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地球上的生命是怎樣開始出現(xiàn)的？這是人類最關(guān)心的問題之一，也是全世界科學(xué)家一直致力于研究但仍沒有定論的課題。最近，英國《自然》雜志發(fā)表的一項(xiàng)研究成果稱，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了在至少37.7億年前深海熱液口及其周圍微生物活動(dòng)的證據(jù)，這可能代表著地球上最早期的生命形式。這一發(fā)現(xiàn)為生命起源的探索增加了新的認(rèn)識(shí)。

37.7億年前地球海洋已存在生命

深海熱液附近聚集著大量的生物，被科學(xué)家認(rèn)為很可能是地球上最早支持生命活動(dòng)的環(huán)境之一。

為了在深海熱液環(huán)境中搜索早期生命的跡象，來自英國倫敦大學(xué)學(xué)院的研究人員馬修·多德和同事對(duì)來自加拿大北部努瓦吉圖克綠巖帶的碧玉巖進(jìn)行了分析，它們被認(rèn)為是來自古時(shí)的深海熱液。此前的研究已作出預(yù)估，努瓦吉圖克綠巖帶具有37.7億年至42.9億年左右的歷史。

在研究中，研究人員觀察了這些巖石中保存的管狀和絲狀結(jié)構(gòu)，它們看起來類似于在其他海底熱液環(huán)境中發(fā)現(xiàn)的細(xì)菌生命的結(jié)構(gòu)。這些巖石中還保留了另一些重要特征，如氧化鐵顆粒和碳酸鹽巖，它們被認(rèn)為代表了生物活性。

2016年9月，《自然》雜志就曾發(fā)表研究稱，在格陵蘭島37億年巖石中發(fā)現(xiàn)了疊層石，即微生物群落造成的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，這項(xiàng)成果或許創(chuàng)造了地球上最古老生命跡象的新紀(jì)錄。而此次研究團(tuán)隊(duì)的新發(fā)現(xiàn)，是對(duì)這一成果的重要補(bǔ)充。疊層石只形成于有光照的海洋表面水域，而新發(fā)現(xiàn)的生命跡象來自深海熱液，這表明在如此早期的地球上，從海洋表面到其深處，都已經(jīng)有生命存在了。

“對(duì)地球生命起源時(shí)間的研究有助于我們推測(cè)當(dāng)時(shí)地球的環(huán)境，進(jìn)而推測(cè)當(dāng)時(shí)出現(xiàn)的生命形態(tài)特征?！鄙虾＝煌ù髮W(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院教授王風(fēng)平告訴《中國科學(xué)報(bào)》記者，對(duì)早期生命的研究是非常困難的。因?yàn)殡S著地球環(huán)境的變化，我們只能拿到有機(jī)分子作為證據(jù)，它們當(dāng)然不可能有活的，而且很容易被風(fēng)化、污染、變質(zhì)。科學(xué)家此前進(jìn)行了很多研究，有些獲得的證據(jù)后來又被推翻了。所以至今在科學(xué)界，對(duì)于早期生命的形式、出現(xiàn)的時(shí)間等問題仍然存在著爭(zhēng)議。

在王風(fēng)平看來，此次英國研究人員的成果意義在于，他們拿到了重要的樣品，排除了污染等不確定因素的影響，用精細(xì)的工作從不同方面驗(yàn)證了微生物來源，并取得了較為可靠的數(shù)據(jù)。從這些微生物的結(jié)構(gòu)上來看，它們與現(xiàn)在深海熱泉口的鐵氧化細(xì)菌在特征上很相似。這為地球生命起源于深海熱液的假說提供了一個(gè)佐證。

生命起源假說眾多

對(duì)于地球上的生命起源，目前假說眾多。其中，有“原始湯”起源說，認(rèn)為早期地球的海洋中產(chǎn)生了存在有機(jī)分子的“原始湯”，這些有機(jī)分子是閃電等能源對(duì)原始大氣中的甲烷、氨和氫等的物理化學(xué)作用而形成的；有“泥土造物”起源說，認(rèn)為最早的有機(jī)生命體應(yīng)該起源于泥土，泥土不僅使有機(jī)微粒聚在一起，更幫助它們逐步形成我們今天的基因模式；還有“外來星球輸入”假說等。隨著人類對(duì)海底熱液噴口及其生態(tài)系統(tǒng)研究的深入，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)深海熱液環(huán)境與地球早期的環(huán)境非常相似，熱液微生物具有不依賴于太陽光、嗜熱等特性。于是，生命起源于深海熱液的假說也逐漸成為科學(xué)家的研究重點(diǎn)之一。

“這些假說都有各自的立足點(diǎn)，也不能說就是‘相互排斥’，有些還互相補(bǔ)充?！蓖躏L(fēng)平說。

王風(fēng)平的工作就與探索深海環(huán)境中早期生命跡象密切相關(guān)。2009年，王風(fēng)平隨美國阿爾文號(hào)深潛器在瓜伊馬斯海盆下潛到2012米深，進(jìn)行以“深海熱液口的黑暗生命研究”為主題的研究，成為當(dāng)時(shí)下潛最深的中國女科學(xué)家。

早在20世紀(jì)30年代，美國斯克利普斯海洋研究所的生物學(xué)家克勞德·左貝爾和同事就證實(shí)了海洋沉積物中存在微生物，并推測(cè)一些重要的生化過程可能正在沉積物中發(fā)生，如水解、氨化、生產(chǎn)甲烷、纖維素和葡萄糖降解等。

