地球化学与生命起源.pdf

地球化学与生命起源 阎佐鹏胡成一 生命起源 问题 在十九世纪以前甚至二 十世纪初都为科学界所忽视 总认为是高不 可攀的难以解决的 问题 直到 目前才逐渐进 入近代科学的研究领域 虽然现在对生命起 源 问题仍然不能做出权威性的解释 但世界 上大多数科学家都承认生命的产生是合乎自 然发展规律的事物 是整个宇宙发展中不可 分割的一部分 因而是科学研究完全可以攀 登的领域 通过各学科科学家的努力 证实 了恩格斯的预言 生命是整个自然界的结 果 并且已经探索 出一些解决该 问题的具 体途径和方法 地球化学方法就是探讨生命起源问题的 具体方法 之一 近二十年来 许多科学家运 用地球化学方法研究陨石 月壤和前寒武古 老岩石以探讨生命的起源 和演化 并取得了 许多有价值的成果 从而丰富了我们对生命 起源的认识 下面分五个方面作一简要介 绍 化学演化 生命可能的开始 化学演化的证据 碳质球粒陨 石 原始地球环境 生命起源的环 境 前寒武岩石中的有机化合物 生命的遗迹 地球上的早期生命 一 化学演化 生命 可能的开始 恩格斯预言 生命的起源必然是通过 化学的途径实现的 用地球化学方法研究 生命起源 问题就属 于化学演化的理论范畴 这种理论在近代是 由苏联生物化学家 奥巴林 和英国生理学家霍尔 丹提出的 他们分别假定生命起源 于地球 的还原环境 是 由简单的化合物开 始 按照进化顺序 经过漫长的地质年代 逐渐地形成 复杂的有机物 最后导致生命 的 产生 现在这种理论不仅在实验室里已模拟 成功 而月通过对地球和球外物体的检验得 到 了证实 关于地球早期状态 及其对生命起源的意 义 最早的推测是 由尤里作出的 他 着重指出作为能量来源的紫外光 能 使 甲 烷 氨和水在还原的大气中产生有机物 米勒首次完成了对生命起源 研究非常有意义的实验 他模拟原始地球环 境条件 合成了生物学上重要 的化合物一一 氨基酸 实验是把 甲烷 氨 水和氢的混合 气体通过电火花放电循环 产生甘氨酸 一丙氨酸和户丙氨酸 可能还有天门冬 氨 酸和 一 氨基正丁酸 这个实验清楚地表明 生物学上重要的化合物可以在模拟原始地球 状态下产生 从而推动了生命起源研究的发 展 随后他的又通过 电火花放电实验 得到 了九种氨基酸 三种含氧 酸 三种单 狡酸 一种二数酸和两种亚醋酸另外还有 两种尿化合物 从而使他在年得出的结 论获得进一步的证明 值得注意的是 阿贝尔森 对早期化学演化实验中所使用的甲烷和氨等 混合气体的组成表示怀疑 指出上述的实验 护 没有考虑原始地球状态 的地质条件 因为以 前绝大部分工作是化学家所做 其想法自然 是依据化学理论 而阿贝尔森把地质学需要 考虑的事实带进了这项工作 认为使 用的混 合气体应从地质学角度来考虑 例如原始大 气环境中的氨会很快地 消失 因此在模拟原 始大气环境的实验 中氨不应是主要成分 他 使用不同比例 的氮 一氧化碳和氢的混合物 实验证 明 主 要产物是氢化氰并有少量的二 氧化碳和水 看来氢化氰是一种中间产物 能进一步生成氨基 酸和至少是一种核酸基 米勒 在年续继做他 的 电 火 花实验 时 降低了所用的混合气体中氨的浓度 他 从甲烷 氮和少量 的氨混合物 成功地合成 了至少种氨基酸 首次指 出碳质球粒陨石 中的氨基酸可以在模拟原始大气环境的实验 