黏土，地球生命的襁褓

无论是古埃及宗教经文还是中国神话都传说人是泥土做的《圣经》说上帝按照自己的形象用黏土捏了一个泥人然后往他的鼻孔吹入生命之气于是泥人开始呼吸能够活动自此人类被制造完成中国神话中女娲也是用泥土仿照自己的样子创造了人类

最新科学研究认为也许数千年来的神话传说有一定道理地球上的所有生命可能都来自于黏土

虽然我们没有证明‘上帝用地上的尘土造人将生命之气吹进他的鼻孔里他就成了有灵的活人’美国康奈尔大学生物工程学院罗丹Dan Luo教授说但我们已经证明在海水中黏土呈现出海绵状的充满了水凝胶或微孔的泥团对于生化物质而言这已是完美的襁褓足以形成生命的初期形式这一研究最近发表在《科学报道》杂志上

寻找廉价水凝胶

水凝胶是以水为分散介质的凝胶是一种高分子网络体系性质柔软能保持一定的形状并能吸收大量的水

据罗丹教授介绍在此之前研究人员通过向合成的水凝胶中加入DNA氨基酸以及正确的酶和少量的细胞机制就可模拟蛋白质在细胞内的生产过程水凝胶便成为蛋白质合成的无细胞媒介这也是生命起源于黏土的实验依据

那么如果要利用水凝胶这一媒介大规模生产蛋白质如药品的制造就需要大量的水凝胶因此研究人员开始寻找一种更为便宜的水凝胶制造方法

寻找工作开始不久康奈尔大学研究团队客座教授杨达勇（Dayong Yang）就发现黏土在海水中可以形成水凝胶

黏土一般由来自岩石中的硅酸盐矿物在地球表面风化作用后形成用水湿润后具有可塑性在较小压力下可以变形并能长久保持原状同时黏土颗粒有很好的物理吸附性和表面化学活性

研究人员在实验中探寻黏土与海水形成水凝胶的最佳体积比例

我们将黏土和海水按1:1的体积比例混合后黏土瞬间自发形成了一个散状的水凝胶即使将海水和黏土按更大比例混合（海水和黏土体积比从10:1到106:1更符合早期地球的真实场景）黏土水凝胶仍然可以形成研究人员在论文中说

为了进一步探索黏土在海水中形成水凝胶的机制研究人员通过电子显微镜动态光散射和X射线散射等方式观察黏土水凝胶的形态特征大小和晶体构造

观察发现黏土颗粒呈现出圆盘状圆盘表面为负电荷圆盘边缘为正电荷这一特殊的构造也赋予了黏土颗粒独特的性质在去离子的纯水中黏土颗粒呈现均匀散布的形态在存在离子的海水中这些圆盘会以纸牌屋的形式叠加在一起形成水凝胶

为什么选中了黏土罗教授说黏土的价格十分低廉

三个条件的测试

廉价水凝胶已经找到接下来就需要验证黏土水凝胶能否作为蛋白质的合成媒介于是研究人员在黏土形成的水凝胶中进行了蛋白质合成实验

一般来看蛋白质的合成包括基因的转录和翻译两个步骤转录过程是将细胞核中的DNA转变为RNA的过程翻译则是在核糖体上将RNA变为蛋白质的过程在合成实验之前研究人员首先测试了蛋白质合成所需的前提条件

