為什么總是講不清“生命起源”問題：方法與意義

《卷首詩》

我們是誰？我們從哪里來？要到哪里去？

這是一個古老而又永恒的話題。

迄今為止，在人類所能觀測到的數(shù)百億光年的宇宙范圍內(nèi)，

地球是唯一的生命綠洲。

這個小小的綠色星球，如同一座富饒的島嶼，

擁有制造生命的神奇魔法，在空曠寂寥的宇宙中，

孤獨而又自豪地高唱著生命之歌。

因為絕無僅有，所以彌足珍貴。

生命的誕生是機緣巧合還是預(yù)謀已久？

那個驅(qū)動有機物命運的齒輪如何開始轉(zhuǎn)動？

是大洋深處最初的一絲蠕動，還是池塘河邊露出的一線生機？

生命起源問題，和黑洞、暗物質(zhì)、暗能量以及宇宙起源、意識起源，

并稱為“一黑兩暗三起源”，向來是科學問題上的明珠！

這是個發(fā)生在近40億年前，絕大部分物質(zhì)證據(jù)都早已湮沒的問題。又是一個我們已知的世界中只發(fā)生過一次的孤立事件，

沒有可以歸納的基礎(chǔ)。

同時它橫跨生物、化學、地理、地質(zhì)、氣候、海洋、宇宙學諸領(lǐng)域，涉及的已知和未知千頭萬緒。

最麻煩的是，即使有人真的發(fā)展出和事實相符合的理論，

也幾乎沒有可能實地驗證—這個實驗本身就是個可能耗時千萬年，

或者上億年的局中局。

然而這絲毫沒有驅(qū)散各領(lǐng)域科學家?guī)缀跏菬o休無止的興趣。

自從宗教的枷鎖打破之后，科學性的生命起源假說已不下幾十種，

爭論不休，聚訟紛紜，辨?zhèn)未嬲?，誰借慧眼？

自然發(fā)生說、有生源論、生命永恒論、宇宙胚種論、化學進化論......

億萬斯年，光的世界，大道至簡，萬法歸一。

鴻蒙開天辟地，生命緣何而起？你問我，我問誰？

是“寵辱不驚，閑看庭前花開花落；去留無意，靜觀天邊云卷云舒”，

還是“憑欄觀日月，無語問蒼穹”？

是“對長亭晚，驟雨初歇......執(zhí)手相看淚眼，竟無語凝噎 ”，

還是“國難思良將，家貧思賢妻，有事鐘無艷，無事夏迎春”？

“一生經(jīng)過彷徨的掙扎，自信可改變未來，問誰又能做到”

這首歌致敬了曼德拉；

“國有疑難可問誰，強國一代有我在!”

這句話來源于國科大。

只有在科學昌明、創(chuàng)新技術(shù)發(fā)展到今天：

在顯微鏡開啟了微觀生命科學探索 ，

X射線開啟了生命醫(yī)學影像探索，

量子力學推動了宏觀生命科學探索的時代，

我們才稍具條件發(fā)起對這個問題的攻關(guān)。

科學突飛猛進，科技自立自強；

隨著各學科的進步不斷演進，不斷豐富細節(jié)和淘汰偽說。

本書匯聚涓滴力量，引領(lǐng)你走進地球原初不毛之地，

破解生命起源啞謎，揭示萬千生靈進化的非凡之旅。

有詩為證：

千流歸大淵，萬馬踏平川。

聚瀾騰細浪，高路入云端。

第一部分 為什么總是講不清“生命起源”問題：方法與意義

I

生命幾乎已經(jīng)征服了地球上的每寸土地。但在地球剛剛形成時，它實際上就是個沒有任何生機的石球。那么生命是如何在這個星球上誕生的？生命從何而來？又將走向哪里？它們?nèi)绾螐臒o到有，從簡單到復(fù)雜的？最初是什么樣子的？這些問題一直矗立在人類最為著迷和困惑同時又尚未解決的科學難題中，或多或少擾動過你的心靈。

這個可大可小的問題，少數(shù)人----科學家、哲學家或者只是一個有抬頭仰望星空、低頭關(guān)心根源的普通人，視之為最重要的事絞盡腦汁去思考，甚至耗盡畢生也不放棄；多數(shù)人則毫不觸及或者忙于俗世生活避而不談。他們未來的大腦里，沒有這么宏大問題；所以理所當然丟給哲學家們?nèi)ニ妓髁?，或者滿不在乎的任神學家手握答案。

而于我則認為，思考這些問題的答案，對于理解我們自身以及我們所居住的這個世界，都具有無法估量的價值。因為真正了解過去才能明白未來，這不僅是對過去的探尋，也是對生命本質(zhì)的深刻思考。對于個體而言，或可以喚起童年時的好奇心而激發(fā)思考的火花，或可以讓人在難題面前始終保持謙遜的求知態(tài)度、敬畏大自然，而擁有這種好奇心和對真理不懈追求的愿景，對科研人員或者青少年而言，無疑是很有益處的。

達爾文曾斷言：“目前關(guān)于生命起源的思考純粹是廢話”，現(xiàn)在已經(jīng)不再成立。達爾文所處的時代連基因是何物都還不知道，現(xiàn)在已經(jīng)是20世紀20年代，三域生物所有RNA聚合酶的結(jié)構(gòu)類型均被闡明，“最后一塊拼圖”也終于被中國科學家補上。

但是，正如《生命起源的奧秘：再評目前各家理論》指出：“我們在合成氨基酸方面的成就有目共睹，但合成蛋白質(zhì)和DNA卻始終失敗；兩者形成了強烈的對照”。雖然，科學發(fā)展到今天，我們能以極大地效率在實驗室利用機器合成出需要的生物大分子，在生命起源前環(huán)境里的合成實驗卻“始終失敗”，這或許是大自然跟人類開的一個玩笑吧，以此提醒人們面對大自然、面對時間長河應(yīng)當保持謙遜的姿態(tài)。

II

西方人早期談?wù)撋鹪磫栴}的思路可以分為兩類：

要么是拿出基督教的《創(chuàng)世紀》，認為“生命”起源于空白和混沌，然后認為是由“神”創(chuàng)造了“秩序”，至于什么樣的秩序，就是“人類”的事；

要么在早期的生命發(fā)生學中，大多數(shù)人認為生命是自然發(fā)生，本質(zhì)是突顯論或自然發(fā)生論，如青蛙可以從濕土中產(chǎn)生，老鼠可以從腐爛物質(zhì)中產(chǎn)生，昆蟲從露水中產(chǎn)生，蛆從爛肉中產(chǎn)生等。溫暖、潮濕、陽光乃至星光都常被說成是促進生命自然發(fā)生的有益因素。包括像古希臘的亞里士多德，甚至是近現(xiàn)代的諸多哲學家、科學家，如哥白尼、培根、伽俐略、哈維、笛卡兒、歌德和謝林都不自覺的接受了“突顯論”的思想。

在《物種起源》出版之前，科學家公認的模式是培根（Francis Bacon）的歸納模式，即在實驗的基礎(chǔ)上大量采集資料，然后對資料進行總結(jié)歸納，得出一個簡潔的結(jié)論，也就是新的知識。達爾文應(yīng)用的是假說演繹法，先立假說，再去演繹，推出一些新的認識，然后去自然界尋找證據(jù)來證明這些認識，這樣就驗證了假說。

恩格斯在《路德維?！べM爾巴哈和德國古典哲學的終結(jié)》的第二章，是這樣描述的：哲學家依照他們?nèi)绾位卮疬@個問題而分成了兩大陣營。凡是斷定精神對自然界來說是本原的，從而歸根到底承認某種創(chuàng)世說的人（而創(chuàng)世說在哲學家那里，例如在黑格爾那里，往往比在基督教那里還要繁雜和荒唐得多），組成唯心主義陣營。凡是認為自然界是本原的，則屬于唯物主義的各種學派。明顯，神創(chuàng)與自然發(fā)生已經(jīng)歸于陳舊哲學。

而在近現(xiàn)代，則出現(xiàn)了一系列新的生命起源假說。在陳閱增第四版的《普通生物學》中則寫了兩類比較有代表性的有關(guān)原始生命的假說：

其一是“蛋白質(zhì)起源說”：即“奧巴林”（亞歷山大·伊萬諾維奇·奧巴林（Oparin，Alexander Ivanovich））和“?？怂埂狈謩e提出“團聚體學說”和“微球體學說”。奧巴林將多肽、核酸、多糖、磷脂的溶液搖晃混合后，發(fā)現(xiàn)在膠體溶液中的大分子凝聚形成直徑約1-500微米的團聚體小滴。這個團聚體小滴在奧巴林看來是有代謝的特性，因為其能從周圍介質(zhì)中吸取不同的物質(zhì)，然后還出芽分裂成效的團聚體小滴，所以，奧巴林認為這就是一種生命起源解釋方式。

但這顯然有很大問題！因為這極大可能是一種物理或化學特性，而絕非代謝，因為代謝指向的是具有“供能”性質(zhì)的糖類、脂肪等，你絕不能說它是生命。而“?？怂埂钡奈⑶蝮w學說，則是將“類蛋白”和“核酸”加熱濃縮，最終形成了直徑約為1-2微米的膠質(zhì)小體，有雙層膜，這類微球體可以選擇性吸收膠質(zhì)中的類蛋白而生長和繁殖，這就體現(xiàn)出某種生命特征，但這其實和奧巴林的團聚體學說本質(zhì)沒有太大差別；

其二是“核酸起源說”：此理論認為“RNA”是地球上最先出現(xiàn)的第一批基因和酶，并不是DNA和蛋白質(zhì)，而且推測混合的核苷酸單體可“自發(fā)”結(jié)合成短鏈RNA。短鏈RNA作為第一基因以自身編碼的信息為模板，短鏈RNA又自帶“催化性生物機能”進行自我復(fù)制，即RNA是第一個作為具有“催化性生物機能”和能作為基因載體的分子，被稱為“RNA世界假說”。對于核酸起源說，認為RNA既能作為基因載體，又能作為酶，這顯然在某種程度上是有道理的，說是最早的生命也可以，但最早的RNA是如何一步一步發(fā)展而來？

所以，在陳閱增第三版的《普通生物學》中，“生命起源”其實并沒有完全說清楚，更多是拿來主義的借用了西人的研究成果。而要真正說清生命的起源必須要說清分子的演進過程，以及生物演化的中軸，畢竟“生命起源”是夾在兩者之間，沒有橫跨分子與生物的底層原理，就不可能真正說清楚“生命的起源”。

III

【近期，美國斯克利普斯研究所證明了二酰胺磷酸鹽（DAP），可通過化學反應(yīng)將脫氧核糖核苷構(gòu)建編織成原始DNA鏈。相關(guān)研究成果發(fā)表于《德國應(yīng)用化學》?！?/p>

這一發(fā)現(xiàn)指出“DNA和RNA”可能是類似化學反應(yīng)的共同產(chǎn)物。即是說，第一批自我復(fù)制的分子作為地球上第一種生命形式，可能是兩者的混合物。而質(zhì)疑“RNA世界”假說，部分原因是RNA分子太“黏”，它擅長吸引并黏附其他單獨的RNA結(jié)構(gòu)單元，形成鏡像鏈，這個新鏈的每個結(jié)構(gòu)單元都與原始模板鏈的結(jié)構(gòu)單元互補。如果新鏈可以脫離模板鏈，并通過相同的過程開始模板化其他新鏈，那么它就可以實現(xiàn)構(gòu)成生命的自我復(fù)制。但它們卻不擅長與這些鏈分離。所以，在早期無解鏈酶的世界里，是很難讓RNA鏈分開的，證明RNA世界假說本身也不一定絕對正確。

然后是，在羅斯（(英)羅斯(Rose, S.)）·著的《大腦的未來》中寫道：“生命是涉及碳、氫、氧、氮構(gòu)成的化合物之間的相互轉(zhuǎn)化和相互作用，以及和鈉、鉀、氯、硫、磷等離子和重金屬等反應(yīng)，然后基于原始地球充滿氮氣、甲烷和二氧化碳更適合還原而非氧化的環(huán)境，以及伴隨原始地球猛烈的雷鳴電閃等惡劣環(huán)境，最終使得這些基本的元素化合物逐漸生成“有機分子”，從糖類、氨基酸、核苷酸到蛋白質(zhì)、脂肪、RNA、DNA等生物大分子的有機物稀湯。”

而后，“羅斯”直接就認為生命的開始居然是源于脂或油，是油滴中聚集了有機物以及鈉離子和鉀離子，從而構(gòu)成最原始的原核細胞。這種說法其本質(zhì)就是認為“初始細胞”源于“隨機組合”，這就相當于一陣大風，將廢品站的銅鐵鋁吹成了現(xiàn)在登機站臺下的一架駕簇新的飛機，或者讓一只猴子學會盲打之后，打出了莎士比亞的《羅密歐與朱麗葉》，生命不可能有這樣環(huán)境去大把大把的浪費時機。

IV

科學研究的一般規(guī)律是，把自然規(guī)則研究清楚透徹，然后應(yīng)用到實驗室生產(chǎn)出人類的福利，即從大自然到實驗室，一種對規(guī)律的應(yīng)用；而在用進化理論試圖解決“起源”的問題上，既然是從無到有，實驗室就不能借用已找到的規(guī)律，而是要生產(chǎn)出一套規(guī)律去套用到大自然上，這是跟通?？茖W研究的方法是不同的，這是還原論的困境。

