热液喷口和生命的起源

问题的即生命是如何开始的?这个问题密切相关的生活是从哪里开始的呢?的多数专家认为“当”:3.8 -40亿年前。但是仍然没有一致的环境,可以促进这一事件。自发现以来,深海热液喷口被认为是生命的发源地,特别是碱性通风口,如发现“失落之城”字段在大西洋中部。但并不是每个人都相信生活开始在海里——许多人说化学就不会起作用,寻找陆地的出生地。与几个假设,比赛是复制条件,允许生命的出现。

1977年,第一个深海热泉喷口附近被发现的东太平洋海隆脊。名叫“黑烟囱”,火山口发出地热将水加热到400°C,与高水平的硫化物沉淀在接触寒冷的海洋形成了黑烟。这是2000年发现的一种新型碱性深海热泉喷口附近发现了一个小轴从大洋中脊。第一个字段,被称为“失落之城”,被发现在海底的亚特兰蒂斯号地块中部山区。

火山口形成的过程称为蛇纹石化。海底岩石,特别是橄榄石(镁铁硅酸盐)与水反应产生大量的氢气。失落之城,当温暖的碱性液体(45 - 90°C和pH值9 - 11)与海水混合,他们创造的白色碳酸钙烟囱30-60m高。

碱性通风口实际上是发现之前,1993年,地球化学家迈克尔·罗素从美国宇航局喷气推进实验室(JPL)在加州,我们提出一种机制,通过这种生活可能已经开始在这样的通风口。¹他的想法,在2003年更新,²建议生活来自于能源利用梯度存在当碱性水发泄与更多的酸性海水混合(早期的海洋被认为包含比现在更多的二氧化碳)。

这反映细胞利用能量的方式。细胞维持一个质子梯度跨膜质子泵来创建一个从内到外的、微分。称为proton-motive力量,这可以等同于一个不同的pH值约3单位。它实际上是一个机制来存储势能,这可以利用当质子可以通过膜使磷酸化二磷酸腺苷(ADP),使ATP。

罗素在深海热液喷口的理论表明,毛孔烟囱为细胞提供了模板,使用相同的3单元不同pH值在薄矿物的相互关联的通风作用,单独的排气和海水。这种能量,以及催化铁硫化镍矿石,允许减少二氧化碳和有机分子的生产,然后自我复制的分子,最后真正的细胞的细胞膜。

化学花园

化学家劳拉驳船,也在喷气推进实验室科学家,正在测试这个理论使用化学花园——一个实验你可能在学校进行。看着化学花园”你认为它的生命,但这肯定不是,驳船说,他专门从事化学自组织系统。经典的化学花园是由添加金属盐反应硅酸钠溶液。金属和硅酸盐离子沉淀形成凝胶状的胶体半透膜封闭的金属盐。这设置浓度梯度为空心形似植物的生长提供的动力列。

我们开始模拟你可能会发泄流体和海洋,我们可以种植小烟囱——从本质上说,他们是像化学花园,”解释了驳船。模仿早期的海洋她碱性溶液注入富含铁酸性的解决方案,使氢氧化铁和铁硫化物烟囱。从这些实验中她的团队已经表明他们可以发电:刚从四个花园,下伏但足以功率LED,³显示的质子梯度提供能源的深海热泉可以复制。

尼克•莱恩在英国伦敦大学学院的生物化学家,也一直试图重现生命起源以前的geo-electrochemical系统和他的生命起源反应堆。他赞成罗素的理论,虽然不满意“新陈代谢第一”标签通常是给定的,反对“信息”理论认为,合成复制RNA分子是生命的第一步。“他们被描绘成反对但我认为这是愚蠢的,”莱恩说。“在我看来,我们试图找出如何得到一个世界,在那里你有选择和可以产生类似的核苷酸。

莱恩已经说服通过地球化学和生物化学对齐。例如,greigite(铁等矿物质₃年代₄)在里面通风口和他们展示一些关系iron-sulfur集群中发现的微生物酶。他们可以充当原始酶减少二氧化碳与氢和有机分子的形成。有差异,障碍(微孔隙之间的排气烟囱)厚(比细胞膜)等等,但类比是非常精确的,所以问题就变成了“它是可行的因为这些自然质子梯度分解氢和二氧化碳之间的障碍的反应呢?“”

莱恩的简单的桌上型,放生命起源反应堆⁴是模拟深海热液喷口的条件。一边的半导体iron-nickel-sulfur催化障碍,碱性流体泵通过模拟通风液体和另一方面,一个模拟海水的酸性溶液。以及流速,温度可以不同的两边。跨膜的第一步是试图让二氧化碳与氢反应使有机物,我们似乎成功地生产甲醛,”莱恩说。

