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硅基生命也许不只存在于科幻作品中

硅基生命也许不只存在于科幻作品中

艺术家笔下的硅基生命。最近的研究首次证明,细菌可以创造出有机硅化合物。图源:Lei Chen and Yan Liang (BeautyOfScience.com) / Caltech。本文经公号利维坦(liweitan2014)授权转载,作者: Charles Q. Choi。


利维坦按:的确,我们似乎没有理由认为生命形式只有一种可能。以目前来看,我们唯一能够确定的是,我们对宇宙的了解实在实在是太少了。地球上已确认的生物物种通常使用含碳有机物的基本构造和进行代谢功能,以水作为溶剂,用DNA或RNA引导生物发育与生命机能运作,但我们无法排除可能有未被发现的生命形式,存在根本不同的基本结构和不同于已知的生物化学形式。这是一个非常有意思的话题,因为这往往意味着即便我们人类去到一个星球,也很可能根本无法识别这个星球上的生命……不过,也有人推测,地球本身可能存在一个影子生物圈,具备我们不知道的生物化学形式。


长久以来,科幻小说中总是会畅想外星世界里栖息着硅基生命,比如原版《星际迷航》电视剧中以岩石为生的霍塔(Horta)。如今,科学家已然首次证明,自然演化可以将硅元素囊括进碳基分子中——而后者正是构成地球生命的基础。


至于这些发现可能会对我们认识遥远世界上外星人的化学构造产生什么影响,这项研究的通讯作者、加州理工大学化学工程师弗朗西斯·阿诺德(Frances Arnold)说:“我觉得,如果人类可以人为诱导生命朝硅和碳共基的方向发展,那么大自然也能做到这一点。”最近,这群科学家在顶级期刊Science上发表了这些发现的详细情况。(science.sciencemag.org/cgi/doi/10.1126/science.aah6219)


《星际迷航》中的霍塔(Horta)。图源:Tumblr


现在已知的所有生物分子的核心都是碳元素。地球上的生命以碳为基础,这很可能是因为,每个碳原子都可以同时和最多4个其他原子形成化学键。这一特性使得碳成为了形成长链分子的完美人选,而在我们的知识体系中,长链分子(比如蛋白质和DNA)正是生命的基石。


尽管如此,研究者们的心头始终存在着这样一个疑问:外星生命是否可能拥有和地球生命完全不同的基础化学构造呢?比如,在他们那儿,水也许不是生物分子发生反应的载体溶剂,他们的载体溶剂或许是氨或者甲烷。又比如,外星生命生物分子的核心也许不是碳,或许是硅。


碳和硅这两种元素在化学性质上十分相似,比如,硅原子同样可以同时和最多4个其他原子形成化学键。另外,硅是宇宙中最常见的元素之一,举例来说,硅元素几乎占据了地壳质量的30%,这个质量占比大概是碳元素的150倍。


“我觉得,如果人类可以人为诱导生命朝硅和碳共基的方向发展,那么大自然也能做到这一点。”


图源:DeviantArt


科学家很早就知道,地球上的生命有能力在化学层面上操控硅元素,比如,我们可以在青草及其他植物中发现植硅体,而植硅体实际上就是一种二氧化硅的微观粒子。又比如,我们知道,有种可以进行光合作用的藻类叫硅藻,它们就可以将二氧化硅吸收进自己的外壳中。不过,目前我们还没有在自然形成的地球生命中,发现由硅和碳共同形成生物分子的例子。


但是,化学家还是人工合成了许多同时由硅和碳构成的分子。我们可以在各种产品中发现这些有机硅化合物的身影,其中包括药物、密封剂、粘合剂、油画颜料、除草剂、杀菌剂、计算机以及电视屏幕。如今,科学家又发现了一种可以诱使硅和碳在化学层面上紧密结合在一起的生物学方法。


恩斯特·海克尔《自然界的艺术形态》(1904)中的硅藻。图源:维基


“我们想看看,是否能够将这种生物学上已经能做到的方法,拓展到连大自然都还未探索出来的全新化学领域中去,”阿诺德说。


研究者通过操控微生物创造了之前在自然界中完全没有出现过的分子,而他们使用的指导思想则是大家知道的“定向演化”策略,这正是阿诺德在20世纪90年初率先研究的课题。农夫们很早就知道,要想获取希望得到的动植物性状,就得抚育一代又一代农作物和牲畜,并在此过程中改良它们的基因。与之类似,科学家们现在就是通过培育微生物的方式创造出他们想要的分子。多年来,科学家已经使用定向演化策略创造出了像清洁剂这样的家用商品,还凭此开发出了制造药品、燃料及其他工业产品的环保方法。(传统的化工生产流程需要用到有害化学物质;相比之下,定向演化策略在创造这些分子的过程中使用的是生物体,通常就避免了那些会对生活产生危害的化工过程。)


阿诺德和她的团队——有机合成化学家詹妮弗·坎(Jennifer Kan)、生物工程师拉塞尔·刘易斯(Russell Lewis)以及化学家陈凯(音译)——把研究重点放在了酶上,而酶是一种可以催化或者加速化学反应的蛋白质。他们的目标是,创造可以产生有机硅化合物的酶。


