文/徐思思
  無論是古埃及宗教經文還是中國神話,都傳說人是泥土做的。《聖經》說,上帝按照自己的形象用黏土捏了一個泥人,然後往他的鼻孔吹入“生命之氣”,於是泥人開始呼吸,能夠活動,自此人類被製造完成。中國神借貸話中,女媧也是用泥土仿照自己的樣子創造了人類。
  最新機車借款科學研究認為,也許數千年來的神話傳說有一定道理,地球上的所有生命可能都來自於黏土。
  “雖然我們沒有證明‘上帝用地上的塵土造人,將生命之氣吹進他的鼻孔里,他就成了有靈的活人’,”美國康奈爾大學生物工程學院羅丹(Dan Luo)教授說,“但我們已經證明,在海水中,黏土關鍵字廣告呈現出海綿狀的充滿了水凝膠或微孔的泥團,對於生化物質而言,這已是完美的襁褓,足以形成生命的初期形式。”這一研究最近發表在《科學報道》雜誌上。
  尋找廉融資價水凝膠
  水凝膠是以水為分散介質的凝膠,是一種高分關鍵字子網絡體系,性質柔軟,能保持一定的形狀,並能吸收大量的水。
  據羅丹教授介紹,在此之前,研究人員通過向合成的水凝膠中加入DNA、氨基酸以及正確的酶和少量的細胞機制,就可模擬蛋白質在細胞內的生產過程。水凝膠便成為蛋白質合成的“無細胞”媒介,這也是生命起源於黏土的實驗依據。
  那麼,如果要利用水凝膠這一媒介大規模生產蛋白質,如藥品的製造,就需要大量的水凝膠。因此,研究人員開始尋找一種更為便宜的水凝膠製造方法。
  尋找工作開始不久,康奈爾大學研究團隊客座教授楊達勇(Dayong Yang)就發現,黏土在海水中可以形成水凝膠。
  黏土一般由來自岩石中的硅酸鹽礦物在地球錶面風化作用後形成,用水濕潤後具有可塑性,在較小壓力下可以變形並能長久保持原狀。同時,黏土顆粒有很好的物理吸附性和錶面化學活性。
  研究人員在實驗中,探尋黏土與海水形成水凝膠的最佳體積比例。
  “我們將黏土和海水按1:1的體積比例混合後,黏土瞬間自發形成了一個散狀的水凝膠。即使將海水和黏土按更大比例混合(海水和黏土體積比從10:1到106:1,更符合早期地球的真實場景),黏土水凝膠仍然可以形成。”研究人員在論文中說。
  為了進一步探索黏土在海水中形成水凝膠的機制,研究人員通過電子顯微鏡、動態光散射和X射線散射等方式,觀察黏土水凝膠的形態特征、大小和晶體構造。
  觀察發現,黏土顆粒呈現出圓盤狀,圓盤錶面為負電荷,圓盤邊緣為正電荷。這一特殊的構造也賦予了黏土顆粒獨特的性質:在去離子的純水中,黏土顆粒呈現均勻散佈的形態;在存在離子的海水中,這些圓盤會以“紙牌屋”的形式疊加在一起形成水凝膠。
  為什麼選中了黏土?羅教授說:“黏土的價格十分低廉。”
  三個條件的測試
  廉價水凝膠已經找到,接下來就需要驗證黏土水凝膠能否作為蛋白質的合成媒介。於是,研究人員在黏土形成的水凝膠中進行了蛋白質合成實驗。
  一般來看,蛋白質的合成包括基因的轉錄和翻譯兩個步驟。轉錄過程是將細胞核中的DNA轉變為RNA的過程,翻譯則是在核糖體上將RNA變為蛋白質的過程。在合成實驗之前,研究人員首先測試了蛋白質合成所需的前提條件。
  首先,研究人員測試了核酸(DNA和RNA)的附著率。測試結果顯示,幾乎100%的DNA分子成功附著在了黏土水凝膠上,RNA的附著率大概在10%~60%。
  這一結果表明,黏土水凝膠可以為基因提供有效的禁錮環境。
  僅僅提供有效的附著環境是遠遠不夠的,更重要的是,在沒有細胞膜的保護下,黏土水凝膠能否為核酸提供一個足夠安全的防護環境,避免核酸遭到破壞。
  對此,研究人員在黏土水凝膠中做了核酸酶降解實驗。實驗結果顯示,在沒有黏土水凝膠的保護下,核酸很快被核酸降解酶降解掉,而在黏土水凝膠保護下的核酸則沒有受到影響。
  最後一步就是要確認核酸的活性是否受到了影響。研究人員測試了DNA核酸聚合酶鏈反應的活性。結果顯示,DNA的功能在黏土水凝膠環境中得到了完好的保存。
  黏土水凝膠促進了蛋白質的合成
  各項準備工作就緒,接下來便是最關鍵的蛋白質合成過程。
  研究人員向黏土水凝膠中加入DNA、氨基酸以及正確的酶和少量的細胞機制,結果沒有讓他們失望。
