想不通,小分子為何能結合成為生物的?科學家可能找到答案了

生命的起源,是一個永恆的話題,在幾千年的歷史中,不同民族的人類都曾思考過這個問題,並且給出了不同的答案。

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在現代科學建立以前,先民習慣於將原因歸結於神話。當現代科學建立以後,我們知道了首先要有星球,然後有各種原子結合成有機物,有機物再結合成為更復雜的有機物,進而形成了構成細胞的各個細胞器,再由細胞結合為多細胞生物。

這個過程說起來容易,實際卻極其困難。單單是有機分子結合成為細胞器,聽起來就已經十分神奇了。因為這些細胞器或者其他支持生命的分子都非常大,並且種類極其繁多,它們的出現不僅需要相當嚴苛的條件,而且看起來充滿了陰差陽錯、機緣巧合。有機分子結合成為生命,絕對是宇宙中最大的奇蹟。

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這個奇蹟,就這樣發生了。最晚在距今37億年前,地球上就已經有單細胞生物出現了。那個時候,地球才形成了不到10億年。這個時間聽起來已經相當長了,但是考慮到前面提到的難度,也有人覺得地球能夠在這個時間內奇蹟般地孕育生命仍然值得我們讚歎。

那麼,這個奇蹟到底是怎麼發生的呢?那些原本只有幾個、十幾個原子的小分子,到底是怎樣結合成為幾千甚至幾萬個原子的大分子,進而構成我們生物體的基礎物質的呢?

最近,來自波蘭和韓國的科學家們開發了一個程序,通過這個程序,他們發現了一條地球早期存在的簡單有機分子結合成為生物體複雜大分子的可能路線。也就是說,地球上第一個生命的來源,或許將要水落石出。

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研究人員指出:“雖然大家已經對幾百種有機反應在沒有生命的條件下的進行達成了共識,但是對於每一個反應步驟如何串聯成為一個完整的生物體合成途徑從而結合為生物體,仍然只有非常片面的理解。藉助計算機模擬有機合成反應的強大能力,我們可以繪製一張由基本的前生物原料合成的網絡。”

該團隊開發的程序名叫Allchemy,然後將已知的前生物化學反應進行編碼,輸入到系統之中,其中包括了各種不相容的基團以及反應條件等信息,以及已知的前生物條件下的反應機制。在設定了這些反應條件和過程後,研究團隊把六種目前已知在地球出現生命的前夕就已經存在的基本分子輸入到程序中,然後開始了模擬。這6種分子分別是:水、氮、氰化物、氨氣、甲烷和硫化氫。

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通過輸入的反應過程,程序迅速開始模擬可能出現的連續反應過程。隨著新的產物不斷出現,可能出現的反應也越來越多,這些反應產物之間可以繼續進行合成,也可以和前幾代產物以至於最初的六種基本分子進行化學反應。在這些複雜的反應過程中,生物體所必須的物質逐漸出現,如核酸、蛋白質、脂質等等。當模擬的代數足夠多時,所有前生物分子的反應過程就都被重現出來了。

Allchemy程序還發現:有一些前生物分子的合成過程,要遠比原先研究人員想象的速度快得多。比如在我們體內的抑制性神經遞質甘氨酸(C2H5NO2),甚至只需要一步反應就可以合成;如尿素、DNA的成分之一腺嘌呤、草酸和丁烯二酸等物質,在兩步反應過程之後就能夠出現;甘油醛、異鳥嘌呤、天門冬氨酸、次黃嘌呤、另一種DNA成分胞嘧啶、苯丙氨酸、琥珀酸、蘋果酸、乙醛酸和醛固酮等物質的合成,也只需要三步化學反應。

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研究人員在論文中指出,程序僅僅運行了2個小時,就合成了82個生物分子以及36603個非生物分子。由此可見,自然界中的化學反應活躍程度還是相當高的。

這個程序不僅能夠運行我們已知的一些化學反應,甚至還發現了一些我們原本並不知道的前生物分子合成途徑。而且,根據這個程序發現的方式,研究團隊在實驗室中真的重現了反應過程。

這已經是Allchemy程序的意外收穫了,但它給我們的啟示還不止於此。在這個程序模擬出的反應樹中,研究團隊發現了三個對於生命來說至關重要的事實:

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  1. 首先,在這個化學反應樹中的新產物可以成為新化學反應的基礎,這在極大程度上增加了可能出現的化學反應過程和產物數量,使其以滾雪球的形式大幅增加;
  2. 而且,在幾代的化學反應之後,就會有一些相對簡單的化學反應系統出現,比如自我再生循環。在實驗室中,研究人員也證實了這個發現;
  3. 再者,在模擬程序中,一些有機分子能夠自發地相互連接在一起,最終形成了一個閉合的氣泡,這些氣泡就是未來的細胞壁結構。可以說,細胞壁的出現對於生命來說非常重要,可以維持細胞的形狀,對細胞起到一定的保護作用,還能調節細胞內外的物質運輸。
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Allchemy程序對於我們來說是一個好消息,它幫助我們理解了早期地球上僅有的幾種有機分子是如何合成為生命所必須的各種化學物質的。但是,作為宇宙最大的奇蹟,生物體內所包含的無數種化學物質也絕不是這一個程序就能夠概括的,其複雜程度耗費了幾億年的時間才誕生了第一個生物,想要完整了解這個過程,對於我們來說仍然是十分困難的。

不過,有了Allchemy的幫助,我們可以更好地瞭解這個過程,更重要的是,我們不僅僅可以把它利用在地球上,還可以對外星環境進行模擬。也許,在系外行星上,通過檢測一些有機物質,然後進行類似的模擬,可以幫助我們分析那裡是否可能有生命存在。

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地球生物的確是宇宙中最大的奇蹟,但是在無限廣袤的宇宙中,這樣的奇蹟真的會只發生一次嗎?也許答案是否定的吧……


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