目前收益率非常低但Lane认为“证实原则”。他们正在复制他们的结果和证明甲醛并非来自另一个来源,如油管的退化。从相同的条件下,莱恩说,他们也能合成糖的低收益率,包括0.06%核糖,大量的甲醛,虽然不能独自在反应堆产生的甲醛浓度。

更深入的研究

研究热液喷口,地球化学家油炸克莱恩来自美国伍兹霍尔海洋研究所发现的变异深海起源的故事。他发现生活在岩石海底以下的证据可能已经提供了正确的生活环境。

克莱恩和他的同事们从伊比利亚看样本核钻大陆边缘1993年西班牙和葡萄牙海岸。下面的样本来自岩石760当前海底,本来早期unsedimented海底65米以下。他看到了一些不寻常的静脉样本,由矿物质还发现在失落之城热液系统。”,只是对我来说是有趣的因为这矿物组合形成的热液流体与海水混合时,”克莱恩说。这表明可以在海底以下类似的化学。

在这些静脉,追溯到1.2亿年前,克莱恩的研究小组发现微生物化石。他建议的浆果,性质矿物水镁石(毫克(哦)₂)可能解释有机分子从微生物的保存。其中包括氨基酸、蛋白质和脂质被共焦拉曼光谱。克莱恩说,他最初持怀疑态度,但分析提取样品确认为硫酸盐还原细菌和古生菌独特的脂质生物标志物,也失落之城中热液喷口系统。⁵扫描电镜成像显示碳夹杂物,他说,“似乎看起来像micro-colonies微生物的

虽然很明显这些样本是更年轻,”这些微生物的存在告诉我们,生活是可能的在海底热液系统的环境,可能是现在和活跃在最早期的地球上,”克莱恩说。“海底层代表了另一个更保护环境。”

内陆

但并非所有人都同意的生活开始于深海热液系统。Armen Mulkidjanian德国奥斯纳布吕克大学说有几个大问题的想法,一个是海水中的相对钠和钾离子浓度与细胞。

Mulkidjanian调用他所谓的化学保护原则——一旦建立在任何环境中,生物将保留和发展机制来保护他们的基本生化体系结构。他说,因此,毫无意义的细胞包含10倍钾钠在海水,它们的起源比钠钾40倍。他的假设是,原始细胞必须有进化的环境比钠钾,只有发展中删除不必要的钠离子泵,当环境改变。

Mulkidjanian认为生命可能是源自地热系统,如西伯利亚堪察加地热领域在俄罗斯远东地区。我们开始寻找,我们能找到条件比钠钾和唯一的事情,我们发现地热系统,特别是地球有蒸汽出来,”他解释说。只有池创建的蒸汽喷口,有更多比钠钾;这些由地热形成液体喷口还有比钾钠。少数这样的系统存在的今天,在意大利、美国和日本,但Mulkidjanian表明热早期地球你期望更多。

大卫在美国加州大学圣克鲁斯一直在研究大分子和脂质膜50多年了。他从一个稍微不同的角度,有些人称之为“膜第一”。但是,他说,“我很确定最好的方式来理解生命的起源是意识到它是一个系统的分子都一起工作,就像在今天的生活。“位置”归结为合理性判断我的一部分”,他心里想。

一个最大的反对一个深海起源是很多大分子在生物学。DNA、RNA、蛋白质和脂类都是聚合物和形式通过缩合反应。“你需要一个波动的环境有时潮湿,有时干-湿期间混合,使组件和交互,然后干旱时期,水了,这些组件可以形成一个聚合物,“Mulkidjanian说。没有为这样的事情发生在一个深海热泉喷口附近因为你不能有wet-dry周期,”迪默补充道。每天湿和干燥循环发生在大陆热液字段。这允许对反应物的浓度和聚合。

认为自然选择是不能超过40亿年的想出了一个改进我认为是疯了

迪默一直试图创建他自己的原始细胞在实验室里,通过混合磷酸腺苷、尿苷一磷酸脂质和RNA组件。干燥时,脂质自组装成膜状般的结构,如果核苷酸被困脂质层之间会进行酯化生产RNA-like聚合物。在多个wet-dry周期产量增加到50%。⁶

迪默已确认这些聚合物的存在内部直接核糖核酸测序技术的“原始细胞”。“我们确实有单链分子在生物RNA的尺寸范围,“但迪默警告说,它不是RNA在生物有机体。他创造了一个混合的RNA,一些与磷酸基连接在自然界中,但是一些保税“非自然”,然后他总结说“一定是选择和演化在这些小的原始细胞。