  “我們驚喜地發現,在黏土水凝膠環境下,基因的轉錄和翻譯功能不僅得到了很好的保存,而且還被加強了。黏土水凝膠不僅能生產蛋白質,而且還大大提高了蛋白質的產量。”研究人員說。
  “根據這一結果,我們認為,生物進化過程可能已經選擇了特定的酶,這種酶在黏土水凝膠的環境下比在其他環境中更能發揮作用。”羅教授說。
  “該研究成果展示了早期生命進化過程中,環境的禁錮作用對生物分子和生化反應的重要性,並且證實了早期的生命進化可能發生在黏土水凝膠環境中。”研究人員在論文中寫道。
  意外發現生命的起源
  細胞是生命的基本單位,除病毒外,所有生物都是由細胞構成。
  細胞膜是細胞錶面的一層薄膜,起著保護細胞內部和控制物質進出細胞的作用。原始生命向細胞進化所獲得的重要形態特征之一,就是生命物質外面出現了一層膜性結構,即細胞膜。
  如今,細胞膜為合成蛋白質的DNA和RNA提供著保護的屏障。根據這一研究成果,研究人員意識到,他們的這項發現或許能解答一個長期以來懸而未決的問題——生物分子如何進化為帶膜細胞。
  2011年,借助先進的大型光譜儀,美國科學家在11種富含有機物的含碳隕石中,找到了形成DNA與RNA所必需的核鹼基。在此之前對隕石的研究中,科學家已發現能夠合成蛋白質成分的氨基酸和能促使細胞形成薄膜隔層的化學物質。研究與實驗證明,除了來自外層空間,沒有別的方法可以解釋這些化學物質的出現。因此,DNA的起源很可能來自外層空間。根據這一理論,一顆墜落地球的流星可能為地球帶來了生命的成分。
  然而,沒有人能夠解釋在沒有細胞膜之前,這些生命成分如何聚集在一起進而形成複雜的生命。
  “許多不同的環境條件都被認為是原始細胞的進化階段,黏土也是其中之一,並且黏土礦物質可以在一系列地質環境中被找到,比如海洋。由於黏土中含有豐富的礦物質,使得它的內部構造和海綿很相似。最重要的是,黏土和海洋水共存於早期的地球錶面,並占據著主導地位。”研究人員在論文中說。
  “於是我們猜想,在古代的海水中,黏土形成了由大量可吸收液體的微小空間構成的像海綿一樣的水凝膠,其內部大量的細小空間可以吸收周圍的礦物質、化學成分以及微小分子。因此,黏土能夠成為孕育微小分子和化學物質的實驗室。”羅教授說。
  細胞質是處於細胞膜和細胞核之間的黏稠透明的物質,是進行新陳代謝的主要場所,絕大多數的化學反應都在細胞質中進行。
  “之前的研究表明,細胞質的工作原理與水凝膠很像,”據羅教授介紹,“我們推測,在過去幾十億年裡,被約束在這些空間里的化學物質可能發生了複雜的反應,從而形成了蛋白質、DNA以及最終生成活細胞的各種系統。而黏土形成的水凝膠可能對上述化學過程起到了禁錮和保護作用,直至生物分子發育出將活細胞包裹在一起的細胞膜。”
  為進一步檢驗這種觀點,考慮到現代海水環境可能與古代海水環境非常不同,研究人員測試了各種環境條件對黏土水凝膠形成的影響,包括鐵濃度,PH值,溫度和二氧化碳含量。
  測試結果顯示,黏土水凝膠在各種環境中表現出了高度一致性,這一現象說明,黏土水凝膠微環境很容易在許多古代地質和環境下形成。
  “我們相信,在這些環境下,黏土水凝膠的存在時間將被大大延長,符合進化的需要。”研究人員寫道。
  時間上的巧合
  除此之外,黏土可能是生命的起源這一推測還有進一步的證據。
  據地質歷史資料記載,黏土在地球上首次出現的時間與生物分子開始形成不完整的原始細胞,並最終形成膜封閉細胞的時期相吻合。地質事件與生物事件的發生時期剛好相同,這不僅僅是巧合,這也進一步證實了研究人員的推測。
  據羅教授介紹,如果能夠找出在地球早期漩渦攪動的惡劣海洋環境下,最早的生物分子如何發現並躲藏於黏土水凝膠中,並完成了後來原始細胞進化的過程,就可以幫助生物學家更詳細地解釋生命的起源。
  黏土水凝膠在海中
  形成示意圖
  1
  岩石中的硅酸鹽礦物質風化後形成黏土
  2
  黏土落入海中
  3
  黏土與海水結合自發形成水凝膠
  在黏土水凝膠環境下,基因的轉錄和翻譯功能被加強,蛋白質的產量得到大幅提高  (原標題:黏土,地球生命的襁褓)
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