作者：馮偉民（中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所）
生命起源是一個(gè)亙古未解之謎，從古至今有很多說法來解釋生命起源的問題。
科學(xué)未出現(xiàn)之前，中國有盤古開天辟地，女媧造人的神話；西方有上帝創(chuàng)造天地萬物，并在第六日造人的傳說。
到了十九世紀(jì)，達(dá)爾文《物種起源》一書的問世，給生命科學(xué)帶來了前所未有的大變革，也給人類的自然認(rèn)知帶來了石破驚天的巨大震撼，更為科學(xué)家揭示生命起源這一千古之謎帶來了曙光，這就是現(xiàn)代的化學(xué)進(jìn)化論。
達(dá)爾文的進(jìn)化樹
探索生命起源
——化石證據(jù)
生命起源涉及一系列未解之謎，如生命起源的時(shí)間、地點(diǎn)，當(dāng)時(shí)的地球環(huán)境、生命有機(jī)分子來源及生命形成過程等等。
探索生命起源的時(shí)間，最好的證據(jù)是化石。化石是保存在巖石中的遠(yuǎn)古（一般指一萬年以前）生物的遺體、遺跡和死亡后分解的有機(jī)物分子，它就像文字，書寫著地球這本厚重的大書。
科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，地球誕生于46億年前，最初的6-8億年仍處于天文時(shí)代，地球遭受了頻繁而大量的小行星和隕石的撞擊，即使有生命出現(xiàn)，也根本無法生存。由此可以推斷，地球上生命起源的時(shí)間，應(yīng)不早于40億年。
38.5億年前生命痕跡——有機(jī)碳
此外，科學(xué)家在格陵蘭的一塊巖石（距今約38.5億年）中發(fā)現(xiàn)了富含輕碳（C12）的碳顆粒，它通常被認(rèn)為只有通過光合自養(yǎng)生物的分餾作用才能形成。由此推測，地球生命起源的時(shí)間可能在距今40-38億年間。
而迄今為止，已發(fā)現(xiàn)的最古老的生物化石來自澳大利亞西部，距今約35億年。這些化石類似于現(xiàn)在的藍(lán)藻，它們是一些原始的生命，只有幾微米到幾十微米大小，是肉眼看不見的。這一化石證據(jù)的存在，讓我們可以有底氣地說，生命起源不會(huì)晚于三十五億年前。
生命的“溫床”
——早期地球環(huán)境
那么，在生命起源的時(shí)候，地球可能是怎樣一個(gè)環(huán)境呢？這是一個(gè)至關(guān)重要的問題，因?yàn)樯鹪磁c地球誕生及早期地球環(huán)境有著密切關(guān)聯(lián)。
科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，地球早期形成的大氣層充滿了還原性大氣，主要由氨氣、氫氣，還有水、一氧化碳、二氧化碳和氮?dú)饨M成，這使得原始地球初期形成的生物有機(jī)分子得以積累和保存；那時(shí)的大氣層無游離氧，地球外層空間也未形成臭氧層，因此，強(qiáng)烈的太陽紫外線對(duì)早期大氣中的化學(xué)反應(yīng)起著重要作用；頻繁的雷電、宇宙射線也是原始地球化學(xué)進(jìn)化中的重要能源；更重要的是，原始海洋的形成為生命誕生準(zhǔn)備了必要條件。
地球水圈的形成
有機(jī)小分子
是天外來客嗎？
蛋白質(zhì)是生命的物質(zhì)基礎(chǔ)，它是由氨基酸有機(jī)小分子轉(zhuǎn)化而來。而有機(jī)小分子又是從何而來呢？
現(xiàn)代天體物理學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，隕石，彗星和星際塵埃中都存在有機(jī)分子，而且已經(jīng)測出近百種有機(jī)分子，其中不僅含有固態(tài)的水，還有氨基酸，鐵類，乙醇、嘌呤、嘧啶等有機(jī)化合物，它們有可能隨隕石和彗星來到地球。這就為“宇宙胚種說”的提出奠定了基礎(chǔ)。