中合成 这使前生期 化学获得了重 要的 进 展 这种模拟原始大气 的模型称为 米勒 一尤 化学演化的证据一一 碳质球粒陨石 模型 在化学演化理论中 第二个重要的模型 是企图 漠拟 凝聚太阳星云状态 化学反应的费 一托型 一 合成 模 型 这是因为反应状态同年在有机化学 里所讨 论的费 一托合 成相似 凝聚太阳 星云模型费 一托型 合成的 一个重要实验是由伦塞 特和安德 斯所做 他 们 指出在这个模型 中重 要的反应剂是一氧化碳和氢 它们 同各种催 化剂一起进 行了反应 该反应合成的化合物 的碳同位素组成研究表明 其碳同位素丰度 与碳质球粒 陨石中的碳同位素丰度一样 因 此 他们得出结论认为陨石中的有机化合物 是由太阳星云中的氨 氢和一氧化碳通过费 一托反应合成 的 他们设想费 一托合成反应也 可以合成地球上的前生期有机化合物 在化学演化理论中 上述两种模型都非 常重要 都在致力于阐明原始地球环境中由 简单分子产生有机分子甚至生命的真实 过 程 地球化学家除了进行前生期化学模拟实 验之外 还致力于研究地球外的资料 以提 供前生期化学演化 的证摆 他们主要是研究 陨石 月球和 子宙空间的有机物的存在 来 源 和演化途径以证 明化学演化理论 的 正确 性 碳质球粒 陨石目前一般认为碳质 陨石是从早期太阳星云来沟凝聚物质 它们 是亿多年前唯一 的化学记录 陨石有机化 学可以反映导致生命的早期化学过程 可以 为化学演化理论提供有力的证据 早 在一百多年前 就从年落于法国 的川陨石中抽提出复杂 的有机物质 从 年到年没有单独 的论文发表 但从 年代起在该领域便有了重要润进展 穆勒对陨石做丁 许多 有意义 的研究 例如发现南非的 陨石中除 了含可抽提的有机物主要是有机酸外 还有高比例 的干酪根 同时他发现抽提物无 旋光性 因此他认为陨石有 机质是通过非生 物合成的 并指出陨石可能是在低温状态下 冷凝形成的 纳吉等用质谱鉴 定了法国的 陨石 把 陨石与近代沉 积 物和原油的质谱碎片图形进行比较 发现 它们都有单环 双环和四环的脂肪烃 他们 认为 陨石中的烃类有许多重要 的 地方类似于生物和地球上沉积物的烃 类 并依此推论地球 之外可能有生命存在 的证 据 这个结论正好和穆勒 的看 法 相反 因 此 陨石有机质是生物成因的或非生物成 因 的就成了激烈争论的课题 在这种争论 中 值得特别注意的是陨石 研究中的污染问题 海斯 曾指出污染是 陨石分析中的决定性因素 这 种污染除了地球上的生物污染之外 还包括 实验试剂和人类指纹的污染 他指出在尽量 避 免污 染的情况下 在阪石甲所发现的多数 固有的 有机 愁合物可以看作是通过非生物过 程产生的 他认为将来研究陨石中的有 机 物 不 应去直接探索地球之外生命的线索 而应集中于宇宙化学的研究 史密斯 等 了 也 曾记录过七块碳质球粒陨石的 地球污染 但他们指出碳酸盐碳 和部分可抽 提有机物肯定是从球外来 的 他们测定了陨 石中碳同位素丰度 并以此来解释陨石中有 机质可能是通过化学过程产 生 的 第一次显 示 出陨石中碳的同位素规则分布 把陨石 中 所固有的碳 和地球污染分开 对陨石的有机物研究得比较彻底的要算 澳大利亚 的默奇森碳质球粒 陨石 发现了它 包含的有机化合物具有与非生物合成 相一致 的特性 