生命的起源与高压生命科学

韦志仁

（河北大学物理科学与技术学院，河北保定 071002）

生命的起源与高压生命科学

韦志仁

（河北大学物理科学与技术学院，河北保定 071002）

自发现海底热泉以来，科学家对深海热泉的地质结构、化学成分、生物群落、生物代谢过程等进行了深入的研究.海底热液周围呈现了和地球表面完全不同的生态环境，在暗无阳光的深海区域，嗜热细菌完全依靠化学能量生存繁殖，而热液中其他生物则以嗜热细菌为食，形成了繁茂独特的生态系统.和地表常压环境相比，在高压热液条件下，更容易聚合生成有机大分子，且有机大分子更稳定、化学反应活性更强，形成更多样化的生命体.越来越多的科学家推测原始的生命大分子可能起源于海底热液系统.本文在综述了有关“超高压热液生命”研究文献的基础上，提出采用高压生物系统，研究在高压状态下生物发育生长的适宜条件，探索生物可能出现的新化学反应和新生物性状，进一步揭示新的生命进化规律.

热液；海底热泉；生命起源；高压生命科学

生命产生于何时、何地，又如何发展演化成现在生机勃勃的地球生命？这些问题产生于人类思想意识活动，并伴随历史的发展，一直是困扰人类的最重要问题之一.生命起源的研究成果不但影响了自然科学本身的发展，还对人类意识形态、社会组织结构变革产生过巨大的影响.1859年达尔文出版了《物种起源》，从生物进化的观点阐述了地球各种生物之间的相互关系，人类开始摆脱宗教意识对生命现象的认识.此后的100多年里，达尔文生物进化论成为研究生物发展演化规律的主导理论.但最初的生命来自于哪里？生命是如何演化发展的？进化论并没有给出确定的回答.随着现代科学技术的不断发展，人们更加希望得到“生命起源和进化”的确切答案.

1924年，前苏联科学家奥巴林从唯物主义观点出发，认为生命的起源过程是通过化学反应途径开始的，提出关于地球生命起源于“有机海洋”的假说.2年之后，奥巴林写成《生命起源》，1936年出版了《地球上生命起源》一书.奥巴林认为生命起源是由简单化合物不断反应的化学过程，把生命产生过程分成3个阶段，第1阶段由原始大气的甲烷、水、氨和氢等在紫外线、宇宙射线等能量作用下，形成各种简单有机化合物如醛、醇、酸等，这些化合物又进一步结合成胺盐和胺等含氧、氮的碳氢衍生物，并和水一起降落到海洋，形成富含有机物的原始海洋.在第2阶段，海洋中有机分子相互作用反应生成氨基酸、核苷酸等有机大分子，并由氨基酸、核苷酸进一步形成多肽、多核苷酸直至蛋白质、核酸等复杂的化合物.在第3阶段，多肽、多核苷酸等大分子反应结合成团聚体，这些团聚体具有复杂结构，更强的催化功能，最后生物大分子聚合物自组织产生了具有自我复制和代谢功能的细胞生物.

1953年，美国科学家Miller和他的导师Urey合作，将甲烷、氨、水蒸气、氢气的混合体装在一个封闭的系统内，在连续火花放电的作用下，经过1周时间，合成了大量有机化合物，其中有11种氨基酸，包含甘氨酸、丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸.Miller的工作［1］首次从无机材料中获得蛋白质等生命大分子材料，开始了化学合成生命基本材料的探索过程.

现代分子生物学已经完全揭示出生命现象是高度有规律的、自组织化的有机大分子之间相互催化的反应过程，这些反应完全遵循物理、化学的基本规律.也有越来越多的科学家相信生命过程起源于地球原始的简单化合物的化学反应过程.

1 海底热液生物系统的发现

1977年，美国深水探测器Alvin号在考察太平洋中脊地质活动过程中，发现了2 500m深的海底热液喷泉［2］.大洋中脊是地球板块的交汇地区，多火山和地质裂缝，海水通过破碎带向下渗透，经过炽热的地下岩石后被加热，以热泉形式从海底涌出，并且溶解了玄武岩中大量的铁、锰、铜、锌、氢等元素，形成大量的多金属硫化物和碳酸盐等矿物，出口温度高达350℃.在高温偏酸性的热液喷口周围，生存着茂盛的生物群落，主要有细菌、古菌、管状蠕虫、蛤类、贻贝类等；此外还有管水母类、腕足动物、肠鳃动物、海蛇尾类及鱼、虾和蟹等.

