地球科学

火山,生命的摇篮?

生命可能不是在海洋底部出现的,而是在火山附近的温泉中出现的。这是最近在澳大利亚岩石中发现的古老气泡所讲述的故事。

马丁·范·克兰嫩东克(Martin Van Kranendonk),大卫·迪默(David Deamer)和塔拉·德约基奇(Tara Djokic) 对于科学N°482
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黄石公园大棱镜温泉

它是黑色的。在GPS的引导下,我们穿越了澳大利亚西北部茂密的灌木丛。屏幕的光辉照亮了我们的脚步,它太微弱,无法显示出树枝散布在我们正在追踪的溪流干床上。我们一直迷迷糊糊。我们将车停在高原上似乎只有几年的路程,我们不确定我们的GPS是否有足够的电池来回程。 2014年6月的这个夜晚,无尽的星星照亮了天空。不幸的是,这种奇观对于在该国偏远地区的皮尔巴拉(Pilbara)寻找路的科学家毫无帮助。

我们是两位地质学家-塔拉·德约基奇(Tara Djokic)和马丁·范·克兰嫩东克(Martin Van Kranendonk),如果我们在深夜发现自己在这里,那是因为我们度过了一天的时间,被发现塔拉·德约基奇(Tara Djokic)的陈年沉积岩所吸引34.8亿年前被命名为梳妆台。这种地层的一些岩石,即间歇泉,由橙色和白色的折叠地层组成。火山间歇泉在地球表面创造了它们。发现它们含有气泡,其特征是当气体被困在粘性薄膜中时很可能形成气泡,很可能是由薄薄的细菌样微生物产生的。这些岩石和生物膜线索为我们这个星球上最大的难题之一提供了新的答案:生命的出现方式和位置。该事件可能发生在大约35亿年前的温泉和火山池中。

这幅关于生命起源的图片与自1977年以来的科学家所描绘的完全不同。那一年,潜水艇 阿尔文 在太平洋热液喷口的深处发现,从中喷出含有铁,硫和甲烷,硫化氢等气体的矿物。在这种极端的环境中,生活着原始细菌和长蠕虫。此后,生物学家假设这些地方免受大约40亿年前袭击地球的灾难的影响,提供了生命外观所需的成分:庇护所,营养物质和能源。但是这种理论有缺点。特别是,海洋辽阔,分子散布在周围的速度可能太快,无法相互作用并形成细胞膜和原始代谢。像其他研究人员一样,我们相信反复干dry并再次充满的陆地池塘将更适合生活。池塘具有以下优点:加热以催化化学反应,干燥期,在此期间,聚合物可以由较简单的单元组装而成,在水进入,搅拌,搅拌聚合物的阶段,以及新的干燥法术将它们限制在小腔中,在小腔中它们可以相互作用,甚至集中在脂肪酸(细胞膜原型)中。

多亏了她的发现,塔拉·德约基奇(Tara Djokic)提供了重要的地质证据,证明了德莱瑟(Dresser)现在是一个炎热而干旱的环境,曾经是类似于活跃的地热区黄石公园的蒸汽池和喷涌喷泉的土地。然而,在整个梳妆台中,有化石生活的迹象与古代温泉系统密切相关。因此,即使德莱赛(Dresser)不是最原始的生活的地方(在其他地方也会发现超过5亿年的生命痕迹),我们现在知道,陆地热液环境很早就出现了。地球的历史。 1871年,查尔斯·达尔文(Charles Darwin)提出微生物的生活已经出现在一些温暖的小池塘中。如今,来自不同领域的许多科学家认为这具有重要的直觉。这些想法的含义远远超出了我们的星球:它们将我们对太阳系中外星生命的搜索引向了地点和其他行星,而不是太阳系中生命出现的理论。海床。

