科学家长期以来一直在思考，早期生命是如何获得其迫切需要的含硫分子。过去的共识认为，这些关键的化合物必须由生命自身进化产生。然而，最近的实验提供了新的视角：早期地球的大气可能在第一批细胞出现之前，就向地表输送了现成的含硫生物分子，包括半胱氨酸等氨基酸。科罗拉多大学博尔德分校的研究团队及其合作伙伴，通过在室温和高压条件下将甲烷、二氧化碳、硫化氢和氮气混合，暴露在紫外线下，模拟了早期地球大气的环境。紫外线代表了当时的太阳辐射，触发了化学反应，使简单的分子逐步形成更复杂的生物相关化合物。
该研究成果发表在《美国国家科学院院刊》上，表明在大约四到二十五亿年前，大气层可能充当了一座巨大的天然化学工厂。暴露在阳光下的基础气体会生成有机雾状颗粒，这些颗粒携带可检测的含硫分子，并通过降雨和沉降作用分布到地表。研究团队利用高分辨率质谱和色谱技术，对雾化颗粒中的生物分子进行了识别。除了半胱氨酸，他们还发现了辅酶M、牛磺酸，并初步检测到了与蛋氨酸和同型半胱氨酸相符的信号，尽管无法完全排除其他相似分子的可能性。每种分子都经过了精确的质量测量、同位素模式分析、断片分析以及与实验室标准样品对比等多重验证。
几十年来，科学家一直困惑于早期生命如何获取这些含硫分子，因为这些化合物在前生物化学实验中极少出现，且在陨石样本中也几乎缺失。因此，许多研究者曾推测，生命本身必须经过进化才能产生这些化合物。然而，大气生成机制提出了新的可能性。研究团队计算得出，在早冥古宙至太古代，全球范围的雾化化学过程每年可能向地表输送大约十万到一百亿摩尔的半胱氨酸，相当于早期地球上大约10²²到10²⁷个微生物细胞的半胱氨酸含量，这几乎覆盖了早期生命对这些分子的需求。
这些数值与陨石所能提供的氨基酸数量相当，甚至可能更高，具体取决于当时雾化颗粒的形成量。即使在晚期重轰炸时期，当小行星撞击达到高峰时，陨石每年释放的甘氨酸和丙氨酸数量仍仅为数亿摩尔，与大气输送相比有限。化学反应过程看似简单而优雅：紫外光将初始气体分解成反应性片段，这些片段进一步经历胺化、硫醇化和羧化反应，逐步构建出具有生物特征的官能基团。
令人意外的是，这些反应通路与现代细胞处理半胱氨酸的步骤存在某种对应关系，从半胱氨酸到牛磺酸的氧化路径，可能为早期代谢提供了模板。研究者推测，这类大气化学过程可能在细胞生命完全进化之前，就开始塑造地球上的生物化学模式。与以往需要高温、闪电放电或特定矿物环境的实验相比，这项研究展示了在较温和条件下也能生成重要含硫分子，这种条件在早期大气中广泛存在。
研究显示，早期生命可能并未面临严重的含硫分子短缺问题。大气层持续不断地生成并输送这些分子，使其遍布地球大部分区域。早期生命从一开始就可能接触到丰富的硫化学物质，这也解释了为何这些分子能够深度嵌入基本生物过程之中。该研究得到了NASA、美国海洋暨大气总署、日本学术振兴会及美国国家科学基金会的支持。
本文译自：studyfinds .由olaola编辑发布