科學性的生命起源假說有不下幾十種，隨著各學科的進步不斷演進，不斷豐富細節(jié)和淘汰偽說，但是歸根結(jié)底從方法上來說只分為兩類，一類是正向的還原法，即不斷搜集地球生命初始時代遺留下來的蛛絲馬跡，包括化石、碳痕跡、同位素異常等等，不斷試圖還原當時的大氣、海洋或者地質(zhì)化學條件，試圖通過模擬的實驗，一點點驗證生命起源的歷程。這是傳統(tǒng)的方法，它搜集和整理了大量的證據(jù)和數(shù)據(jù)，尤其在年代測定方面發(fā)展了很多高明的技術(shù)，取得了很多成果。到目前為止，最早的生命活動殘跡可以上溯到38億年之前，是由極其古老的巖石中碳同位素擾動間接證明的（生命是已知唯一改變碳同位素比例的自然過程）。

另一類是反向的反演法。最早的生命雖然早已死亡，但是它們的后代充滿地球生物圈。這些后代種類極其繁雜，但是它們在分子生物和生物化學的層面具有令人驚奇的共性。這除了讓科學研究者更加堅定了“生命同源”的信心之外，還提供了一個新的思路：共性即共祖特征。共性越多的生物，它們的親緣關(guān)系越近。越普遍的共性，越有可能是生命在遺傳樹“根部”的特性。絕對普遍的生物共性，幾乎一定是生物起源時的特性。跟傳統(tǒng)的還原法正好相反（還原法是苦于證據(jù)太少太不完整），現(xiàn)代的生理學和基因科學為反演法提供了海量的各種生物遺傳信息。整個生物圈的數(shù)碼化遺傳信息：基因組都是證據(jù)，只看研究者如何去挖掘和解讀。難在如何穿透近40億年生物分化、變異和滅絕造成的數(shù)據(jù)迷霧。如果我們能反推出最初的生物是什么樣的特性，則如何起源的問題就解決了大半。因為在生物學中，“你是什么”基本就表述了“環(huán)境怎樣造就了你”。反演法的研究最喜歡的一個術(shù)語就是LUCA（Last Universal Common Ancestor）：“最后的共同祖先”。它是一個定義在邏輯上的生物，是現(xiàn)存所有生物的共同祖先。（之所以說最后，是因為不排除它之前更早的分支已滅絕且未留下后代）

雖然生命起源問題是個難以索解的問題，沒有人能夠目睹生命形成的過程，科學家研究的成果應(yīng)該說都還只是假說、理論，不是絕對的事實，正如霍金提出的宇宙大爆炸理論（Big Bang theory），不管科學怎么進步，如果這一理論是正確的，它本身意味著我們只能知道大爆炸發(fā)生以后的事情，大爆炸之前的情況只能是推理和想象，猜測便指明了無法得到百分之百的證明（不管有沒有事物存在或存在什么事物）。

V

但我們終將不該畏難，不能畏而不前。人類的創(chuàng)造力是無窮無盡的，以無窮無盡的創(chuàng)造力面對無窮無盡的科學和藝術(shù)難題，我們會創(chuàng)造出嶄新的思考框架和理論邏輯。我們不斷擴大這研究的“方法庫”，這些方法來源卻不限于：

考古生物學與生命起源的化石證據(jù)；

在南非的巴伯頓綠巖帶，科學家們發(fā)現(xiàn)了約34.2億年前的微化石，這些微化石是由特殊類型的甲烷循環(huán)微生物組成的，這是迄今為止發(fā)現(xiàn)的最古老的生物化石之一。這些微化石的發(fā)現(xiàn)不僅為我們提供了了解生命最初是如何開始的線索，也表明生命起源的時間非常古老，早于地球上的許多其他生命形式。

另一方面，對現(xiàn)代生命形式的基因和細胞結(jié)構(gòu)的研究也為我們提供了關(guān)于生命起源的重要線索。例如，科學家們通過對細胞的研究發(fā)現(xiàn)，細胞核是真核生物細胞中的重要結(jié)構(gòu)之一，它可以儲存遺傳信息并指導蛋白質(zhì)的合成。而這種細胞結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，可以追溯到大約20億年前的一種原始真核生物。

此外，生物分子的化學結(jié)構(gòu)也是支持生命起源理論的重要證據(jù)之一。例如，核酸和蛋白質(zhì)是構(gòu)成生命的基本分子，它們具有復(fù)雜的化學結(jié)構(gòu)和功能。通過對這些分子的化學結(jié)構(gòu)進行研究，我們可以了解它們的演化歷程和可能的起源。例如，研究表明，核酸和蛋白質(zhì)可能是從更簡單的化合物中演化而來的，這些化合物可能在早期地球的化學環(huán)境中形成。

b.實驗室模擬生命起源的化學過程；

實驗室模擬生命起源的化學過程可以被理解為一種在實驗室環(huán)境中模擬和重現(xiàn)早期地球條件下生命起源的化學演化過程。這個過程主要基于對原始地球大氣和環(huán)境的模擬，并通過實驗驗證生命從無機小分子物質(zhì)到有機小分子物質(zhì)，再進一步到更復(fù)雜的有機分子物質(zhì)的演化過程。

這個模擬過程主要包括以下幾個步驟：

創(chuàng)建模擬原始地球的條件：在實驗室中，科學家們會模擬早期地球的條件，包括溫度、壓力、酸堿度、水含量等。此外，他們還會模擬原始地球的“還原性大氣”，如氫氣、氨氣、甲烷和水蒸汽等。

模擬地球的化學反應(yīng)：在模擬的原始地球條件下，科學家們會開始模擬地球早期的化學反應(yīng)過程。這些反應(yīng)包括但不限于水合、脫氫、加氫、脫氧、加氧等。

檢測和記錄反應(yīng)產(chǎn)物：通過特定的檢測手段，如光譜分析和色譜分析等，科學家們可以檢測反應(yīng)后的物質(zhì)，并記錄下它們的種類和數(shù)量。

分析并解釋結(jié)果：根據(jù)檢測結(jié)果，科學家們可以分析并解釋這些產(chǎn)物是如何形成的，以及它們與原始地球條件的關(guān)系。

在這個過程中，科學家們的主要目標是理解早期地球的化學環(huán)境如何促進從無機小分子到有機小分子，再到更復(fù)雜的有機分子物質(zhì)的轉(zhuǎn)變。此外，他們還試圖理解這些早期反應(yīng)是如何影響地球的生命起源和演化的。

實驗室模擬生命起源的化學過程是一個高度專業(yè)化的研究領(lǐng)域，需要專門的知識和技能。盡管這個領(lǐng)域的研究仍然有許多未解的問題，但它已經(jīng)為我們提供了許多關(guān)于地球生命起源的新思考與研究。

c.計算機模擬、仿真與生命起源的數(shù)據(jù)；

計算機模擬在生命科學研究中的應(yīng)用與進展主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

分子模擬與生物大分子：利用計算機模擬技術(shù)，科學家們可以研究生物大分子的結(jié)構(gòu)和行為，如蛋白質(zhì)和核酸等。這種技術(shù)可以幫助科學家們理解生物大分子的穩(wěn)定性和動態(tài)性，從而加深對生物學過程的理解。例如，分子動力學模擬技術(shù)可以模擬蛋白質(zhì)在不同環(huán)境下的構(gòu)象變化，探索其穩(wěn)定性和功能。

生物模擬與仿真：計算機科學可以用于生物模擬與仿真，即借助計算機模擬和重現(xiàn)生物系統(tǒng)的行為和特征?？茖W家們可以使用計算機模擬來研究生物系統(tǒng)的復(fù)雜性和動態(tài)性，從而更好地理解生物學過程。生物仿真則是指將生物系統(tǒng)的模型嵌入到計算機程序中，通過模擬真實生物系統(tǒng)的行為，幫助科學家們預(yù)測和研究各種生物過程和現(xiàn)象，例如藥物作用、疾病模擬等。

生物數(shù)據(jù)分析：隨著生物學研究的不斷發(fā)展，產(chǎn)生的生物數(shù)據(jù)量也越來越大。計算機科學在生命科學中的另一個重要應(yīng)用領(lǐng)域是生物數(shù)據(jù)分析。通過計算機算法和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，科學家可以從大量的生物數(shù)據(jù)中提取有用的信息和模式，這些信息可以用于研究生物進化、疾病診斷和治療等方面。

計算機科學的應(yīng)用為生命科學研究提供了新的視角和方法，不僅加速了科學研究的進程，更為生物醫(yī)學研究和應(yīng)用提供了更多的可能性。

d.復(fù)雜性涌現(xiàn)與地球生命算法（后面章節(jié)會有涉及）；

e.向不同學派與爭議觀點學習。

關(guān)于生命起源的其他學說還有化學起源論、異源傳遞論、智能設(shè)計論等等。

化學起源論：這個起源論指出生命最早的形式可能來自于地球上的化學反應(yīng)和自組裝，如蛋白質(zhì)和核酸，由于它們能夠在無機物條件下耐受變異和復(fù)制。這個觀點是目前科學界較為接受的學說之一，但是科學家們?nèi)栽诓粩嗵剿骱万炞C這個觀點。

異源傳遞論：這個起源論認為生命可能來自于宇宙中的其他星球，如隨行的微生物或其他化學物質(zhì)。這些微生物或化學物質(zhì)通過隕石、彗星撞擊等自然過程到達地球，并在適宜的條件下繁衍和演化。這個觀點也是目前科學界正在研究的領(lǐng)域之一，但仍需要更多的證據(jù)來證明它的可行性。

智能設(shè)計論：這個起源論認為生命的起源來自于先有智慧的設(shè)計者。這種起源論通常被歸類為“創(chuàng)造論”，其認為生命的存在不是自然演化或偶然性的結(jié)果，而是有意識、有目的地創(chuàng)造的。這個觀點沒有被廣泛接受，主要是因為缺乏科學證據(jù)來支持它的正確性。總的來說，關(guān)于生命起源的研究仍在進行中，尚沒有明確的答案。不同的學派和觀點都有其優(yōu)缺點和證據(jù)支持，科學家們?nèi)栽诓粩嗵剿骱万炞C這些觀點，以更好地解釋生命的起源和演化，我們可以在不同學派與爭議觀點學習，積累合理的思想成分。

f.還有一種比較另類的研究方法：LUCA模型的建立。這是從能量生物學的角度入手。因為與能量代謝相關(guān)的基因，正是所有生物中最古老，變異最慢，共性最大也最核心的基因。生物學家們討論和試圖描述LUCA的時候，不是關(guān)注它長什么模樣，有多大個頭，而是關(guān)注它執(zhí)行何種氧化還原反應(yīng)，有哪些代謝酶，生活在什么樣的地理和化學環(huán)境。這已經(jīng)完全是一種嶄新的體系了。

VI

生命起源的意義及對人類意識的啟示是廣泛而深遠的。

首先，生命起源本身是科學研究的一個重要領(lǐng)域。生命起源的奧秘是自然界的一大未解之謎，了解生命起源有助于我們更好地理解生命的本質(zhì)和規(guī)律，為生物醫(yī)學、遺傳學、進化論等學科提供重要的理論基礎(chǔ)。通過對地球最早生命形式的研究，我們不僅能更深入地理解自身的起源，也能更廣泛地洞悉宇宙中生命的本質(zhì)和可能性。當前，盡管科學家們已經(jīng)取得了顯著進展，如揭示了生命基本組成部分的合成途徑，提出了RNA世界假說，以及在實驗室里模擬早期地球環(huán)境，但生命起源的完整畫卷仍有待進一步揭曉。

其次，生命起源對人類意識的形成和發(fā)展有著重要的啟示作用。從生命起源的角度來看，人類意識并非是獨立于物質(zhì)世界的神秘現(xiàn)象，而是物質(zhì)世界演化和發(fā)展的產(chǎn)物。在這個過程中，自然界的進化機制發(fā)揮了重要作用，而人類的意識也是這個機制的一部分。還有，地球外生命的可能性也是一個激動人心的研究領(lǐng)域，它不僅挑戰(zhàn)著我們對生命定義的理解，也可能為我們提供關(guān)于生命多樣性和適應(yīng)性的新視角。

此外，生命起源的意義和目的對人類也有著重要的啟示作用。人類作為自然界中的一員，需要認識到自身的價值和使命，同時也要意識到自己對自然界的影響和責任。在面對環(huán)境變化、生態(tài)破壞、氣候變化等全球性問題時，人類需要承擔起更多的責任和義務(wù)，未來的研究將繼續(xù)探索這些問題，包括更深入地研究地球最古老的化石記錄，進一步實驗?zāi)M早期地球環(huán)境，以及探索太陽系內(nèi)外可能存在生命的環(huán)境，學習保護和改善地球生態(tài)系統(tǒng)，以確保人類和地球的可持續(xù)發(fā)展。

最后，生命起源的研究也為人類探索未知世界提供了重要的工具和方法。探索生命的起源，是一項挑戰(zhàn)巨大但意義深遠的科學征程。生命起源的研究充滿了未解之謎。通過研究生命起源，我們可以更好地了解自然界的規(guī)律和機制，探索新的科學領(lǐng)域和未知的領(lǐng)域。特別是在分子生物學、地球科學和天文學等領(lǐng)域，通過探索和研究可以為人類提供新的技術(shù)和手段，推動科學的發(fā)展和進步。隨著科技的飛速發(fā)展和進步，我們對生命起源之謎的理解必將更加深刻。