这些生物不依赖阳光提供的能量，而是通过化学反应，嗜热细菌以化能自养方式生存繁育，其他生物再以细菌为食物.这一发现改变了生物只能依靠阳光的能量才能生存的观念.此后不断发现多种依靠其他能量来源生存繁育的细菌，这些细菌大多生存在高温、高压、强碱或强酸等环境中.这一现象极大地改变了人们对生命过程的认识，一些科学家大胆推测海底热液系统可能是原始生命的起源地［3－6］.

随着探测工作的深入进行，人们对海底热液系统的温度、pH值分布、化学成分有了更深入的了解.海底黑烟囱或者白烟囱是热液系统的主体，从热泉的喷口喷出的热水温度高达350℃，由于海底高压作用而没有形成气态.高温热水溶解了大量岩石成分，并从岩石裂缝涌出，其喷出物质的浓度和温度也从喷口附近向外逐渐变化，形成化学浓度和温度的梯度分布［7－10］.

2 海底热液生物系统的能量来源

高温水溶液和蛇纹石发生化学反应形成了生命过程中最重要的成分H2，以及各种有机碳元素化合物和大量硫化物［11－13］.在高温高压下，氢元素和各种碳化合物反应生成烷烃类有机物［14－16］，这些是热泉周围的所有生物的能量来源.同位素测量表明水热环境中生物的H和C元素均来自于地幔岩石，和地球中已有的有机生命中的H和C元素无关［17－18］，说明其生命的能量也非来自阳光.

喷出口的热液含有丰富的化学气体（如CO2，CH4，HCN，H2S）、矿物（黏土、铁矿物等）和无机盐等.高浓度的有机物、化学酸碱度梯度可以满足各类生物分子材料的化学合成，在高压和温度梯度存在条件下，十分有利于生物大分子的自组织生长，使其可以形成十分复杂的，且具有高级功能的分子结构，最终具备了强大生物功能.

通过模拟海底热液系统的条件，可以合成出大量有机分子，特别是在有催化剂条件下，烃烷类分子具有很高的合成效率［19－23］.

3 模拟海底热液系统合成各种有机分子材料和氨基酸

模拟高压热液环境，氮和氮氢氧化物被催化反应生产NH3，这是生命有机体最初级的必要元素［24］，还可以合成丙酮酸［25］、有机硫化合物［26］、C－H－N－O化合物［27］、氨基乙酸等［28］.

模拟海底热液系统，甚至可以合成出各种氨基酸分子.Alargov等人［28］模拟海底热液条件，研究了温度、压力对有机产物聚合和分解的影响.在反应溶液中注入甲醛和氨水，获得了甘氨酸、丙胺酸、天冬氨酸等.文献［29］报道在200～350℃，利用甘氨酸低聚物2min后可以合成出四甘氨酸，还可以合成出ω－氨基酸、谷氨酸.海底热液系统显然具有合成氨基酸生物大分子的天然条件［30－31］，其合成效率高于一般的合成条件［32］.我国科研人员对水热合成氨基酸以及氨基酸聚合条件进行了初步的研究［33－35］.特别是田戈的研究工作，在没有任何催化剂作用下，分别得到了甘氨酸二肽和丙氨酸的二肽.

Aubrey等人对氨基酸合成和降解的温度特性进行了分析［36］，认为较低温度有利于氨基酸的合成.Amend等人对氨基酸的反应动力过程进行了研究［37］.研究结果证明在高压热液条件下也有利于缩氨酸、低聚肽的合成［38－39］，证实海底热液环境适合于高分子碳氢化合以及氨基酸生成［30，40］.

4 生物大分子在高温热液条件下的稳定性

生物大分子在高温高压状态是否稳定，是生命起源于高温水热系统假说成立的关键.氨基酸的高温稳定性历来存有争议，过去认为，高温条件下会使生命大分子分解，使氨基酸发生水解现象.特别是Miller［41－43］坚持认为生命不可能起源于高温热液条件.

高温是氨基酸等生物大分子分解的重要因素，Bernhardt在文献［44］报道，甘氨酸、丙氨酸在250℃、26MPa的条件下，6h后几乎完全分解，并研究了肽键高温水解性能.White等人［45］报道在250℃，氨基酸（丙氨酸、酪氨酸、丝氨酸、苏氨酸、赖氨酸）的半衰期小于7.5h.

