值得尊敬的探索-尋找LUCA

    這是有關生命起源的科普文。

    “我們從哪裏來”是兩百年來科學家們的研究課題。他/她們在尋找生命的最早共同祖先（Last Universal Common Ancestor，LUCA）。這些科學家的探索可能無法獲得諾貝爾獎，可能也無法轉化成IPO（公司上市）。但TA們的探索值得尊重。

    科學界認為地球在45.4億年前誕生；44億年前地球上有了水；40億年前有了單細胞生物；21-16億年前有了真核生物；16億年前出現了最早的水生植物；6.65億年前出現了最早的動物。這是個大致的時間表，科學界對具體的時間線認知有不同。維基百科有一個“生命演化曆程”條目，可供參考。

    但是，誰是LUCA？從已發表的論文看：一些學者對海洋深處類似火山口的周圍特別感興趣，而 NASA 則發表過很多關於天外來客即隕石中含有 DNA 組成分子的論文。

生命起源於40億年前

    2016年7月28日紐約時報網站上刊登了一篇“會見Luca，所有生命的祖先（Meet Luca, the Ancestor of All Living Things）”文章說 LUCA 在40億年前就在地球上出現了，那時地球隻有5.6億歲。

    這篇文章說：

    新發現支持了那些認為生命起源於某些極端環境（例如在深海火山噴口或側麵）的觀點，這與那些偏愛正常環境的人（例如達爾文提出的“溫暖的小池塘”）不同。

    長期以來，所有生物的最早祖先一直不確定，因為生命的三個主要生物分類域：細菌域、古細菌域和真核生物域似乎沒有共同的起源。古細菌域是類似細菌的生物，但具有不同的代謝，真核生物域則包括所有植物和動物。

    專家們最近開始相信細菌和古細菌是兩個最早的域，而真核生物則在後來出現。德國杜塞爾多夫的海因裏希海涅大學（Heinrich Heine University）的威廉·馬丁（William Martin）領導的一組進化生物學家嚐試辨別出細菌和古細菌域的生物體的性質開辟了道路。

    他們的出發點是細菌和古細菌的已知蛋白質編碼基因。在過去的20年中，隨著使用新型解碼器的科學家從數千種微生物中沉積了基因序列，在DNA數據庫中已經積累了（原核基因組的）約610萬個蛋白質編碼基因。

    通常，人類和小鼠中具有相同功能的基因是由第一個哺乳動物的祖先基因共同遺傳而來的。因此，通過比較它們的DNA序列，可以將基因排列到進化家族樹中。用這一方法，Martin博士和他的同事（將1,847個細菌和134個古細菌基因組中的所有6,103,411個蛋白編碼基因）分選為286,514個基因簇（其中11,093個蛋白包含細菌的同源物和古細菌），再從中確定了355個基因簇，非常精確地指向了一種生活在深海噴口中的生物，該生物的生活條件是深海海水和氣體以及充滿金屬和煙霧的噴湧。它就是LUCA。

    這種奇特的帶極端的化學性質的生命形式所包圍著深海噴口，似乎長期以來一直待在這個生命起源的地方。馬丁博士及其同事周一在《自然-微生物學》（Nature Microbiology）上發表論文說，盧卡（LUCA）的355個基因包括一些能將氫代謝為能源的基因，以及一種叫做逆轉回旋酶的基因，僅在極高溫度的微生物中才能發現。這篇論文已被引用361次。論文作者在《細胞》（CELL）和《美國國家科學院院刊》（PNAS）發表過多篇相關論文。

    下麵來看看這篇論文的圖3：從基因組數據重建LUCA。LUCA是一種生活在高溫、劇毒和缺氧的極端條件下的單細胞微生物。LUCA的基因具有碳、能量和氮代謝的痕跡。LUCA細胞可以保存能量。LUCA的基因包含成分能量代謝的兩種酶：磷酸轉乙酰酶（PTA）和ATP合酶亞基。

    LUCA的食物是來自火山噴發的氣體：氫氣、二氧化碳和硫化氫。火山噴發出的鐵、鎳、硫、氮、磷等元素也參與了LUCA的生命過程。

    根據基因排序確定的LUCA的將進化成：甲烷菌、嗜熱菌、藍細菌等。

    該論文的結論部分說：研究工作支持“FeS和過渡金屬是古代生物代謝的遺跡”，“生命起源於熱液噴口”，“地殼中的自發化學反應是由岩石-水相互作用引起的，在熱力學上不平衡，這是生命起源的基礎”和“古細菌和細菌的原始血統是依賴H₂的自養生物”。數據提供了支持自養起源而非異養起源的證據。

後期重轟炸 

    也叫晚期重轟炸(Late Heavy Bombardment)，是指約於38億至41億年前，大量的隕擊在月球上形成大量撞擊坑的事件，實際上對地球、水星、金星及火星亦造成影響。大量隕石撞擊地球也可能是地球產生生命的原因。

