医学前沿
2022年06月号

黑色火山岩有助于形成早期生命吗?

作者:生命新知

许多研究人员认为,这些最初的生物的遗传物质是RNA。虽然不像DNA那么复杂,RNA仍然很难形成传递遗传信息所需的长链,那么它是如何自发形成的就成了一个问题。

当生命出现时,它是如此迅速。化石表明,微生物在37亿年前就已经存在了,而这颗45亿年前的行星冷却到足以支持生物化学的程度仅仅是几亿年前。许多研究人员认为,这些最初的生物的遗传物质是RNA。虽然不像DNA那么复杂,RNA仍然很难形成传递遗传信息所需的长链,那么它是如何自发形成的就成了一个问题。

现在,研究人员可能有了答案。在实验室中,他们展示了被称为玄武岩玻璃的岩石如何帮助单个RNA遗传信息(称为核苷三磷酸)连接成长达200个核苷酸的链。早期地球的火和硫磺中会有大量的玻璃;当岩浆在空气或水中淬灭,或者小行星撞击时产生的岩浆快速冷却时,就会产生这些熔岩。

这一结果使生命起源研究人员产生分歧。路德维希-马克西米利安-慕尼黑大学的化学家Thomas Carell说,“这似乎是一个精彩的故事,最终解释了核苷三磷酸如何相互作用生成RNA链。”但是哈佛大学的RNA专家Jack Szostak说,在研究人员更好地描述RNA链之前,他不会相信这个结果。

生命起源研究人员喜欢一个原始的“RNA世界”,因为该分子可以执行两个对生命至关重要的过程。与DNA类似,RNA由4种化学物质(A、G、C、U)组成,可以携带遗传信息。与蛋白质一样,RNA可以催化生命所需的化学反应。

但是RNA也让人苦恼。至今还没有人发现一组看似合理的生命起源条件会导致数百个RNA“字母”——每一个都是复杂的分子,连接成足够长的链,以支持激发进化所需的复杂化学。

匈牙利科学院天文和地球科学研究中心的地质学家Stephen Mojzsis想知道玄武岩玻璃是否发挥了作用。它们富含促进许多化学反应的金属,如镁和铁。

他向应用分子进化基金会发送了5种不同玄武岩玻璃的样本。分子生物学家Elisa Biondi与她的同事将每个样本磨成细粉、灭菌,并将其与核苷三磷酸溶液混合。但研究人员在《天体生物学》上报道称,当与玻璃粉末混合时,分子会连接成长链,约数百个“字母”长。

尽管如此,还有一些问题待解决。一个是核苷三磷酸最初是如何产生的。Biondi的同事Steven Benner说,最近的研究表明,同样的玄武岩玻璃可以促进单个RNA“字母”的形成和稳定。

哈佛大学的RNA专家Jack Szostak说,更大的问题是RNA链的形状。在现代细胞中,酶确保大多数RNA生成线性链。但是RNA也可以以复杂的分支模式结合。Szostak希望研究人员报告玄武岩玻璃产生了哪种RNA类型。

Biondi相信她们的团队实验肯定会产生少量的RNA分支。然而,她指出,今天的生物体中存在一些支链RNA,相关结构可能在生命起源时就已经存在。她还说,团队进行的其他试验证实了长链的存在,这些长链的连接很可能意味着它们是线性的。

参考文献:Robert F. Service. Did black volcanic rock help spark early life?[J]. Science,2022,376:1147.

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