總之，生命起源的探索不僅是對過去的追溯，也是對未來的展望。它不斷挑戰(zhàn)著我們的知識疆域，引導我們在自然界和宇宙的廣闊舞臺上，繼續(xù)尋找關(guān)于生命最根本問題的答案。

第二章 生命的地理起源（反推，七大可能地）

生命起源的問題，向來是生物學中的皇冠，同時也是Mission Impossible。這是一個發(fā)生在近40億年前，絕大部分物質(zhì)證據(jù)都早已湮沒的問題。又是一個我們已知的世界中只發(fā)生過一次的孤立事件，沒有可以歸納的基礎(chǔ)。同時它橫跨生物、化學、地理、地質(zhì)、氣候、海洋、宇宙學諸領(lǐng)域，涉及的已知和未知千頭萬緒。最麻煩的是，即使有人真的發(fā)展出和事實相符合的理論，也幾乎沒有可能驗證—這個實驗本身很可能耗時千萬年，或者上億年。然而這絲毫沒有驅(qū)散各領(lǐng)域科學家對這個問題無休止的興趣。

首先，這種興趣被生命起源于哪里點燃。大約在40億年前，地球上第一次出現(xiàn)了生命，它只是被包在某種囊中的遺傳分子，長得跟我們當今所認識到的任何生物都不像，結(jié)構(gòu)甚至比細菌的細胞還要簡單?？茖W家一直在鉆研這初始的生命究竟是如何形成的，不同的地點代表著不同的能量形式，不同的能量形式影響著不同的構(gòu)造和場景，所以找到生命起源的地點也許是破解生命起源問題的關(guān)鍵。

我們總是設(shè)想，甲烷菌產(chǎn)生于甲烷多的地方，硝化細菌，產(chǎn)生于硝化物多的地方。硫化菌產(chǎn)生于硫磺多的地方，以此類推，不一而足，他們都有原產(chǎn)地，都有著土著特征。那么究竟在地球的哪個地方，藏這這樣一個地方：它擁有能產(chǎn)生生命的關(guān)鍵元素，而且它的環(huán)境能供這些元素進行完美的化學反應(yīng)。

i小池塘猜想

達爾文是最早開始嘗試回答這個問題的人。1871年，他在一封信中描述了自己的猜想：有一個溫暖的小池塘，里面富含化學物質(zhì)和鹽，環(huán)境中還有光、熱和電。達爾文認 為在這樣的環(huán)境中，蛋白質(zhì)可能會自發(fā)地形成，然后會變成更復(fù)雜的有機體。20世紀50年代，美國化學家哈羅德·尤里和斯坦利·米勒進行了著名的米勒—尤里實驗。他們建立了一個受控型密封系統(tǒng)，模擬地球早期大氣層環(huán)境。

他們在長頸瓶中裝上溫水來模擬當時的海洋，當水蒸氣蒸發(fā)時，會被收集在另一個燒瓶中。尤里和米勒在該實驗裝置中引入了氫氣、甲烷和氨氣，模擬早期大氣層無氧氣的狀況。然后，他們釋放電火花，來模擬閃電，進入這種混合氣體構(gòu)成的無氧大氣層。最終，利用冷凝器將這些氣體冷卻成液體，收集進行分析。

實驗結(jié)果表明，在冷卻的液體中大量地存在著有機化合物，約有10%到15%的碳以有機化合物的形式存在。其中2%屬于氨基酸，以甘氨酸最多。但核酸本身，如DNA或RNA則未出現(xiàn)。尤里和米勒得出結(jié)論稱，有機分子形式能夠來自于無氧大氣層，同時最簡單的生命體也可能孕育在這種早期環(huán)境中。

這場實驗是20世紀最著名的實驗之一，當時在社會上造成不小的影響，不過現(xiàn)在我們知道，當時在這個實驗中生成的有機成分，并不足以構(gòu)成生命，也意味著這場實驗不足以說明達爾文的猜想是正確的。

生命想要“無中生有”，這三大要素必不可少：遺傳密碼、新陳代謝以及膜。遺傳密碼中攜帶可以用來制造細胞的生物藍圖；新陳代謝可以為細胞提供能量，而膜可以把這些成分和反應(yīng)統(tǒng)統(tǒng)包裹在里面。在現(xiàn)存的有機生物中，以上三個要素都是由相同的原子構(gòu)成的，即碳、氫、氧、氮、磷和硫。因此生命的搖籃至少要能提供充足的基本原子，還要有能讓原子發(fā)生反應(yīng)的基本條件。

ii海底起源猜想

當生物化學家們還在苦苦思索這些問題時，深海探險家在太平洋地區(qū)有了驚人的發(fā)現(xiàn)。在1979年，美國有艘潛水艇潛入了距海平面2千米深的海底，在那里發(fā)現(xiàn)了海底黑煙囪，它的原理和火山類似，只不過是在海底噴發(fā)。在海底黑煙囪中，人們發(fā)現(xiàn)了不同尋常的完整的生態(tài)系統(tǒng)。于是科學家猜想也許生命起源于這些海洋底部的熱泉。

頗為巧合的是，大約在兩年后，旅行者2號太空探測器發(fā)回了木衛(wèi)二的照片，人們通過照片推測木衛(wèi)二的冰殼下可能存在海洋。這個發(fā)現(xiàn)激起了人們對外星生命及其起源的興趣，也給了相信海底起源說的人信心，甚至有人認為海底熱泉既然能在地球上孕育生命，也一定能在其他星球起到相同的作用。

但后來科學家們放棄了這個猜想，因為海底黑煙囪中存在的氫含量很低，而且它的溫度太高，新生的分子難以在這樣的高溫中保持完整，如RNA中的遺傳物質(zhì)會在高溫里被迅速降解。

21世紀之初，人們在大西洋中部發(fā)現(xiàn)了溫度較低的海底噴口，這個地方噴發(fā)堿性的海底熱泉。海水和海底礦物質(zhì)在此處發(fā)生反應(yīng)，生成帶有微小孔隙的巖石，以及富含氫氣的溫暖液體。科學家認為巖石的氣孔是早期生命出現(xiàn)的理想之處，尤其是堿性熱泉和酸性海水之間存在電化學梯度，能自發(fā)形成乙酰磷酸和焦磷酸鹽，這是兩種能為活細胞供能的化學分子。它們也可以為分子合成提供能量，讓溶解的二氧化碳和氫氣合成有機分子，再構(gòu)建蛋白質(zhì)的組成部分和RNA。

iii 陸地起源猜想

如此看來，堿性的海底噴口似乎是生命起源的理想搖籃，只不過它也有自己的短板——過于潮濕。在地球上還沒出現(xiàn)生命之前，生物分子是很罕見的，如果蛋白質(zhì)的組成成分被過分稀釋，那么它們就無法互相碰撞，最終形成蛋白質(zhì)鏈。于是科學家猜想，或許存在一個有著干濕循環(huán)的地方，讓最原始的分子能夠碰撞出生命的火花，借此出現(xiàn)了陸地起源的猜想。

陸地起源說認為，生命開始于有著周期性干涸的環(huán)境中，脫水作用在合成有機分子時扮演著重要的角色。每當一個蛋白質(zhì)的組成成分被添加進蛋白質(zhì)鏈中時，會釋放出一個水分子。眾所周知，酶是活細胞的催化劑。在生命的初期，酶還沒有出現(xiàn)，只能依靠干燥的環(huán)境擔任脫水的作用。

科學家們認為在火山島上的淡水池比在深海噴口附近更容易形成脂肪膜。在海洋中，溶解的鈣和鎂離子會妨礙脂肪酸聚集在一起形成連續(xù)的膜；但是在淡水中，脂質(zhì)可以輕易聚集，就像水油混合時，油會輕易和水分離，出現(xiàn)很明顯的邊界一樣。

為了證明這個猜想，科研人員從美國黃石國家森林和加州拉森國家公園的溫泉中采集樣品，再讓這些樣品經(jīng)歷干濕循環(huán)。他們發(fā)現(xiàn)，如果他們將這些樣品脫水然后再補充水分，其中類似RNA的分子就會被包裹在脂肪膜中，就像原始細胞膜能包裹遺傳物質(zhì)一樣。

有的科研人員認為，比起火山水池，地熱田似乎是更理想的環(huán)境，因為它更干燥。地熱田是指用來釋放地熱蒸汽的熱巖石。科研人員認為，這里的化學反應(yīng)更接近于我們自己細胞內(nèi)部的化學反應(yīng)，因為地熱蒸汽富含能孕育生命的重要元素。通過控制蒸汽濃度，小水滴的形成可以為生成RNA創(chuàng)造理想的環(huán)境。

要生成RNA，首先要制造核糖，也就是RNA中的R。創(chuàng)造R的原子可能早已存在在大氣中，不過沒有外力的幫助，這些原子不會自發(fā)變成我們需要的核糖。這時候硼酸鹽礦物可以成為有效的助力，它能引導原子合成更多的核糖，而且還能鞏固核糖的結(jié)構(gòu)，以免它們分崩離析。因此，有科研人員認為沙漠才是生命的搖籃，因為巖石中有著豐富的硼酸鹽礦物質(zhì)，偶爾還會有雨水濾出。

Iv冰上起源猜想

上述的所有環(huán)境都有一個共同點，就是熱量。我們知道，溫暖的環(huán)境可以幫助推動化學反應(yīng)，有些科研人員偏要反其道而行之，他們認為生命可能起源于冰塊。當水結(jié)冰時，溶解在水中的所有物質(zhì)都會被脫水，并濃縮成鹽水。這些鹽水被困在冰的狹窄裂縫中，進而形成聚合物鏈，低溫還能幫助生物分子保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，讓它們得以繼續(xù)生長。

為了證明這個大膽的猜想，有科研人員將溶液中的成分與金屬離子凍在一起，嘗試制造RNA鏈。他們使用環(huán)境中常見的離子，幫助促進催化反應(yīng)。

實驗發(fā)現(xiàn)，反復(fù)的凍融循環(huán)有助于酶的生成，酶能催化化學反應(yīng)產(chǎn)生更多的RNA鏈。這非常符合我們最初對生命起源的期待?？梢?，冰似乎是一種有效媒介，它可以促進生物分子轉(zhuǎn)換，使分子變成一個可以自我繁殖的系統(tǒng)。

遺憾的是，上述猜想都面臨了同一個問題，它們無法對新陳代謝如何參與生命進程作出解釋，這導致了所有猜想都無法回答一個關(guān)鍵問題，即早期生命的三大要素：遺傳物質(zhì)、新陳代謝和膜是怎樣共同作用的。

V 火山口湖猜想

所有人都曾認為，我們在研究生命起源時需要拆分所有元素，再逐一研究。之前大多數(shù)研究人員的研究重點，要么在遺傳物質(zhì)中，要么在新陳代謝上。如今，薩瑟蘭的團隊正在探究一種新的猜想，認為可能生命起源是“一蹴而就”的，并開始尋找可以讓所有元素一起發(fā)生反應(yīng)的化學物質(zhì)。

薩瑟蘭把眼光投向了隕石坑。在40億年前，隕石撞擊地球是很常見的。這些來自外太空的巖石帶來了氰化氫，其中包含了有機分子的三大重要成分：碳、氮、氫。如果積聚的氰化氫在水和紫外線光的作用下變熱，也許可以形成一整套前驅(qū)分子，這些分子可以直接用來合成RNA、蛋白質(zhì)和脂質(zhì)。不過這個猜想也有一個問題，就是沒有生命把劇毒的氰化物作為碳或者氮的來源。

那么，生命起源的搖籃究竟是濕的、干的還是冷的呢？其實所有的猜想并不是相互排斥的。比如在薩瑟蘭的隕石猜想中，至少需要一個干濕循環(huán)過程和硫化氫的參與，這兩者都可以在陸地起源猜想和海洋起源猜想中尋找?guī)椭?。當一顆巨大的隕石撞擊地球時，會使地殼裂開。

這時如果在隕石坑中有水池，它可以通過地殼裂縫滲透下去，到地球內(nèi)部足夠深的位置時，又會被再次加熱再向上冒泡。年輕的地球大陸上有很多火山口湖泊，它們有一些是由隕石撞擊后形成的，這些湖泊的邊界還會結(jié)冰，就像冬天的美國黃石公園的景致。在邊緣的冰和附近陸地的堿性熱泉噴口里，我們可以找到RNA中的酶以及新陳代謝作用。

隕石坑本來就是一個復(fù)雜的環(huán)境，隕石坑表面的礦物可以充當催化劑，有機物小分子可能會交替溶解在水中并在陽光下干燥。鐵鎳隕石很容易形成生命起源需要磷酸鹽和鐵。而且隕石坑還有一個優(yōu)勢：隕石撞擊會沖擊大氣，產(chǎn)生氰化物，形成生命起源的原始有機分子。

地球早期生命演化之旅

vi 生命到底起源于何處

生命到底起源于何處，恐怕科學家只能依靠理論的推測，隨著地球生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜化，人類無法模擬出四十多億年前的那個樸素的地球，只能通過盲人摸象的方式拼湊出生命出現(xiàn)的種種可能，形成一條可行的證據(jù)鏈。

雖然我們喜愛靈光一閃的故事， 喜歡那些能改變世界的重大發(fā)現(xiàn)，但更多的時候科學是一種深耕，需要依靠科學家小心翼翼地剔除那些失敗的假設(shè)，直到真相顯露。例如，生命不是起源于海洋，而是經(jīng)過很多年后，最終被水淹沒成了海洋。