Hazen等人［46］对氨基酸在热液条件下的分解性能作了深入的研究，证实氨基酸在200℃时，几分钟内分解，但在溶液中添加从海底热液喷口周围取出的矿物质后，氨基酸能保持数天时间的稳定性.溶液中的盐分离子也能够有效地保护RNA、DNA大分子的结构，一些盐溶液中的离子能屏蔽磷酸根的负电荷，保护DNA免受脱嘌呤和水解作用.除此之外，一定的压力也能增加酶的热稳定性，使其在高温、高压的水溶液中保持稳定［47］.有机物中自身也有的热稳定机制，蛋白质修复酶具有保护DNA等大分子链的作用，使其在高温下保持稳定［48］.海底热液的细菌最高承受温度可以达到121℃［49］，说明生物大分子在较高温下具有稳定的结构，可维持正常的代谢功能.

Franiatte等人［50］的研究结果发现腺嘌呤在300℃，经过96h，其浓度能够达到稳定.

海底嗜热细菌在生命系统中起着关键的作用，嗜热细菌能够在极高温度下生存，说明生物内部具有热稳定系统，使其能够在高温下继续保持酶催化作用［51－53］，保证嗜热菌繁茂生长，维持热液生态系统的存在［54］.

5 高压对生物生理活性的影响

地球的生物都生活在地球大气层下，大气层既可以保护生物免受宇宙射线的伤害，大气的压力又使得生物分子之间，以及和水分子的弱键能够稳定结合.如果没有大气压力，在常温下，水分子的动能可使其逃离生命有机分子的束缚，生命也就不复存在.因此，压力是维持生命过程必不可少的因素.

海底热液系统处于海平面2 000m以下，压力20MPa，热泉的细菌和其他生物在高压状态繁茂生长.一些生活在海洋表面的生物如鲸鱼、章鱼等也能够下潜到2 000m以下，说明生物对压力有极强的适应能力.

生命体内包含大量的水分子，生物大分子侵润在水溶液的包围中，稳定的高压以三维方向施加到大分子上，不会对分子结构产生破坏性作用.只有当压力变化较快时，会对大分子产生剪切力，对细胞的各种膜结构产生压缩力，使通过膜传送的化学物质数量出现偏差，甚至膜结构被损坏，膜内液体物质流失，引起细胞代谢功能障碍，甚至生命体失去活性.这一现象已经应用于超高压灭菌的工艺.

早期关于压力对生物生理影响的研究始于20世纪六七十年代，可能由于传统的观念中“压力一定是生命过程中的不利因素”的影响，研究工作只是检验生物对压力的反应，并未深入研究其他问题.所采用的实验装置均为小型的高压容器，加压过程也过于简单，没有考虑到加压过程和容器内气体成分对生物生理的影响.

20世纪70年代Menzies等人［55－61］对海洋的一些生物（棘皮动物、招潮蟹、深海片脚类动物等）在高压下的生理表现做了一些定性表述，定义了生物在压力作用下的几种状态.随着压力的增加，生物会出现抽搐、昏厥、直至死亡的过程，实验表明很多海洋生物能够承受超过10MPa压力.Rice等人总结了海洋生物在高压状态下的生理反应［62］，也证实一些海洋生物体在小于10MPa下（如片脚类动物），可以维持正常生理功能.

随着深海热泉的发现，人们开始重新审视压力和生命现象的关系.研究发现，生物承受的压力极限大得惊人，Sharma等人［63］证实细菌的承压能力超过上千MPa，一种缓步纲生物的耐压极限甚至超过GPa［64］.

海底热泉最主要的特征是水溶液处于高压状态，因为海底高压，水才不会因为过高的温度（低于饱和蒸气压温度）而汽化，生物体细胞内的结合水也不会发生离解.显然高压对生命大分子材料合成和维持生物高温活性有非常积极的作用.

人类作为最复杂的生命体其耐受压力的能力也是很强的.在饱和潜水的过程，人类已经成功潜水达到500m深度，俄罗斯实验用的小白鼠在饱和潜水中，最大耐受压力达到20MPa.

