“氨基酸濃湯”助力生命起源_風聞

生命起源問題是自然科學最重要的科學問題之一，對理解宜居星球的形成和演化具有重要意義。目前主要有大氣起源和深海熱液起源兩種觀點。

1953年，著名的米勒-尤里實驗在證明甲烷（CH4）、氨氣（NH3）、氫氣和水蒸氣在放電作用下可以產生大量氨基酸，邁出了從無機物到生命演化的第一步。這一反應被認為是生命起源最重要的前置反應之一（圖1）。然而，傳統認為冥古代地球大氣主要成分是二氧化碳（CO2）和氮氣（N2），缺乏甲烷和氨氣。在中性大氣裏氨基酸合成的效率將大大降低，米勒-尤里反應受到限制，氨基酸能否在原始大氣中大量合成被質疑、摒棄。

▲圖1 米勒-尤里實驗示意圖。氫氣、甲烷、氨氣和水蒸氣在放電條件下合成氨基酸（如甘氨酸、丙氨酸等）。

科學家們轉而尋找其他生命起源路徑。隨着深海熱液化能生態系統的發現，越來越多的科學家相信生命是在深海極端環境中起源的。《科學》(Science)創刊125週年提出的125個重要科學問題中，地球上生命起源的機制和地點被列為最重要的25個科學問題之一。而其中的配圖就是“黑煙囱”支撐的深海熱液化能生態系統（圖2）。其中，類似大西洋底中低温熱液生態系統“消失之城”(Lost City)（圖3），被越來越多的學者認為是生命起源的理想場所。

▲圖2 深海“黑煙囱”熱液生態系統

▲圖3 大西洋底“消失之城”(Lost City)熱液體系被認為是生命起源的理想場所（照片由劉海洋博士提供）。

氨基酸只是生命起源的第一步，要從無生命的氨基酸轉化為生命還有很長的路。目前學術界公認的是氨基酸需要有較高的濃度才有可能實現這一轉化。如何在生命出現之前形成超濃的“氨基酸濃湯”，是生命起源的另一個重要難題。

近日，中國科學院海洋研究所深海中心孫衞東課題組在生命起源領域取得重要進展。他們利用高温高壓實驗證明了氮氣可以快速參與蛇紋石化過程並生成大量氨氣。結合團隊前期研究，他們論證了地球早期在岩漿海後期，蛇紋石化導致地球大氣由“二氧化碳+氮氣”轉變為“氨氣+甲烷”。在閃電作用下，“氨氣+甲烷”大氣內可以合成大量氨基酸。在大氣圈底部的超臨界水+二氧化碳層形成氨基酸濃湯，為地球上生命起源找到了一條關鍵的路徑。相關研究成果發表在學術期刊《科學通報》（Science Bulletin）上。

針對冥古代地表氨基酸合成缺乏關鍵原料——氨這一問題，孫衞東課題組研究人員進行了蛇紋石化合成氨的高温高壓水熱實驗，研究“橄欖岩-水-氮氣（-二氧化碳）”體系在冥古代地表温壓條件下的反應。研究結果顯示，在250-350 攝氏度和19-28兆帕的條件下生成大量的氨。氨的產量受到二氧化碳加入與否的顯著影響，在加入二氧化碳的實驗中，氨的轉化率顯著提升。氨+甲烷為主的大氣可以通過閃電等自然過程形成氨基酸（圖4）。

▲圖4 在濃密大氣中，閃電強度遠高於現今，有利於合成氨基酸。

結合前人的對早期地球大氣的研究結果，孫衞東課題組推斷早期地球有超過112大氣壓的二氧化碳、超過2.6大氣壓的氮氣和超過1000大氣壓的水蒸汽。隨着地球表面的冷卻，橄欖岩與超臨界水+二氧化碳發生大規模蛇紋石化反應。根據地球早期大氣成分變化推斷，蛇紋石化反應一度導致大氣氮含量降低到0.1大氣壓、二氧化碳降低到1大氣壓以下，對應的氨氣和甲烷的濃度均可以達到5個大氣壓。在閃電作用下，濃密的氨氣+甲烷大氣中可以合成大量氨基酸，氨基酸總量可能一度超過現今全球的生物量。如此巨量的氨基酸濃縮到大氣圈底部的超臨界水中，形成超濃的“氨基酸濃湯”，這是生命起源的另一個有利條件。

該研究的重要性在於揭示了蛇紋石化合成氨過程可以在冥古代地表廣泛發生併產生大量氨，為地球早期氨基酸的合成提供了充足的原料。基於上述研究結果，研究人員提出地球上生命起源的新模型：在冥古代地表廣泛的蛇紋石化作用下，以二氧化碳和氮氣為主要成分的早期大氣大量生成氫氣、甲烷和氨（圖5）。甲烷和氨在閃電作用下通過米勒-尤里反應合成氨基酸，最終在超臨界水+二氧化碳層形成廣闊的氨基酸濃湯，這是生命起源的重要環境。

▲圖5 冥古代地表“氨基酸海”形成的模型圖。

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

來源：中國科學院海洋研究所