冒泡的池塘里的白色泡沫

在我们夜间游览Pilbara克拉通的十年之前,我们中的另一个人David Deamer表明,火山源可以促进膜组装,这是所有细胞生命的基本边界。他带领一群科学家前往俄罗斯东部堪察加半岛的活火山Mutnovsky。该小组正在探索益生元遗址的类似物:一个在四十亿年前生命诞生之前就给出了地球概念的地区。戴维·戴默(David Deamer)认为,暴露于陆地温泉的湿润和干燥周期后,基本分子会组装成聚合物,并携带诸如核酸之类的信息,这些信息是复制所有原始生命必不可少的成分。其他关键的聚合物,肽,据说也是由氨基酸形成的。最后,脂质将在微观隔室中聚集在一起,从而保护核酸。因此,生活将具有开始的所有要素。但是Mutnovsky充满了温泉和间歇泉,以测试这种情况。

戴维·戴默(David Deamer)带了一瓶白色粉末,其中含有可能存在于益生元地球上的成分:四种氨基酸(蛋白质的基本组成部分),构成核酸的四种氮碱基以及磷酸盐,甘油和脂质。他将这种混合物倒入沸腾的水池中央。几分钟后,池塘的边缘出现了白色泡沫。泡沫由无数个小囊泡组成,每个囊泡都包含原始汤汁中必须存在的成分。

如果囊泡干了,它们附近的内容物是否会组装成聚合物?为了找出答案,在实验室中,David Deamer及其同事将简单的核酸(核苷酸)与脂质混合在一起。然后,在与堪察加盆地相媲美的酸性和高温条件下,对该混合物进行润湿和干燥循环。结果:出现了10至100个以上核苷酸的长聚合物。随后,他们的X射线衍射分析表明它们类似于核糖核酸,或者 核糖核酸 。此外,发现这些聚合物被封装在称为原始细胞的微观脂质区室中。如果不将这些原始细胞视为赋予生命的实体,那么它们在任何情况下都是朝着生物迈出的关键一步。

在他的实验中,戴维·迪默(David Deamer)仅对其混合物进行了几次润湿干燥循环,并获得了相对简单的分子。加州大学圣克鲁斯分校的一位同事,计算机科学家布鲁斯·达默(Bruce Damer)怀疑,更多的周期会增加新的数据:适者生存。每个干燥阶段都会导致囊泡膜打开,从而导致聚合物和营养物质混合。然后,在水的存在下,膜将重新封装新的聚合物组合。最复杂的原始细胞将有最好的生存机会:由于分子混合物的多样性,它们在各种条件下都具有更好的抵抗力。因此,它们将其聚合物的组合传递至在下一个循环中形成的原始细胞。

在2015年,计算机科学家在循环中增加了第三个阶段:湿阶段和干阶段之间的中间阶段。这个想法是在一次到梳妆台的实地考察中找到的,他的目的是寻找叠层石,化石层的细菌垫,它们代表了地球上最古老的生命形式之一。布鲁斯·达默(Bruce Damer)凝视着露在岩石露头小空洞中的干燥的棕色微生物垫,正注视着沙漠。出于好奇,他倒水了:细菌垫变绿并呈凝胶状,恢复了生命。他理解,如果干湿循环还包括一个凝胶化阶段,其中抵抗先前阶段的原始细胞在这种凝胶中保持彼此接触,那么聚合物和营养物质可能会崩溃。通过膜屏障混合和交换。这种合作协议的共同体将有更大的机会找到最佳分子以求生存。

有益生活的水池

近年来我们进行的研究使我们确信,塔拉·德约基奇(Tara Djokic)在梳妆台地层中观察到的气泡和矿物质成分使其特别适合进行三阶段循环。当我们意识到梳妆台的表面被地面火山温泉所覆盖时,我们意识到它还包含了生命出现所需的许多成分和结构。

