微水滴,蕴含生命的能量

化学家意外地发现,将两个简单分子投入水滴,无需任何外界作用,它们就能迅速形成复杂分子!而这,仅仅是“表面张力”在起作用,它会促使水滴中所有分子相互连接。这是一项重大发现,因为它终于为地球生命起源提供了一个可信的脚本:始于水滴的化学反应或许通过云的传播,最终席卷原始地球。水滴内部究竟有什么?答案是:生命的能量。现在,科学家正试图掌握这种能量……

一切是怎样开始的?桀骜的原子如何相互作用,从而形成稳定的分子?何种神秘力量使这些微小的物质凝块集中在一起,迫使它们搭出巨大的构造?又是何等奇迹才能让这些分子相互合作,集合成复杂系统?

简言之,生物活动是如何出现在这个化学世界中的?

这个问题是关键。法国斯特拉斯堡大学安德鲁·格里菲思(Andrew Griffiths)领导的一个由物理学家和化学家组成的团队如今带来了一个答案,它简单至极:一切可能开始于约40亿年前原始海洋巨浪溅起的飞沫与原始大气的高空云层之中。激起这一伟大进程的能量可能来自小小的水滴,它们点燃了生命的火花。

难以想象吗?没关系,只要观察雨后的树叶就能理解,这些小小的液滴蕴含着非凡的能量。否则如何解释它们能够凝聚不散?

其实是种平常现象!

事实上,200多年前人们就已经知道这一能量的来源。一切都发生在水滴的内壁。那里的水分子无法与外界建立联系,于是把能量集中于邻近的分子,从而更加紧密地相互连接在一起。这在水滴表面形成张力,将其压缩成一个球体。

这种内力似乎小得可怜:表面积为1平方厘米的小水滴蕴藏的能量相当于托起一粒直径0.1毫米的沙子所需的力气。但就是它使水滴中的水分子连成一体,是它使注满液体的容器中液面会稍稍高出容器,是它支撑蚊子的体重、赋予它们在水上行走的能力……

这种既平常又神奇的现象或许也提供了人们追寻已久的生命能量。

这是因为,生命诞生的奥秘取决于一个能量问题。地球上存在着生命体这样复杂的结构,这本身就是对热力学、即能量转换之科学的挑战。

热力学第二定律规定:熵(一个系统的混乱程度)只会增加。物质有逐渐稀释的趋势,组合则趋向崩溃。“自然促使事物维持不变,而不是生成复杂系统。”西班牙巴斯克大学前生命化学专家科帕·鲁伊兹-米拉佐(Kepa Ruiz-Mirazo)如此描述。

问题来了:组成地球生物的无数原子是怎样自我组织,形成一个个如此和谐、能够繁殖进化的结构的呢?第一步是分子化,这没有问题:原子(氢、碳、氧、氮)转变成简单的化学分子是初等化学就能解释的。但然后呢?

1953年,美国生物学家斯坦利·米勒(Stanley Miller)利用放电在试管中生成氨基酸。从那一刻起,生物学家和生化学家就从未停止过对这一问题的研究。

斯坦利·米勒当时认为,他已经破解了从化学世界迈入生物世界的关键:通过这22种不同的氮化合物,可以造出地球上的一切生命体。

答案似乎已经显现:生命从被闪电击中的各种温汤——积水、湖泊或海洋——的热量中摄取能量,从而战胜了熵。在这其中自发形成了简单的有机分子,再聚集为更加复杂的结构,它们占领了整个地球。

只不过,生化学家此后意识到,这一阶段并非关键:在自然界里,氨基酸其实是相对容易合成的——太空中“无法生存的”环境里都能找到它们,陨星就曾带来证据。

“毫无疑问,菲莱登陆器和罗塞塔号会在楚留莫夫-格拉希门克彗星上找到氨基酸。”蒙彼利埃大学生物分子研究所的化学家罗贝尔·帕斯卡(Robert Pascal)补充说,“只要有碳、氮、氢和氧就能搞定!”

