在实验室的烧瓶中，科学家们重现了43亿年前地球的景象——被火山玄武岩包围的地下水系统周期性地干涸又被淹没 ，大气中充满二氧化碳 、氮气和水蒸气 。当他们将所有化学成分一次性混合进去 ，不做任何人为干预，奇迹发生了：长达100到200个核苷酸的RNA链自发形成 。
更令人惊讶的是 ，原本被认为会妨碍这一过程的硼酸盐矿物 ，反而成了关键的催化剂。这项发表在《美国国家科学院院刊》上的研究表明，地球早期的环境可能比我们想象的更适合生命起源 ，而那些看似有害的矿物质实际上扮演了不可或缺的角色 。
RNA世界假说认为 ，在DNA和蛋白质出现之前，RNA既是遗传信息的载体又是化学催化剂 ，支撑着最早期的生命形式 。这个理论提出已有数十年 ，但一直存在一个核心疑问：在没有生命体精密调控的原始地球上，RNA这样复杂的分子真的能自然形成吗？
从怀疑到验证的六步旅程
研究团队聚焦于不连续合成模型，这是一个解释RNA如何在早期地球真实条件下形成的理论框架。该模型包含六个相互关联的步骤：从早期大气中的气体转化为核糖等五碳糖开始 ，经过一系列化学反应 ，最终在火山玄武岩玻璃的催化作用下，核苷酸前体连接成RNA链 。过去的研究已经在实验室环境下分别验证了这些步骤 ，但关键问题是 ，如果将所有反应物放在一起，在没有科学家精心调控的自然环境中 ，这六个步骤能否协同发生？
来自受限含水层的玄武岩 。图片来源：Steven A. Benner
硼酸盐是这个谜题中最让人困惑的一块。在不连续合成模型的多个步骤中 ，硼酸盐都发挥着关键作用——它引导简单碳水化合物形成五碳糖，控制磷酸基团与其他反应成分的结合 。但问题在于 ，硼酸盐是一种活性很强的化学物质 ，它可能会与关键中间产物结合，阻止反应继续进行 。研究团队最初担心 ，当所有步骤同时发生时 ，硼酸盐可能成为整个过程的破坏者。
为了解答这个疑问，研究人员在实验室中构建了一个模拟远古地球的微型世界。他们使用真实的火山玄武岩，模拟了被这些岩石包围的地下水系统 ，这些系统会周期性地干涸和被重新淹没——就像早期地球上的潮汐池或间歇泉 。关键的实验设计是：他们将所有反应所需的成分一次性混合在容器中 ，然后不做任何人为调整，只是观察会发生什么 。
实验结果令人震惊。在富含硼酸盐且被玄武岩包围的环境中 ，即使没有任何人为干预 ，六步不连续合成途径确实可以自发进行 。更重要的是，硼酸盐不仅没有阻止反应 ，反而通过清除不需要的副产物并维持RNA合成所需的pH值 ，促进了整个化学反应的顺利进行 。在化学平衡条件下，这些反应将非常简单的分子转化为长达100到200个核苷酸单位的RNA链——这个长度已经足以支持某些催化功能和信息存储。
硼酸盐矿物与核糖的分解 。图片来源：Steven A. Benner
地质化学的完美协奏
这个发现的深刻意义在于 ，它将地质学 、化学和生物学联系在了一起 。大约43亿年前 ，地球刚刚度过猛烈的后期重轰炸期，大型小行星频繁撞击地球表面。这些撞击产生的巨大能量使大气层发生化学还原反应 ，临时创造了可能有助于RNA形成的环境 。大气主要由二氧化碳、氮气 、水蒸气和二氧化硫组成 ，而地表则布满了火山活动产生的玄武岩 。
玄武岩在这个过程中扮演了双重角色。首先，玄武岩玻璃表面具有催化活性，可以促进核苷酸的聚合 。其次 ，玄武岩中含有多种矿物质 ，包括硼酸盐，这些矿物质溶解在地下水中 ，为化学反应提供必需的成分 。硼酸盐矿物在早期地球上的分布相当广泛 ，特别是在火山活动频繁的区域和某些类型的蒸发盐沉积中。
研究还揭示了硼酸盐促进反应的具体机制。硼酸盐可以与核糖等五碳糖形成稳定的复合物，防止这些糖分解——这是生物化学中一个众所周知的效应 。但在完整的反应系统中 ，硼酸盐还起到了"分子清道夫"的作用 ，它选择性地结合某些不需要的副产物，防止这些副产物干扰主反应路径 。此外 ，硼酸盐在水溶液中表现为弱酸 ，可以缓冲pH值，维持在适合RNA合成的范围内。
这项研究还支持了一个更广泛的观点：生命起源不是单一事件 ，而是一系列化学过程在合适的环境条件下协同作用的结果 。不连续合成模型的"不连续"指的是这些反应不需要连续进行——它们可以在不同的时间和地点发生 ，然后在地质循环过程中被整合在一起 。例如，某些步骤可能在白天温度较高时进行，而另一些步骤在夜晚或潮湿期进行。干湿循环对于浓缩反应物和促进聚合反应特别重要 。
从地球到火星的启示
形成多核糖核酸（RNA ，长度为100至200个核苷酸）的“不连续合成模型”（DSM） 。图片来源：美国国家科学院院刊DOI：10.1073/pnas.2516418122。
这些发现不仅改变了我们对地球生命起源的理解 ，也为在其他星球上寻找生命提供了新思路 。火星在早期历史中也经历过类似的地质活动，有丰富的火山玄武岩和可能存在的液态水 。如果硼酸盐确实在RNA形成中起关键作用 ，那么火星上硼酸盐的存在情况就成为评估其生命起源潜力的重要指标。NASA的火星探测器已经在某些火星岩石中检测到硼元素 ，这增加了火星曾经可能产生类似生命化学的可能性 。
对于RNA世界假说本身，这项研究提供了强有力的支持 。长期以来 ，批评者指出RNA合成需要的化学条件过于苛刻 ，在自然环境中难以实现。但新研究表明，当我们考虑地质环境的复杂性和矿物的催化作用时 ，RNA的自发形成变得更加可行。特别是硼酸盐从"潜在障碍"到"关键促进剂"的身份转变 ，提醒我们在评估生命起源的化学路径时，必须考虑完整的地球化学背景 ，而不能仅仅基于简化的实验室条件做出判断 。
当然 ，从RNA的形成到真正的生命仍有巨大的鸿沟需要跨越 。RNA需要被包裹在膜结构中形成原始细胞，需要发展出自我复制和代谢能力，需要最终演化出DNA和蛋白质。但这项研究至少解决了第一个也是最关键的问题：生命的信息分子如何在没有生命的世界中诞生 。硼酸盐这个看似不起眼的矿物质 ，可能在43亿年前充当了生命起源的隐形推手 ，将简单化学推向了生物学的门槛 。这个发现让我们离最终解开生命起源之谜又近了一步，同时也展示了科学研究中那些最令人兴奋的时刻——当实验结果颠覆了我们的预期 ，揭示出自然界运作方式的惊人智慧。
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