    2015年日本東北大學、國立材料科學研究所和廣島大學的研究人員在進行模擬隕石撞擊古代海洋的撞擊實驗後發現隕石對古代海洋的影響可能產生了核堿基和氨基酸。研究人員把碳酸氫鹽放在一個密閉的金屬容器中，以0.855 ± 0.035 km/s的速度模擬隕石衝擊，樣品的壓力達到4–7 GPa持續約1μsec，然後迅速消散。衝擊結果同時形成了DNA和/或RNA中的核堿基（胞嘧啶和尿嘧啶），以及各種蛋白質氨基酸（甘氨酸，丙氨酸，絲氨酸，天冬氨酸，穀氨酸，纈氨酸，亮氨酸，異亮氨酸和脯氨酸）的形成。他們的研究成果發表在《地球與行星科學快報》上。

隕石中的糖

    日本東北大學的古川善博（Yoshihiro Furukawa）等人和 NASA 馬裏蘭州戈達德太空飛行中心的研究人員在2019年12月3日《美國國家科學院院刊》一期上發表文章介紹說，他們在隕石中發現了核糖和其他生物所必需的糖。他們用氣相色譜質譜儀（gas chromatography mass spectrometry）分析了兩顆隕石：西北非（NWA）801（隕石分類：CR2型）和默奇森（Murchison）（隕石分類：CM2型）的成分。

    此次研究發現NWA801隕石中阿拉伯糖（D-arabinose），核糖（D-ribose），木糖（D-xylose），來蘇糖（D-lyxose）含量為2.3 - 11ppb，默奇森隕石中四種戊糖的含量為6.7 - 180ppb。兩個隕石中也發現了幾種己糖。

    NWA801是2001年在摩洛哥發現的碳質球粒隕石。它的質量為5kg，是在摩洛哥的Zagora購買。它有超過45億年的曆史，比地球古老。

    另一塊默奇森隕石是於1969年9月28日在澳大利亞維多利亞州默奇森附近發現的隕石，質量超過100千克。成分上總鐵占22.13％，水占12％，有機物含量較高：氨基酸17～60ppm，脂肪烴＞35ppm，芳香烴3319ppm，富勒烯＞100ppm，羧酸＞300pm，羥基酸15ppm，嘌呤類和嘧啶類1.3ppm，醇類11ppm，磺酸68ppm，膦酸2ppm。對核堿基的碳同位素含量分析同樣顯示這些化合物並非來自地球。

    研究人員對兩塊隕石、隕石濺落地區的土壤，藻類和高等植物的δ¹³C同位素豐度測定，確定這些糖確實隻有外太空的隕石裏存在。

     另外，1950年9月20日在肯塔基州穆雷（Murray）以東約15公裏處發現了15塊隕石共12.6公斤。70年來科學界研究這種CM2型碳質球粒隕石，分析確定了17個氨基酸，其中7個包含D（右旋）和L（左旋）異構體。這些氨基酸中有11個未在地球上蛋白中發現，這表明它們是地球外的。

    那麽宇宙中的有機物質是怎樣形成的？

星際冰中的核堿基合成

    這是2019年9月27日由日本北海道大學（Hokkaido University）大場康弘（Yasuhiro Oba）等人在《自然-通信》上發表論文的題目。

    他們把H₂O，CO，NH₃和CH₃OH按 5:2:2:2的比例用氣相沉積法沉積到鋁板上，沉積過程是在真空中且在10K(-263°)的低溫下用紫外燈連續照射，總共200小時的沉積產生了的冰厚度約為3600層薄膜。實驗過程中又加過用氘化甲醇同位素混合物（包括CH₃OH，CH₂DOH，CHD₂OH，CD₃OH和CH₃OD）的混合物代替純的甲醇（CH₃OH）。此外，在相同條件下使用¹⁵NH₃氣體（¹⁵N純度= 98％）代替¹⁴NH₃進行了另外的¹⁵N同位素探測實驗。然後使用高分辨率質譜儀（HRMS）和高效液相色譜儀（HPLC）對所得產物進行分析。實驗結果是在同一樣品中檢測到除鳥嘌呤外的所有DNA / RNA核堿基（胞嘧啶，尿嘧啶，胸腺嘧啶，腺嘌呤，黃嘌呤和次黃嘌呤核苷）。“目前的結果強烈表明，從分子雲到恒星和行星的演化為太空中的核堿基合成提供了合適的環境。”

    這篇論文的參考文獻[12]是2016年4月8日發表在《科學》雜誌上的星際冰類似物的紫外線照射下的核糖和相關糖”。該實驗是用H₂O，CH₃OH，NH₃，在低溫（T = 78 K）和低壓（p = 10^-7 mbar）條件下受到紫外線照射。結果，在實驗的星際冰類似物中檢測到了醛糖和酮糖等。

    這些實驗及論文支持星際物質包含核堿基成分的結論。

結論

    科學家們推測：地球上最早的生命可能誕生在海洋中火山口處，隕石撞擊地球也可能幫助地球產生生命，構件可能產自地球也可能來自太空

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