Science Advances：比较行星学视角看生命起源

SA：比较行星学视角看生命起源

生命起源是人类一直关心的基本科学问题，研究表明生命起源的路径可能有多条。目前学术界普遍接受的观点是化学起源，它包括前生命合成过程和分子自组装过程两步。前生命化学过程合成了核苷酸、氨基酸和脂质的分子构建模块，这些分子模块进一步自组装形成细胞（Lin et al., 2019; Jordan et al., 2019）。关于前生命合成化学模型，一类没有考虑行星环境背景，只做实验室化学合成，比如低效率地合成非选择性的核苷。另一类则考虑了行星环境背景，比如著名的米勒模拟实验（Miller, 1953）就模拟了还原大气发生的闪电作用，深海热液喷口附近低效率地合成少量相关分子及其副产物，但缺少化学实验验证。近几年，英国剑桥大学的John D. Sutherland团队在前生命化学合成领域取得了新的突破，成功用HCN（氢氰酸）、H2S（硫化氢）和紫外线合成了核酸、氨基酸和脂质的前体，即Cyanosulfidic模型（Ritson et al., 2018; Patel et al., 2015）。这种模型将实验室的结果和现存生命分子的核心生化性质、行星地质、地球化学和天体物理学的认识结合起来（Baross et al., 2020; Betts et al., 2018）（图1），为理解生命的起源提供了重要的依据。

图1 研究生命起源的四种方法（Baross et al., 2020）

综合前生命化学和行星早期表面环境演化的最新研究进展，假定生命起源的环境可以通过比较行星学获得认识（地球早期环境的沉积记录被构造改造），今年，美国哈佛大学Dimitar D. Sasselov教授、加州理工大学John P. Grotzinger教授与John D. Sutherland教授在Science Advances上系统论述了Cyanosulfidic模型是如何与行星早期环境的演化密切相关（Sasselov et al., 2020）。陨石撞击、闪电和太阳耀斑对原始大气（CO2、N2和水蒸气）进行高能改造，生成HCN、CO和NO。HCN作为前生命化学的原材料，必须要在地球表面积累到一定浓度。生成的HCN与富Fe2+还原湖泊、潟湖和浅海发生反应，生成不溶于水的亚铁氰化物盐比如CaK2[Fe(CN)6]和MgNa2[Fe(CN)6]。亚铁氰化物盐在干燥-湿润的气候循环下在沉积盆地中不断富集，经过102~103年时间尺度，就有足够的HCN类盐供前生命化学合成。亚铁氰化物盐经过火山活动或者陨石撞击等热变质作用会形成变质盐类，比如CaCN2、KCN、Mg3N2和NaCN，这些盐类一旦和pH中性附近的液态水接触，就会快速变成活性的H2CN2、HCN和NH3。在中程紫外线的照射和磷酸盐、亚硝酸盐的参与下，火山喷发的高浓度SO2和HCN快速发生反应，生成现存生物分子的核酸、氨基酸和脂类前身而很少产出副产物（图2）。

图2 Cyanosulfidic前生命化学模型所需的原始化合物的积累过程。浅水盆地沉积物形成，以及它们与水圈、大气圈相互作用的模型（Sasselov et al., 2020）

Cyanosulfidic化学模型所需要的条件在古老的火星和地球应该很常见。在地球和火星早期，陨石撞击、闪电、火山作用和太阳耀斑很活跃，根据理论推测，原始大气可能均含有N2-CO2（图3），因此原始大气通过高能改造可以生成前生命化学的原材料HCN。火星Gale陨石坑保存的湿润-干燥湖相沉积物富含氰化物盐，也支持了火星早期可能具有类似于Cyanosulfidic模型的前生命化学过程。火星保存的38亿年前的沉积岩还含有多种自生和成岩矿物，这些矿物含有不同价态的C、H、O、S、N、P、Fe、Mn等元素，指示了早期火星曾经有大量中-弱酸性、不同盐度的湖泊，生命元素循环活跃（图3）。另外火星岩石或者陨石中能观察到中-低等变质作用，说明火星很可能受过火山作用和陨石撞击等热变质事件，火山作用释放出的SO2可以为Cyanosulfidic反应提供原材料。前生命合成过程所需要的原材料和条件，没有一种环境能够同时满足，很可能不同的环境背景生成不同的生命分子，通过雨水河流将这些生命分子搬运到一起（Global Chemical Reactor; Stüeken et al., 2013）（图4）。因此，前生命化学条件可能在早期火星和地球很常见（Sasselov et al., 2020）。

图3 火星和地球演化历程的示意图（Sasselov et al., 2020）

图4 冥古宙时期地球不同环境发生的前生命化学过程（Stueken et al., 2013）

Cyanosulfidic化学模型的提出代表着前生命合成路径已得到初步理论支持和实验室验证，还差早期地球和火星环境的实证。美国宇航局2020年发射的火星探测器将着陆Jezero陨石坑，为生命的起源研究提供前所未有的机遇。另外，对于早期地球环境的认识，主要基于比较行星学的研究。理论预测石质行星最终会演化出氧化地幔，从而具有N2-CO2大气和稳定的气候。虽然目前无法直接观测地球和火星早期的大气状态，但通过观测不同演化阶段的地外石质行星的大气光谱，可以有助于理解早期地球和火星大气的组成。液态H2O的分布对于生命起源和宜居环境起到重要的作用，火星表面水的存续时间是否支持前生命合成还有待于火星探测器对火星早期的环境进行考察。未来生命起源的研究还需要学科交叉并相互印证。

【致谢：感谢地星室胡森副研究员的宝贵修改建议。】

主要参考文献

Baross J A, Anderson R E, Stüeken E E. The environmental roots of the origin of life // Meadows V et al. (Eds.).Planetary Astrobiology. Tucson: University of Arizona Press, 2020: 71-92.

Betts H C, Puttick M N, Clark J W, et al. Integrated genomic andfossil evidence illuminates life’s early evolution and eukaryote origin[J]. Nature Ecology & Evolution, 2018, 2(10): 1556-1562.

Jordan S F, Rammu H, Zheludev I N, et al. Promotion of protocellself-assembly from mixed amphiphiles at the origin of life[J]. Nature Ecology & Evolution, 2019, 3(12): 1705-1714.

Lin W, Li Y, Wang G, et al. Overview and perspectives of Astrobiology[J]. Chinese Science Bulletin, 2019, 65(5): 380-391.

Miller S L. A production of amino acids under possible primitive earth conditions[J]. Science, 1953, 117(3046): 528-529.

Patel B H, Percivalle C, Ritson D J, et al. Common origins of RNA, protein and lipid precursors in a cyanosulfidic protometabolism[J]. Nature Chemistry, 2015, 7(4): 301-307.

Ritson D J, Battilocchio C, Ley S V, et al. Mimicking the surface and prebiotic chemistry of early Earth using flow chemistry[J]. Nature Communications, 2018, 9(1): 1-10.

Sasselov D D, Grotzinger J P, Sutherland J D. The origin of life asa planetary phenomenon[J]. Science Advances, 2020, 6(6): eaax3419.

Stüeken E E, Anderson R E, Bowman J S, et al. Did life originate from a global chemical reactor?[J]. Geobiology, 2013, 11(2):101-126.

（撰稿：陈妍，林巍/地星室）

校对：陶琴