“氨基酸浓汤”助力生命起源_风闻

生命起源问题是自然科学最重要的科学问题之一，对理解宜居星球的形成和演化具有重要意义。目前主要有大气起源和深海热液起源两种观点。

1953年，著名的米勒-尤里实验在证明甲烷（CH4）、氨气（NH3）、氢气和水蒸气在放电作用下可以产生大量氨基酸，迈出了从无机物到生命演化的第一步。这一反应被认为是生命起源最重要的前置反应之一（图1）。然而，传统认为冥古代地球大气主要成分是二氧化碳（CO2）和氮气（N2），缺乏甲烷和氨气。在中性大气里氨基酸合成的效率将大大降低，米勒-尤里反应受到限制，氨基酸能否在原始大气中大量合成被质疑、摒弃。

▲图1 米勒-尤里实验示意图。氢气、甲烷、氨气和水蒸气在放电条件下合成氨基酸（如甘氨酸、丙氨酸等）。

科学家们转而寻找其他生命起源路径。随着深海热液化能生态系统的发现，越来越多的科学家相信生命是在深海极端环境中起源的。《科学》(Science)创刊125周年提出的125个重要科学问题中，地球上生命起源的机制和地点被列为最重要的25个科学问题之一。而其中的配图就是“黑烟囱”支撑的深海热液化能生态系统（图2）。其中，类似大西洋底中低温热液生态系统“消失之城”(Lost City)（图3），被越来越多的学者认为是生命起源的理想场所。

▲图2 深海“黑烟囱”热液生态系统

▲图3 大西洋底“消失之城”(Lost City)热液体系被认为是生命起源的理想场所（照片由刘海洋博士提供）。

氨基酸只是生命起源的第一步，要从无生命的氨基酸转化为生命还有很长的路。目前学术界公认的是氨基酸需要有较高的浓度才有可能实现这一转化。如何在生命出现之前形成超浓的“氨基酸浓汤”，是生命起源的另一个重要难题。

近日，中国科学院海洋研究所深海中心孙卫东课题组在生命起源领域取得重要进展。他们利用高温高压实验证明了氮气可以快速参与蛇纹石化过程并生成大量氨气。结合团队前期研究，他们论证了地球早期在岩浆海后期，蛇纹石化导致地球大气由“二氧化碳+氮气”转变为“氨气+甲烷”。在闪电作用下，“氨气+甲烷”大气内可以合成大量氨基酸。在大气圈底部的超临界水+二氧化碳层形成氨基酸浓汤，为地球上生命起源找到了一条关键的路径。相关研究成果发表在学术期刊《科学通报》（Science Bulletin）上。

针对冥古代地表氨基酸合成缺乏关键原料——氨这一问题，孙卫东课题组研究人员进行了蛇纹石化合成氨的高温高压水热实验，研究“橄榄岩-水-氮气（-二氧化碳）”体系在冥古代地表温压条件下的反应。研究结果显示，在250-350 摄氏度和19-28兆帕的条件下生成大量的氨。氨的产量受到二氧化碳加入与否的显著影响，在加入二氧化碳的实验中，氨的转化率显著提升。氨+甲烷为主的大气可以通过闪电等自然过程形成氨基酸（图4）。

▲图4 在浓密大气中，闪电强度远高于现今，有利于合成氨基酸。

结合前人的对早期地球大气的研究结果，孙卫东课题组推断早期地球有超过112大气压的二氧化碳、超过2.6大气压的氮气和超过1000大气压的水蒸汽。随着地球表面的冷却，橄榄岩与超临界水+二氧化碳发生大规模蛇纹石化反应。根据地球早期大气成分变化推断，蛇纹石化反应一度导致大气氮含量降低到0.1大气压、二氧化碳降低到1大气压以下，对应的氨气和甲烷的浓度均可以达到5个大气压。在闪电作用下，浓密的氨气+甲烷大气中可以合成大量氨基酸，氨基酸总量可能一度超过现今全球的生物量。如此巨量的氨基酸浓缩到大气圈底部的超临界水中，形成超浓的“氨基酸浓汤”，这是生命起源的另一个有利条件。

该研究的重要性在于揭示了蛇纹石化合成氨过程可以在冥古代地表广泛发生并产生大量氨，为地球早期氨基酸的合成提供了充足的原料。基于上述研究结果，研究人员提出地球上生命起源的新模型：在冥古代地表广泛的蛇纹石化作用下，以二氧化碳和氮气为主要成分的早期大气大量生成氢气、甲烷和氨（图5）。甲烷和氨在闪电作用下通过米勒-尤里反应合成氨基酸，最终在超临界水+二氧化碳层形成广阔的氨基酸浓汤，这是生命起源的重要环境。

▲图5 冥古代地表“氨基酸海”形成的模型图。

论文信息：Shang X, Huang R, Sun W. Formation of ammonia through serpentinization in the Hadean Eon. Sci Bull 2023; 68: 1109-1112.

来源：中国科学院海洋研究所