其中最 有意义 的化合物是氨基酸 虽然以前在陨石中也 曾发现过 但不能得出 明确的结论 默奇森陨石落下来后立 即被送 进实验室检查 因此地球污 染减少到 了最低 的程度 从中鉴定 出来 的氨基酸与地球污染 的不同 比如 有不对称碳原子 的氨基酸是以 外消旋混合物的形式存在 同时 三个实验 室 的分析结果都证实默奇森陨石中确有氨基 酸存在 把这些结果综合在一起 才第一次 确实证明陨石中的氨基酸可能来自宇 宙 过 程 即属 陨石所固有的 另外 劳利 斯应 用色 一质仪从 默奇森 陨石 中 鉴 定出种氨基酸 其 中主要是非 蛋白氨基 酸 从默里碳质球 粒 陨石的研究 中也获得了 类似的结果 在默奇森陨石中也发现了其它 类型 的有机化合物 如烃 类 杂环化合物和 脂肪酸 但对这些化合物 的存在 迄今为止 还缺少一致的解释 安德斯等曾提出原始地球上的 碳质球粒陨石可 能是地球 仁早期有机物的原 始物质 布雷格等 了 认为前生期 有机 分子可能是地球生命的前驱物 这种推论引 起了人们很大的兴趣 早期生命系统的化学 演化可能不一定来源于行星 的原始大气 而 可熊是在太阳星 云凝聚时期在陨石物质中合 成 的 确实 对 了解太阳起源和生命起源来 说 研究碳质球粒 陨石可能是一条很好的途 径 月球从一九六九年以来 许多人 了开究了 阿波罗 宇 宙飞船从月球带来 的标 本 他们使用分光光度 气液色谱和质谱等 现代分析技术 从月壤标本中鉴定 出一些有 机化合物 例如级的氨基酸 外琳 类 叶琳化合物等 但是多数的研究结果表明 上述分析结果系污染 例 如火箭废气污染所 致 因此 从目前所获得的结果来看 多数 人认为月球上没有生命存在的迹象 宇宙空间的有机化合物 了年到 了 年期间从 宇宙空间先后发现了多种化 合物 甚中有不少是有机化合物 在年 到年意外地从微波光谱中发现了宇宙有 机质 斯奈德等从微波光谱中发现 了甲醛的存在 甲醛是宇宙空间第一个被鉴 定出来的有机物 随后又相继发现了一些有 机化合物 如丙炔 甲酞胺 甲醇 甲酸和 乙睛等 至于这些有机化合物的演化途径 目前尚不清楚 但它们可能是宇宙生命的前 驱物 无论是从碳质球粒陨石 还是从 宇宙空 所发现的有机分子 都可能是非生物的宇 宙过程产生的 不过 这些过程的机理目前 仍然不清楚 然而 毫无疑问 这些分子必 然是简单物质反应 的结果 即通过类似化学 演化理论所预言的过程发展来的 因此 这 些有机分子的发现有助 于证明这种理论的正 确性 三 原始地球环境 一 生命起源的环境 地球的年龄 现在一般认为是亿年 而世界上最古老的岩石年龄约亿年 在 亿年到亿年间 地球的地质记录并不那么 清楚 地球形成最初的亿年间 地壳极不 稳定 由于那段时间所发生的过程没有保留 地质记录 因此化学演化的地质知识非常缺 乏 尽管如此 地球 化学家仍可以根据所收 集到的过去 了亿年的地质证据 推测出原始 地球模型 来阐明水圈和大气圈 的环境 变 化 以探讨生命在地球上的发生和发展 水圈水是生命的介质 没有水就不可 能有生命 早在古希腊就有朴实的唯物主义 观点 认为生命起源于水中 原始海洋的发 育和组成 与来自火山 喷气孔 温泉和火 成岩逸 出的深成气体有关 由于这种气体的 逸出导致了海洋 水圈 和大气 圈 中挥发物 的 逐渐聚集 因此 