此后深海熱液起源假說的發(fā)現(xiàn)和進(jìn)展是伴隨著幾十年來全球海洋地質(zhì)調(diào)查進(jìn)行的。

1979年，阿爾文號(hào)深潛器首次在太平洋的加拉帕戈斯洋中脊發(fā)現(xiàn)了深海熱液噴口和熱液生態(tài)系統(tǒng)。在2500米深處的熱液口環(huán)境中，研究人員發(fā)現(xiàn)了大量自養(yǎng)微生物。這些微生物不以陽光、氧氣為能量維系生命，而以環(huán)境中大量存在的硫化物為“食物”，并且作為生產(chǎn)者供應(yīng)著整個(gè)熱液生態(tài)系統(tǒng)中的約三百多種新型動(dòng)物物種。隨后，國際大洋鉆探計(jì)劃的科學(xué)家于1994年在海床下數(shù)百米深的沉積物樣品中又發(fā)現(xiàn)了具有活性的微生物。

深海之下，可能隱藏著地球生命起源的秘密。

還需繼續(xù)探索

在對(duì)深海早期生命形式的研究中，對(duì)古菌的發(fā)現(xiàn)和研究近期取得了一些突破性的進(jìn)展。

1990年，美國伊利諾伊大學(xué)微生物系教授卡爾·烏斯在《美國國家科學(xué)院院報(bào)》上發(fā)表了研究成果，他發(fā)現(xiàn)了一種能產(chǎn)生甲烷的微生物，它從外形上看是與大腸桿菌一樣的“細(xì)菌”，但核糖體RNA序列上卻顯示它與大腸桿菌并不是“近親”，反而與那些在高濃度鹽水中生長(zhǎng)或者在沸騰熱泉中生長(zhǎng)的微生物關(guān)系非常親密。

產(chǎn)生甲烷、害怕氧氣、高鹽、高溫，這些條件讓卡爾·烏斯聯(lián)想到地球早期的環(huán)境。他據(jù)此推斷，這些微生物“很可能是地球上最古老的生命”?？枴跛拱堰@類微生物稱為“古菌”，將其與細(xì)菌、真核生物并列組成了“三域系統(tǒng)”。

2015年，瑞典烏普薩拉大學(xué)的研究人員泰斯·艾特瑪在《自然》上在線發(fā)表文章，論述了其發(fā)現(xiàn)的一種具有里程碑意義的新古菌——洛基古菌。盡管屬古菌域，洛基古菌卻與真核生物共有許多基因，比如從前只在真核生物中被發(fā)現(xiàn)過的構(gòu)成細(xì)胞骨架的蛋白質(zhì)。泰斯·艾特瑪認(rèn)為，洛基古菌的發(fā)現(xiàn)填補(bǔ)了古菌如何演化成真核細(xì)胞的空白，這也是從簡(jiǎn)單細(xì)胞到復(fù)雜細(xì)胞的進(jìn)化過程中缺失的一環(huán)。

“泰斯·艾特瑪剛剛又在《自然》上發(fā)表一篇文章，將洛基古菌的范圍擴(kuò)大了?！蓖躏L(fēng)平介紹說。

2013年，王風(fēng)平帶領(lǐng)的研究小組發(fā)現(xiàn)MCG古菌在系統(tǒng)發(fā)育上處于一個(gè)新分支，顯著不同于目前分類已確定的所有古菌門類。因此，他們提議將MCG古菌歸類于一個(gè)全新的門類,命名為“深古菌門”。這項(xiàng)成果發(fā)表在《國際微生物生態(tài)學(xué)會(huì)會(huì)刊》，是目前首個(gè)由中國學(xué)者提議的古菌門分類，被認(rèn)為是中國在古菌和生命起源及演化研究的重要貢獻(xiàn)之一。此后，王風(fēng)平團(tuán)隊(duì)首次發(fā)現(xiàn)和證實(shí)了古菌具有自養(yǎng)產(chǎn)乙酸的代謝方式，這項(xiàng)研究成果發(fā)表在《自然》的子刊《自然—微生物》上。

“深古菌門提出后，又有很多新的研究跟上去，得到了不少有趣的發(fā)現(xiàn)。”王風(fēng)平說，“比如在深古菌門內(nèi)發(fā)現(xiàn)了一種與甲烷代謝密切相關(guān)的關(guān)鍵的酶，具有這個(gè)酶就可以產(chǎn)生甲烷或者吸收甲烷。在這個(gè)酶被發(fā)現(xiàn)之前，人們認(rèn)為只有全古菌門能代謝甲烷，現(xiàn)在擴(kuò)展到了深古菌門。因?yàn)榧淄榈拇x途徑被認(rèn)為是非常古老的，所以這個(gè)發(fā)現(xiàn)與生命起源很有關(guān)系?！?/p>

如今，在生命起源領(lǐng)域，科學(xué)家們正在做著抽絲剝繭般的研究?！拔覀円惨貏e小心，因?yàn)楝F(xiàn)在的工作很可能是盲人摸象，我們只摸到了一個(gè)部分。未來我們會(huì)更注重較為整體和全面的視角，包括提出微生物組學(xué)等，因?yàn)楹芏鄷r(shí)候生物起作用也是需要合作的，而不是孤立的。對(duì)于生命起源的研究，還有很多未知領(lǐng)域值得去挖掘?！蓖躏L(fēng)平說。