地球上的第一種生命形式出現在哪？是海洋嗎？麻省理工學院的一項新研究發現，相比于海洋，原始的池塘可能更適合孕育地球上的第一種生命形式。

研究人員報告說，深度為10厘米左右的淺水可能含有高濃度的氮，而氮被許多科學家認為是地球上生命起源的關鍵成分。

按照研究人員的說法，在淺水池塘中，氮以氮氧化物的形式存在，它很有可能會積累到足夠的量，與其他化合物發生反應，從而產生第一種生物體。而在更深的海洋中，氮會很難積累形成重要的、具有生命催化作用的物質。

這篇論文的主要作者Sukrit Ranjan是麻省理工學院地球、大氣與行星科學系（EAPS）的博士后，他表示：“總的來說我們的意思是，如果你也像許多人一樣，認為生命的起源需要含氮化合物，那么就要知道讓生命的起源發生在海洋中是件很難的事情。”

破壞連接

如果原始生命確實起源于某個與氮相關的關鍵反應，那么科學家認為這種情況的發生可能有兩種方式：

第一種假說認為，與生命起源有關的化學反應發生在深海中，那里的氮以氮氧化物的形式存在，它們能與從深海熱泉冒出來的二氧化碳發生反應，形成構建了生命的第一批分子。

第二種基于氮的假說涉及到RNA，也就是如今幫助我們編碼遺傳信息的分子。原始形態的RNA很可能是一種自由漂浮的分子。一些科學家認為，當RNA與氮氧化物接觸時，或許會被化學誘導形成最早的生命分子鏈。RNA的這種形成過程可以發生在海洋中，也可以發生在淺水湖泊和池塘中。

氮氧化物可能作為氮在地球大氣中分解后留下的殘余，沉積在海洋和池塘等水體中。大氣中的氮由兩個氮原子組成，它們通過很強的三價鍵連接在一起，只有像閃電這樣的極端高能事件才可能破壞這種連接。Ranjan解釋說：“閃電就像劇烈的炸彈爆炸，它產生的能量足以破壞大氣中氮分子間的三價鍵，產生的氮氧化物會并隨著雨水降落到水體中。”

科學家認為，在早期大氣中可能存在足夠多的閃電來產生豐富的氮氧化物，為海洋生命的起源提供燃料。科學家假設，一旦這些化合物進入海洋，閃電產生的氮氧化物的供應就會相對穩定。

然而，在這項新研究中，Ranjan發現了兩種有可能摧毀大量氮氧化物的重要效應，這些效應在海洋中尤其顯著。他和同事們查閱科學文獻后發現，水中的氮氧化物會以兩種方式分解：一種是氮氧化物會與太陽的紫外線相互作用，另一種是氮氧化物會與脫落于原始海洋巖石中的溶解鐵相互作用。

Ranjan表示，無論是紫外線還是溶解的鐵，都有可能讓海洋中很大一部分的氮氧化物遭殃，將這些化合物轉化成氣態氮重新送回大氣中。這兩個效應之前人們從未考慮過的兩個重大因素，如果將它們納入計算，那么就會發現海洋中氮氧化物的濃度就只有之前計算結果的1/1000。

淺水池塘的優勢

在海洋中，紫外線和溶解鐵會導致合成生物體所需的氮氧化物大大減少。然而，在淺水池塘里，生命會有更好的機會扎根。這主要是因為池塘中能夠稀釋化合物的水量要少得多，因此池塘中氮氧化物的累積濃度也會高得多。包括紫外線和溶解鐵之類的任何破壞效應對化合物的總體濃度影響都會更小。

Ranjan表示，池塘越淺，氮氧化物就越有可能與其他分子，特別是RNA相互作用，從而催化出第一種生物體。他說：“這些池塘可能有10到100厘米深，表面積在數十平方米以上。它們可能與今天南極洲的唐胡安池（Don Juan Pond）相似，在夏天，唐胡安池的池水深度大約為10厘米。”

○ 南極洲的唐胡安池。| 圖片來源：Pierre Roudier/Flickr

可能這樣的水體看起來并不算大，但Ranjan說這正是關鍵所在：在更深或更大的環境中，氮氧化物會被稀釋得太多，從而會阻礙任何與生命起源有關的化學過程。一些其他的研究小組估計，大約39億年前，也就是恰好在地球上首次出現生命跡象之前，全世界可能有大約500平方公里的淺水池塘和湖泊。

Ranjan說：“與我們今天擁有的湖泊面積相比，這非常之小。然而，相比于研究生命起源之前的化學家所假定的表面積來說，這已經足夠了。”

生命是起源于池塘還是海洋？這個爭論仍然沒有平息，但Ranjan的新研究為前者提供了一個令人信服的證據。

Ranjan認為，與其說這門學科的每一次進展就像是推倒了一排多米諾骨牌，倒不如說是在建造一座大教堂。在這個過程中，我們不會有真正的恍然大悟的時刻：“它更像是耐心地積累一次又一次的觀察，而整體而言，最終出現的景象是——許多前生物合成途徑的化學反應似乎更容易在池塘中實現，而不是在海洋中。”

參考鏈接：

http://news.mit.edu/2019/earth-earliest-life-ponds-not-oceans-0412

文章來源：原理

IEEE Spectrum

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