撰文 | Tim Childers   編譯 | 石云雷


生命的自然發(fā)生

目前普遍被科學(xué)家接受的猜想是，地球上各個(gè)角落活動(dòng)的復(fù)雜生命都起源于非生命物質(zhì)。而這些非生命物質(zhì)隨機(jī)組合，形成了構(gòu)建生命的基本結(jié)構(gòu)，這一過(guò)程也被稱為“自然發(fā)生”學(xué)說(shuō)（abiogenesis）。不過(guò)一直以來(lái)，科學(xué)家還缺乏相關(guān)的研究依據(jù)，來(lái)支持這個(gè)觀點(diǎn)。

最近，東京大學(xué)的天體物理學(xué)教授戶谷友則（Tomonori Totani）進(jìn)行了一項(xiàng)創(chuàng)新性研究，試圖弄清楚生命由這些無(wú)機(jī)物自發(fā)形成的可能性。在這項(xiàng)研究中，戶谷友則建立模型，檢測(cè)了宇宙中是否有足夠的恒星系統(tǒng)中，存在允許生命自然發(fā)生的宜居行星。這一研究于今年2月發(fā)表在《科學(xué)報(bào)告》期刊上，研究結(jié)果顯示，在可觀測(cè)的宇宙中，我們發(fā)現(xiàn)其他生命存在的可能性非常低。

“我希望能至少發(fā)現(xiàn)一條自然發(fā)生學(xué)說(shuō)的現(xiàn)實(shí)路徑，以便從科學(xué)的角度來(lái)解釋這一學(xué)說(shuō)，”戶谷友則說(shuō)，“一些人認(rèn)為自然發(fā)生的可能性極低，因此生命的起源難以從科學(xué)的角度來(lái)理解。但我作為一名科學(xué)家，一直夢(mèng)想能解釋為什么我們會(huì)存在于地球上?！?/span>

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“RNA世界”

戶谷友則的研究主要關(guān)注自然發(fā)生學(xué)說(shuō)中的基本假設(shè)：生命起源于一個(gè)RNA世界。1981年，諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主沃特·吉爾伯特（Walter Gilbert）提出了“RNA世界”假說(shuō)。這一假說(shuō)認(rèn)為，在蛋白質(zhì)、雙鏈的DNA分子（脫氧核糖核苷酸）出現(xiàn)之前，地球上主要存在著與DNA結(jié)構(gòu)相似的RNA分子（核糖核苷酸）。構(gòu)成核糖核苷酸中的核糖比脫氧核糖多一個(gè)氧原子，這也導(dǎo)致RNA分子較DNA分子更不穩(wěn)定。

但在早期地球上，RNA是第一個(gè)能復(fù)制和儲(chǔ)存信息的分子，還具有啟動(dòng)和催化化學(xué)反應(yīng)的功能。這也是地球上的生命物質(zhì)具有的兩項(xiàng)基本特征。相比于現(xiàn)在以DNA和蛋白質(zhì)為化學(xué)基礎(chǔ)的生命，RNA世界是一個(gè)更原始的分子世界。而在細(xì)胞中具有催化功能的RNA酶，特別是RNA在核糖體中發(fā)揮的關(guān)鍵作用，也極大地支持了“RNA世界”假說(shuō)。

盡管較為原始，但RNA是由許多單體化合物連接形成的一種多聚物。具體而言，RNA只能由一種被稱為核苷酸的含氮堿基分子構(gòu)成。一些研究人員表示，為了讓RNA具有基本的自我復(fù)制功能，它至少需要含有40~60個(gè)核苷酸。

所以，這些由至少40~60個(gè)核苷酸組成的RNA分子，是如何自發(fā)形成的呢？雖然一些實(shí)驗(yàn)已經(jīng)顯示，在適當(dāng)?shù)臈l件下，經(jīng)過(guò)足夠長(zhǎng)的時(shí)間，核苷酸能自發(fā)組合形成RNA分子。但是，隨著RNA鏈的長(zhǎng)度增加，其豐度會(huì)迅速降低。在這些實(shí)驗(yàn)中，長(zhǎng)度超過(guò)10個(gè)核苷酸殘基的RNA分子從未出現(xiàn)。

“實(shí)驗(yàn)證實(shí)，RNA聚合物可以依靠一個(gè)基本的隨機(jī)過(guò)程形成，”戶谷友則說(shuō)，“一些實(shí)驗(yàn)聲稱，能形成含有超過(guò)50個(gè)核苷酸單體的RNA鏈，但這些實(shí)驗(yàn)并不能被重復(fù)出來(lái)。其中一個(gè)問(wèn)題是，一些聚合物很容易被誤認(rèn)為是長(zhǎng)鏈的RNA聚合物。”