人们还利用压力效应用于植物和菌种的培育研究［65］，认为生物在压力作用下的协变效应会引起生物性能的变化.这些研究还处于很初级的阶段，主要缺点是压力容器较小，加压过程简单，加压时间短.加压只是作为短时间处理手段，而不是作为生长发育的环境条件.加压的气体环境未加仔细考虑（一般为空气或氮气）.实际上不当的加压过程可能对生命体产生破坏作用，而气体环境也会影响正常的生物代谢过程，一些常压下无害的气体在高压下可能成为有毒气体，损害某些生物器官.营养条件也会影响到生物生长发育.因此有必要重新审视这一研究课题，重点探索高压状态下生物发育和生长的适宜环境，进而研究在这一环境下的生物生长发育过程和性能改变.

虽然科学家已经意识到高压热液环境和原始的生物分子起源的关联性［66－67］，但有关高压环境对生物生长发育影响的研究还处于空白.

6 高压生命科学的意义

在地球原始条件下，海洋的火山活动远比现在活跃，到处存在着相对稳定的海底热液系统，产生了大量的有机物大分子，有机大分子之间以及和矿物之间互相催化作用，形成了复杂而又规则的自组织结构.随着分子量愈来愈大，结构和功能的精密化，RNA，DNA，以及各种蛋白质相继产生.同样，构成细胞的膜层组织也可以产生于这样的条件，最终诞生了具有生命属性的大分子团，直至细胞产生.按照地球生物最初来源于化学演化的观点，可以想象，在生物演化的过程中，先是有了基本的生物大分子材料，如蛋白质、RNA、DNA、细胞膜等，再进一步组装成细胞结构.在早期细胞形成过程中，不同的细胞包含了不同结构的DNA，这些细胞极有可能发育成各种不同的生命体，生命过程的早期就形成了较复杂生物群.

相比于地表大气压力环境，高压使生物大分子之间以及和水分子的结合更加紧密，可使分子间内能增加，分子结构的有序程度增强，大分子分解温度的阈值提高，使生命体适宜生存的温度范围更宽，能够在更高的温度下保持稳定和活性.高压使得分子间距减小，降低了分子间化学反应的激活能阈值，提高分子反应活性，能够完成在常压、常温状态下不可能发生的化学反应，且化学反应速度更快，从而可以形成更复杂的生物结构，产生更强大的生物功能.因此，从生物小分子合成到大分子组装，以及后来的生命演化过程中，高压热液系统的化学反应条件无疑比地球表面的常压、常温具有更多的优势.

因此，笔者认为可以建立完善的超高压生物系统，研究在高压、超高压状态下生物的生存条件.研究压力、温度、营养、气体条件改变对不同生物发育生长的影响.目的在于发现生命现象中的未知反应，寻找新生物物质生成的途径，以及研究可能激活生物基因快速变化的条件，获得具有新性状的生命体，探索极端状态下生物快速微进化的可能性.

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（责任编辑：赵藏赏）

Origin of life and high－pressure life sciences

WEl Zhiren
（College of Physics Science and Technology，Hebei University，Baoding 071002，China）

Since the submarine hot spring was discovered，the geological structure，chemical composition，biological community and metabolism of the submarine hot spring have been deeply researched by scientists.The ecological environment of submarine hot spring greatly differs from the environment of the Earth＇s surface.In the dark deep sea area without sunlight，thermophilic bacteria completely rely on chemical energy to survive and multiply，and other creatures feed on themselves on the thermophilic bacteria and therefore form a luxuriant and unique ecological system.Compared with atmospheric pressure environment，biological macromolecules under ultra high pressure are easier to be polymerized，more stable，and have stronger chemical reaction activity，therefore generate more diversity of life forms.More and more scientists realize that the life macromolecule might originate in the submarine hot spring system.Based on overviewing research literatures about ultra high pressure hydrothermal life，the author proposes to apply the high pressure bio－ecological system to explore the optimum conditions for biological growth and development under high pressure，and determine new possible chemical reactions and new biological traits of organisms，and further to reveal new laws of life evolution.

hydrothermal；submarine hot spring；origin of life；high－pressure life science

Q10

A

1000－1565（2013）02－0210－08

10.3969／j.issn.1000－1565.2013.02.018

2012－12－10

国家自然科学基金资助项目（50472037；50772027）

韦志仁（1962－），男，河北保定人，河北大学研究员，主要从事纳米、晶体材料及高压水热合成等研究.Weizhiren－1＠163.com