温泉中喷涌而出的生命线索 | 用户访谈

2023-11-24 14:35:06, HORIBA HORIBA科学仪器事业部

生命是如何开始的？

这道题的答案当然不是——受精卵，我们要讲的生命的起源，不是指个体生命，而是指更恢弘的生命，也就是地球中生命的萌芽。

古往今来，无数科学家为了回答这个问题前赴后继，Michael Gonsior 也不例外。

Michael Gonsior，美国马里兰大学环境科学中心生物地球化学终身副教授，出生于一个被露天煤矿包围的小村庄。或许是由于出生在远古地球的“遗迹”里，Gonsior 对古地球与生命起源表现出超乎常人的痴迷。为了探寻这一谜题，他将环境中的溶解有机质（DOM）作为自己的研究方向，科学家们坚信这些有机质可以帮助我们探知远古地球的状况。

位于怀俄明州黄石国家公园就是 Gonsior 研究这一课题的最佳地点，因为这里有着独特的温泉，来自地球深处的岩浆和高压可使水温达到约 350℃。这种拥有极端环境的温泉被认为是最接近早期地球的环境。喷涌至今的泉水携带了来自地球深处环境中的有机物信息，而研究泉水里 DOM 可为回答生命起源问题提供大量的线索。

当然，并不是每个温泉都可以成为远古地球信息的携带者。由于许多温泉在地表断流，因此地表径流和地下水的作用会使这些温泉混入现代地球来源的 DOM（污染了远古地球的 DOM）。而幸运的是，黄石公园中有一种被称为锥形泉的温泉突出于地表，可以从地表深处直接输送污染较少的泉水样本。

黄石公园中的温泉

藏在泉水中的“冥古宙地球”

黄石公园正在喷发的温泉

根据国际地层学委员会的研究，冥古宙地球始于46亿年前，结束于40亿年前。和现代地球不同，冥古宙地球上还没有氧气。在较深的地下水层或温泉系统中也是没有氧气的。"如果没有氧气，有机物可以维持原样，否则这些有机物很快就会被氧化。"Gonsior解释说。而这也是泉水被用作早期地球类似物的原因。

黄石公园地下蓄水层或温泉系统深处缺乏氧气，且极端的热量和压力还原了冥古宙地球的生存条件，因此这些温泉被科学家们视为冥古宙地球环境的“模拟实验室”。

利用这处天然实验室，Gonsior很就找到了两个研究的突破口。

第一个突破——泉水中独特的有机质

Gonsior发现，黄石公园温泉的 DOM（YDOM）是独特的，具有无与伦比的化学多样性。他团队使用 EEM 荧光、核磁共振和超高分辨质谱来对黄石公园的 YDOM 进行了表征。

Michael Gonsior, Ph.D.

在研究过程中，HORIBA 的 Aqualog®同步吸收-三维荧光光谱仪起到了重要的作用。温泉的样本量很大，且对温泉样本的测量需要吸收光谱和荧光 EEMs 两个重要指标，这又大大增加了测量时间。幸运的是，Aqualog 拥有超快的检测速度（是其他仪器的100倍），有效帮助 Gonsior 团队快速分析大量的样品。

Aqualog® 三维荧光光谱仪，对泉水中的有机物进行快速光学分析“有一些泉水，特别是那些更直接地利用热液来源的清澈的氯碱或碱性泉，它们具有独特的低波长荧光，但目前我们还不知道形成这些荧光信号的化合物是什么，还需要进一步的研究。”Gonsior 表示。

// Aqualog®同步吸收-三维荧光光谱仪

HORIBA Aqualog 同步吸收-三维荧光光谱仪，是全国首台可以同时测定紫外-可见吸收光谱与三维荧光光谱的光谱仪。它采用 HORIBA 独家专利技术，可大幅度提高三维荧光的光谱扫描速度，较传统技术提速近百倍。此外，Aqualog 耦合于 Origin 的专用软件可以自动修正内滤效应，扣除瑞利和拉曼散射线。

