科學(xué)家復(fù)活遠(yuǎn)古酶，探尋地球最古老生命的生活環(huán)境

我們對于40億年前地球形成之初的表面溫度了解甚少，這將限制科學(xué)家對地球生命起源的研究，以及對遙遠(yuǎn)星球如何孕育生命形式的推測分析。目前，研究人員最新研究顯示，通過復(fù)活遠(yuǎn)古酶，能夠評估出數(shù)十億年前地球孕育微生物時的溫度條件，最新研究報告發(fā)表在近期出版的《美國國家科學(xué)院院刊》上。

研究報告第一作者、美國加州大學(xué)洛杉磯分校古生物學(xué)家阿曼達(dá)·加西亞說：“我們不僅需要更好地理解地球最早生命形式是如何孕育形成的，而且還要掌握在數(shù)十億年地質(zhì)歷史中生命和地球環(huán)境如何共同進(jìn)化。類似的共進(jìn)化過程可能也出現(xiàn)在宇宙其它星球上的生命形式。”

加西亞和她的同事聚焦地球表面溫度的歷史變化，巖石提供了5.5億年前新生代的表面溫度變遷，當(dāng)時復(fù)雜的多細(xì)胞生物已出現(xiàn)，其中包括人類最早的祖先物種。然而，寒武紀(jì)早期很少存在這樣的“古溫度計”，能夠跨越46億年前地球形成和生命的崛起。

之前的地質(zhì)證據(jù)表明，35億年前的太古代，地球海洋溫度在55-85攝氏度之間，相比之下，現(xiàn)今海洋溫度明顯降低，平均只有15攝氏度。科學(xué)家通過檢查海洋巖石中的氧和硅同位素做出了以上溫度評估分析，黑硅石是海底石英含量較高的一種巖石結(jié)構(gòu)，當(dāng)海水溫度降低時，黑硅石中重氧18和硅30同位素指數(shù)將升高。一般而言，氧和硅同位素比率從高至低變化，將揭曉遠(yuǎn)古海洋的溫度狀況。

但是像這樣的“古溫度計”無法充分體現(xiàn)過去幾十億年里巖石或者海洋可能發(fā)生的變化，或許海水中同位素比率變化將響應(yīng)物理或者化學(xué)變更，例如：陸地上的水流或者熱液噴口處的水流。

基于這些不確定因素，加西亞和她的同事計劃對寒武紀(jì)前期海水溫度進(jìn)行獨(dú)立測量，該時期以生物分子活動性為中心，科學(xué)家檢測了一種酶——二磷酸核苷激酶(NDK)，這將有助于控制DNA和RNA的構(gòu)建，以及其它許多角色。事實(shí)上，二磷酸核苷激酶存在于所有活體微生物，同時很可能對于許多滅絕微生物至關(guān)重要。之前研究發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)最佳溫度和微生物生長之間存在著相互關(guān)系。

通過對比當(dāng)代不同生物二磷酸核苷激酶的分子序列，研究人員重建了一種可能存在于遠(yuǎn)古祖先物種中的二磷酸核苷激酶。合成這些重建物質(zhì)，科學(xué)家能夠以實(shí)驗方法測試這些“復(fù)活”遠(yuǎn)古蛋白質(zhì)，用于發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定蛋白質(zhì)中的溫度，以及推斷出支持遠(yuǎn)古微生物存在的溫度條件。

科學(xué)家通過觀察這些宿主微生物最近親物種，評估遠(yuǎn)古酶什么時候可能存在，這些近似物種基因序列差異性越大，它們最后一個共同祖先物種存活時間可能就越長?？茖W(xué)家使用這些差異性估測了“復(fù)活NDK”等生物分子的年齡。

之前研究重建了遠(yuǎn)古酶，用于推測遠(yuǎn)古地球溫度，但是一些酶可能來自生活在非常熾熱環(huán)境的微生物，例如：深海熱液噴口，它無法代表海洋的平均溫度。目前，加西亞和同事重建了源自陸生植物和生活在海洋照射層光合細(xì)菌的二磷酸核苷激酶，該條件遠(yuǎn)離沸騰的海底熱液噴口。

這項研究認(rèn)為，大約30億年前地球表面溫度從75攝氏度，到4.2億年前降低至35攝氏度。該發(fā)現(xiàn)與之前地質(zhì)和酶基礎(chǔ)分析結(jié)果相一致。加西亞稱像這樣的顯著降溫很難徹底理解，她還強(qiáng)調(diào)指出，科學(xué)家需要記住遠(yuǎn)古時期生命逐漸進(jìn)化時的條件是如何隨著時間推移而產(chǎn)生差異變化的。

加西亞說：“這需要努力設(shè)想一個世界，它與當(dāng)前地球狀況的普遍認(rèn)知似乎不符。”未來研究可以從許多微生物重建二磷酸核苷激酶，以及其它酶，提供更多的證據(jù)支持這種方法，這樣的研究將有助于揭曉生命早期進(jìn)化和地球環(huán)境的重大謎團(tuán)。