地球深部可能的生命起源

近日，香港科技大学物理系潘鼎教授课题组在深地条件下C-H-O-N流体中有机分子的非生物合成与稳定性研究中取得重大进展，为生命起源的潜在场所提供了新启示。该研究成果在线发表于Journal of the American Chemical Society 杂志。香港科技大学物理系博士后李涛为第一作者，潘鼎教授为通讯作者。该研究工作还得到了德国Ruhr-Universität Bochum的Nore Stolte博士 (博士师从潘鼎教授)、北京高压科学技术高级研究中心的陶仁彪研究员、美国Johns Hopkins University的Dimitri A. Sverjensky教授以及法国Claude Bernard University Lyon1的Isabelle Daniel教授的大力支持和帮助。

生命起源作为一个基础但又迷人的科学问题，一直以来吸引着人们的关注。科学家们提出过许多理论和假说，但至今没有一个能够完美地解答这个谜题。早在大约150年前，达尔文就提出生命可能诞生在一个“温暖的小池塘”中，这一观点后来在20世纪20年代被Oparin 和 Haldane发展为有影响力的“原始汤”理论，即无机小分子在原始地球表层通过反应生成第一批有机化合物，通过进一步的转化，“汤”中出现了更复杂的有机聚合物，最终产生了生命。1953年，著名的Miller-Urey实验通过模拟原始地球大气受闪电的影响对这一假说进行了验证。受到“原始汤”理论的启发，科学家们提出了生命起源的多种可能的场所，从外太空、海底热泉甚至更深处。在这些假说中，深海热液喷口通常被认为具有生命起源的适宜条件（压力P可达数十兆帕，温度T可达几百摄氏度）。但是一些研究也表明，喷口中的高温可能会迅速降解水溶液中的关键生物分子，影响生命的诞生（Nature 1988, 334, 609−611）。

基于此，潘鼎教授领导的团队探索了原始地球更深的内部作为生命起源新场所的可能性，应用高效的第一性原理分子动力学模拟（>2.5 ns）和自由能计算相结合的计算方式，研究了由NH₃、H₂O、H₂和CO小分子组成的C-H-O-N流体在地球上地幔条件下（10-13 GPa，1000-1400 K）的化学反应。结果表明，在无催化剂的情况下，上百种有机物在超临界流体中生成，CN化合物的组成和丰度受到P-T的显著影响。通过自由能计算，发现10 GPa - 1400 K的条件最有利于C-N化学键的形成和稳定。进一步的探索表明与生命直接相关的分子如甘氨酸、核糖、尿素、类尿嘧啶等都可以在C-H-O-N流体中产生。

深地C-H-O-N流体中产生生物分子

“与之前认为大型有机分子可能在极端条件下的水溶液中迅速降解的观点相反，我们的研究表明这些合成的生物分子在C-H-O-N流体中可以稳定存在，这有可能为生命起源的早期阶段提供了必要的初始组分”潘教授解释说。

RNA 分子在形成过程中存在一个一直困扰科学家的问题，那就是作为基本结构单元之一的核糖为何仅采用五元环的形式，这与常温常压条件下水溶液中六元环核糖通常占据多数似乎相矛盾。该文章在线性核糖分子的成环反应研究中发现，在高温高压条件下，五元环核糖占据多数，且自由能计算也证实五元环核糖比六元环核糖更加稳定。此结果表明组装RNA分子的五元环核糖可以产生于深部地下高温高压的环境中，在早期地球内部的地质活动中，它们可能传输至表层，并与其他组分分子结合，形成早期RNA分子，开启生命演化进程。此外，地球深部还提供了一个保护环境，能够屏蔽有害辐射，并缓冲剧烈的物理化学变化，有利于保存这些生物分子。该研究进一步拓展了“原始汤”理论的适用场所，揭示了地球深部合成生命相关分子的潜在反应路径。

这项研究结果对星际空间中有机分子的合成也具有一定启示。目前深空探测和陨石检测表明有超过200种复杂的有机物广泛存在于星际空间中，它们的形成机制可能非常复杂。研究表明，像木星和土星这样的巨大行星或其卫星内部的极端压力和温度可能为合成一些复杂有机分子提供条件，并通过某些途径释放在星际空间中（Nature 2018, 558, 564−568）。

该研究获得香港研资局、裘槎基金会、中国国家自然科学基金优青项目等项目资助和支持，该工作的部分计算任务依托国家超级计算机广州中心“天河二号”完成。

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Synthesis and Stability of Biomolecules in C–H–O–N Fluids under Earth’s Upper Mantle Conditions

Tao Li, Nore Stolte, Renbiao Tao, Dimitri A. Sverjensky, Isabelle Daniel, Ding Pan*

J. Am. Chem. Soc., 2024, 146, 31240-31250, DOI: 10.1021/jacs.4c11680