海洋百科

一、原核细胞的形成

2023-03-01

在地球原始大气层里,没有氧气(还原性大气圈),但含有氨、二氧化碳、甲烷和乙炔等气体,在强烈紫外线、闪电和宇宙射线等能量作用之下,形成一些活性分子,如氨基酸、碱基和核糖等,并随着雨水汇入海洋,使原始的海水变成一种“稀汤”,成为生命化学演化中心。米勒(S.L.A. Miller)和尤里(H.C. Urey)在20世纪50年代,模拟早期地球的大气条件,把水、氨、甲烷、二氧化碳等放在密闭的仪器里,通过不断放电,合成了若干氨基酸和其他有机物,从而证实了这种合成方式在自然界的可行性。合成的这些有机单体在热力学上有利于聚合作用的海洋中再次聚合,形成蛋白质、核酸等生命物质。它们会偶尔形成小球一样的结构,被称为团聚体(coacervate)或微球(microsphere)。这些团聚体跟周围环境有一定区别,是一种初期的隔离系统。它不溶解于水,能进行类似新陈代谢的一些化学作用,但这样的结构还不稳定,更不能进行真正的生殖作用。 在团聚体样的原始结构中,内部含有核酸和蛋白质,这些物质就有机会相互联系、相互作用,并通过核酸的变化,促使对环境有一定隔离作用的团聚体逐渐演变为原核细胞样的物质体系。在此过程中,由脂质和蛋白质所组成的膜状构造的出现是重要的一环。于是,由核酸和蛋白质为主要成分的一种特殊的物质体系在膜内形成。这就是生命的物质基础──原生质。在原生质里有一个遗传系统,它由脱氧核糖核酸(DNA)和几种核糖核酸(RNA)所组成,又有翻译遗传信息的核糖体,于是产生了最早的原核细胞,它们只能无性繁殖。 20世纪80年代初期,柯里斯(J.B. Corliss)等提出生命起源于海洋底部热泉的新假说。海底热泉的发现,提供了地球早期化学进化和生命演化的自然模型。1979年,美国科学家发现太平洋水深2 500 m海底热液喷口(水温高达350℃)附近有多种生物生存,其中包括甲烷菌和极端嗜热菌在内的古细菌,它们的RNA与细胞壁、膜结构都不同于真细菌,并且存在多种多样的化学自养代谢方式。如1983年费希尔(A.G. Fisher)等发现极端嗜热菌中存在一种极其原始的代谢方式:以CO2为唯一碳源(不需要任何有机物),并通过硫呼吸(氢被元素硫氧化产生H2S)获得能量。因此,现生的极端嗜热菌可能最接近于地球最古老的生命形式。它们可能产生于热水环境,如海底热泉喷口,那里往往温度很高,大量硫、硫化物、氢气、甲烷和二氧化碳等为最早的生命行硫呼吸所必需的物质条件。我国学者张昀1984年在河北北部长城系的大红峪组(距今大约17亿年)的火山岩夹层中,发现冈弗林特型的微生物化石群落,说明这些微生物生活于火山活动地区有水的高温环境中,给生命起源于海底热泉环境提供了可能的证据。 一般认为,最先出现的原核细胞是异养生物,进行厌氧呼吸。对于原始生命而言,氧是一种具有侵蚀力的毒性气体,同时早期大气层没有能吸收紫外线的臭氧隔离层,强烈的紫外线也有着巨大的杀伤力。缺少游离氧、紫外线又到达不了的海洋正好给原始生命——原核细胞提供了合适的生存条件。它们从周围丰富的有机物中得到碳源和能源,直到细菌繁盛而分化成若干类型以后,它们消耗周围有机物的速度便逐渐超过有机物的无机自然合成速度,原始生物世界中就出现了食物问题。大抵在31亿年前,海洋中生命演化的第一个重大事件出现(图1.1),即由细菌之类的原核生物演变出能进行光合作用的光合生物——蓝藻或叫蓝细菌(Cyanobacteria)。蓝藻属于原核生物,但却能利用太阳能由CO2和H2O合成碳水化合物,并释放出分子氧。因此,蓝藻光合作用合成的碳水化合物,使地球上的食物有了新的来源,同时产生出氧气。

图1.1 地质时代及生命史的划分(仿张昀,1998)