目前為止，科學界普遍承認的原初生物留下的遺跡主要有兩個，即原初的RNA世界和細胞內(nèi)的還原環(huán)境。

在現(xiàn)代的細胞中，絕大多數(shù)化學反應(yīng)是由蛋白質(zhì)來催化的，但是蛋白質(zhì)自身的合成，卻仍然要由RNA來催化。組成蛋白質(zhì)的肽鏈是在核糖體（ribosome）中合成的，其中的蛋白質(zhì)亞基只起結(jié)構(gòu)和調(diào)節(jié)的作用，真正把氨基酸連到肽鏈上，使肽鏈延長的，是其中的RNA分子。RNA既能夠催化自身的形成，也能夠把氨基酸連到小RNA分子上（即后來的轉(zhuǎn)移RNA，tRNA），再把這樣帶“標記”的氨基酸連接到不斷伸長的肽鏈上。RNA中核苷酸的序列，像DNA中的脫氧核苷酸序列一樣，也能夠用來儲存信息，即為蛋白質(zhì)分子中的氨基酸序列編碼。就是細胞“剪接”RNA以除去內(nèi)含子（intron）的剪接體（splicesome），也是由能夠自我剪接的第II型內(nèi)含子（RNA）演變而來的。這些事實都說明，最初的生命是RNA的世界，蛋白質(zhì)是后來才發(fā)展出來的。

在原初生命形成時，大氣中還沒有氧氣，而主要由中性氣體（如氮氣）和還原性氣體（如氫氣、氨和硫化氫）組成。在此環(huán)境中形成的細胞，內(nèi)部是高度還原的。在這種環(huán)境下形成的蛋白質(zhì)，特別是其中的酶，也只能在還原環(huán)境中才能最好地工作。這種情形一旦形成，就難以改變。大氣中的氧氣出現(xiàn)在大約22-24億年前，從此大部分生物的環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸缘摹榱吮３旨毎麅?nèi)的還原環(huán)境，細胞內(nèi)普遍含有還原性分子如谷胱甘肽（glutathione，濃度大約5 mM），它使得蛋白質(zhì)分子中的半胱氨酸殘基的側(cè)鏈保持在還原狀態(tài)，即不形成二硫鍵（兩個巰基-SH 被氧化過程連成-S-S-鍵）。后來變?yōu)槿~綠體的原核生物藍細菌（cyanobacteria）和后來變?yōu)榫€粒體的原核生物a-變形菌（a-proteobacteria）就已經(jīng)能夠合成谷胱甘肽，說明生物很早就發(fā)展出對抗環(huán)境中氧化狀態(tài)的能力。在動物體內(nèi)，在分子中形成二硫鍵的蛋白或者是分泌到細胞外的，例如抗體分子和胰島素，或者主要部分位于細胞膜表面的（也即在細胞外），例如胰島素受體。植物用谷胱甘肽-抗壞血酸循環(huán)（glutathione-ascorbate cycle）來消滅細胞內(nèi)的活性氧物質(zhì)，維持細胞內(nèi)的還原狀態(tài)?，F(xiàn)在許多在試管內(nèi)進行的酶反應(yīng)，都需要加入還原性的分子如巰基乙醇或二硫蘇糖醇（Dithiothreitol，DTT），使反應(yīng)體系保持在還原狀態(tài)，使酶能夠正常地工作，而不受大氣中氧氣的影響。

這兩大遺跡都有大量事實為根據(jù)，而反對的意見基本沒有，可以認為是被普遍承認的。問題是，細胞內(nèi)鉀高鈉低的狀況也是原初生命留下的另一大遺跡嗎？

vii 原初生物形成時可能的水環(huán)境

鉀高鈉低的狀況存在于所有生物的細胞中，而和地球上幾乎所有的液態(tài)水中鈉和鉀的相對濃度相反。無論是河水、湖水還是海水，所含的鈉都大大多于鉀。例如海水中鈉的濃度就是鉀的47倍（鈉470 mM，鉀10 mM），河水中含鹽量隨河流不同，但大體上鈉的濃度是鉀的10倍（鈉大約0.4 mM，鉀大約0.04 mM）。這說明細胞內(nèi)鉀高鈉低的狀況不是生物在演化過程中“適應(yīng)”這些水體的結(jié)果，而更可能是原初生命形成時環(huán)境中的水溶液組成的遺跡。

如果檢查一下地殼中鉀和鈉的含量，發(fā)現(xiàn)它們其實差不多:鈉為2.8%，而鉀為2.6%。之所以河水中鈉的含量遠高于鉀，是因為在巖石風化過程中，鉀離子比鈉離子更難被釋出。例如長石（feldspar，花崗巖的組成成分之一）中的鉀就很難溶出。河水入海之后，隨著水分的蒸發(fā)，鹽的濃度也逐漸提高，但是海水的含鹽量也不會一直增加下去而變得越來越咸。淺灘處鹽結(jié)晶出來又被埋藏，形成鹽礦；風將大量海水微滴帶到陸地，都是減少海水含鹽量的方式。另一種除鹽的方式是海水通過地殼裂縫與深處高溫巖石的相互作用，形成云母（mica）等新的礦物，同時把海水中的金屬離子帶走。這個過程叫做“反風化”（reverse weathering），是海水中的鹽被帶走的一個重要方式。據(jù)估計，通過這些除鹽機制，海水中的鹽分在過去的至少15億年中并沒有顯著增加。而在反風化過程中，鉀比鈉更容易被除去，這也使得海水中鈉的含量遠高于鉀。其余的離子，例如鈣離子、鎂離子、氯離子等，被“反風化”過程除去的情形也不同，因此海水并不是“濃縮的河水”，但是在鈉高鉀低這一點上，海水和河水是一樣的。在有35億年歷史的，位于澳大利亞西部的皮爾巴拉地塊（Pilbara Craton）的巖石中，發(fā)現(xiàn)了包藏下來的遠古海水，其鈉離子的濃度高達1 M，大約是現(xiàn)在海水鈉濃度的兩倍以上。雖然這不一定代表35億年前海水的平均含鹽量，但是也說明遠古時期的液體水中就有高濃度的鈉離子，生命是不太可能在這樣的海水中誕生的。如果說原初生命是在高鉀低鈉的溶液中產(chǎn)生的，這樣的水溶液在哪里呢？

為了解釋原初生命產(chǎn)生時水環(huán)境鉀高鈉低的狀況，科學家們提出了兩種可能性。一種是比35億年更遠古的地殼。這樣的地殼在地球上由于板塊運動已經(jīng)難以找到，但是卻保留在月球上。其巖石富含鉀和磷，叫做KREEP巖石，代表“富含鉀（K），稀土元素（Rear Earth Element）和磷（P）”的巖石。由于月球是大約45億年前一個火星大小的星球和地球相撞形成的，當時的地球應(yīng)該和月球有相似的地殼，也就是地球早期的地殼很可能也是由KREEP巖石組成的。那時地球的地殼中還沒有花崗石（granite），即使在40億年前，花崗石也很罕見。如果液態(tài)水在KREEP那樣的巖石上形成，風化過程就應(yīng)該提供一個富含鉀和磷的水環(huán)境，十分有利于生命的形成。

另一個可能性是俄裔美國科學家?guī)鞂帲‥ugene V Koonin，1956-）提出的，即熱泉蒸汽冷凝所形成的水。鉀離子由于比鈉離子大得多，比較容易被蒸發(fā)的水分子“夾帶”，進入蒸汽中。這樣蒸汽在冷凝以后，就會形成鉀高鈉低的水。這個假說也得到了實地觀測的證實。例如在意大利的Larderello熱泉冷凝水中，鉀離子的濃度就是鈉離子濃度的32倍。在美國加州的一處熱泉，冷凝水中鉀離子的濃度竟然是鈉離子濃度的75倍！在目前的地球上，這樣的熱泉為數(shù)不多，因為地殼在幾十億年前就大部冷卻。但是在地球形成的早期，地殼尚未充分冷卻的情況下，應(yīng)該是很多的。

在現(xiàn)代的熱泉中，硫化氫會迅速地被大氣中的氧氣所氧化，生成硫酸，使得現(xiàn)代熱泉冷凝水的酸度極高（pH可以低至0），不適合生物形成。但是在地球早期的大氣中，游離氧還不存在，硫化氫不會被氧化為硫酸，生物也就可能在這樣的冷凝水中形成。

熱泉冷凝水也不是高鉀低鈉水的唯一來源。由于氯化鈉在水中的溶解度幾乎和溫度無關(guān)（例如20攝氏度時為每升35.9克，60攝氏度時為每升37.1克），而氯化鉀在水中的溶解度卻隨著溫度升高而升高（例如在20攝氏度時為每升34.2克，和氯化鈉差不多，而在60攝氏度時為45.8克，明顯超過氯化鈉的溶解度），如果一部分海水被隔絕出來，在太陽底下蒸發(fā)，在溫度較高（例如60攝氏度）時，氯化鈉首先飽和，結(jié)晶出來。由于氯化鉀達到飽和發(fā)生在氯化鈉之后，所以氯化鈉結(jié)晶上面的水就會富含氯化鉀。這些水如果由于自然的原因流到其它的地方，也會含有較高的鉀和較低的鈉。這些事實都說明，地球早期出現(xiàn)鉀高鈉低的水是可能的。

早期形成的細胞膜是不完善的，很可能是由脂肪酸和脂肪醇，而不是磷脂組成的，也就是組成早期細胞膜的脂類分子只有一根碳氫“尾巴”，而不像磷脂分子有兩條脂肪酸“尾巴”。這種“單尾巴”的生物膜對于各種離子，甚至像核苷酸那樣的巨大離子，都是通透的，證據(jù)是由脂肪酸組成的膜可以讓外加的核苷酸進入由膜包裹的囊泡內(nèi)，聚合成為核酸，但是核酸這樣的大分子卻不能穿過膜，到囊泡的外面。因此在原初細胞中，各種離子的組成，包括鈉離子和鉀離子的組成，應(yīng)該是和環(huán)境水溶液平衡的。原初細胞中的化學反應(yīng)也就是在這樣富含鉀的環(huán)境中形成并且不斷優(yōu)化，在這種環(huán)境條件下形成的化學反應(yīng)也就依賴于鉀，而不是依賴于鈉。如果能夠證明細胞最原始蛋白的功能確實需要鉀，而不需要鈉，就能夠為原初生命在鉀高鈉低的環(huán)境中形成的學說提供強有力的證據(jù)。

viii 最原始的蛋白質(zhì)需要鉀以執(zhí)行它們的功能

要證明最原始的蛋白需要鉀，首先要找出這些蛋白。為此，Koonin及其同事檢查了存在于所有生物的蛋白質(zhì)，將這樣的蛋白質(zhì)看作是最原始的蛋白。只存在于某些生物，而不存在于其他生物的蛋白則被認為是較后出現(xiàn)的（即生物發(fā)生分化后在其中一些生物中出現(xiàn)的）。

這樣的蛋白開始比較多，但是隨著全部基因組（genome）被測定的生物越來越多，原始蛋白的數(shù)量也不斷減少（因為只要有新測定的某種生物不含有其中的一些蛋白，這些蛋白就會從名單中剔除），最后穩(wěn)定在60個左右。這60個左右的蛋白就被認為是生物最古老的蛋白。

檢查這些蛋白的功能，發(fā)現(xiàn)它們多數(shù)與蛋白質(zhì)的合成，即轉(zhuǎn)譯（translation）過程有關(guān)，再有就是和DNA有關(guān)的酶。這也是可以理解的，因為蛋白合成和DNA信息的讀取和修復(fù)是生物最基本的生命活動。在這些蛋白中，有若干需要鉀離子以實現(xiàn)其功能，但是沒有一種蛋白需要鈉離子，鈉離子的存在甚至會影響其功能。這是原初生命在高鉀低鈉環(huán)境中生成的最強有力的證據(jù)。

例如在需要鉀離子的蛋白中，有一類是屬于所謂的“P-環(huán)鳥苷三磷酸酶”（P-loop GTPase），包括轉(zhuǎn)譯延長因子EF-Tu（elongation factor thermounstable）和EF-G（elongation factor G）。這些蛋白含有一個專門的天冬氨酸殘基用來結(jié)合鉀離子。這兩種蛋白的活性都被鈉離子所抑制。

核糖體中真正把氨基酸加到肽鏈上的酶，肽轉(zhuǎn)移酶（peptidyl transferase）不是蛋白質(zhì)，而是核糖體中的RNA（ribosomal RNA，rRNA，這是原初生物第一個遺跡，即RNA世界的證據(jù)）。如果在試管中除去1價陽離子，肽轉(zhuǎn)移酶就不再有活性。把不同的1價陽離子分別加進反應(yīng)系統(tǒng)，就會發(fā)現(xiàn)使肽轉(zhuǎn)移酶活性恢復(fù)的1價陽離子的能力從高到低的順序是：銨離子（NH4+） > 銣離子（Rb+） > 鉀離子（K+） > 銫離子（Cs+），而鈉離子（Na+）和鋰離子（Li+）沒有作用。

因此，合成蛋白質(zhì)的核糖體需要鉀離子才能正常工作，而不需要鈉離子。在用體外系統(tǒng)來進行蛋白合成時，通常使用的是兔的網(wǎng)織紅細胞裂解物（rabbit reticulocyte lysate），所需要的陽離子的最后濃度是0.5 mM醋酸鎂和79 mM 醋酸鉀，而沒有氯化鈉（根據(jù)Promega生物公司的反應(yīng)系統(tǒng)）。

