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·旧约》记载,天主用泥土造了第一个人亚当。亚当来自希伯来语adamah,是泥土的意思。中国神话中,女娲也是用泥土仿照自己的样子创造了人类。希腊、新西兰、美拉尼西亚人、美洲西部的迈都族印第安人以及中国的傣族也一样流传着神用泥土造人的传说。2013年11月,就读于美国康奈尔大学的我校校友彭松明和他的同伴们,在美国自然出版集团出版的《科学报道》(Scientific Reports)杂志上发表了关于地球上的所有生命或许都来自于黏土的相关研究进展报告,提供了黏土孕育生命重要证据,认为黏土可能是使得生命变为可能的复杂生化物质的第一块滋生地。这项发现引起熟悉上述神话故事人士的共鸣和媒体广泛关注。
2013年11月7日前后,中国《参考消息》、《中国日报》、凤凰网、新浪网,美国《每日科学》、福克斯新闻网等国内外媒体相继报道:美国康奈尔大学生物和环境工程学教授罗丹领衔的研究团队在美国《科学报道》杂志上发表研究报告说:对微小的分子和“被黏土像海绵一样吸附住”的化学物质来说,黏土(地上的矿物化合物的最初形态)相当于一个培植实验室。几十亿年期间,化学物质彼此发生反应,形成蛋白质、DNA,并最终形成活细胞。
最近,笔者应邀访问了康奈尔大学,参观了康奈尔大学生物环境工程实验室和生物能源工程实验室。了解到上述研究报告的第二作者彭松明(Songming Peng)是荆门龙泉中学2004届毕业生,他是该研究团队骨干成员。报告的第一作者仰大勇(Dayong Yang)是该研究小组组长,也是中国留学生。报告的第八作者是他们的导师罗丹(Dan Luo)教授,是通讯作者(指导老师),他也是康奈尔大学Kavli纳米科学研究所研究员。
该研究小组的报告指出:黏土可以和模拟的古海水自动生成水凝胶——像海绵一样提供内部空间并吸收液体。在数十亿年的进化过程中,化学分子可能被约束在这些空间里,从而能够进行复杂的反应,不断进化成蛋白质、DNA和最终所有的分子机器,为第一个原始活细胞奠定基础。在进化过程中,黏土水凝胶可以约束、控制和保护这些化学反应,直至包围活细胞的细胞膜发育完全为止,为合成蛋白质的DNA和RNA提供保护的屏障。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。
为了进一步验证这一想法,他们在黏土水凝胶中不用细胞,成功地合成了多种蛋白质。该研究团队先前曾使用DNA水凝胶作为无细胞蛋白质生产的工厂。他们在海绵状的DNA水凝胶中充满DNA、氨基酸、相关的酶和一些细胞内的分子机器,蛋白质就可以由编码DNA通过转录和翻译而产生,完全不需要活细胞。这种水凝胶里无细胞生产出来的蛋白质和在发酵罐里活细胞中产生的蛋白质一模一样。为了利用这一无细胞过程生产大量的有用蛋白质(比如蛋白质药物),则需要大量的水凝胶。因此,研究小组开始寻找更便宜的方式来制备水凝胶。他们发现了海水和特定的黏土能形成水凝胶的现象。为什么考虑黏土?“土啊,这太便宜了”,罗丹教授指出。而且,出乎意料的是,他们进一步发现,黏土水凝胶能够神奇般地增加蛋白质的产量。
如此,该研究小组意识到,他们的发现可能解决了一个在生命起源中长期未决的一个问题——生物分子如何进化为带膜细胞。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。
据介绍,已故的康奈尔大学科学家Carl Sagan和其他研究者的实验显示氨基酸和其他简单的生物分子可能在原始海洋里形成,从闪电或火山口获取能量。但在浩渺无际的海洋里,这些简单分子如何能聚集在一起来组装成更复杂的结构?这些更复杂的结构又能如何在恶劣的原始环境中被保护起来不被破环?以前有些科学家们认为脂肪小球或聚合物小球有可能是细胞膜的前体。但黏土的可能性更大,因为已经知道,生物分子非常倾向于附着在黏土表面。而且当今活细胞的内部——细胞质,就像水凝胶。罗丹教授指出,黏土水凝胶能够更好地保护生物分子不被核酸酶破坏。他说“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’,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的细胞机制”,可模拟蛋白质在细胞内的生产过程。水凝胶成为蛋白质合成的“无细胞”媒介,这也是生命起源于黏土的实验依据。
据了解,地质历史也提供了更进一步的证据:黏土出现的地质时间,正好和生物分子开始形成没有细胞膜的初始类细胞的时间相吻合,当今由细胞膜包裹的细胞就是从初始类细胞进化而来的。看来,生物事件与地质事件巧妙地相辅相成。
发表于《科学报道》(Scientific Reports)杂志的研究报告
康奈尔大学生物环境工程实验室公告栏上的研究成员图片.第二排左一为彭松明,
第三排左二为仰大勇
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