海洋和大气圈的组成随地 质年代的变化仅 限于相 当有限的范围内 关于海洋发展的历 史 霍兰 了 认为在过去亿年期间海水的化学 成分基本一致 并指 出前寒武海水有较高的 硅含量 如果在原始大气 圈中氨是主要的成 分 那么它将对原始海洋组成有重要的影 响 因为氨有很大的可溶性 大多数氨是以 离子和氨的混合物溶解在 海洋中的 米勒等 人认为在原始 海洋中氨离子浓度可在 一 一 之间 约为 地球逸出的气体显然聚集在海洋中 在 前寒武期间海洋体积 看来 有很大的增长 从 寒武纪起海洋体积才接近现代海洋的体积 迈尔认为当海洋趋向于较稳定 的时候 海水深度超过米时 热吸收 的 扩大对前寒武生命的发生和演化起着重要 的 作用 这是因为生命只 能 限于在足够深度的 水下才不致于遭受紫外光的破坏 他收集了 原始海洋中由非生物过程产生的有机分子 直至寒武纪开始发育起来 的贝壳 类后生 生 物 来研究生命白勺 进化 原始海洋沉积的岩石 应当反映原始 海 洋的某些状态 佩里 依此研 究了前寒 武隧石的氧同位素化学 他假定研 究的隧石 是海洋成 因的 并且是在同海水的同位素大 致平衡的情况下形成灼 他得到的氧同位素 组成显示 出随时间而递幼 这个结果同地球 外逸到海洋中的气体逐晰增加舟洁况是一致 的 大气圈生命可能起源于还原的地质环 境 通常认为亿年前的地球 大气是还 原 的 兰卡马曾测定芬兰亿年 的角砾岩和砾岩隧石的与 夕含量来 解释前寒武的大气组成 用与的 相对比例来解释缺氧大气环境 中岩石的风 化 兰多研究了南非 巴西和加拿大早 中 期前寒武纪沉积的黄铁矿和铀矿 从地质学 的角度来解释原始大气圈的组成 他对这些 古代岩石中的黄铁矿和铀矿有几种解释 其 中对生命起源来说最为重要的假说是在原始 大气圈缺氧的影响下 形成矿物的碎屑沉 积 碎屑黄铁矿和铀矿都发现在亿年到 亿年的沉积物中 而在较年青 的沉积物中却 不存在 目前可以认为超过 亿年的古老沉 积物是在缺氧的大气环境 中沉积的 那里的 碎屑黄铁矿和铀矿可能是风化过程残存的 除了碎屑黄铁矿和铀矿外 含铁建造的 世界性分布亦为早期大气环境提供了一些有 说服力的证据 利普等指出 亿年到亿年间沉积的含铁建造与小于亿 年的相比 在岩石学上有明显的差别 早 中前寒武沉积铁矿以条带状隧石含铁建造产 出 其主要含铁矿物是磁铁矿 而晚前寒武 的和更年青的含铁建造则以赤铁 矿形 式存 在 条带状含铁建造的形成是在大气中没有 氧或缺少氧的时期 当大气中游离氧出现之 后 条带状建造就不再发育 而含铁建造在 矿物学上就出现赤铁矿 上述这些研究工作 都是应用地球化学方法来解释古大气环境 霍兰把地球大气圈的 演化模型分为三个阶段 第一阶段是高度还 原的大气环境 其中主要是氢 还有一些甲 烷 氮 氨和水 没有氧 第二阶段的大气 中主要是氮 水和二氧化碳 游 离氧仍然不 存在 第三 阶段时大气圈发育 游 离氧聚集 演化成氮 一氧 大气圈 兰多等依据 地质学证 据指出 第二阶段大气 圈末期大约在亿年 到亿年 那时游离氧开始在地球 的大气圈 中积累 生命起源最重要的问 题 乃是探讨有利 于有机合成的高 度还原大气环境持续时间的 长短 因为在氧化环境中有机物可能遭破坏 拉苏尔依据甲烷和氢的量 计 算出原始大气圈外圈的温度在 一 范围 当温度为 时 由 甲烷 氨 