨石撞击地球也可能帮助地球产生生命,构件可能产自地球也可能来自太空

    本文旨在介绍生命起源的最新科技动态。文中相关信息的出处均可通过文中的连接查询,类似的研究论文还有很多。部分论文的阅读或下载可能需要账号和密码。

   引用请注明“文学城”。

 

 

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