核糖體合成肽鏈后，有些還需要伴侶蛋白的幫助才能折疊成為正常的三維結(jié)構(gòu)。其中的伴侶蛋白GroEL也是60個最原始的蛋白之一。它和蛋白GroES一起幫助肽鏈折疊。其活性受鎂離子的幫助，但是絕對依賴鉀離子。銨離子和銣離子可以部分取代鉀離子的作用，但是鋰離子、鈉離子和銫離子沒有作用。GroEL和GroES都是原核生物的蛋白質(zhì)，在真核生物中，對應(yīng)的蛋白質(zhì)分別是熱休克蛋白Hsp60和Hsp10，它們也需要鉀離子。這說明從原核生物到真核生物，這些古老的伴侶蛋白和它們的后繼物都需要鉀離子才能正常工作。

細菌的RecA蛋白、古菌的RadA蛋白、和真核生物的Rad5蛋白都是修復(fù)DNA雙鏈斷裂的蛋白質(zhì)，屬于最古老的60種蛋白。它們的活性除了需要鎂離子外，還需要鉀離子，而鈉離子沒有作用。

CDP-二甘油酯合成酶（CDP-diglyceride synthase）是合成磷脂的重要酶之一，屬于60個最古老的蛋白質(zhì)。它的活性也依賴鉀離子，而其活性被鈉離子所抑制。

除了為蛋白質(zhì)的功能所需，鉀離子也對細胞膜的形成有利。實驗證明，在離子濃度增加到一定程度時，細胞膜會沉淀出來。在沒有二價離子（例如鎂離子和錳離子）的情況下開始使細胞膜沉淀出來的鈉離子濃度（0.4 M）遠比鉀離子（大于1 M）低。即使在二價離子存在的情況下，使細胞膜凝聚的鈉離子濃度仍然比鉀離子低，也就是細胞膜在鉀離子的環(huán)境中更穩(wěn)定，更容易存在于溶液中。在日常生活中我們也有這樣的經(jīng)驗：鉀肥皂是液態(tài)的，而鈉肥皂是固態(tài)的。

所有這些事實都表明，生物一些最古老的蛋白質(zhì)（以及核糖體RNA）的活性需要鉀離子。鈉離子不僅不能使這些蛋白進入工作狀態(tài)，在有些情況下還抑制它們的活性。鉀離子也有利于細胞膜的生成。這些都是原初生物在高鉀低鈉的環(huán)境中形成最好的證明。這也是為什么地球上的生物在形成并演化幾十億年之后的今天，細胞仍然要保持內(nèi)部鉀高鈉低的環(huán)境，盡管細胞外的環(huán)境幾乎全是鈉高鉀低的。

IX 生命誕生于陸地

現(xiàn)代生物使用純DNA攜帶它們的基因，但純DNA最初可能并不存在。它們可能是RNA核苷酸與DNA核苷酸的混合體。哈佛大學醫(yī)學院教授索斯塔克證明，這種混合體可以構(gòu)成“鑲嵌”分子，其外貌和行為都很像RNA。這些RNA與DNA混合鏈甚至可折疊。這表明，最早的生物是否能制造純RNA或純DNA都不重要，它們可以使用混合版的RNA，甚至混有TNA或PNA的核苷酸。這不是RNA世界，而是“大雜燴世界”。

這些研究顯示，制造最早的細胞似乎并不太困難。細胞的確擁有復(fù)雜的機制，但事實證明，它們可以吸收任何東西維持自身生存，雖然這依然不是很好。這種粗細胞似乎不太可能在地球早期生存下來。但當時沒有太多競爭，也沒有具有威脅性的掠食者，為此從多方面來看，它的生存環(huán)境比現(xiàn)在容易得多。但是蘇瑟蘭德和索斯塔克的理論也存在缺陷，第一種生物肯定擁有某種新陳代謝機制。

從一開始，生命就必須獲得能源，否則它無法生存。即使馬丁和拉塞爾有關(guān)生命起源于深海熱液噴口的理論存在錯誤，但其部分元素肯定是正確的，比如金屬對生命起源非常重要。在自然界，許多酶的核心處都有金屬原子，這通常是酶的活躍部分，分子的其他部分基本屬于支持結(jié)構(gòu)。第一個生命沒有這些復(fù)雜的酶，為此它們很可能是用“裸金屬”作為催化劑。這樣看來，熱液噴口變得更加重要。如果你看到現(xiàn)代新陳代謝，看起來真的很像鐵簇。它與生命誕生于噴口中或附近的理論不謀而合，因為這里富含鐵和硫。如果蘇瑟蘭德或索斯塔克的理論正確，噴口理論就證明是個錯誤，生命不可能起源于深海。蘇瑟蘭德說，我們發(fā)現(xiàn)的化學物質(zhì)十分依賴紫外線，而紫外線的唯一來源就是太陽，為此其反應(yīng)只會發(fā)生在有陽光照射的地方，這就排除了深海噴口理論。索斯塔克也認為，深海并非生命溫床。但這些問題不能完全駁斥熱液噴口理論，或許噴口位于淺水中，那里有陽光，氰化物也可接觸到。

阿爾緬(Armen Mulkidjanian)則提出新的假設(shè)，生命或許起源于陸地，比如火山口中的池塘中。無論細胞屬于哪種生物，它們都含有許多磷酸、鉀以及其他金屬，但很少有鈉。如今，細胞可能通過泵出或泵進機制實現(xiàn)這個目標，但第一個細胞可能無法做到，因為它們不具備這種必要機制。阿爾緬認為，第一個細胞肯定形成于與現(xiàn)代細胞擁有相同化學物質(zhì)混合物的地方。這立即就排除了海洋，因為細胞中所含磷鉀比例遠高于海洋，但鈉卻更少。而活火山附近發(fā)現(xiàn)的地熱池塘卻更為理想，這些池塘中擁有細胞中發(fā)現(xiàn)的所有金屬物。索斯塔克還認為，地熱活躍區(qū)的淺湖或地表池塘也很理想，比如黃石公園火山區(qū)的那種熱液噴口。蘇瑟蘭德的化學物理論在此也可有很好的解釋。溫泉中有合適的化學物質(zhì)，水位波動會導致某些地方干涸，還有來自太陽的大量紫外線。索斯塔克認為，這些池塘同樣適合他的原細胞誕生。

X 早期生命的第一個代謝酶推測生存環(huán)境

2020年，羅格斯大學的研究人員發(fā)現(xiàn)了人體一種蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的起源，這種蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)在人體內(nèi)負責新陳代謝，這些簡單的分子為地球的早期生命提供了能量，并且還可以充當化學信號，研究發(fā)表在《美國國家科學院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences)雜志上，可預(yù)測35億到25億年前最早的蛋白質(zhì)是什么樣子。

像一個千變?nèi)f化的謎一樣，科學家們追溯了酶(蛋白質(zhì))從古老過去到現(xiàn)在的進化過程。解決這個謎需要兩塊缺失的碎片，沒有它們，地球上的生命就不可能存在。通過構(gòu)建一個由它們在新陳代謝中的作用連接起來的網(wǎng)絡(luò)，這個團隊發(fā)現(xiàn)了這些缺失的部分。

該研究的合著者、羅格斯大學羅伯特·伍德·約翰遜醫(yī)學院(Rutgers Robert Wood Johnson Medical School)生物化學和分子生物學教授、高級生物技術(shù)和醫(yī)學中心(Center for Advanced Biotechnology and Medicine)常駐教員維卡斯·南達(Vikas Nanda)說:“我們對地球生命的起源知之甚少。這項研究可以讓我們跨越時間，對最早的代謝蛋白提出假設(shè)，我們的預(yù)測將在實驗室中進行測試，以更好地了解地球生命的起源，并且啟發(fā)生命在其他地方起源的可能方式。我們正在實驗室里建立蛋白質(zhì)模型，并測試它們是否能引發(fā)對早期生命新陳代謝過程至關(guān)重要的反應(yīng)?！?/p>

在美國國家航空航天局的資助下，由羅格斯大學領(lǐng)導的一個名為ENIGMA(Evolution of Nanomachines in Geospheres and Microbial Ancestors)的科學家團隊正在通過美國國家航空航天局天體生物學計劃的成員身份進行這項研究。ENIGMA項目試圖揭示最簡單的蛋白質(zhì)在生命早期階段的催化作用。

資深作者、ENIGMA首席研究員和羅格斯大學新伯朗士威校區(qū)杰出教授、環(huán)境生物物理學、分子生態(tài)學實驗室負責人保羅·G·法爾(Paul G. Falkowski)說:“我們認為生命是從非常小的基石進化而來的，并且像樂高積木套裝那樣，發(fā)展出細胞和像我們一樣更復(fù)雜的生物體。我們認為我們已經(jīng)找到了生命的‘積木’——正是這些‘樂高積木’最終導致了細胞、動物和植物的進化。”

羅格斯大學研究小組著重研究了兩種蛋白質(zhì)折疊，它們可能是早期新陳代謝的第一個結(jié)構(gòu)。這兩種蛋白質(zhì)折疊分別是鐵氧還蛋白折疊(ferredoxin fold)和“羅斯曼”折疊(Rossmann fold)，前者與鐵硫化合物結(jié)合，后者與核苷酸(DNA和RNA的基石)結(jié)合。這就是生命進化過程謎題中缺失的兩個部分。

從最早產(chǎn)生的蛋白折疊中我們可以看到，最早的生命代謝是在富含鐵和硫的環(huán)境中產(chǎn)生的，鐵氧還蛋白是含有鐵原子和無機硫化物，具有電子傳遞體作用的小分子蛋白質(zhì)，它存在于現(xiàn)代蛋白質(zhì)當中，并且穿梭在細胞周圍的電子里以促進新陳代謝。電子會在固體、液體和氣體中流動，為生命系統(tǒng)提供動力。

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所謂折疊模式，就是它們包納反應(yīng)物的結(jié)構(gòu)，具有特異性，一種折疊模式可能只對應(yīng)著少量的化合物?！傲_斯曼”折疊是與核苷酸(DNA和RNA的基石)結(jié)的結(jié)構(gòu)，證明最早產(chǎn)生的蛋白質(zhì)只干兩件事情，催化鐵-硫產(chǎn)生能量，硫化合價降低被還原，鐵化合價升高被氧化，即使被氧化成亞鐵離子，也能產(chǎn)生兩個自由電子，助推生命反應(yīng)。

而富含鐵硫礦的地方，只能在火山口、隕石坑或者鐵硫礦床尋找。

第三章 生命起源比我們想象的要早

目前，地球仍然是宇宙中已知唯一擁有生命的地方。地球的生物圈延伸到地表以下至少19公里，并延伸到大氣中至少包括土壤、熱液噴口和巖石 ，甚至在南極冰層以下800米處。包括海洋最深處，直到海底以下幾公里的巖石。研究顯示，可以在任何地方發(fā)現(xiàn)微生物，它們非常適應(yīng)條件，無論在哪里生存。在某些測試條件下，已經(jīng)觀察到生命形式可以在外層空間的真空中生存。

在地球上曾經(jīng)生活過的所有生命形式中，超過50億即估計約超過99％的品種已滅絕。地球目前物種數(shù)量的估計數(shù)在1000萬至1400萬之間，其中大約120萬被記錄，而超過86％的數(shù)據(jù)仍未描述。 研究表明，地球上的生命可能來自太空塵?；螂E石所攜帶的生物物質(zhì)。地球上發(fā)現(xiàn)的最古老的隕石碎片大約有45.4億年的歷史。研究表明，地殼在行星形成后大約1億年就凝固了，并且行星迅速獲得了海洋和大氣層 ，這可能已經(jīng)能夠維持生命。

根據(jù)化石記錄，現(xiàn)在普遍認為地球形成于45.4億年前，在1.3億年后，也就是44.1億年前，地球上首次出現(xiàn)了海洋。又過了1.3億年，在42.8億年前，地球上首次出現(xiàn)的生命。但是我們認為生命可能出現(xiàn)在海洋之前。無論是海洋出現(xiàn)的速度還是生命出現(xiàn)的速度，都比我們想象中要快得多。從原始地球形成到首次生命的出現(xiàn)，整個過程不超過3億年。對于這個充斥生命的星球，我們可能早已習以為常了?？墒悄闶欠裨?jīng)有那么一瞬間沉下心來認真思考過，地球上的第一個生命到底是怎么來的呢？

二十世紀初，蘇聯(lián)生物化學家 Alexander Oparin 和英國遺傳學家 J. B. S. Haldane 分別提出“原始湯”假說，認為早期地球的海水里的碳基化學物質(zhì)互相反應(yīng)，形成蛋白質(zhì)、核酸等“生命的基礎(chǔ)”。