实际上,真正的难题在下一阶段,当这些基本材料聚集在一起,形成大小和复杂程度都增加百倍的分子,如蛋白质或核苷酸,它们才是真正的前生命分子。

科学家有时能造出几个样本。例如,2009年,英国生化学家约翰·萨瑟兰(John Sutherland)成功合成了核苷酸。

但是,试管中的成功在自然界里却很难想象,热力学在此投了否决票。“要想就前生命分子的形成提出可信的脚本,就必须找到一些使系统失衡的进程。”科帕·鲁伊兹-米拉佐总结说。

沉浸在温汤中的氨基酸从哪里找到团结起来的力量?一定有什么东西改变了化学反应。可是,是什么东西呢?生化学家提出了一些特殊环境。例如岩石上的纳米级孔隙。孔隙通过形状对分子形成一定筛选,可能由此引起化学反应。又或许是热液源附近的黏土,其水合层起到了庇护所和催化剂的作用……又或许是海岸:循环往复的水流使反应物集中在一起,引发了进程。科帕·鲁伊兹-米拉佐解释说:“近几年来,我们感觉到,要解决热力学问题,得在两种环境的界面上寻找。”

斯特拉斯堡大学的物理学家和化学家正是在此有了突破。对于偶然发现这一简单机制的经过,他们仍感难以置信。

起初,他们与生命起源问题毫无瓜葛。这些微流控专家手头的设备能制造、控制数百个大小精确的水滴(直径1至100微米),原本只想利用刚发现的一种反应物不能发光、产品却能发出荧光的化学反应开展研究。“我们对荧光产物特别感兴趣,因为它们很容易辨认、量化,不用进行化学分析。”完成该实验的阿里·法拉-阿拉吉(AliFallah-Araghi)解释说,“只需测算光亮度即可。”

涉及的化学反应简单至极:两个与氨基酸相似的有机小分子——一个醛分子和一个胺分子相遇,形成一个更复杂的分子——发出荧光的亚胺——和一个水分子。

实验设备也不复杂,只需将反应物注入微流控芯片(制造水滴的微型液压管道),随后通过显微镜观察释放的光亮,追踪产生的亚胺即可(见第30~31页图示)。

然而结果出人意料:与亚胺分子本该发出的微光不同,水滴开始闪耀强光。这一热力学不利的反应(合成醛和胺所需的能量比逆向用一个水分子摧毁亚胺大得多)居然进行得非常高效!

研究人员感到很不可思议,决定重新进行实验,但对浓度、水滴大小进行调节……他们发现,反应不仅十分顺利,而且随着水滴直径减小,效率越来越高。

实验有偏差?不是!验证后发现,反应加速既不是由于压力改变,也不是因为与分离水滴的油发生了物质交换……水滴的几何特征是唯一原因。

“于是我们便结合水滴内化学反应的热力学概念,尤其通过为分子与水滴表面的相互作用建立模型,试图解释这一进程。”研究团队成员卡洛斯·马奎斯(Carlos Marques)详述道。

一切发生在水滴表面

这是因为,液体与水滴之间只有一个区别:表面。这种现象的关键就在于此。微型水滴中,表面释放的张力占据主导地位,从而吸引醛分子和胺分子中的原子,暂时挂在水滴表面。

“分子一旦挂到表面,就不再像在水滴中心那样在三维空间中发展,而是处在了一个二维空间里。”参与研究的物理学家让-克里斯托弗·巴莱(Jean-Christophe Baret)描述道,“所以它们不用跨越很长距离就能相遇产生反应。”

也就是说,水滴表面使这两种氨基酸结合为更复杂分子的频率远高于“温汤”,扭转了反应的平衡。而这无需增加其他任何物质,也用不着外界辐射刺激……“更不需要引入什么机制使反应分子集中在一起。”让-克里斯托弗·巴莱补充说,“一切都自然发生,一刻不停。这一力量适用于所有分子。”

这就是这一研究方向的根本优势:水滴是所有反应的加速器。与岩石孔隙或黏土相反,它不只对一些分子有利。研究人员可以把任何物质放进实验装置,它们都将进入同样的复杂化进程!

