生命起源新發現：氨基酸最早形成於宇宙大爆炸後不久

編者按：地球上的生命是怎麼來的？想必每個人都思考過這個問題。來自美國西雅圖的系統生物學研究所的Stuart Kauffman和他在布達佩斯Eotvos大學的同事經過實驗確定了地球上氨基酸最早的形成時間，為我們關於生命起源的思考添加了新元素。本文經授權譯自MIT Technology Review原標題為" FIRST EVIDENCE THAT AMINO ACIDS FORMED SOON AFTER THE BIG BANG "的文章。

早在1952年，化學家Stanley Miller和Harold Urey就在是實驗室里重現了大約40億年前地球上存在的環境條件。他們把水、氨、甲烷和氫氣混合在一個密封的燒瓶里來模擬早起的大氣條件，之後加熱燒瓶，並在其中釋放點火花來模擬閃電。這個實驗之所以出名，是因為在幾天之內，這個燒瓶就開始充滿了複雜的有機分子，如氨基酸，而這些複雜的有機分子正是生命的組成部分。

這個實驗的影響是顯而易見的。像氨基酸這種有機分子是組成生命的一部分，如果生命的組成部分很容易產生，那麼也許生命本身就也不是那麼難創造。這個實驗提出了一種可能性，即無論外界的條件是怎樣的，宇宙都可能出現生命。

自那以後，天文學家們在其他行星、小行星甚至在星際空間中發現了相同的粒子存在的證據。

這就又引出了一些很有意思的問題。分子是如何在宇宙中形成的，而更複雜的分子又是什麼時候出現的呢？這對生命的起源又暗示著什麼？

今天，我們從位於美國西雅圖的系統生物學研究所的Stuart Kauffman和他在布達佩斯Eotvos大學的同事那裡得到了一個答案。他們模擬了分子在早期宇宙中形成的方式，並展示了它們又是如何重新生成天文學家在太空中觀察到的化學粒子的。這項工作具有非常重要的意義，它不僅可以幫助我們更進一步理解生命的起源，還能推動我們在實驗室里用合成生物學的方式重新創造生命。

首先,我們需要了解一些背景知識。在地球上，生命可能在40億年前就開始存在了，那時地球的環境條件和今天的情況完全不同。Miller和Urey在他們著名的實驗中再現了一些早起地球的環境條件。

但是，地球是如何在一開始就產生這種混合物的呢？天文學家可以在太空中看到一些簡單分子的存在的證據，比如水和氨，但也可以看到更複雜的分子，如多環芳烴和氨基酸。那麼，這種混合物是如何產生的呢？

廣義的答案是，大爆炸產生了大量的氫和氦，這些氫和氦融合在第一顆恆星中，產生了更重的元素，如碳、氧和氮，進一步的恆星形成過程造就了我們今天在地球上看到的更重的元素。（「大爆炸宇宙論」是現代宇宙學中最有影響的一種學說。它的主要觀點是認為宇宙曾有一段從熱到冷的演化史。在這個時期里，宇宙體系在不斷地膨脹，使物質密度從密到稀地演化，如同一次規模巨大的爆炸。）

但是這些元素是如何結合形成分子的，具體方式還不清楚。一個原因是：對於原子來說，其可能形成的分子的種類數量是巨大的。Kauffman和他的同事說：「能夠形成的不同類型分子的數量會隨著構成它們的原子數量增加而呈指數級增長。」

所以他們的辦法是只關注這些原子可能形成的分子的質量，這樣可以簡化問題。因為這樣就把要研究考慮的對象變得更少了，所以更容易研究，因為很多不同的分子都有相同的質量。

從地球上分子的質量分布開始是一個很好的研究起點，因為它代表了科學界所知的多數化學多樣性環境。

因此，Kauffman和他的同事研究了地球上分子質量的分布，他們從PubChem資料庫中提取了9000多萬分子的數據，其中絕大多數分子都是天然形成的。在這個地球上的分子樣本質量分布中，最多的是達到了290道爾頓（質量相當於24個碳原子。原子質量單位有時稱統一原子質量單位，或道爾頓，是用來衡量原子或分子質量的單位，它被定義為碳12原子質量的1/12）。