首先研究人员测试了核酸（DNA和RNA）的附着率测试结果显示几乎100%的DNA分子成功附着在了黏土水凝胶上RNA的附着率大概在10%~60%

这一结果表明黏土水凝胶可以为基因提供有效的禁锢环境

仅仅提供有效的附着环境是远远不够的更重要的是在没有细胞膜的保护下黏土水凝胶能否为核酸提供一个足够安全的防护环境避免核酸遭到破坏

对此研究人员在黏土水凝胶中做了核酸酶降解实验实验结果显示在没有黏土水凝胶的保护下核酸很快被核酸降解酶降解掉而在黏土水凝胶保护下的核酸则没有受到影响

最后一步就是要确认核酸的活性是否受到了影响研究人员测试了DNA核酸聚合酶链反应的活性结果显示DNA的功能在黏土水凝胶环境中得到了完好的保存

黏土水凝胶促进了蛋白质的合成

各项准备工作就绪接下来便是最关键的蛋白质合成过程

研究人员向黏土水凝胶中加入DNA氨基酸以及正确的酶和少量的细胞机制结果没有让他们失望

我们惊喜地发现在黏土水凝胶环境下基因的转录和翻译功能不仅得到了很好的保存而且还被加强了黏土水凝胶不仅能生产蛋白质而且还大大提高了蛋白质的产量研究人员说

根据这一结果我们认为生物进化过程可能已经选择了特定的酶这种酶在黏土水凝胶的环境下比在其他环境中更能发挥作用罗教授说该研究成果展示了早期生命进化过程中环境的禁锢作用对生物分子和生化反应的重要性并且证实了早期的生命进化可能发生在黏土水凝胶环境中研究人员在论文中写道

意外发现生命的起源

细胞是生命的基本单位除病毒外所有生物都是由细胞构成

细胞膜是细胞表面的一层薄膜起着保护细胞内部和控制物质进出细胞的作用原始生命向细胞进化所获得的重要形态特征之一就是生命物质外面出现了一层膜性结构即细胞膜

如今细胞膜为合成蛋白质的DNA和RNA提供着保护的屏障根据这一研究成果研究人员意识到他们的这项发现或许能解答一个长期以来悬而未决的问题生物分子如何进化为带膜细胞

2011年借助先进的大型光谱仪美国科学家在11种富含有机物的含碳陨石中找到了形成DNA与RNA所必需的核碱基在此之前对陨石的研究中科学家已发现能够合成蛋白质成分的氨基酸和能促使细胞形成薄膜隔层的化学物质研究与实验证明除了来自外层空间没有别的方法可以解释这些化学物质的出现因此DNA的起源很可能来自外层空间根据这一理论一颗坠落地球的流星可能为地球带来了生命的成分

然而没有人能够解释在没有细胞膜之前这些生命成分如何聚集在一起进而形成复杂的生命

许多不同的环境条件都被认为是原始细胞的进化阶段黏土也是其中之一并且黏土矿物质可以在一系列地质环境中被找到比如海洋由于黏土中含有丰富的矿物质使得它的内部构造和海绵很相似最重要的是黏土和海洋水共存于早期的地球表面并占据着主导地位研究人员在论文中说

于是我们猜想在古代的海水中黏土形成了由大量可吸收液体的微小空间构成的像海绵一样的水凝胶其内部大量的细小空间可以吸收周围的矿物质化学成分以及微小分子因此黏土能够成为孕育微小分子和化学物质的实验室罗教授说

细胞质是处于细胞膜和细胞核之间的黏稠透明的物质是进行新陈代谢的主要场所绝大多数的化学反应都在细胞质中进行

之前的研究表明细胞质的工作原理与水凝胶很像据罗教授介绍我们推测在过去几十亿年里被约束在这些空间里的化学物质可能发生了复杂的反应从而形成了蛋白质DNA以及最终生成活细胞的各种系统而黏土形成的水凝胶可能对上述化学过程起到了禁锢和保护作用直至生物分子发育出将活细胞包裹在一起的细胞膜

为进一步检验这种观点考虑到现代海水环境可能与古代海水环境非常不同研究人员测试了各种环境条件对黏土水凝胶形成的影响包括铁浓度PH值温度和二氧化碳含量

测试结果显示黏土水凝胶在各种环境中表现出了高度一致性这一现象说明黏土水凝胶微环境很容易在许多古代地质和环境下形成

我们相信在这些环境下黏土水凝胶的存在时间将被大大延长符合进化的需要研究人员写道

时间上的巧合

除此之外黏土可能是生命的起源这一推测还有进一步的证据

据地质历史资料记载黏土在地球上首次出现的时间与生物分子开始形成不完整的原始细胞并最终形成膜封闭细胞的时期相吻合地质事件与生物事件的发生时期刚好相同这不仅仅是巧合这也进一步证实了研究人员的推测

据罗教授介绍如果能够找出在地球早期漩涡搅动的恶劣海洋环境下最早的生物分子如何发现并躲藏于黏土水凝胶中并完成了后来原始细胞进化的过程就可以帮助生物学家更详细地解释生命的起源