氮 和氢所组成的还原大气环境 可能稳定地维 持达十亿年之久 因此可以给地球上早期的 化学演化提供较长的 时间 实际上 产生有 机化合物的前生期环境所延续的时间 可能 超过亿年 说明生命的演化是相 当漫长 的 在探讨前寒武大气中氧含量变 化问题 时 可以认为 在大气演化的早期 阶段 水 通过光解而产生氧 但目前认为 绝大多数的 氧是 来自生命开始后 的光合作 用 因此 有 了 早期植物之后大气 中的游离氧才逐渐 增加 依据岩石的地质记 录 可以推断游离氧 的积 累大约在亿年以前 因为红 层分布主要限 于比亿年年轻的岩石 伯纳 研究了通过光合作用使氧的含量从原始水平 不断提高的过程 在前寒武期间 大气 中氧 的水平只 有 到寒武 纪初期约为 而往志 留纪末期超过 虽然大 家都认为 大气圈中绝大多数的氧是来自光合作用 但 关于氧演化的时间变化目前仍 然是一个疑 问 后来 克劳德 了 发 展 了原始 地球的通用模型 企图说明前寒武 的地质学 与生物学事实 他把地质历史划分成四个阶 段 每个阶段中所发生的事件都明显地改变 了地球表面 的状态 从地球 的起源 到最古老 的岩石形成 他称作时代 在这段 时间 地质历史记 录不清楚 从亿年到 亿年期间 称作太古代 在这个时期 由化 学演化导致 了生命的起源 从亿年到亿 年期 间称作 只有 了 存在 在亿年到 亿年间大气圈中出现游离氧 在亿年以前 生物所产生的氧主要用于铁的氧化 从亿 年到大约亿年即元古代大气中的氧含量 增加并产生了 这标 志若前寒武 末期的到来 四 前寒武岩石中的有机化 合物 生命的遗迹 目前已经应用有机地球化学技术来研究 前 寒武岩石中所存在的有机化合物 对这些 古老岩石进行认真的研究 开始于年 那时已经认识到前寒武岩石中有机质可以提 供前寒武生命的线索 有些人曾从亿年到 亿年古老标本中发现了有机化合 物 并抽 提出有生物学意义的化合 物 霍林是最早的研 究者之一 他 使用氧化 热解 还原和溶剂抽提等有机地 球化学方法 研究了各种前寒武岩石标本 得到的结果有力地支持了在早前寒武存在着 生物活动的想法 过去年间 在前寒武岩 石中已经发现了各类有机化合物 如在亿 年的页岩 亿年的隧石中都发现了烃类 另外还有脂肪酸 氨基酸等 这些结果对研 究前寒武生命都具有重要 的意义 米恩谢等从亿年的 页岩中发现了正烷烃 异戌二烯类烃和外琳 他们第一次报导在前寒武沉积岩中发现 生 物标志物 异十八烷和植烷 以及特别 有意义的化合物一一叶琳 由于这些有机化 合物的存在 使人们确信 它们是反映前寒 武生命的证据 随后 奥罗等检 查了 亿年的岗弗林特隧石 发现了标本中 含有正烷烃和异戌二烯类烃 异十八烷和植 烷 这样就把前寒武生命的记录扩大到 亿年 霍林首先报导了在 亿年的 岩石中发现有生物学类型的烃类 在斯威士 兰超群的页岩中检查出有一 的正烷烃 可抽提的有机物与干酪根的同位 素组成非常相似 虽然这种相似性可以解释 为页岩的烃类同岩石一样古老 但 是也可以认为同位素组成的一致性可能是偶 然 的事 肖普福等也报导 了大约亿年到 亿年的 岗弗林特和含化石的隧石中都发 现有氨基酸 并认为是标本中所固有的它 们来源于岩石开始形成的年代 但是 有些研究者对前寒武岩石中所发 现的有机化合 物提出异议 例如 克 文沃尔登等的 