1953 年，Stanley Miller 在模擬遠古地球大氣的氣體中放電，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生了少量的氨基酸等有機物?？墒?，蛋白質(zhì)和核酸并不能在水中長期穩(wěn)定地存在。細胞質(zhì)是一團膠體，性質(zhì)與海水截然不同。這意味著細胞生物自組織起來的環(huán)境需要水且水不能太多——陸地比海洋更適合。

a Sutherland 等成功地從磷酸鹽和四種簡單的碳基化學物質(zhì)開始、在模擬遠古地球的環(huán)境里造出兩種核酸。反應(yīng)過程中，化學物質(zhì)高度濃縮地溶解在水中，且一些步驟需要紫外線輻射，顯然無法發(fā)生在海洋里——暴露在太陽紫外線輻射下的水坑等小規(guī)模水體才能滿足要求。

b那之后，他們略微改變反應(yīng)條件，產(chǎn)生了蛋白質(zhì)和脂質(zhì)的前體。

2019 年，Carell 團隊搞出了能在遠古地球的環(huán)境條件及簡單的無機底物作用下同時產(chǎn)生四種RNA核苷酸的過程。該過程不需要復(fù)雜的分離和純化，即可產(chǎn)生關(guān)鍵的生命組分：

相比之下，化學家尚未在模擬海水的條件下合成這些分子。

Moran Frenkel-Pinter 等證明，氨基酸在沒有水的條件下可以自組織成鏈，地球生物使用的蛋白氨基酸比非蛋白氨基酸更容易發(fā)生這種反應(yīng)。這可以幫助解答為何地球生物使用這些氨基酸來組成蛋白質(zhì)。

2018 年，分子鐘顯示地球生物的起源可能早于地球上海洋的形成。

目前的理論下，地球似乎是在 45.4 億年前形成的，冥古宙由此開始。

在 45.2 億年前，地球似乎與體積約等于火星的天體“忒伊亞”發(fā)生碰撞，飛濺出的物質(zhì)有一部分形成了月球，地球從熾熱的巖漿球狀態(tài)逐漸冷卻固化（計算表明需時1億年）。

44.1 億年前，地球上可能出現(xiàn)了原始海洋。這一時期的地質(zhì)活動估計相當劇烈，火山噴發(fā)遍布地面、熔巖四處流動。

在 41 億年前到 38 億年前，地球可能受到了大量小行星與彗星的撞擊。根據(jù)同時期的月球撞擊坑推算[2]，地球當時形成了 22000 個或更多的直徑大于 20 千米的撞擊坑、約 40 個直徑約 1000 千米的撞擊盆地、幾個直徑約 5000 千米的撞擊盆地，地形平均每 100 年就受到顯著破壞。

冥古宙在 38 億年前結(jié)束，內(nèi)太陽系不再有大規(guī)模撞擊事件。

也有研究認為上述階段的撞擊規(guī)模要小一個甚至幾個數(shù)量級。

21 世紀初，學者一般估計現(xiàn)存生物的最后共同祖先（LUCA）生活在距今 35 億年前~38 億年前，而我們發(fā)現(xiàn)的直接的古生物化石證據(jù)已經(jīng)老到了 34.8 億年前[3]。

2017 年，科學家在加拿大魁北克的巖石中發(fā)現(xiàn)了 37.7 億年前~42.8 億年前的筒狀微小纖維構(gòu)造，可能是遠古海底熱泉噴口處生物的活動痕跡[4]。

2018 年，有研究根據(jù)分子鐘將最后共同祖先生活的年代設(shè)置到了 45 億年前[5]——這意味著 LUCA 可能在地球形成后 4 千萬年時地獄般的環(huán)境里就自然形成了，比海洋的形成早九千萬年。

地球生物的太空起源說仍然是學術(shù)界經(jīng)常談?wù)摰脑掝}，人們實際上發(fā)現(xiàn)一些隕石可以帶來大量的氨基酸等有機物，并在撞擊時產(chǎn)生一個灼熱的坑，該坑的任意邊緣與水域相接就可以在坑里灌上水。

研究人員從當?shù)貢r間 1969 年 9 月 28 日墜落在澳大利亞的默奇森隕石中找到了 70 種以上的氨基酸，既有常見的甘氨酸、丙氨酸、谷氨酸之類，也有不尋常的異纈胺酸、柳氨酸之類，有些取代基有 9 個碳原子，還有二羧基、二氨基等不同的官能團。2020 年 1 月發(fā)表的一項研究估計該隕石夾帶的碳化硅顆粒有 70 億年的歷史。

來源：阿貢國家實驗室

科學家對在南極發(fā)現(xiàn)的隕石進行的更多研究顯示，富含碳的隕石墜落時的高溫可能驅(qū)動化學反應(yīng)產(chǎn)生大量的氨基酸。

2022 年，實驗顯示，水溶液中的酮酸、氰化物、氨、二氧化碳可進行化學反應(yīng)，產(chǎn)生乳清酸鹽和氨基酸。乳清酸是核苷酸的前體。這種反應(yīng)可以在原始地球的條件下進行，而且需要的水量很少。

文章發(fā)表在Nature Chemistry 28 July 2022, .DOI: 10.1038/s41557-022-00999-w

據(jù)最新一期《科學》（2024.2.26）雜志報道，英國倫敦大學學院研究團隊在實驗室中成功合成了一種對生物體至關(guān)重要的化合物——泛酰巰基乙胺。這一發(fā)現(xiàn)表明，該化合物可能在地球早期就已存在，并在生命誕生之初發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

地球生物也不必都是在同一個時代起源的，現(xiàn)代地球的水域、地下仍然可能在進行有機大分子的自我制造，只是這個過程本就極度緩慢、難以和現(xiàn)代生物制造的有機大分子區(qū)分、很容易和現(xiàn)代生物的身體結(jié)合到一起去（例如被細菌攝入體內(nèi)）。

45.7億年前，太陽誕生，但構(gòu)成我們的星際物質(zhì)，或許百億年前就已經(jīng)存在。

45.4億年前，地球誕生。

44.5億年前——地球與忒伊亞大碰撞，月球形成。

44.9億年前——地月潮汐鎖定。

44億年前——第一滴液態(tài)水出現(xiàn)。

42.8億年前——或許已有了最早的生命。

41億年前——地球遭遇超級流星大轟炸，一轟炸就是3億年，或許帶來了生命物質(zhì)。

討論最原始生命起源的基本問題時，生物學和化學之間的界限就不再存在。非生命向生命的過渡是連續(xù)的。就像一個連續(xù)的色譜，可以在其中指出某些地方是藍色的，某些地方是綠色的，但也有一些地方是藍綠色的，難以完全地確定顏色。

當科學家試圖定義生命的起源的是什么？為什么？怎樣的？等基本問題時，也是如此，沒有完美的定義，可以有眾說紛紜的標準。但是，大多數(shù)科學研究都采用約定的概念：生命是復(fù)制和進化的結(jié)果。生物學家認為，地球上所有活的生物必須共享一個最后的祖先 ，因為兩個或多個獨立的世系不可能獨立地開發(fā)出所有活生物共有的許多復(fù)雜的生化機制，這幾乎是不可能的。

研究表明，地球上的生命是基于碳和水的結(jié)果。碳為復(fù)雜的化學物質(zhì)提供了穩(wěn)定的框架，可以輕松地從環(huán)境中提取，尤其是從二氧化碳中提取。沒有其他化學元素的性質(zhì)與碳相似可以稱為類似物。硅是元素周期表中碳正下方的元素，不會形成很多復(fù)雜的穩(wěn)定分子，并且由于其大多數(shù)化合物是水不溶性的，因此生物體更難以提取。硼和磷元素的化學性質(zhì)較為復(fù)雜，但相對于碳還具有其他局限性。

水是一種極好的溶劑，并具有其他兩個有用的特性：浮冰使冬天的水生生物能夠在其下生存；其分子具有負電和正電端，這使其能夠形成比其他溶劑更廣泛的化合物。其他良好的溶劑（例如氨）僅在如此低溫下呈液態(tài)，以至于化學反應(yīng)可能太慢而無法維持生命，并且缺乏水的其他優(yōu)勢。

在有機的、水基的地球生命中，我們有兩種途徑來回答“最原始的生命形式”這一問題：一種是看近代最原始的生活體系，另一個是假設(shè)原始生命形式在地球早期會是什么樣子。

對于第一種途徑，可以將細菌視為原始的生命形式。但是，它們存活的環(huán)境是另一個生命系統(tǒng)。有細菌依賴其他細菌存活。但最原始的生命形式取決于另一個存活的生命系統(tǒng)。另一個可能的答案是指向最近宣布的能夠在營養(yǎng)豐富的環(huán)境中生活的合成細胞，該細胞具有迄今為止任何已知的獨立復(fù)制生物中最小的基因組。

對于第二種途徑，生命起源中最常見的理論表明，在開初的化學反應(yīng)中的某個時刻，出現(xiàn)了復(fù)制酶。復(fù)制酶是可以自我復(fù)制的分子，也可以復(fù)制其他相似的分子。核糖核酸（英語：Ribonucleic acid，簡稱RNA）是最適合在早期地球上發(fā)揮復(fù)制作用的化學物質(zhì)。 RNA是一種非常類似于DNA的聚合物，可以存儲遺傳信息，但也可以折疊成酶促結(jié)構(gòu)，并有助于催化化學反應(yīng)。

對于非生命化學物質(zhì)如何產(chǎn)生生命的研究，集中在三個可能的起點上： 自我復(fù)制 ，一種有機體產(chǎn)生與自身非常相似的后代的能力； 新陳代謝，其養(yǎng)活和自我修復(fù)的能力； 和外部細胞膜 ，允許食物進入和浪費產(chǎn)品離開，但排除不需要的物質(zhì)。關(guān)于生物發(fā)生的研究還有很長的路要走，因為理論和經(jīng)驗方法才剛剛開始相互聯(lián)系。

即使已發(fā)現(xiàn)具有令人印象深刻的功能的催化RNA，但距離找到足夠好的可自我復(fù)制并具有足夠高性能的復(fù)制酶，還有很長的路要走。要擁有高效的復(fù)制，需要一個復(fù)雜的分子，而要良好地復(fù)制復(fù)雜的分子，需要一個高效的復(fù)制。

顯然復(fù)制其他更簡單的分子比自我復(fù)制更容易。但這存在一個問題：寄生蟲，那些被復(fù)制但從不自我復(fù)制。這些寄生分子也可能由于復(fù)制錯誤（稱為突變）而出現(xiàn)。一旦出現(xiàn)在大量復(fù)制者中，便會迅速吞噬復(fù)制者使用的資源，并導致其他生物滅絕。

即使是三個現(xiàn)代生活領(lǐng)域中最簡單的成員，也都使用DNA來記錄其“ 配方 ”，并使用復(fù)雜的RNA和蛋白質(zhì)分子陣列來“讀取”這些說明并將其用于生長，維持和自我復(fù)制。 一些RNA分子可以催化自身復(fù)制和蛋白質(zhì)構(gòu)建的發(fā)現(xiàn)導致了完全基于RNA的早期生命形式的假說。 這些核酶可能形成了一個RNA世界 ，其中有個體但沒有物種，因為突變和水平基因轉(zhuǎn)移將意味著每一代后代的基因組很可能與其父母最初的基因組不同。 RNA稍后將被DNA取代，DNA更穩(wěn)定，因此可以構(gòu)建更長的基因組，從而擴大了單個生物體具有的能力范圍。 核酶仍然是核糖體 （現(xiàn)代細胞的“蛋白質(zhì)工廠”）的主要成分。

盡管在實驗室中人為地制造了短的自我復(fù)制RNA分子，但是人們懷疑是否可以進行天然的非生物合成RNA。 最早的“核酶”可能是由較簡單的核酸形成，后來被RNA取代。

在存在寄生蟲的情況下，如何維護復(fù)制品？答案是復(fù)制品可以合作。如果復(fù)制品在膜（可能由脂質(zhì)制成）的幫助下粘在一起并形成基團，那么它們比容易與寄生蟲混合更好。膜內(nèi)部的合作分子將由于自身或彼此的產(chǎn)生而無寄生蟲地生長，并最終導致膜分裂。

所以，最原始的生命形式（在地球上可以想象到）包括組織起來相互協(xié)作的元素，很可能是在分裂的膜內(nèi)。最可能合作的形式涉及復(fù)制其他分子。最原始和最早的生命形式是一種膜，可能包含完整的分裂循環(huán)，而其中包含協(xié)作元素。

最早形成生命的方式最早出現(xiàn)在地球上至少是37.7億年前，可能最早是42.8億年，甚至是45億年。在44.1億年前海洋形成之后不久，在45.4億年前地球形成之后不久。據(jù)研究報告指出，34.65億年前的澳大利亞安培克思Apex石曾經(jīng)含有微生物 ，這是地球上生命的最早直接證據(jù)。 在西澳大利亞34.8億年前的砂巖中發(fā)現(xiàn)了微生物墊化石。在格陵蘭西南部37億年前的沉積沉積巖中發(fā)現(xiàn)了生物石墨以及可能的疊層石的證據(jù)，在西澳大利亞州的41億年前的巖石中發(fā)現(xiàn)了“生命遺骸 ”。

但是隨著對生命起源研究的深入，許多科學家發(fā)現(xiàn)生命起源于海洋的假說存在一個根本問題：構(gòu)成生命基石的有機大分子可以在水中分解，蛋白質(zhì)和核酸的鏈接處很容易受到大量水分子攻擊而斷裂。

水悖論

1986年，已故的生物化學家羅伯特夏皮羅在其著作《起源》中寫道：在碳化學世界中，水是大分子最大的敵人，因為分子可以被水分解，這就是水悖論。

在生物體內(nèi)，細胞通過限制水在細胞內(nèi)的自由流動來解決分子被水分解。因此，流行的細胞質(zhì)圖像通常是錯誤的。生物課本中描述的細胞基質(zhì)只是一個容納所有東西的袋子，所有東西都可以游動，這并不正確，細胞基質(zhì)是凝膠體而不是單純的水，生物必須控制水的通量。

