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数十亿年前，荒芜的原始地球上某个未知地区成为了复杂有机分子的大熔炉，第一批细胞就是从那里诞生的。生命起源的研究者们提出了无数富有想象力的猜想，来说明这一切是如何发生的，以及必要的原料来自何处。其中最难解释的是蛋白质——细胞化学的关键支柱。在今天的自然界中，蛋白质完全由活细胞制造。在起初没有生命的情境下，第一个蛋白质分子又是如何形成的呢？
此前，研究人员大多是在地球上寻找线索。然而一项新研究表明，答案或许存在于天空之外漆黑的星际云中。一个天体生物学团队上个月发布在《自然 天文学》（Nature Astronomy）的文章表明，肽——蛋白质亚基分子——可以自发形成于宇宙中漂浮的冰冷固态尘埃颗粒表面。理论上，这些肽可能曾随着彗星和陨石来到地球以及其他星球，带来了一些组建生命的原始材料。
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这篇新论文的主要作者、德国马克斯·普朗克天文学研究所（Max Planck Institute for Astronomy）及弗里德里希-席勒大学（Friedrich Schiller University）领导这项研究的Serge Krasnokutski表示，这种太空中形成肽的新机制有很好的的简洁性和热力学特性，使其有望取代原本的由无生命地球完全通过化学反应形成肽的假说。并且，这种简洁性表明蛋白质是参与生命进化过程的首批分子之一。
“研究人员称他们已经找到通往蛋白质的捷径——一种更为简单的化学途径为蛋白质在生命起源早期就已存在的理论重新注入活力。”
这些肽分子是否能在太空艰难跋涉的过程中保存下来，并对生命起源做出重要的贡献，在很大程度上仍是一个悬而未决的问题。美国罗格斯大学（Rutgers University）环境与生物科学学院的教授Paul Falkowski表示，新论文中展示的化学“非常酷”，但“仍未弥合原始生命起源前的化学与生命首个证据之间的鸿沟”。他补充说，“目前仍缺少一个火花。”
尽管如此，Krasnokutski与同事的发现仍然超出了科学家们原本的认知。在整个宇宙中，肽分子这种资源远比此前科学家认为的易得，这种可能性也可能对其他地方的生命前景产生影响。
真空中的宇宙尘埃
细胞使蛋白质的形成看起来很简单。它们在富含如氨基酸等有用分子的环境以及自身的基因指令和催化酶（其本身就是典型的蛋白质）的支持下，大量生产肽和蛋白质。
但Krasnokutski指出，在细胞出现之前，在地球上制造蛋白质并不是一件简单的事。在没有任何生物化学过程提供酶的情况下，肽的生产十分低效，这一过程分为两个步骤，首先制造氨基酸，然后在氨基酸连接成链的过程中去除水分子，这一步骤被称为聚合。这两个步骤都具有很高的能垒，因此只有在大量能量可用于帮助启动反应的情况下才会发生。
由于上述要求，大多数关于蛋白质起源的理论要么集中于极端环境中的情景，例如海底热液喷口附近，要么假设存在诸如RNA等具有催化特性的分子，这些分子可以降低能垒，足以推动反应向前进行（最流行的生命起源理论提出，RNA的出现先于所有其他分子，包括蛋白质）。即便是在上述理论情况下，Krasnokutski也表示需要“特殊条件”才能将氨基酸浓缩到足以聚合的程度。尽管存在很多假说，但尚不清楚在原始地球中，那些特殊条件是如何以及在何处达成的。
然而如今，研究人员称他们已经找到了通往蛋白质的捷径——一种更为简单的化学途径为蛋白质在生命起源早期就已存在的理论重新注入活力。
在去年发表于《低温物理学》（Low Temperature Physics）的文章中，Krasnokutski通过一系列计算预测，在太空条件下，在徘徊于恒星之间的极其密集和寒冷的尘埃云和气体云内，可能存在一种更直接的制造肽的方法。这些分子云是新恒星和恒星系的孕育地，里面充满了宇宙尘埃和化学物质，其中含量最丰富的是一氧化碳、碳原子和氨。
在他们的新论文中，Krasnokutski和同事表明，气体云中的这些反应可能会导致碳在宇宙尘埃颗粒上的凝聚，并形成被称为氨基烯酮（aminoketenes）的小分子。这些氨基烯酮将自发地连接起来，形成一种非常简单的肽，称为聚甘氨酸（polyglycine）。通过跳过氨基酸的形成，反应可以自发进行，不需要来自环境的能量。通过跳过形成氨基酸这一步骤，反应可以自发进行，无需外界能量。
为了验证他们的说法，研究人员通过实验模拟了分子云中的条件。在超高真空室内，他们通过将一氧化碳和氨沉积在冷却至﹣263℃的基板上来模拟宇宙尘埃颗粒的冰冷表面。然后他们将碳原子沉积在这个冰层之上，以模拟它们在分子云内的凝聚。化学分析证实，真空模拟的确产生了各种形态的聚甘氨酸，链长可达10或11个亚基。
研究人员提出假设，数十亿年前，当宇宙尘埃结合在一起形成小行星和彗星时，尘埃上的简单肽可能会搭陨石和其他撞击物的便车到达地球。无数其他星球上可能也发生过同样的事情。
从肽分子到生命的鸿沟
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美国航空航天局（NASA）戈达德航天中心（Goddard Space Flight Center）的天体生物学家Daniel Glavin称，运送至地球及其他星球中的肽“必将为生命形成提供一个开端”。但是“我认为星际冰辰化学与地球生命之间存在鸿沟。”
首先，这些肽分子必须承受宇宙旅行的危险，从辐射到小行星内的水暴露，均会分解肽分子。然后，它们必须在行星撞击的影响下幸存下来。Glavin说，它们即使经受住了重重考验，仍将必须经历大量化学演变变得足够大，才能折叠成对生物化学有用的蛋白质。
是否有证据能够证明这种情况真实发生过？天体生物学家在陨石中发现了包括氨基酸在内的许多小分子，并且2002年的一项研究发现了两颗陨石，其中都含有由两种氨基酸组成的极小的简单肽分子。但研究人员尚未发现其他令人信服的证据能够证明陨石或小行星、彗星样本中存在此类肽分子和蛋白质。太空岩石中几乎完全没有相对较小的肽究竟意味着它们根本不存在，还是只是我们还未检测出它们，目前尚无定论。
但是，Glavin称，Krasnokutski的工作可以鼓励更多的科学家真正开始在地外物质中寻找这些更复杂的分子。例如，明年NASA的OSIRIS-REx航天器预计将从小行星Bennu带回样品，Glavin和他的团队计划对这类分子进行检测。
研究人员现在正计划测试更大的肽或不同类型的肽是否能在分子云中形成。Krasnokutski说，星际介质中的其他化学物质和高能光子也许能够触发更大和更复杂的分子的形成。他们希望从实验室的一隅窥探分子云的奥秘，见证肽链变得越来越长，直到某天由自然的鬼斧神工折叠成美丽的蛋白质，迸发出无穷的潜力。
翻译：陈妍希
审校：武大可
引进来源：quantamagazine
本文来自：中国数字科技馆