“宇宙胚種說”認(rèn)為，地球生命之源可能來自40億年前墜入海洋的一顆或數(shù)顆彗星，是彗星提供了地球生命誕生需要的原材料。例如，1969年一顆默奇森隕石（MURCHISON METEROITE）墜落在西澳大利亞，該隕石來自于與地球同時(shí)形成的小行星，含有能夠自我聚合成蜂窩狀隔膜的類脂有機(jī)組分，它是形成最早活體細(xì)胞所需的組分。
默奇森隕石
米勒實(shí)驗(yàn)與化學(xué)進(jìn)化論
1953年，美國科學(xué)家米勒做了一項(xiàng)非常有意義的實(shí)驗(yàn)，他把氨氣、氫氣，還有水、一氧化碳放在一個(gè)密封的瓶子里，在瓶子兩頭插上金屬棒，通上電源，通過這個(gè)類似于閃電作用的裝置，一周之內(nèi)產(chǎn)生了大量的氨基酸。這說明在地球表面，經(jīng)閃電作用，即使在常溫條件下，無機(jī)分子也能合成有機(jī)小分子。（關(guān)于米勒實(shí)驗(yàn)的另一種觀點(diǎn)，詳見大院另一篇文章：生命起源：DNA和蛋白質(zhì)，which first？）
米勒實(shí)驗(yàn)示意圖
科學(xué)家后來又實(shí)驗(yàn)合成了許多其他的生物有機(jī)分子，甚至人工合成了形成生命最重要的胰島素和酵母丙氨酸轉(zhuǎn)移核糖核酸。這也正好印證了化學(xué)進(jìn)化論（即主張從物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律來研究生命的起源）的觀點(diǎn)：在地球表面自然環(huán)境中，非生命物質(zhì)通過化學(xué)作用可以產(chǎn)生出多種有機(jī)物和生物分子。
因此，可以設(shè)想，地球上最初的有機(jī)物是以大氣中的一氧化碳、二氧化碳、氮化氫、碳化氫、水和地球內(nèi)部溢出的碳化物等為材料，在閃電、宇宙射線等的作用下，形成了氨基酸、核苷酸、單糖及含磷、硫有機(jī)化合物等多種較簡單的有機(jī)分子。此外，還可能從彗星、隕石得到一些有機(jī)分子。
這些有機(jī)小分子匯集到海洋之中，經(jīng)過億萬年的積累，使原始海洋成為含有豐富有機(jī)物小分子的“營養(yǎng)湯”。當(dāng)這些原始營養(yǎng)湯達(dá)到一定濃度時(shí)，氨基酸之間便相互結(jié)合為蛋白質(zhì)，核苷酸之間就相互結(jié)合為核酸。
蛋白質(zhì)、核酸等生物大分子形成后，又經(jīng)過一系列的化學(xué)變化。如按蘇聯(lián)科學(xué)家奧巴林所提出的團(tuán)聚體學(xué)說，蛋白質(zhì)和核甘酸聚合成團(tuán)聚體，形成具有類似膜的結(jié)構(gòu)，并能在酶的作用下產(chǎn)生淀粉，或聚合核甘酸等反應(yīng)，終于聚合為多分子體系形態(tài)的最初生命細(xì)胞。
原始生命形成過程示意圖
原始生命的形成：熱泉=“營養(yǎng)湯”？
有意思的是，科學(xué)家已經(jīng)在地球兩個(gè)特殊的地方發(fā)現(xiàn)了所謂的“營養(yǎng)湯”。
第一個(gè)地方是陸上熱泉。1967年美國學(xué)者布萊克在黃石公園的熱泉中發(fā)現(xiàn)了大量嗜熱生物，如藍(lán)藻，光合細(xì)菌，硫細(xì)菌，特別是古細(xì)菌。這與人們所熟知的“蛋白質(zhì)在超過六十度的環(huán)境中就會(huì)凝固”“生物不能在六十度以上的環(huán)境里存活”的常識(shí)很不一樣。
第二個(gè)地方是海底熱泉。1977年美國“阿爾文”號(hào)深潛器觀察到，在太平洋底的熱泉中，也就是黑煙囪上，存在著大量的嗜熱微生物，而周圍的海水溫度更高，可能達(dá)到200℃~300℃，壓力也有200～300個(gè)大氣壓。
海水中存在大量的還原氣體，比如硫化氫、甲烷、氫氣、以及一氧化碳，這種環(huán)境非常類似于四十億年前早期地球的環(huán)境。另外，熱泉口到外層海水之間存在一個(gè)溫度遞減的梯度和化學(xué)濃度變化的梯度，這個(gè)梯度有利于各種化學(xué)的連續(xù)反應(yīng)和有機(jī)化合物的合成。
尤其重要的是，現(xiàn)在熱泉中的生物是生物演化最根部的類型，即它們的基因是最古老的類型。