但是深海热泉喷口附近营地并不准备认输。驳说通风环境可以使反应物的浓度和缩合反应。的凝胶在海底,你有矿物质吸收的事情和烟囱微孔膜本身有凝胶,所以你可以有脱水反应条件即使整个系统是水。”

莱恩也拒绝认为钾或钠离子含量可能会解决未来的代谢过程。认为自然选择是不能超过40亿年的想出了一个改进我认为是疯了,”莱恩解释说。“在我看来,选择驱动细胞内离子的平衡。”他认为生活将有相当的能力进化sodium-rich环境中,随着时间的发展创建当前细胞富含钾离子去除水泵。

看到光

另一个的存在与否的争论点是紫外(UV)光。这可能是一个强大的影响力在陆地起源与早期的地球上没有保护臭氧层,但完全没有在深海的理论。核糖核苷酸的紫外线相对稳定表明选择发生在紫外线——地球表面没有在海里。

这也支持开创性的2009合成RNA的提议⁷由约翰·萨瑟兰英国剑桥大学医学研究委员会分子生物学实验室和他2015年提出的合成核酸前体开始只有氰化氢(HCN)、硫化氢(H₂和紫外线。⁸照明与紫外线在10天丰富生物核苷酸的收益率,增加重量选择在得天独厚的紫外线。Mulkidjanian还建议锌硫化物沉淀可以作为催化剂使用紫外线减少二氧化碳——光合作用的早期形式,他称之为“锌世界”场景

但根据车道,有与紫外线与生活发展的一个大问题,也就是说没有今天的生活使用紫外线作为能源,它会破坏分子,而不是促进生物化学。”他还认为,合成化学等提出了地面计划看起来就不像我们所知的生命。”它开始与氰化物或硫化锌光合作用和最后一种弗兰肯斯坦化学,”莱恩说。化学反应可能会工作,但加入,我们知道它的生命,我想说的边缘是不可能的

学科分

再细看,那些支持一个陆地之间的鸿沟和那些支持一个海洋起源学科之间的分裂。合成化学家通常支持大陆起源和地质学家和生物学家主要是深海热液喷口。化学家认为是不可能的在热液喷口做化学,而生物学家认为,不像任何提出的地球化学在生物化学和不缩小地球化学和生物化学的差距。

所以有统一学科的方法吗?“目前没有多少共同点这些想法,”莱恩说。迪默对此表示赞同。”在这一点上,我们所能说的是,每个人都有权利做一个合理性的判断的基础上他们的想法但是他们还必须做实验和观测试验。

小问题会解决,这就是让我在早上从床上爬起来

现在需要的是杀手的证据或实验,可以一起加入点和解释,生活开始从生命起源以前的世界。这真的会是一个很大的突破,如果我们可以找到一个核糖酶在所有这些数以万亿计的随机聚合物,我们正在“建议迪默。核糖酶RNA催化剂是细胞的蛋白质合成机制的一部分,但候选人第一自我复制的分子。

进一步的证据来支持生命的起源在深海热液喷口中心显示一组合理的代谢步骤导致复杂的分子。在喷气推进实验室,他们观察氨基酸以化学花园,根据驳船。我们正在制造一种氨基酸,然后看是否(氨基酸)困在烟囱,是否你可以集中他们也许做一些肽”。

存在问题和困难,莱恩承认。“我们真的能使二氧化碳与氢反应更复杂的分子氨基酸和核苷酸吗?我很有信心我们能做到这一点,但我知道我们还没有证明。的其他困难的问题包括是否可以稳定脂质膜在海水中以其高钙和镁离子浓度。但表示车道的热力学驱动力的大问题是解决热液喷口。”,给了我信心,较小的问题也是可以解决的在这种情况下,即使他们现在看起来困难——这就是让我在早上起床。”

当然还有另一个可能性——地球上的生命才开始。有生源说理论,从太空生活被播种,看起来古怪,但不是每个人都计算出来。的一个论点可以在火星上生活开始,“根据迪默,因为它是第一个冷却温度,可以支持生命。

是否会出现这种情况,生活在其他地方肯定是可行的。木星的卫星欧罗巴和土星的卫星土卫二是候选人,因为他们都有海洋冰壳之下。在未来的五年里,美国宇航局计划发送一个spaceprobe这两个卫星寻找生命的迹象。了解我们自己的起源故事可以帮助我们去哪里看。

瑞秋巴西是一个基于科学作家在伦敦,英国