戶谷友則的模型利用了最保守的RNA聚合方法，即每個(gè)核苷酸單體隨機(jī)地一個(gè)接一個(gè)連接，組成一條RNA長(zhǎng)鏈。一些科學(xué)家認(rèn)為，由核苷酸單體形成的聚合物之間也能相互連接，這能加速RNA長(zhǎng)鏈的形成。但戶谷友則表示這個(gè)過(guò)程“具有很大的投機(jī)性和假設(shè)性”。

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可觀測(cè)宇宙之外

科學(xué)家認(rèn)為在地球形成5~10億年后，生命開(kāi)始在地球上出現(xiàn)?？紤]到可觀測(cè)宇宙中存在10^22顆恒星，生命似乎有很大的機(jī)率在宇宙中的其他星球上出現(xiàn)。但考慮到鄰近的恒星系統(tǒng)中宜居行星的數(shù)量，戶谷友則通過(guò)數(shù)據(jù)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，隨機(jī)形成包含超過(guò)40個(gè)核苷酸的RNA鏈的概率很低。在可觀測(cè)宇宙中，在地球出現(xiàn)生命的時(shí)間范圍內(nèi)，有機(jī)會(huì)讓生命“自然發(fā)生”的宜居行星數(shù)量實(shí)在是太少了。

“但整個(gè)宇宙遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于我們目前能觀測(cè)的范圍，”戶谷友則表示，“宇宙正處于加速膨脹時(shí)期，其通過(guò)膨脹占據(jù)的廣闊區(qū)域遠(yuǎn)超過(guò)我們能直接監(jiān)測(cè)到的范圍。如果在模型中考慮這些更大范圍的宇宙空間時(shí)（恒星周?chē)嬖诘囊司有行牵?，生命自然發(fā)生的機(jī)率將會(huì)大幅增加?！?br>
大約在138億年前，宇宙誕生于大爆炸。此后，宇宙一直在快速膨脹。如果將宇宙比作一只烤箱中的面包，我們能觀測(cè)到的宇宙就像被困在面團(tuán)中一個(gè)氣泡。這個(gè)氣泡的邊緣到地球的距離，就是自大爆炸以來(lái)光傳播的最遠(yuǎn)距離，也就是可觀察宇宙的大小。而可觀察宇宙的體積，可能不到通過(guò)膨脹形成的整個(gè)宇宙體積的10^78分之一。因此，并沒(méi)有充分的理由支持能在如此小的宇宙區(qū)域內(nèi)，會(huì)出現(xiàn)不止一次“自然發(fā)生”過(guò)程。

隨著宇宙不斷膨脹，我們可觀測(cè)的宇宙范圍會(huì)不斷增大，而在此之外的宇宙區(qū)域也會(huì)更加遠(yuǎn)離我們。據(jù)估計(jì)，整個(gè)宇宙可能含有超過(guò)10^100顆恒星。當(dāng)戶谷友則考慮這些可觀測(cè)范圍之外的大量恒星時(shí)，他發(fā)現(xiàn)生命的出現(xiàn)不再是不可能的，而是非常有可能的。在我們所處的整個(gè)宇宙中，生命可能會(huì)出現(xiàn)在無(wú)數(shù)的行星上。這一發(fā)現(xiàn)也支持了“RNA世界”假說(shuō)，盡管這也意味著我們幾乎不可能在宇宙中找到新的生命。

如果生命首先從RNA分子開(kāi)始演化，那么“地球上的生命則是由極為罕見(jiàn)的長(zhǎng)鏈RNA聚合物產(chǎn)生的，”戶谷友則說(shuō)，“地球很可能是可觀測(cè)宇宙中唯一擁有生命的行星。我預(yù)測(cè)未來(lái)對(duì)地外生命的觀察或探索，將不會(huì)取得結(jié)果?！?

如果偶然在宇宙中相鄰的行星上發(fā)現(xiàn)了生命，戶谷友則相信這顆行星上的生命和地球上的生命擁有相同的起源方式。當(dāng)然，生命物質(zhì)有可能搭乘彗星和小行星，穿過(guò)行星際或星際空間達(dá)到宇宙的某個(gè)區(qū)域，進(jìn)而導(dǎo)致了生命在那里的演化。

雖然戶谷友則的研究工作還無(wú)法回答這個(gè)最基本的科學(xué)問(wèn)題，但它可能指導(dǎo)對(duì)生命起源的后續(xù)研究。我們是否仍然是宇宙中唯一存在的生命還未可知。但是如果戶谷友則的研究告訴了我們了什么結(jié)論的話，那就是：我們不應(yīng)該相信在可觀測(cè)宇宙中，會(huì)存在其他生命。

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論文鏈接：https://www./articles/s41598-020-58060-0