科大研究揭示地球深部可能的生命起源

由香港科技大學（科大）物理系和化學系副教授潘鼎帶領的研究團隊，近日在深地條件下C-H-O-N流體中有機分子的非生物合成與穩定性研究中，取得重大進展。研究為生命起源的潛在場所提供了新啟示，成果已發表在Journal of the American Chemical Society《美國化學學會期刊》*上。

生命起源是一個引人入勝的科學問題，多年來吸引了眾多研究者的關注，並提出了許多理論，但至今仍未能完全解開這項謎題。早在大約150年前由達爾文首先提出生命可能誕生在一個「溫暖的小池塘」中，到後來被Alexander Oparin和J. B. S. Haldane發展為著名的「原始湯」理論，即無機小分子在原始地球通過反應生成第一批有機化合物，通過進一步的轉化，「湯」中出現了更複雜的有機聚合物，最終產生了生命。1953年，著名的Miller-Urey實驗通過類比原始地球大氣層受閃電的影響對這假設進行了驗證。在眾多學說中，深海熱液噴口的極端壓力及溫度普遍被認為有符合生命起源的條件，但一些研究亦指出，噴口中的高溫可能會迅速降解水溶液中的關鍵生物分子，影響生命的誕生。

潘教授帶領的團隊探索了原始地球更深的內部作為生命起源場所的可能性，應用高效的第一性原理分子動力學模擬（>2.5ns）和自由能計算相結合的計算方法，研究了由NH₃、H₂O、H₂和CO小分子組成的C-H-O-N流體在地球上地幔條件下（10-13 GPa，1000-1400 K）的化學反應。研究結果發現，在無催化劑的情況下，上百種有機物在超臨界流體中生成，當中CN化合物的組成受到壓力和溫度的顯著影響。通過自由能計算，發現壓力和溫度在10 GPa 和1400 K的條件下最有利於C-N化學鍵的形成和保持穩定，即與生命直接相關的分子如甘氨酸、核糖、尿素、類尿嘧啶等都可以在C-H-O-N流體中產生。 潘教授解釋：「與之前認為大型有機分子可能在極端條件下的水溶液中迅速降解的觀點相反，我們的研究表明這些合成的生物分子在C-H-O-N流體中可以穩定存在，這有可能為生命起源的早期階段提供了必要的初始成份。」

RNA 分子在形成過程中存在一個一直困擾科學家的問題，作為基本結構單元之一的核糖為何僅採用五元環的形式，這與常溫常壓條件下水溶液中六元環核糖通常佔據多數似乎相矛盾。在線性核糖分子的成環反應研究中發現，在高溫高壓條件下，五元環核糖佔據多數，且自由能計算也證實五元環核糖比六元環核糖更加穩定。這結果反映組裝RNA分子的五元環核糖可以產生於深部地下高溫高壓的環境中，在早期地球內部的地質活動中，它們可能傳輸至表層，並與其他組分分子結合，形成早期RNA分子，開啟生命演化進程。此外，地球深部還提供了一個保護環境，能夠屏蔽有害輻射，並緩衝劇烈的物理化學變化，有利於保存這些生物分子。該研究進一步拓展了「原始湯」理論的適用場所，揭示了地球深部合成生命相關分子的潛在反應路徑，亦對星際空間中有機分子的合成提出了新啟示。

本研究獲得香港研資局、裘槎基金會、中國國家自然科學基金優青專案等資助和支持，部份研究於國家超級計算廣州中心「天河二號」完成。

*註：科大物理系博士後李濤為第一作者，潘教授為通訊作者。該研究工作還得到了德國Ruhr-Universität Bochum的Nore Stolte博士（潘教授指導的前學生）、北京高壓科學技術高級研究中心的陶仁彪研究員、美國約翰霍普金斯大學的Dimitri A. Sverjensky教授，以及法國里昂第一大學的Isabelle Daniel教授的支持。