应用气相色谱技术鉴定 了飞隧石中氨基酸的光学异构体 结果只有构型的氨基酸存在 这表明氨基 酸系现代生物污染所致 因为假若是古代来 源的氨基酸的话 一般应有外消旋混合物存 在 史 密斯检查了三块前寒 武隧石中可抽提的有机物 并同元古代隧石 中可抽提的有机物进行比较 他们发现只有 痕量的烃类和脂 肪酸可能是标本所固有的 虽然应用前寒武岩石的地球化学资料来 解释生命起源 问题存在着两种不同的观点 但是从大多数研究者所提供的证据可以认为 在早前寒武时代就 有生命的存在 五 地球上的早期生命 地球上的早期生命主要是依据在非洲南 部岩层中发现的类细菌和类藻化石来确定 的 两个非常重要的岩层是布拉瓦亚 群和斯威士兰超群 年 马克赖盖在布拉瓦亚群的石 灰岩中发现了藻类来源的凝块结构 但经鉴 定原来是 由石墨所构成的 那时马克赖盖的 发现没有对极古老的布拉瓦亚群给予足够的 评价 许多同位 素年代测定确定布拉 瓦亚群 的年代为亿年到亿年 肖普福等 了 反复研究了马 克赖盖首先发现的结构 并断定是生物来源 的 这样布拉瓦亚群石灰岩便成为世界上已 知的最古老的岩石 也是直接观察到的最古 老的生命证据 在评价石灰岩中所发现的结 构时 肖普福等对岩石形态学上 的亲缘关系 做了详细的观察 同 讨他用地球化学方法厕 定的碳酸盐碳同位 素丰度是随有机碳的减少 而减少的 如果这些化石确实是兰绿藻形成 的话 那么地球上生命的演化期间所发生的 光合作用就起源 于那个时期 斯威士兰超群在南非东面德兰士瓦沿着 斯威士 兰的边境 厚度超过米 可划分成 三个组 从最老的到较年 青 的 和 它们的年龄超 过亿年 巴苟恩和肖普福 了 首先在群 底 部发现类细 菌和类藻结构的证据 他们应用有机地球化 学技术测定出有少量 的高分子的碱存在 这 种结果支持了在形态学上存在类细菌化石的 证据 肖普福等用地球化学方法对 隧 石做了一些详细的检查 证实 了隧石中所发现的类藻化石 从而提供了一 个把古植物学和地球化学结合在一起的好例 子 揭示出生命存在于岩石形成的 时期 普 弗路格分别 在群 隧石和页岩中发现球状和丝状物 他的观察 从使用地球化学方法测定氨基酸得到证实 然而应当指出 从早前寒武岩石中所发现的 那些有意义的简单分子是否是前寒武生命的 残余物 则尚未确足下来 恩格尔等首先报导在 群岩石中发现可能反映地球上 较早期生命的凳形和杯形结构 随着有机地 球化学的进展 报导 了在这些岩石中干酪根 的初步结果 在群岩石中的干 酪根在组成上呈现出大量 的芳烃 馆 群的干酪根呈现有脂肪烃 这样 对认识早 期生命有意义的从形态上获得的结果就更加 可信 对群中所残存的微结构 是否是生物来源的仍然是一个疑 问 不过 布鲁克 了 根据他获得的清楚的 证据认为微结构非常可能是古代生 物微化石 的反映 虽然古植物学专心致力于地球早 期生物 形态学的研究 但 一也包括 了对解释生命起源 有关的有机地球化学资料 生命最早 期的记 录尚未确定下来 尽管古植物学 与地 球化学 研究仍然存在许多争论 但就整体而言 生 命在地球上至少已存在亿年之久 六 结语 究解决 我们认为今后的研究工作应侧重于 进一步证明 在岩石 陨石中所发现的有机 化合物的来源和演化途径模拟原始地球环 境实验合成 生物高分子 深入 阐明生 命前期 化学演化的理