“我的实验室使用演化策略设计新型酶,”阿诺德说,“没人知道究竟怎么去设计这种物质——它们真的是太复杂了。但我们正在学习如何使用演化方法制作新型酶,而这正是大自然的工作方式。”


化学工程师弗朗西斯·阿诺德。图源:ChemistryViews


第一步,研究者们先从他们觉得原则上可以在化学层面上操控硅的酶开始研究。接着,他们用多少有点随机的方式修改了这些蛋白质的DNA构成,然后测试新酶是否具有想要的性状。研究者会挑选出在测试过程中表现最好的酶,再次让其基因突变。这个过程会一直重复到科学家得到了他们想要的结果为止。


阿诺德和他的同事从血红素蛋白质开始实验。这类蛋白质的核心都含有铁元素并且可以催化多种反应。最广为人知的血红素蛋白质很可能是血红蛋白,也就是那种让血液携氧的血红色素。


在测试了各种血红素蛋白质后,这群科学家最终把精力放在了一种从海洋红嗜热盐菌(一种在冰岛温泉中发现的细菌)中提取出来的蛋白质上。这类血红素蛋白质就是“细胞色素c”(cytochrome c),通常可以将电子转移到微生物内部的其他蛋白质中,但是,阿诺德和她的同事却发现,这种血红素蛋白质也可以生产低浓度有机硅化合物。


分析了细胞色素c的结构之后,研究者们怀疑,也许只要几次基因突变就可以大大增强酶的催化活性。事实上,三轮基因突变就足以让细胞色素c转变成一种可以生产碳-硅键的强效催化剂,且其效率要比现有最好的工业合成技术还要高上至少15倍。阿诺德说,这种变异了的酶可以生产至少20种不同的有机硅化合物,其中有19种是此前科学界未知的。我们现在还不知道,这些全新化合物可以在哪些领域派上用场。


“这项工作给我们的最大惊喜是,原来用生物学方法获取新物质这么简单。而且这些新物质虽然可能永远也不会被大自然选中,但它们对人类仍有用,”阿诺德说,“生物学世界好像时时刻刻都准备着创新。”


艺术家构想的硅基生物体。图源:surrealsciencestuff


除证明这些变异酶可以在试管中自行产生有机硅化合物之外,这群科学家还证明了,将大肠杆菌进行基因改造,使其在自身体内产生这种变异酶后,它也可以创造有机硅化合物。这个结果告诉我们,某些地方的微生物也许可以自然进化出创造碳-硅共基分子的能力。这个可能性不仅存在,而且越来越高了。


“在这个确实可能存在其他生命类型的宇宙里,我们已经证明了,生物体完全可以将硅元素纳入有机分子中,”阿诺德说,“而在这个宇宙中,一旦你证明这种情况的确可以在某种条件下出现,那么它很可能已经出现了。”


至于为什么地壳中的硅明明更多,地球生命却以碳为基础,这个问题尚没有答案。此前的研究表明,和碳相比,可以与硅元素形成化学键的原子种类更少,而且硅和这些原子反应形成的分子结构要比碳简单。通过赋予生命体创造有机硅化合物的能力,未来的研究就可以测试出为什么某处的生命能或者没能将硅元素纳入生物分子。


“在这个确实可能存在其他生命类型的宇宙里,我们已经证明了,生物体完全可以将硅元素纳入有机分子中,”阿诺德说,“而在这个宇宙中,一旦你证明这种情况的确可以在某种条件下出现,那么它很可能已经出现了。”



卡西尼号上由红外传感器观测到的土卫六。它是太阳系第一颗被发现拥有浓厚大气层的卫星,因此被高度怀疑有生命体的存在,科学家也推测大气中的甲烷可能是生命体的基础。图源:Air & Space Magazine


除了天体生物学方面的启示之外,研究人员还强调,他们的工作表明,生物学过程可以用比现有所有合成技术更环保且可能更经济的方式生产出有机硅化合物。例如,现在的合成技术常常要用到稀有金属以及有毒溶剂,而应用生物学技术就没有这个烦恼。


此外,应用变异酶技术产生的我们不想要的副产品也更少。与之形成对比的是,现有合成技术通常需要引入额外工序去除这些惹人厌的副产品,而这又增加了生产有机硅化合物的成本。


“我现在就正和几家化工企业讨论我们这项工作成果的潜在应用,”阿诺德说,“用工业合成技术制造这些化合物的难度很高,因此,绿色的生物学生产路线就很有吸引力了。”


未来的研究会探索生物体拥有创造有机硅化合物的能力究竟会有何益处和坏处。“将这种能力赋予生物体,我们也许就能理解,为什么自然界中无法出现这种现象”,阿诺德说。


这项研究的资助方是:美国国家科学基金会、加州理工创新计划以及加州理工雅各布斯药用分子工程学研究所。


本文转自微信公众号:利维坦(liweitan2014),作者: Charles Q. Choi。

*文章为作者独立观点,不代表虎嗅网立场
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