然而，很多不同的分子都有相同的質量。這個分布圖形顯示有一個長尾，證明樣本中存在質量達上千道爾頓的的高質量分子。接下來，研究人員將這個分子質量分布與默奇森隕石上分子質量的分布進行了比較。默奇森隕石是一個大型的、經過充分研究的太空岩石，於1969年墜落在澳大利亞的Murchison鎮。

各種分析表明，這塊默奇森隕石至少含有58 000個不同的分子。但由於實驗的限制，他們不能測量到200道爾頓以下和2000道爾頓以上質量的分子，因此Kauffman和他的同事必須想辦法糾正這一漏洞。

默奇森隕石中分子與PubChem資料庫中提取的分子有相似的質量分布。默奇森隕石中大多數分子的質量集中在240道爾頓左右，並且分布也有一個延伸的尾巴。這是非常有用的，因為默奇森隕石可以追溯到大約50億年前太陽系形成的時候，這使它成為了早期化學進化的縮影。

這篇論文的關鍵思想是，通過比較這兩種分布，有可能發現複雜的分子第一次形成的時間。

這個難題的一個重要部分是研究出這種分布模式是如何產生的。為了找到答案，Kauffman和他的同事研究了所有可能的化學物質空間，並發現分子可以以兩種不同的方式形成。

在第一種方式下，較大的分子是由較小分子在隨機積累中的反應形成的。研究人員說：「在這個過程中，幾乎所有可能的小分子和成分在一段時間後就會被創造出來。」

然而，隨機積累不能解釋大分子的分布。Kauffman和他的同事說，它們些必須在一個不同的過程中形成，稱為「優先依附」。他們說：「例如，肽鏈或多環芳烴不是通過隨機積累的原子積累起來的，而主要是由氨基酸和芳香環等更大的粒子的積累來的。」

問題的關鍵是不同的分子形成過程會導致不同的分子質量分布。隨機積累導致的峰值為240道爾頓，而小分子的形成相對較快。「優先依附」方式創造的是分布中的長尾部分，即更大的分子，這肯定是後來才形成的。

通過比較這兩種分布在默奇森隕石和地球上的相對大小，應該有可能推斷出「優先依附」的過程是何時開始的——換句話說，何時氨基酸首次出現在宇宙中。

這正是Kauffman和他的同事所做的事情。答案是：氨基酸首次出現在大爆炸後的1.68億年，放眼整個宇宙，僅僅是一眨眼的時間。

Kauffman和他的同事與Miller-Urey的實驗角度不同。這個實驗並沒有模擬地球上出現生命時的條件，而是再造了氨基酸在早期宇宙中形成的條件。事實上，氨基酸的產生時間似乎比我們想像的要早得多。

這對我們關於生命起源的思考有著重要的意義。Kauffman和他的同事說：「研究結果表明，生命的主要成分，如氨基酸、核苷酸和其他關鍵分子，在生命出現之前就已經存在了大約80-90億年。」

由於地球上生命進化的精確條件又需要80到90億年的時間形成，氨基酸不能成為生命潛在的標誌，這點在Urey-Miller實驗以後已經被證明。Kauffman和他的同事說：「在樣本中存在氨基酸絕不能預示著存在生命。」

這也解釋了為什麼像Urey和Miller實驗的延伸實驗在幾個月甚至幾年裡都一直沒有產生任何有趣的結果。

即使是計算機模擬生命的起源，也從未有明確的證據表明，如何從氨基酸到自動催化化學網路，再到自我複製生命分子的。

這讓一些人不再那麼肯定宇宙充滿生命。相反，研究生命起源的生物學家需要更仔細地觀察生物（或者Kauffman和他的同事所稱的「後化學」）進化發生的特殊條件。他們說：「生命的秘密是在這些分子的相互作用和化學後進化過程中進行編碼的。」

顯然，對於是生命起源這件事情的研究，道阻且長，仍需努力。

編譯組出品。譯者：劉麥麥Jane，編輯：郝鵬程。

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