从地球化学到生物地球化学的转变

以下为文章摘要,如需全文,请订阅我们的产品。

1、前言

地球形成于约45.6亿年前,起初是一个炎热的行星。但是地球上的海洋,甚至大陆地壳,都有可能早在约43~44亿年前就存在了。在这期间,地球上普遍发生了强烈的科马提质火山作用,所释放出的第一批气体具有很高的还原性,包括H2、CH4(甲烷)和NH3(氨)。一旦等地核形成,CO2、N2与H2O将成为主要的火山气体,随后形成地球的大气圈,此时实际上已经没有CH4和NH3。地球上存在的水可能来自于火山脱气过程,或由彗星、陨石与微小陨石所带来。同样地,有机化合物可能形成于早期大气层中(内源性的),也可以从太空中带来(外源性的)。在格陵兰Isua发现的约38亿年前的绿岩表明,自那时起就可能存在永久性的海洋。据估计,原始海洋的盐度约为现代海洋的两倍,且在冥古代(Hadean)期间略呈酸性(pH 约5~6.5)。因此,对于地球上生命出现的时间存在较大争议。冥古代和始太古代(Eoarchean)的岩石本来就少,加上与沉积后改造有关的问题,使得确切时间难以确定。关于生命起源的一个非常早的年龄约为41亿年前,来源于西澳大利亚州杰克山锆石碳包裹体中的轻碳同位素。最早在Isua发现的似叠层石状结构可追溯到约37亿年前,且西澳大利亚州Strelly Pool砂岩地层中的细菌的似微化石状结构可追溯到约34.3亿年前。关于甲烷氧化菌和硫酸盐的同位素证据出现于更早的28亿年前到27亿年前之间。

之后对生命和原始细胞的定义、前生命化学、地质作用和地球化学环境、RNA世界与新陈代谢第一理论四个方面展开介绍。

2、早期地球上水溶液的地球化学演化

几乎地球上的每种环境条件下都有生命存在。因此,在早期的地球环境条件下,生命也有可能蓬勃涌现。早期地球上可能的水溶液成分是什么?其温度是多少?不同类型岩石在冥古代或太古代大气成分条件下的风化作用和各种海洋排放化学物质将控制水溶液化学成分的类型以及在当时的地质背景中形成的次生矿物组合。当时存在的特定的溶液化学成分与矿物类型将为生命的起源和延续提供不同的环境条件。对于火星和其他岩质行星上的环境也可采用类似的概念性研究方法。当在陆地环境中讨论生命的起源时,大多数研究侧重于陆上和水中两个环境,而通常不考虑地下环境和两者之间的界面。例如,通过水文方面的地下水位所控制的开放的和封闭的碳酸盐系统之间的界面,就是这样一个可以存在化学梯度的环境。Schoonen和Smirnov(2016)使用平衡热力学形态计算方法研究这些问题,以确定在早期地球上的各种岩石类型和环境条件下的水溶液成分和次生矿物组合。

3、简单有机分子的前生物学来源

有机化合物必须在生命开始以前出现。简单化合物如N2、CO2、HCN、SO2和H2S必须聚合成为有复杂结构和功能的更大的化合物,以便最终自我封闭形成一个原始细胞。最终形成原始细胞的起始有机化合物的来源是什么?这些化合物如何在早期地球上聚积到一起?所有这些有机物将包括外生来源(宇宙尘埃、彗星、陨石)和内生来源两种。在地球上,有机物将在大气、溶液以及地面、水中和地下环境中的各种矿物–水界面处形成。

生命的一个引人注目的特征是其手性性质,而纯手性(分子的“偏手性”:左旋或L(左手对称);右旋或D(右手对称))通常被认为是一种生物学特征。但是,来自碳质球粒陨石的氨基酸显示,左旋异构体的数量多于右旋异构体,那些生物未利用过的氨基酸也是如此。手性选择可能发生在生命起源之前,而且可能不是一种生物学特征。那么,纯手性究竟是通过什么过程产生的?Dalai等(2016)概述了有机物的前生物学来源、对外生和内生两种有机物合成过程的模拟试验结果,以及手性选择的潜在机制。

4、RNA、肽和矿物

正如上面所提到的,DNA被认为太过复杂而无法进行非生物合成,而RNA已被证明是一种万能的可替代的生物分子,因为它的结构分析正不断给我们带来惊喜。确实,作为一种基因分子,RNA也具有与DNA相似的特征。此外,已经发现,通过特定类型的RNA可实现之前认为的为蛋白质所独有的许多重要的细胞功能。例如,核糖酶是具有催化活性的小型RNA结构基元;核糖开关为信使RNA(mRNA)的调节段。

5、原始代谢中的金属硫化物和金属肽

考虑到有大量的前生物有机分子,且这些有机分子与地球上可能存在的金属和其他有机物都可以形成复合物,因而从理论上讲,可能就会形成一个巨大的反应网络。但是,Morowitz及其合作者认识到,与随机的化学组合所可能形成的大量分子相比,现代新陈代谢仅利用了很少量的(约300种)代谢分子。Morowitz及其合作者认为,这样“稀少的新陈代谢”可能是化学动力学的选择结果。在此情况下,具体的反应都是由小分子的催化剂来决定的。它们不同于过渡金属–有机复合物催化剂(下面将讨论)。

6、生成原始细胞:生命部件的组装

由两性分子化合物(同时具有亲水性和亲脂性特征的化合物)组成且被封闭到一个泡室中的膜边界是生命最关键的要素之一(图1和图2)。膜将细胞分隔成一个个独立的实体,并与环境分开,在有利于推动分子反应的化学渗透势能(电荷和pH梯度)的生产和维护中发挥了至关重要的作用。现代细胞膜主要由磷脂分子组成,但它们的合成是由酶来催化的。那么,原始细胞边界的化学成分是什么?一些研究者认为,岩石中的矿物颗粒之间的微孔壁或沸石中的通道就是最早的“膜”,但这些观点还没有经过充分的实验证实。

7、在生命出现过程中的协同和共生

在过去的十年中,我们对能生成更复杂有机分子的简单有机分子–矿物相互作用的认识已经取得了许多新的进展。我们目前也受益于对早期地球环境更深入的了解。此外,实验已经表明,特定矿物在作为“前生物酶”时可能发挥了重要作用。例如,蒙脱石可催化RNA聚合物和多肽的形成;闪锌矿(ZnS)可催化部分逆向的柠檬酸循环反应。矿物还能加快双亲分子组装成为囊泡的速率,并最终形成原始细胞膜。后一项发现最近在实验室中也得到了证实;而且还进一步发现,组装效率的提高取决于矿物表面的电荷。

8、多组分系统和可预测的关系

很明显,自然界不能被最小化为一个单成分系统并放到一个干净试管中。实验结果旨在了解前生物合成过程,而且有机物的自我组装在多组分系统中将显得更加相关。因此,在一个理想实验中,生命的分子结构单元应与已知存在于早期地球上的特定地质环境中的矿物和已溶解的无机离子同时存在。近年来,采用一锅反应法(one-pot reaction)在脂质单体、氨基酸和核苷酸的合成方面都取得了成功。将该方法应用到稳定的原始细胞也是一项了不起的成就。在这方面,研究人员已经合成了无酶催化RNA聚合反应可以在模拟的原始细胞中发生的化学系统。随着这些方面的进展,评估无机离子、pH值和温度在多组分系统中可能发生的复杂效应,应被视为朝着化学、生物学与地质学的综合又迈出了一步。

 

未经允许不得转载:地学情报 » 从地球化学到生物地球化学的转变

赞 (0)