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第二个突破——嗜热菌

作为“冥古宙地球的模拟实验室”，除了复杂的有机物信息，黄石温泉还提供了另一条线索——嗜热菌。

在现在的地球环境中，细菌已然无法在接近沸腾的泉水中存活，正因此，加热煮沸已经成了实验室和生活除菌的常见方式。在温泉极端的高温环境中仅存的生物是一种极端微生物/极端生物（或称为嗜热菌的子类别），它们可以在 41-122℃ 的高温下茁壮成长。

目前，围绕着溶解有机质和嗜热菌，Gonsior 和他的团队正在进行深入的研究。

与宇宙的连接

基础研究的美妙之处在于，它具有无限延展的想象力。

Gonsior 相信，如果能在 YDOM 中发现某些只有在极端化学条件下才能留存，并且在地球未被氧化之前就销声匿迹的古老特性，可能会为生命的形成提供线索。甚至，还可能帮助人类去探索地球与宇宙星球之间关于生命的联系。

现在，研究来自宇宙的陨石和其他地外资源（像现在正在进行的返回任务中从小行星上获取的样本）的科学家们也已经发现了非常多样化的有机物。Schmitt-Kopplin 教授（亥姆霍兹慕尼黑德国研究与世界研究中心总经理，慕尼黑工业大学教授）和他的同事们在陨石中有机物的研究上已经取得了突破性的进展。

检测来自地球外的有机物，并和来自泉水中采集到的有机物进行对比，或许将是揭示地球与宇宙关系的有趣思路。

黄石公园的挑战

很多时候，科研的难题不仅仅在研究本身，在黄石公园的野外工作对每位科学家都是巨大的挑战。

这是一个很难开展研究的地方，既要避开怀俄明州高海拔冬季的恶劣条件，又要避开温和天气下的旅游旺季。

初雪前的早秋是黄石公园最合适的季节，虽然天气不错，但清晨的温度可低至-16℃。秋天的黄石公园到处都是活跃的野生动物，这也意味着 Gonsior 团队有时不得不与野牛共饮泉水。

样本采集过程并不如早秋的公园这么浪漫。黄石公园面积广阔，海拔较高（约8000英尺高），不同的位置意味着不同的气温。研究人员往往需要徒步前往丘陵地带的采样点，并在营地上工作，以便更容易地到达偏僻的温泉。每次的采水量是巨大的，有时达20升，这些滚烫的泉水需要用玻璃瓶装载，装满后重约50磅，背着它们走几英里实在不是一件轻松的事。

研究的意义

Gonsior 的长期研究目标是更好地了解黄石公园有机物的来源，从而更好地了解早期地球上可能存在什么，探究有机物在极端环境的转化过程中发生了什么反应。

倾向于实际应用研究的人们可能会质疑：了解生命的形成会给人类带来什么好处？这些知识有实际的应用吗?

Gonsior 回应了这种观点。“这一直是一个鸡和蛋的问题，”他说，“任何基础研究，都很难预测具体会是什么。它将在未来的道路上引发应用研究，如果没有基础研究作为基石，你可能永远不知道这条路未来会是什么样子。”

例如，当 Thomas Brock 教授（著名微生物学科学家，曾在黄石公园首次发现极端微生物）领导的研究团队在黄石公园沸腾的温泉中发现微生物时，谁会想到黄石公园的嗜热细菌和聚合酶链反应（PCR）方法的发展会给生命科学带来质的变革？来自黄石温泉的基础研究取得了大量成果，这些从根本上决定人类的福祉

例如，如果没有 Thomas Brock 教授领导的研究团在20世纪60年代末进行的基础研究，就不会有任何治愈新冠病毒的研究。

回到最初的问题，生命是如何开始的？

看到这里，你或许会觉得自己什么答案也没有得到。但是，Gonsior的研究仍在继续，无数追寻生命真相的科学家们的研究也在继续。在我们的短暂的有生之年，或许可以等到科学界的答案，或许不能，但在寻找这一答案的过程中，人类终将获得比生命的起源更重要的东西——生命的未来。

编辑：Iris

审核：Joanna、Lucy

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