因此，廣闊的海洋環(huán)境可能并不利于生命形成，它無法使化學物質(zhì)濃縮。生命的關(guān)鍵分子及其核心過程只能在相對較淺的水域中形成，水環(huán)境必須高度濃縮，甚至有時會完全變干，在干濕交替的陸地環(huán)境中，生命才可以形成。

2009年，科學家找到生命起源于干濕交替環(huán)境的證據(jù)。科學家薩瑟蘭成功地制造出構(gòu)成RNA四個核苷酸的其中兩個。他將磷酸鹽和四種簡單的有機物溶解在水中，但高度濃縮，通過加熱這些物質(zhì)，使其經(jīng)受紫外線輻射并間歇性干燥，最終結(jié)果產(chǎn)生RNA、蛋白質(zhì)和細胞的其他核心成分，而在此之前這被認為是不可能的，同時在之前的生命起源于原始海洋的實驗中從未合成過如此廣泛的生物分子。

干濕交替的環(huán)境

所以，薩瑟蘭認為生命不可能在海洋深處起源，只能在陽光充足的池塘或溪流中，組成生命的簡單有機物才能集中。

2019年，美國生物化學家皮特對這種觀點進行擴展。他們證實如果氨基酸變干，氨基酸會自發(fā)連接形成蛋白樣鏈。與地球古老的其他氨基酸相比，現(xiàn)在蛋白質(zhì)中存在的20多種氨基酸更有可能發(fā)生這類反應(yīng)。

囊泡封裝核糖

同時，間歇性干燥也可以驅(qū)動大分子構(gòu)件組裝得更復(fù)雜。1982年，加利福尼亞大學科學家研究了大分子脂質(zhì)如何自發(fā)形成包圍細胞的細胞膜。他們首先制造囊泡：即球形斑點，其親水基核心被兩個脂質(zhì)層圍繞。然后研究人員將囊泡干燥，脂質(zhì)重新組織形成多層結(jié)構(gòu)，就像一疊煎餅。先前漂浮在水中的DNA鏈被困在兩層之間。當研究人員再次加水時，囊泡進行重整，DNA進入囊中。

2008年，科學家將核苷酸、脂質(zhì)與水混合，然后進行干濕循環(huán)。當脂質(zhì)形成層時，核苷酸連接成RNA狀鏈。

除此之外，這些研究指出生命起源的另一個關(guān)鍵因素：光。

合成生物學家杰克·索斯塔克（Jack Szostak）利用一些簡單細胞——即包含少量化學物質(zhì)，但可以生長，競爭和自我復(fù)制的細胞進行一些實驗。如果將這些原始細胞暴露在與陸地相似的條件下，它們表現(xiàn)出更逼真的行為，原始細胞可以利用光能以簡單復(fù)制形式進行分裂。

其次，紫外線輻射可以推動鐵硫簇的合成，這對許多蛋白質(zhì)合成至關(guān)重要，鐵硫簇的合成可以驅(qū)動儲能分子ATP的合成，有助于為活細胞提供動力。但是如果將鐵硫分子暴露在水中，它們就會破裂。

因此，許多科學家相信生命始于光線充足，水量有限的陸地表面。但是，水在生命起源的過程中扮演的角色仍存在爭議。燥的環(huán)境為蛋白質(zhì)和RNA等分子的形成提供了機會。但是，簡單地制造RNA和其他的大分子并不是生命，物質(zhì)必須形成一個自我維持的動態(tài)系統(tǒng)。

生命進入海洋

有科學家認為，水破壞可能會促進生命形成，就像捕食動物比被捕食動物進化得更快，第一個生物分子可能已經(jīng)進化出應(yīng)對水的化學攻擊的能力，甚至能利用水的破壞性。

在新西蘭羅托魯瓦附近溫泉中進行的一項研究表明，來自溫泉的樣品經(jīng)歷了干燥再潤濕的循環(huán)之后，產(chǎn)生類似RNA的分子。干燥可以導致氨基酸自發(fā)連接。

但是，研究小組也發(fā)現(xiàn)它們的原蛋白可以與RNA相互作用，兩者在水中都變得更加穩(wěn)定。實際上，水扮演自然選擇的角色，只有那些可以在水中生存的分子可以存在，其他分子則會被破壞。在每個潤濕周期中，鏈接較弱的分子或無法通過結(jié)合而自我保護的分子被水破壞。而較穩(wěn)定的更復(fù)雜的分子則不斷積累。

所以，生命起源環(huán)境中的水不應(yīng)該那么多，以至于生物分子被破壞得太快；但也不至于沒有那么少，以至于生物分子沒有任何變化。

據(jù)推測，44億年前或者更早——第一滴液態(tài)水出現(xiàn)。在此之前，都是火山噴發(fā)的水蒸汽（原始大氣最多的是氮氣、二氧化碳、水蒸氣），生命有機物質(zhì)、生命的基石和養(yǎng)料在此階段可能已經(jīng)完全具備，因為要大量產(chǎn)生原始細胞，就需要大量原料。

第四章 億萬斯年，一場大雨

地球在剛形成的時候看起來是什么樣子？這是個發(fā)生在人類將自然奇觀鐫刻石頭之前，在樹木將四季刻入年輪之前，是山脈經(jīng)由板塊運動突出地表之前，也是山川暴露于古老地層以前的問題。

地球誕生于原始太陽系的塵埃云盤之中，歷經(jīng)星塵、烈火、汪洋、沙漠、寒冰的無數(shù)磨難淬煉，終于進化成如今蓬勃燦爛的模樣。46億年里，地球不斷變化著，呈現(xiàn)出迥然不同的多副面孔：滿是巖漿流淌的熔化地球、布滿隕石坑的蜂窩地球、硫化氣體熏蒸的惡臭地球、鐵銹遍布的玄黃地球、玄武巖覆蓋的黑色地球、汪洋無際的藍色地球、冰蓋包裹的白色地球、沙漠綿延的棕色地球、植物瘋長的綠色地球……直達今天海陸相間、地貌多樣、生機勃勃的生命地球。

為了書寫方便，我們簡單把地球分為以下幾個時代：混沌時代、熔漿時代、滾石時代、暴雨時代、淺水時代、玄黃時代、洪荒時代、深水時代分別論述。

I 混沌時代

最初，沒有地球，沒有太陽。我們的宇宙也不是從真空中突然出現(xiàn)的，因為在大爆炸之前，連真空和時間也沒有，甚至連可以容納事物的“空”都不存在。一片虛無，一無所有，然后，就有了。宇宙大爆炸——這一創(chuàng)世的奇點，是從無到有的轉(zhuǎn)折，超越了現(xiàn)代科技的眼界，超越了數(shù)學的邏輯，但卻具有決定性。全部的空間、能量與物質(zhì)都從不可知的虛無中誕生。

在大爆炸之后的一秒鐘的一瞬，最初的亞原子粒子出現(xiàn)了——電子和夸克，這是我們世界中全部固體、液體和氣體的本質(zhì)。此后不久，仍然是在第一秒鐘的一瞬，夸克結(jié)成對子或三聯(lián)體，形成質(zhì)子和中子，落戶在每個原子的核中。此時宇宙燙的荒謬，這種極熱持續(xù)了約50萬年，直到持續(xù)的膨脹最終把宇宙的溫度降到了幾千度——這就足夠“涼快”了，電子就能被吸附在原子核周圍，形成第一批原子。第一批原子絕大多數(shù)是氫——超過全部原子的90%，還有百分之幾的氦，以及一小撮鋰混進來。這些元素的混合物構(gòu)成了第一批恒星，最早分子HeH3+已經(jīng)過科學家證明。

科學家認為，在大爆炸的10萬年后，中性氦原子（He）與質(zhì)子（實際上是帶正電的氫離子，H?）會開始反應(yīng)，形成宇宙中的第一批分子：HeH?（氦合氫離子）。這是宇宙演化的第一步。原子有了、質(zhì)子有了、分子有了，連恒星也有了，萬事俱備只欠東風，在非常高的穩(wěn)度、巨大的壓力之下，開啟了核聚變的過程，釋放大量的能量。恒星因此膨脹了很多倍，爆炸成最初的超星新。

隨著第一批恒星的爆炸，宇宙開始變得越發(fā)有趣。老恒星炸飛的碎片，成為新生的恒星群的種子，方式是形成新的星云。每一團巨大的星云，由氣體和塵埃構(gòu)成，那其實是此前許多恒星的殘骸。每一團新星云所含的鐵都比上一次更多，所含的氫都比以前的恒星群更少。在130.7億年里，這種循環(huán)持續(xù)不斷。隨著老恒星產(chǎn)生新恒星，無數(shù)億顆恒星在無數(shù)億個星系中涌現(xiàn)。包括我們的銀河系、太陽系。

46億年前一片巨大氫分子星云的引力坍縮，坍縮的質(zhì)量大多集中在中心，形成了太陽。其余部分一邊旋轉(zhuǎn)一邊攤平，形成了一個原行星盤，繼而形成了行星、衛(wèi)星、流星體和其他太陽系小天體。地球最開始由氣體、冰粒、塵埃形成的直徑為一至十千米的塊狀物，這些物質(zhì)經(jīng)過1000至2000萬年的吸積生長，最終形成原始地球。

對于宇宙來說，沒有什么物質(zhì)是亙古不變的。我們居住的這個天體懸浮在宇宙中，圍繞著太陽一圈圈的轉(zhuǎn)動。根據(jù)化石記載和上一章的推斷，地球約誕生于45.4億年前。在這從古至今的幾十億年的時間中，地球也轉(zhuǎn)了幾十億圈，地球紀元也經(jīng)歷了很多的歷史，難以計數(shù)的物種是沒有留下痕跡或者人類迄今并未發(fā)現(xiàn)痕跡的。不過，無法精確測定到地球元年。在地球從無到有，從氣體塵埃到形成的那一刻，可稱為混沌時代。

II 熔漿時代

在45億年前的銀河系中，大量的塵埃和小行星圍繞著早期的太陽旋轉(zhuǎn)，這些轉(zhuǎn)動的物質(zhì)既有微小的灰塵，也有直徑幾百公里的小行星。不久，大大小小的物質(zhì)開始相互碰撞，沒有碰碎的空間物質(zhì)結(jié)合在一起，形成了一個巖石體，這就是地球的雛形。

隨著越來越多碰撞物的聚集，地球逐漸長大了，其引力場也逐漸變得越來越強，使周圍旋轉(zhuǎn)的星際物質(zhì)越來越快的拉像地球，以更強的力量沖擊地球的表面，形成巨大的隕石坑，釋放出大量的熱。

在強大熱量作用下，地球的外層開始融化，形成了一個沸騰的熔巖淺海，還有大量的熱被地球內(nèi)部吸收，埋藏在成噸的不斷生長的巖石下面，這樣的過程持續(xù)了幾百萬年，直到地球長成現(xiàn)在的樣子。

然而這些描述全都是根據(jù)推論而來，地球最初數(shù)百萬年時期的證據(jù)并沒有留下來。我們的地球是個終極循環(huán)器，板塊運動不停地把老巖塊翻新，而熔巖流變硬就形成新的地景。我們不能以現(xiàn)在的地表樣式來刻畫地球剛形成時的樣子，45億年前的地球剛形成時，地表很可能和現(xiàn)在完全不同?？茖W家依希臘神話的冥王之名，將此時期命名為冥古代（Hadean），這名稱極為貼切，因為這時的地表不斷受到隕石襲擊，地面充斥著汨汨流出熔巖的火山，有著熾熱煉獄般的景象，如果這個時期你穿越回去，對于生命來說你看到的絕對是一個地獄一般的場景。

到44億年前，撞擊的減少使巖漿海的活動減弱，地球的表面開始冷卻，慢慢地，冷凝的巖漿形成一層薄而黑的地殼覆蓋著地球，雖然行星撞擊和火山噴發(fā)不時地把地殼撕開，把炙熱的巖漿噴向天空，但是隨著撞擊的不斷減少，冷卻的不斷進行，地球表面形成了越來越厚的地殼，地球從熔漿進入到隕石亂飛的時代。

III 隕石時代

地球從誕生到40億年前，是著名的重轟炸期。顧名思義，地球遭到了高頻的全球范圍的轟炸，炸彈就是大量小行星、隕石與彗星的轟擊。

因為地球的地貌已經(jīng)被后來的地殼運動和風和河流改變，所以一般會參照月球進行研究，因為月球幾十億年前的地質(zhì)條件都保存完好。根據(jù)重轟炸期月球撞擊坑推算（月球面對地球的那一面的大部份大型盆地如危海、靜海、澄海、豐富海和風暴洋也都是于此一時期撞擊形成的），地球當時的場景可以想象一下：

每隔十幾年，就會有一次毀天滅地的撞擊，撞擊坑直徑約5000公里，相當于整個中國大小；每隔2年，都會有一次瞬間毀滅全球的撞擊，撞擊坑直徑約1000公里，相當于法國大?。幻刻?，都會有猛烈撞擊的發(fā)生，撞擊坑直徑大于20公里，每個都足以毀滅現(xiàn)代人類文明，當時地球完全超出于任何人的想象，這就是重轟炸期。

