生命第一次进化时的海洋有多热?

作者:小赵/编译来源:蝌蚪五线谱发布时间:2017-06-07

复活远古时代的酶就可以知道。

生命第一次进化时的海洋有多热?

  当远古地球的表面升起烟雾之时,或许这颗年轻的星球就是图中艺术家所展示的那样——一个淡橘色的圆球

  来源:Francis Reddy/NASA's Goddard Space Flight Center

  我们对地球起始40亿年间其表面的温度知之甚少,这限制了我们探究地球上生命的起源以及它们是如何出现的。

  如今科学家认为,通过复活远古时的酶可以估计温度,因为在这样的温度下,亿万年前的生物体可以进化。

  研究人员认为我们不仅仅应该理解生命是如何诞生在地球上,还应该了解生命以及地球环境在亿万年的地质发育史下是如何共同演变的。对于宇宙中其他地方,生命也必然会出现这种共同演变的情况。

  于是研究人员就专注于地球表面温度的历史。岩石能帮我们推测持续了5.5亿年的显生宙时期的温度,这个时期复杂的多细胞生物包括人类产生了。然而,像这样的“古温度计”在早期的隐生宙很少存在,隐生宙跨越了46亿年以及生命的出现。

  早期的地质学证据表明在35亿年前,也就是太古代,海洋处于55~85摄氏度。但是他们迅速的降温到现在的平均温度也就是15摄氏度。科学家是通过检测海洋岩石中氧以及硅的同位素来进行预测的。在海底有富含石英的岩石,他们被称为黑硅石,当海水冷却的时候这些岩石有了更高程度的氧18以及硅30同位素。原则上,不同轻重的氧同位素和硅同位素的多寡之比可以揭示古时的温度。

  但是,这样的古温度计并不能恰当的考虑到岩石以及海洋在亿万年的过程中会产生怎样的变化。很可能同位素的比值会随着物理或化学环境的变化而多次变动,例如流离地面的水或者来自深海热泉的水。

  考虑到种种不确定的因素,研究员们找到了一种独立的测量隐生宙时期海水温度的方法,该方法以生物分子的行为为主。科学家检测了一种酶,这种酶称作二磷酸核苷激酶,这种酶能够操纵DNA以及RNA的生成模块,以及其他成分。几乎在所有生物体上都能找到这种蛋白,它们对于那些已经灭绝的生物体也至关重要。先前的研究就已经发现了蛋白质稳定性的温度与生物生长之间的关系。

生命第一次进化时的海洋有多热?

图片来源:Ming Tang/University of Maryland

  左边的图片展示了30亿年前太古代早期地球可能的模样。橘色的部分表示板块运动前富含镁元素的原始大陆,尽管不可能确定它们的准确形状以及位置。海水呈现绿色是因为当时的水里含有大量的铁离子。图底的时间线追溯了大陆地壳从富含镁到缺少镁。

  通过合成这些重建物,科学家可以通过实验方法来复活远古的蛋白质,并找到让蛋白质稳定的温度,最后推测出能够支持远古生物体存活的可能温度。

  当这种远古酶可能存在的时候,科学家就会估计和它最近的亲属。如果这些亲属之间的序列差别的越大,那么它们的共同祖先也就出现在更久以前。科学家利用这种差别来估计例如NDK重建物的生物体的年龄。

  先前的研究也重建了古代时候的酶并且推测出来过去的温度,然而这些酶有一部分是来自那些生活在非常热的环境的生物体中的,这些生物体并不能代表更广阔的海洋。所以科学家们重建了那些陆地植物以及能够被阳光照射到的上层海洋中的光合细菌的NDK。

生命第一次进化时的海洋有多热?

   叠层石就是生物结构的例子,可追溯到37亿年前 图片来源:Pamela Reid, Ph.D., University of Miami Rosenstiel School

  研究人员表明,大约4.2亿年前,地球表面的温度从75摄氏度降到35摄氏度。

  

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