从分子到生物：地球上的生命最初是如何出现的

地球上的生命最初是如何出现的?它是如何繁荣和发展的?ETH研究人员参与了寻找这些基本问题的答案。

自古以来，人类就一直在思考地球上的生命最初是如何开始的问题。古代文化宣称世界的创造和生命的起源是神和其他神圣存在的作品。科学总是走不同的道路。

借鉴物理、化学和生物学的基本定律，一代又一代的研究人员对生命的起源提出了先进的理论和假设。在这个过程中，他们积累了大量的知识。

“我们对这些问题的迷恋深深植根于西方文化，”苏黎世联邦理工学院物理化学教授Roland Riek说。“这是一个信仰问题，但作为一个科学假设提出。Riek也有物理学和生物学的背景，他对哪些化学构件参与了生命的出现的问题很感兴趣。

正确的化学反应

对于Riek来说，有相当多的证据表明，在我们的星球形成后几亿年，地球上产生生物体的初始化学过程一定涉及氨基酸和在火山气体存在下由这些生物体形成的肽。他解释说，这些是稳定的，能够承受非常高的温度。

此外，氨基酸相对容易产生 - 正如其他研究人员能够在各种“原始汤”实验中证明的那样。它们也存在于陨石上。然而，相对而言，这些几乎没有核糖核酸(RNA)任何构建块的痕迹，大多数科学家认为核糖核酸是首先为地球上的生命创造条件的分子。

“肽具有与RNA相同的功能：它们可以自我复制，但不需要RNA复制所涉及的高精度，”Riek解释说。而且，像RNA一样，肽存储和传递信息并具有催化活性。他实验室的工作包括研究淀粉样蛋白如何从简单的肽中形成。

淀粉样蛋白是非常坚韧的，基本上不可分解的分子复合物，总是由相同的肽组成。这种肽复合物可以存储和传递信息。它们像水晶一样生长。

此外，淀粉样蛋白可以很容易地停靠在RNA分子上。“在我看来，早期的图片可能看起来像这样：有氨基酸，肽，然后还有淀粉样蛋白，它们在某个时候撞到RNA并与之结合，”Riek说。随着时间的推移，这种组合进化成一个有机体。

这些化学构件可能在深海的热液喷口或原始潮汐池中交叉，在那里它们由于蒸发而变得浓缩。如此高的浓度可能导致更复杂的分子的自发合成。“这在海洋中不会发生，因为那里的稀释度太大了，”Riek解释说。

第一个单元格

对第一个细胞如何形成的科学理解要粗略得多。“我们没有什么可做的了，”Riek承认。关键似乎是原始汤中囊泡的形成及其丰富的分子酿造。为此，需要脂肪酸。

这些脂质的前体可以自发地积累形成膜，从而形成小的封闭隔室。实际上，这创造了从原始汤中分离的反应容器，这些分子可以变得更加浓缩。这些囊泡将极大地促进和加速任何随后的化学反应。

从原始到复杂

“囊泡形成可能也是单细胞生物出现的关键。这些提供了一个环境，其中更复杂的分子如RNA可以进一步复制，最终产生一种代谢，产生足够的能量来加速复制过程并增强遗传信息的传递，“苏黎世联邦理工学院分子生物学和生物物理研究所副教授Martin Pilhofer解释说。

“目前尚不清楚这个阶段持续了多长时间，”他补充道。“我们越往前追溯，我们对地球历史的了解或假设就越少。也不可能确切地确定第一个单细胞生物出现的时间。化石细菌表明这是大约3.5至4亿年前。然而，可以肯定的是，3亿年前地球上就已经存在生命了。

单细胞生物似乎可能首先出现在提供外源性能源的地方 - 靠近深海的热液喷口或黄石国家公园的温泉。只有当它们发展出自己的新陈代谢时，单细胞生物才能够独立于这种外源性能量来源并冒险进入新的栖息地。

来自深海

居住在这种热液喷口附近，单细胞生物可以沿着各种路径迅速进化。“我们怀疑在如此极端的地方，单细胞生物在出现后不久就发育成细菌或古细菌，”Pilhofer说。

大多数细菌和古菌 - 曾经也被称为古细菌或原始细菌 - 是没有细胞核的单细胞生物。它们在系统发育树中形成两个主要结构域。第三个分配给真核。

与细菌和古细菌不同，真核生物有一个细胞核，这是储存遗传物质DNA的地方。真核生物的另一个特征是它们具有膜封闭的细胞区室，例如线粒体或叶绿体。

长期以来，研究人员一直试图确定真核生物是如何从细菌或古细菌微生物中出现的。一个流行的论点是宿主细胞“吞下”了细菌。然后随着时间的推移，它演变成线粒体，为真核生物提供能量。“毫无疑问，这样的事件发生了，”皮尔霍夫说。

进一步的事件很可能导致光合活性蓝藻被同化到细胞中，从而成为叶绿体，即在绿色植物和藻类中进行光合作用的细胞器。

然而，长期以来还不清楚这种宿主细胞 - 真核生物的前体 - 可能是什么。几年前，随着关于刚刚发现的原始古菌群的新发现的发表，迷雾开始散去。

这群是在一个名为洛基城堡的深海热液喷口中发现的，那里的水在300摄氏度的温度下从岩石烟囱中喷出。洛基城堡位于北大西洋，深度为2，300米，直到2008年才被发现。

同年，瑞典研究人员取出沉积物样本并分析其遗传物质。这使他们能够重建未知生物的基因组。“他们的发现彻底改变了我们看待生命之树的方式，”皮尔霍夫说。

基因组表明了一组新的古菌，最初在发现它们的地方被标记为Lokiarchaeota，但后来，经过进一步的基因组和形态学研究，被分配到Asgardarchaeota的一个类别。

这些新描述的微生物表明，真核毕竟不是一个单独的域，而是Asgardarchaeota的一个子域。

正如Pilhofer所解释的那样：“Asgardarchaeota的基因组包含一些我们通常只能从真核中知道的基因。一个重要的例子是携带细胞骨架蛋白肌动蛋白遗传信息的基因。这意味着古菌具有以前仅在真核生物中发现的蛋白质。

这位专门研究细胞骨架的微生物学家有一个关于原始阿斯加德古细菌如何能够捕获细菌的理论。他认为它可能有由肌动蛋白丝支撑的触手，它用来研究周围环境并与其他生物相互作用。

在这种极端的地方，古菌和细菌经常在所谓的微生物垫中生长 - 一个富含不同种类微生物的密集环境。这导致了个体生物和不同物种之间的无数相互作用。

利用它的触手，阿斯加德古菌可以拥抱细菌，然后同化它。“换句话说，它很可能是一个原始的阿斯加德古菌，为真核细胞的发展奠定了基础，”Pilhofer解释说。

他正在与他的研究小组使用电子显微镜来创建阿斯加德古细菌的高分辨率图像。这是因为到目前为止可用的图像不够清晰，无法确定生物体是否确实拥有细胞骨架。

ETH研究人员还想找出阿斯加德古菌的细胞膜是什么样子的，以及细胞是否具有特殊的内膜系统。“这项工作将帮助我们更好地了解曾经与细菌融合的宿主细胞如何能够进化成复杂的真核细胞，”Pilhofer说。

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