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去岩层深处寻找“原始汤”

时间:2014-08-25 16:09来源: 果壳网作者:Catherine Brahic点击:

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地层深处的岩石里隔绝了数十亿年的水中,可能保留了生命诞生之时地球上化学环境的线索。图片来源:《新科学家》

(狐狸控/译)我们一直在寻找地球上生命起源的“原始汤”,而这一次我们前所未有地接近了目标。古老的岩石深埋地底,封闭在岩石中的水与世隔绝达数十亿年之久。这些水可能从未接触过生命。

2007年,加拿大多伦多大学的地球化学家芭芭拉·舍伍德-洛拉(Barbara Sherwood Lollar)和她的研究团队在一座铜矿里发现了宝贝。采矿过程中,岩石裂隙里涌出的水,年龄超过10亿年。这个团队现在又在另一座矿山里发现了类似的情况。这表明,古老岩石中可能含有大量此类时间舱,历史可以追溯到地球生命产生初期。

舍伍德-洛拉的研究团队正在水中寻找古老的生命形态。如果找到,也许会突破当代科学已知的范围。目前看来,水中不存在任何生命形式,而这同样令人兴奋,因为这意味着他们找到的水可能和生命起源的时候一模一样。

如果情况果真如此,这项发现就为弄清地球生命到底起源于何时何地提供了非比寻常的机会,而且还能加深我们对其他行星上生命存在条件的认知。

早在10多年前,舍伍德-洛拉就在加拿大安大略省蒂明斯市基德溪矿山(Kidd Creek Mine)深处,得到过一点这种隐藏颇深的水。在地面以下2000多米的通道中,她从岩石破裂处采集了一点气体,水就从破裂的孔洞处滴出。之后的分析表明,这些水的年龄大约在11亿到27亿年之间。水中混合着含硫气体的味道,还含有甲烷和氢。

重要的是,至少在该研究团队能够辨别的范围内,水中没有任何生命痕迹。“这关乎我们能否在这个星球上找到一小块生命未曾碰触过的世外桃源,”舍伍德-洛拉说,“这些裂隙可能已经隔离了相当长的时间,它们保留下来的化学构成或许反映了地球在生命出现之前经过的某段相同历程。那时,或许整个星球都是类似的面貌。”

这一发现可能只是特例,所以研究团队一直在寻找其他深部岩石中含有古水的地方。2014年6月,在美国加利福尼亚州萨克拉门托市举办的戈德施米特地球化学会议上,团队成员切尔西·萨克利夫(Chelsea Sutcliffe)介绍了他们在加拿大安大略省萨德伯里盆地另外两座矿山的发现。

和蒂明斯市一样,这两座矿山也都挖进了数十亿年前形成的岩石中。萨克利夫收集了位于地下1.3和1.7千米处的水,到目前为止,它们看起来和在蒂明斯市发现的古水非常相似。水中的化学物质类似,同位素比值测定出的年龄也相近。研究团队正在进行进一步分析,通过水样中的惰性气体将测算出相当精确的年龄。

美国普林斯顿大学的塔利斯·昂斯托特(Tullis Onstott)说:“如果他们在萨德伯里也看到了同样的情况,那影响就相当大了。”他表示,这种水是“一种无生命边缘区域——生命可以在其中生存,但是却没有生命存在。这是一个封闭了数十亿年的区域,为研究生命起源提供了一种地质途径”。

蒂明斯市和萨德伯里发现的古水最多不过距今27亿年,这也是包裹古水的岩石的年龄。而那时生命已经出现了大约十亿年之久,因此研究人员并不认为他们已经采集到了生命起源于其中的真正的原始汤,但他们发现古水的化学组成和性质符合能够诞生出生命的要求。

“从地球化学上来说,这就是我们这颗行星上生命诞生的那种地方,”昂斯托特说,“然而我们却看到它孤立于现今的DNA世界之外。”

关于地球生命起源于何处,有两个主流设想。最著名的或许当数达尔文的“温暖的小池塘”——沐浴在阳光下的有机化合物“汤”。另一个设想近年来越来越流行,认为海底的深海热液喷口是生命的摇篮。热液喷口通过从地壳抽取上来的流体,同时为生命提供热量和营养。

这也是加拿大安大略省矿山古水的来源。包裹它们的岩石就是数十亿年前海底热液喷口系统的产物。

舍伍德-洛拉说:“我觉得这简直就像是把温暖的小池塘装进了一个温暖的小裂缝。”昂斯托特表示赞同:“除了没有光,它们几乎与达尔文所说的温暖的小池塘一字不差。”

原始汤已经在手,研究人员开始对它进行仔细研究,看看能有什么发现。也许地下深处发生的化学反应曾经发展到了生命形成的最初阶段,比如生成氨基酸或是DNA片段。

如果真能找到类似的物质,那就说明生命可以在无光的环境下产生——这对在其他行星上寻找生命来说是个好消息。许多遥远的世界从来没有接收到过像地球这么多的光线,但人们怀疑其中一些行星拥有类似地球深海热液喷口的热液系统。这样的系统可以产生生命吗?还是说没有光的世界就是一片死寂?我们不能肯定,不过舍伍德-洛拉的岩石古水提供了一个史无前例的机会来找出答案。

“既然我们都推测这种化学构成可能会产生生命,”昂斯托特说,“既然它确实存在,而且存在了数十亿年,难道我们不应该期望着在其中看到一些前生命起源反应吗?一旦我们可以找到这样的地方,我们可以把所有仪器都用上,看看是不是能找到类似原始RNA世界的东西”。

无论我们能否在水中发现这种生命出现前夕的化学构成、性质或反应,舍伍德-洛拉说,有一件事都非常肯定:这些液体中仍然充满了富含能量的化学物质,可能就是这种能量促使生命突然出现。

萨克利夫在蒂明斯市的最新研究结果显示,古水正在慢慢被占据。有什么东西正在一点点地吃掉在古水里保存了数十亿年的化学物质。矿工破开岩石的时候,也许某种现代生物趁机跑了进去,占据了这个古代生态位,现在正在那里大吃大喝。但它吃下去的东西,可是从生命演化的早期就存在了。(编辑:Steed)

扩展阅读

生命起源于何时?

具体时间不能确定,不过我们可以缩小范围。假设生命不是陨石从天外带来的,那就必然是在地球形成之后的45亿年间突然出现的。新生的行星曾经遭到过陨石的狂轰滥炸,这种状态一直到持续到距今40亿年前,所以生命出现不可能早于40亿年前。但是35亿年前就已经有单细胞生物的清晰痕迹了,生命起源又必然早于35亿年前。因此,目前最合理的推测是在38亿年前。

生命起源于何地?

还不清楚,不过有很多设想。一个流行的看法认为,生命出现在“原始汤”里。原始汤是简单化学物质的混合物,这些化合物可以通过化学反应产生出组建生命体的原材料。达尔文认为,生命起源可能发生在“某个温暖的小池塘”里。或者,生命也可能起源于某个海底热液喷口的多孔岩石中。人们还提出了许多其他场所,其中包括粘土矿物,甚至冰。

最初的生命长什么样?

这点我们也不清楚。许多生物学家认为生命是从RNA分子形态开始的,它既可以携带基因,又能通过化学反应获取能量。但对于这个“RNA世界”,并不是人人都认可。也许最初的生命只是一圈化学反应,基因是后来才出现的。也许生命最先需要的是一个容器,比如细胞,这可能比什么都紧要。

编译自 《新科学家》,Bottling the primordial soup
(责任编辑:fyx)
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