冥古宙在40億年前結(jié)束后，內(nèi)太陽系不再有大規(guī)模撞擊事件。目前已知的地球最古老的巖石是于格陵蘭發(fā)現(xiàn)的依蘇阿綠巖帶，由約38億年歷史的沉積層和火山巖脈所組成。位于北美克拉通蓋層的艾加斯塔片麻巖及西澳那瑞爾片麻巖層的形成也基本在38億年前。

在整個隕石時代，地球從一個熾熱的巖漿球，地質(zhì)活動劇烈、火山噴發(fā)遍布、熔巖四處流動的時代，對生命來說每天都是災(zāi)難。但是，生命就是在這樣惡劣的環(huán)境中誕生了。讓我們這些40億年后的地球人類復(fù)原那時候的地表情況是幾無可能的，然而科學家的確從鋯石（zircon）這種極度堅固的礦物中找到了一些線索。

鋯石結(jié)晶幾乎堅不可摧，現(xiàn)存的鋯石有些已經(jīng)將近44億歲了。它們就像是微小的時光膠囊，里頭裝著非常早期的化學足跡。這基本上是我們窺看地球成形階段的唯一機會。羅徹斯特大學（University of Rochester）的達斯?。逘枺―ustin Trail）在《美國國家科學院刊》（PNAS）上的一份新研究里，正緩慢地厘清孕育最初生命型態(tài)的環(huán)境狀況。

IV、暴雨時代

從冥古宙結(jié)束到太古宙開始。地球表面的溫度降低，開始冷卻凝固。最初的大氣可能由水汽、二氧化碳、氮組成，火山爆發(fā)所釋放的氣體形成了次生大氣。水汽的蒸發(fā)加速了地表的冷卻，形成了極為堅硬的以花崗巖結(jié)晶為主的巖石，地球巖石自此開始穩(wěn)定存在并可以保留到現(xiàn)在。

地表的冷卻使大氣中的水蒸氣凝集，水滴以降雨的形式落到地面上，暴雨連續(xù)下了成千上萬年，雨水流過地球表面，灌滿了盆地、隕石坑和自然形成的凹地，順著溪流流動，河水夾帶著各種礦物質(zhì)和生命分子，百川匯流形成了海洋。這時候海水是酸性的，而且非常熱，水溫大概有100℃。

鋯石結(jié)晶由于非常堅固，所以常常能從這個循環(huán)過程的極端溫度與壓力中存活下來，保留了它們初形成時所處環(huán)境的線索。研究人員早先利用鋯石的氧同位素分析，發(fā)現(xiàn)在43億年前液態(tài)水就已覆蓋了部分地表，這顯示了地球表面在形成后的數(shù)億年就已經(jīng)冷卻了。

達斯?。逘枅F隊找上加州大學洛杉磯分校的高解析度離子微探針（high-resolution ion microprobe）來幫忙，它會對著微小的樣本射出一束帶電的原子，然后測量彈出來的那些離子。

他們從西澳洲的杰克山崗（Jack Hills）地區(qū)收集了超過40億年前形成的鋯石進行檢驗，每個大約100微米寬，接近人發(fā)的粗細。他們把這些古老礦石的化學性質(zhì)，拿來和更年輕、起源更確定的鋯石（可把這些年輕鋯石視為地質(zhì)史的橋梁）互相比較，有助于理解不同的同位素比率，在被檢驗的古老鋯石中，超過半數(shù)顯示出巖石與水很早就在許多不同環(huán)境中互相作用。

有些鋯石含有巖石被水蝕化成黏土的化學特征，其他鋯石所帶的特征則是礦物溶解后再結(jié)晶所形成的巖石，例如湖里或海里的角巖（chert）或帶狀鐵礦床（ banded iron formations）。還有一些則具有所謂的蛇紋巖化作用（serpentinization，因其帶有蛇皮般的紋理和顏色而得名）的特征。在這個過程中，水和富含鐵、鎂的巖石發(fā)生作用而被并入礦物的結(jié)構(gòu)里。最重要的是，這些過程全都創(chuàng)造了能促進早期生化反應(yīng)的有利基石，成了照亮早期生命的微光。

我們周遭萬物和體內(nèi)世界一度源自星塵，源自那些形成每個分子、礦物乃至今日復(fù)雜生物的早期過程。從手機到食物，從古菌到真核細胞，以及你胸中跳動的心臟皆是如此，而科學家才剛剛開始厘清地球的起源。

V、淺水時代

即使現(xiàn)在，地球的表面也不是平整的，而是坑坑洼洼的。原始地球的地表形態(tài)有過之而無不及。地球逐漸變冷，地面溫度終于降到水的沸點以下，于是傾盆大雨從天而降，如同千軍萬馬，奔向低凹之處。那時的地球，時而在這里，時而又在那里，降著傾盆大雨。如注的雨水，一遍又一遍地沖刷著一向干燥的地面，它們匯成巨流流向低洼的地方，日復(fù)一日，月復(fù)一月，年復(fù)一年。經(jīng)過長期的降雨，便形成了江河湖泊和汪洋大海。

科學家們把最早形成的大海稱作 原始海洋 。此時的大洋水不僅嚴重缺氧，而且含有大量的火山噴發(fā)酸性物質(zhì)，如HCL、HF、CO2等，具有較強的溶解能力。根據(jù)科學家對化石的研究，大約在40億年前就形成了原始海洋。

原始海洋的規(guī)模遠沒有現(xiàn)代海洋這么大。據(jù)估算，其水量大約只有現(xiàn)代海洋的10%。后來，由于貯藏在地球內(nèi)部的結(jié)構(gòu)水的加入，才逐漸形成了蔚為壯觀的現(xiàn)代海洋。原始海洋中的水不像現(xiàn)代海水又苦又咸?，F(xiàn)代海洋海水中的無機鹽，主要是通過自然界周而復(fù)始的水循環(huán)，由陸地帶入海洋而逐年增加的?？墒牵己Ｑ笾械挠袡C大分子要比現(xiàn)在海洋中的豐富得多。

原始大氣化學演化過程中所形成的氨基酸、核苷酸、核糖、脫氧核糖和嘌呤等有機分子都隨著雨水沖進了原始海洋，并迅速地下沉到原始海洋的中層，從而避免了因原始大氣缺乏臭氧層而造成的紫外線傷害。又經(jīng)過了很長時間，原始海洋中的有機分子越來越豐富（據(jù)推測，在原始海洋中有機分子含量達到了1%）是由于當時大氣中無游離氧，因此高空中也沒有臭氧層阻擋，不能吸收太陽輻射的紫外線，所以紫外線能直射到地球表面，成為合成有機物的能源。此外，天空放電、火山爆發(fā)所放出的能量、宇宙間的宇宙射線，以及隕星穿過大氣層時所引起的沖擊波等，也都有助于有機物的合成。但其中天空放電可能是最重要的，因為這種能源所提供的能量較多，又在靠近海洋表面的地方釋放，在那里它作用于還原性大氣，所合成的有機物質(zhì)，很容易被雨水沖淋到原始海洋之中，使原始海洋富含有機物質(zhì)，這就為生命的誕生創(chuàng)造了必要的條件。

而我們認為，原始生命材料并不是在原始海洋中產(chǎn)生的，或者說是原始海洋組裝了生命。地球上已經(jīng)原本有很多產(chǎn)生生命的質(zhì)素，例如RNA、DNA和大量輔酶與礦物質(zhì)，他們隨著雨水一起流向了海洋，而且恰巧淹沒了最有可能產(chǎn)生生命的地方，也就是原始的隕石坑、硫鐵礦床、硝化池、火山口、噴泉、冰面。沙漠等等所有可能產(chǎn)生生命的地方，海洋并不是產(chǎn)生生命的第一現(xiàn)場，而是生命匯集的地方，正好，因為海水漫灌，淹沒了，使原本的產(chǎn)地成為了土著，所以真正值得研究的生命第一現(xiàn)場是隕石坑、硫鐵礦床、硝化池、火山口、噴泉、冰面、沙漠等等，當然大海也值得研究——第二現(xiàn)場。

vi、玄黃時代

生命如何起源，首先還得看你如何定義生命。在這里，我們要提出我們的假設(shè)，生命起源于那些隕石坑、硫鐵礦床、硝化池、火山口、噴泉、冰面、沙漠等等著名的土著現(xiàn)場，它們已經(jīng)是我們耳熟能詳?shù)拿麍雒妗?/p>

首先，地球上確實擁有支持碳基生命產(chǎn)生的所有原料物質(zhì)。這些原料主要包括：

有機分子：由碳原子構(gòu)成的有機分子是生命的基礎(chǔ)，它們可以形成從簡單的碳氫化合物到復(fù)雜的DNA分子等各種生物大分子。

主要元素：構(gòu)成碳基生命的最主要元素包括碳、氫、氧、氮、磷、硫、鎂、錳、鉀、鈉......這些元素在生物體內(nèi)發(fā)揮著不同的作用，如碳是構(gòu)成生物大分子的骨架，而氮和磷則是構(gòu)成核酸和蛋白質(zhì)的關(guān)鍵元素。

碳的特殊屬性：碳原子具有獨特的化學性質(zhì)，它能夠與其他元素（包括自身）形成穩(wěn)定的共價鍵，創(chuàng)造出多樣化的化合物。這種特性使得碳成為構(gòu)建復(fù)雜生命系統(tǒng)的理想的原子。

豐富的碳來源：地球上的碳可能來源于太陽系原行星盤形成并變暖后，由星際介質(zhì)所積累起來的碳，這些碳在地球形成過程中被納入地殼，成為生命誕生的物質(zhì)基礎(chǔ)。

所以說，地球上的環(huán)境和化學元素為碳基生命的產(chǎn)生提供了必要的條件。從簡單的有機分子到復(fù)雜的生物體，碳基生命利用了地球上豐富的碳資源和其他元素，通過一系列復(fù)雜的化學反應(yīng)，形成了我們今天所見的多樣生命形式。

那么，通過了哪些復(fù)雜的化學反應(yīng)，形成了我們所見到的哪些生命形式呢？這還要從一個個具體的分子說起。

我們知道，構(gòu)成生命的最基本分子是核酸和蛋白質(zhì)，它們又是由一些基本的單元累積而成的，蛋白質(zhì)的基本單元是氨基酸，核酸的基本單元是核糖核酸（RNA）和脫氧核糖核酸（DNA），科學家通過實驗室模擬早期地球條件的實驗，確定了氨基酸可以在地球上形成。同時還有研究表明，氨基酸可能是外太空的產(chǎn)物。也就是說，地球上有大量的蛋白質(zhì)的基本單元。

對于核苷酸，現(xiàn)在也有大量的實驗表明，嘌呤堿或嘧啶堿、核糖或脫氧核糖以及磷酸這些組成部分在地球早期環(huán)境中可能存在。海相起源說提出，在原始海洋中，小分子氨基酸和核苷酸可以吸附在黏土等物質(zhì)的活性表面，在適當?shù)目s合劑存在時，可以縮合成高分子聚合物，繼而產(chǎn)生團聚體和原始細胞。

我們假設(shè)RNA或者DNA和蛋白質(zhì)是在原始海洋產(chǎn)生之前就在那些著名的土著地點形成了，當大雨來臨之時，他們被沖刷進地表的凹陷或者裂縫了，就在原地簡單代謝的催化下，行成了相互融合的合作體，他們互相促進、互相支持，合作的非常愉快，從而數(shù)量日漸增多。

這時候，從外界漂浮而來很多脂肪分子，因為脂肪的密度比較低，他們漂浮在水面上，同時他們的作用也非常巨大，能夠為RNA和DNA提供蔽體之衣，也就是讓RNA和DNA有了區(qū)隔外界的膜，但是根據(jù)密度原理，ρ蛋白質(zhì) ＞ρ糖類 ＞ρ水＞ ρ脂肪。所以脂肪是漂浮在水面之上的，而在水底下的核酸、類核酸已經(jīng)產(chǎn)生了很多，它們滿溢在四周，競爭追逐著脂質(zhì)雙層膜囊，就像精子追逐著卵子，那些結(jié)合著蛋白質(zhì)被保護的比較好的核酸率先闖進了脂質(zhì)雙層膜囊，沒有進入到脂質(zhì)雙層結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，就像是編外的，變成了病毒、類病毒、支原體、衣原體、立克次體或者散在的各種RNA，像魔法一樣飄蕩在四周的水域中。

說一下我們的基本結(jié)論：

1.DNA、RNA及氨基酸、蛋白質(zhì)起源的比較早，在原始海洋之前就通過干濕循環(huán)形成了。

2.那場千年大雨，將它們沖刷到各種含能量的坑洼之地，造成了它們的復(fù)制繁榮。

3.簡單的代謝需要水，在沖刷進RNA和DNA、蛋白質(zhì)的坑洼之地進行著。

4.因為質(zhì)膜密度比較小，當RNA和DNA、蛋白質(zhì)比較多時，它們滿溢四周，競爭結(jié)合者多種類型的膜成分。

5.沒有進入到脂質(zhì)雙層結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，就像是編外的成分，變成了病毒、類病毒、支原體、衣原體、立克次體或者散在的各種RNA，只能進行寄生、腐生和共生。

所以我們稱為云雨起源說、沖洗（刷）理論，起源土著說、病毒編外說以及能量形式?jīng)Q定生命形式等等新說，既然假說已經(jīng)提出，那么接下來我們我們需要的就是證明。

第五章 最簡單的復(fù)制單元、代謝單元和膜脂（古菌單層膜）

以下七萬字文字將陸續(xù)上傳。