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生命起源,煮一鍋「長鏈RNA濃湯」

在早期的地球上,煮著一碗充滿化學原料的濃湯,稱作「原生湯」或「太古濃湯」,生命的起源就在那。RNA 鏈(單股螺旋核醣核酸分子)在海洋中到處漂浮,隨意地自己複製自己。後來呢,科學家知道這些 RNA 鏈一定會變得越來越長,準備好一個平台演化出複雜的生命:從阿米巴蟲、蠕蟲,直到最後有了人類。

目前大多數科學家認為,較短、擁有較少材料可以複製的 RNA 分子,因為複製得比較快,才能利於原始的生物演化成複雜的有機體。但現在有個新的研究卻提出相反的看法:在海底熱泉噴口附近,較長的 RNA 鏈可能躲藏在多孔洞的岩石裡,加上獨特的溫度條件,很有希望演化出複雜的生物。

海底熱泉噴口

來源:NOAA

海底熱泉噴口就是地殼的裂縫,會噴出非常燙的水,在早期的地球很常見,也比現今活躍。噴口裡的水營養特別豐富,有沒有可能是一個演化出複雜生命的推力?德國慕尼黑大學的實驗生物物理學家 Dieter Braun 和研究團隊,開始研究在熱泉噴口旁的岩石孔隙中的一個物理現象。

nchem.2155-f1

來源:Nature Chemistry, doi:10.1038

研究團隊假設,這個孔隙上下兩端開口,充滿各種長度的 RNA 分子溶液。在較靠近熱泉水流的底端,溶液密度會變得較低,因而在孔洞中上升。上升的溶液會從上方跑掉一些,更營養的水(密度較高的溶液)就會從下面補充進來,而留下來的溶液會下沉、擴散回到孔洞冷的那端。

熱泳(Thermophoresis)是個複雜的物理效應,會造成溶液中的帶電分子往較冷的水中聚集。較長的 RNA 分子帶較多電,比起短 RNA 分子會有更明顯的熱泳效應,因此較短的RNA分子比較可能從孔洞上端逃出,較長的分子則被困在孔洞中。孔洞持續有營養物質加入,這期間 RNA 很可能一直在複製。另外,這樣的溫度循環,也確實有助於分開兩條彼此「黏合」的 RNA ,使複製更容易發生。

為了測試這個假設,Braun 和他的同事們用許多很小的玻璃毛細管排成網狀,從一端加熱,建造一塊模擬的多孔岩石。他們將 DNA (雙股螺旋去氧核醣核酸分子)片段從毛細管底部沖洗進管中;嚴謹一點,他們應該使用 RNA 做測試,但 Braun 說明,因為還沒有好方法可以在實驗室中複製 RNA,而 DNA 則有一個簡單的標準程序稱作「聚合脢連鎖反應(Polymerase chain reaction, PCR)」可大量複製,並且 DNA  所有的熱泳行為或受困在管中的機制與特性都與 RNA 相同。

實驗進行時,研究人員發現較長的單股 DNA 比較容易聚集在管中,因此複製的情形較好、數量增長,而較短的單股DNA 會被稀釋到消失。

可是以上並無法說服加州大學聖地牙哥分校的海洋化學家 Jeffrey Bada,他認為海底熱泉噴口或是任何其他早期地球上的棲息地,都不可能提供如同實驗室中所打造的條件,「這個模擬過程不太可能發生在地球或其他尺度這麼大的地方」。

加州大學聖塔芭芭拉分校的生物化學家 Irene Chen 則不太贊同他,她認為這個研究對於瞭解環境開啟另一扇門,生命起源的環境不再局限於火山環境,還有其他可能有助於複雜生命演化的環境類型。

參考資料

  • Science/AAAS | NEWS:How Earth’s earliest life overcame a genetic paradox (26 Jan. 2015)
  • Kreysing, M., Keil, L., Lanzmich, S., & Braun, D. (2015). Heat flux across an open pore enables the continuous replication and selection of oligonucleotides towards increasing length. Nature Chemistry.

關於作者

張鳳茹

PanSci 實習編輯 | 主修大氣科學。喜歡弄文字、玩音樂。傾向自然,不管是拿來讀的那種,渾身散發出來的那種,還是可以去野餐的那種。