最普通的事物展示了出人意料的能量,能将物质聚集在一起。此外,微型水滴这个天然化学实验室是如此高效,可以预见,更加精确地操控水滴,便可催生无数新的应用。一些人从而认为,一场技术革命正在展开。

这篇几个月前发表的论文在结论中冷静地指出,这一机制“可以帮助我们了解,在热力学规律对化学反应不利的情况下,为什么还能达到必要的前生命合成水平,使得系统能够自我复制、进化,乃至出现生命。”

说白了就是:生命可能起源于水滴。

“这很有趣。”艾克斯-马赛大学的前生命化学专家格雷果·当热(Grégoire Danger)评论道,“它简单、普遍,无需任何特殊条件……”“这是人们首次精确观察到界面对化学反应产生的作用,不仅仅是加速反应而已。”科帕·鲁伊兹-米拉佐补充说,“水滴表面还扭转了热力学平衡!”

这一假设由来已久。几年来,不少生命起源专家着力于研究被脂肪酸包裹的微小水滴(可以在水中自动形成)的行为,观察到分子浓度局部上升的现象有所增加。“但还缺乏精确的观测结果、以及对与界面相关的热力学效应的物理描述。”科帕·鲁伊兹-米拉佐指出。

生命起源的新脚本

斯特拉斯堡大学团队的发现来得正巧,因为研究生命起源的生化学家正处于激烈竞争之中,并且制定了一个新计划:让所有化学反应展开竞争,看看哪些能以足够的速度和效率胜出。简言之,他们试图从生命出现之前的阶段就开始应用达尔文的进化论……

“怎样把能量注入化学分子构成的系统?各种系统如何自我组织,才能在远离热力学平衡的状态下自我维系?越来越多的专家开始认为,这些才是关键问题。水滴表面的这一过程可能在大局中起重要作用。”罗贝尔·帕斯卡总结说。

生命起源的新脚本正在成型:飞沫,云朵,甚至海洋中被油脂包裹的小水珠可能制造出了前生命分子。随后,这无数个携带着复杂分子的微型实验室或许成了物竞天择的场所,使一些化学分子逐渐脱颖而出……直至改变世界的构成,并且启动下一阶段——形成第一个原生命体。

接下来要做的就是在真实的环境中精确地量化这项发现带来的影响:水滴的数量和寿命是否足以引发一种能动关系?同时还得把它与其他进程相结合。“大气中的水滴可以下降、上升,经受各种温度或辐射……”安德鲁·格里菲思列举道,“这一切都可能促进反应发生。”

现在该轮到还原原始地球环境的生化学家采取行动了。40亿年前的飞沫能否使化学走出死寂,进入生物学的复杂世界?生命起源的火花是否诞生于古代的云雾之中?最终是不是一滴水掀起了生命的巨浪?这都要由他们来判定。

目前看来,水滴为我们提供了一种合情合理的机制,能够解释地球生命是如何抵达今天这一步的……

生命起源ABC

生化学家根据推测的原始地球情况,设想了数百种描述生命起源的脚本:生命诞生于海洋地壳的矿物附近;生命诞生于海底热液系统引发的化学反应;生命诞生于地幔吐出的岩浆中……但这些脚本没有一种能让人完全满意,因为它们都无法解释有机分子如何达到足够浓度,进而聚合成生命。在水滴中发现的一种机制让科学家有了一个新想法……

撰文/Mathilde Fontez
编译/周佩琼

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笔记——关键点及相关研究人员

微水滴:表面张力,生命起源的能量。最简单的“细胞”模型
Andrew Griffiths 法国 特拉斯堡大学

Ali Fallah-Araghi
Carlos Marques

Jean-Christophe Baret 法国波尔多大学

Lab-on-a-chip
生物界的毛细管?

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思考:我们滥用的洗洁精会不会对健康造成威胁?本人就观察过蟑螂遭受洗洁精(一款安利的产品)袭击之后,在短短几十秒内就会失去行动能力,导致死亡。

自然界应用更多的应该是植物制造的毛细管,而不是微水滴。微空间的化学反应是生命机器装配的根本动力。