有一种能量形式为循环水热流体,富含氢,并被下面的岩浆加热。岩石中含有大量硼,硼是核糖合成中的关键成分,核糖是核酸等组成成分中的糖核糖核酸 。另外,来自下层岩石的溶解的磷酸盐矿物加入了酸性热液的循环。但是,磷酸盐不仅是核酸的组成部分,而且还是为细胞提供能量的ATP的组成部分。此外,Dresser的热液喷口和蒸发的火山湖沉积物含有高浓度的锌和锰,这是许多酶的组成部分。最后,Dresser还提供了粘土,由于其所含矿物表面的带电层,它可以在合成复杂的有机分子中充当催化剂。

梳妆台最令人兴奋的特征也许就是他令人难以置信的多样性。如今,梳妆台是干燥多岩石的,但在青年时期的地热温泉区却设有数百个水池,每个水池的酸度和温度略有不同,并且离子组成和浓度也有所不同。和其他溶解的化学物质。另外,在这样的地形中化学复杂性很高,因为它们包含三个非常活泼的界面:水与岩石之间,岩石与空气之间以及水与空气之间。 。

混合起来:一天要进行几次干湿循环,池塘化学条件的变化,高反应性的界面,池塘通过间歇泉交换成分的能力以及地下裂缝的网络,相互连接并充满液体。算一下,您会发现包含一百个温泉的地热地形每年可产生一百万或更多新的条件组合!这个数字表明生命可能在仅仅一千万年里就出现并开始进化,而且,通过在海洋中部安装了一个充满地面火山物质的稳定地壳,有超过四十亿'年份。

在陆地还是在海洋?

并非所有的科学家都认同我们的信念。水下热液喷口的假设仍在上升。因此,在美国国家航空航天局的喷气推进实验室,生物化学家迈克尔·罗素(Michael Russell)从潜艇的发现中开发了一种优雅的(但尚未证明)替代模型 阿尔文。在他的模型中,在烟囱的岩石内部形成微小孔隙的矿物膜将碱性水与较酸性的水分开。这会产生一种可利用的能量形式的酸度梯度:当今的细菌使用它来产生所需的ATP。这些地方的另一种能源来自溶解气体(例如氢气和二氧化碳)的混合物。迈克尔·罗素(Michael Russel)和他的同事假设,当氢离开热液喷口并与祖先海水中存在的二氧化碳混合时,就会发生电子从氢到氢的转移。二氧化碳,为合成更复杂的有机化合物提供能量。在此模型中,矿物质隔室类似于细胞,并且来自酸度梯度和氢的能量将演变为生命的最初形式所必需的原始代谢。

这两种情况的含义超出了寻找地球上最古老的生命痕迹的范围:模型的选择还影响在寻找其他行星及其卫星的生命时所采用的策略。如果水下热液喷口的理论是正确的,那么相关的目标就是土卫六的土卫二的恩克拉多斯和欧洲的木星的月球。另一方面,如果我们的模型是正确的,那么这些地方就不可能有生命。

那火星呢?痕迹证明了遥远的过去在这片浅海星球上的存在,但没有像在地球上创建水下热液喷口的广阔海洋或构造区的存在。如果生命出现在这样的烟囱中,它不太可能出现在火星上。但是,如果它开始于地球上的火山温泉,那么在红色星球上也可能发生类似的现象。确实,在2008年,探险者机器人Spirit在哥伦比亚山丘的火星上发现了36​​.5亿年前的温泉。

生命的起源就像一块拼图,上面有很多碎片,我们仍然不知道将这些碎片放在正确的位置上太多。例如,关于梳妆台,我们不知道什么会增加某些元素在不同池塘中的浓度,或者地热区域如何演变,甚至它们的不同成分如何相互作用以合成或降解有机分子。在一系列小型热水池中进行的更复杂的益生元化学实验,我们将研究复杂的有机分子如何被包裹在膜中时如何形成,相互作用和结合,这肯定会告诉我们更多。还有很长的路要走,但是无论是在陆地还是海上,化学和物理定律都逐渐为完成这一难题提供了线索。看到通往解决方案的路径正在形成,这特别令人振奋。

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