古老化石研究也表明，熱泉對(duì)于生命形成有重要意義，在澳大利亞距今約32億年的火山沉積里，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了大量保存完好的絲狀體，這就說明在32億年前，生命在熱泉的附近就已經(jīng)大量生存了。
美國黃石公園熱泉
深海黑煙囪
鐵硫世界假說
正是基于上述這樣的研究背景，20 世紀(jì)80年代末，科學(xué)家提出了海底熱液環(huán)境生命起源學(xué)說，即“鐵硫世界假說”，認(rèn)為生命在熱液口的黑煙囪壁里產(chǎn)生，先是發(fā)生“Fe-S世界”里的化學(xué)變化，后來才有生命的變化。熱液的溫度、電位、pH梯度，噴出物中的CO、NH3、H2，F(xiàn)eS、NiS起到了催化作用。
此學(xué)說得到了很多證據(jù)支持，例如，“進(jìn)化樹”的根部大多是嗜超高溫微生物， 其演化速度較慢。高溫?zé)崴h(huán)境有利于小分子的有機(jī)化合物脫水聚合成有機(jī)高分子，特別是熱泉口附近形成的FeS，在它的表面有利于有機(jī)高分子的合成。
現(xiàn)代微生物研究表明，微生物的最適生長溫度往往與其最高生長溫度相近，而在一些低溫環(huán)境中的細(xì)菌和古菌，其最低生長溫度與環(huán)境溫度接近。這一生理結(jié)果也暗示著生命起源于較高溫環(huán)境。如果真是這樣的話，那么生物演化的過程可能是逐步適應(yīng)低溫環(huán)境的過程。
人類在地球以外
有兄弟嗎？
從上世紀(jì)中葉開始，人類探索生命起源的視角已經(jīng)拓展到外太空，企圖從“是否有活的生命”“是否有液態(tài)水”“是否有與生命有關(guān)的化合物”三個(gè)方面，追溯生命起源。
半個(gè)多世紀(jì)以來，月球、火星、木二衛(wèi)等星球先后被探測和研究，取得了一批重要的成果。
月球
月球是地球的衛(wèi)星伴侶，在中國的古代神話中有嫦娥奔月的說法，但是，上世紀(jì)六十年代到七十年代，隨著前蘇聯(lián)和美國宇航員登陸月球的成功，這個(gè)神話徹底破滅了。
月球其實(shí)是一個(gè)沒有氧氣，沒有水，不適合生命生存的荒漠的星體。
火星
在40億年前，火星或許有過與地球類似的經(jīng)歷，因?yàn)榛鹦堑奈镔|(zhì)成分跟地球非常相似，它的軌道也與地球非常相似。
美國海盜號(hào)、火星探測者號(hào)、火星拓荒者號(hào)航天器和哈勃望遠(yuǎn)鏡曾經(jīng)先后探測火星，其中一些航天圖片顯示，火星上有水侵蝕巖石的痕跡，有像地球發(fā)生大洪水后山前形成的沖積扇的構(gòu)造，還有像地球上干涸河床的河道。另外，在火星的兩極，發(fā)現(xiàn)了類似于地球上凍土解凍的情況。因此，火星上過去很可能有過液態(tài)水的存在。
木衛(wèi)二
木二衛(wèi)結(jié)構(gòu)剖面
木衛(wèi)二是木星的衛(wèi)星，它的大小跟地球直徑非常類似，美國的伽利略號(hào)航天器在1997年對(duì)木衛(wèi)二進(jìn)行了觀察，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在木衛(wèi)二表面有大量的裂痕存在。通過天體物理學(xué)的方法研究，這個(gè)星球其實(shí)全是由水組成的，確切的說，是由水變成的固態(tài)冰組成的。這表明，木衛(wèi)二曾經(jīng)有液態(tài)水的存在。
總之，隨著航天科技和其他相關(guān)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，地外生命的探索為我們研究生命的起源開辟了一個(gè)嶄新的途徑，并不斷豐富和深化人類對(duì)于生命起源的認(rèn)識(shí)。
然而，我們應(yīng)該清醒地意識(shí)到，人類追溯地球生命起源的研究固然已經(jīng)取得了一定成果，但距離揭開生命起源這一亙古之謎，還有一個(gè)漫長的征程，任重而道遠(yuǎn)。
從無機(jī)物到有機(jī)物，再到有機(jī)化合物直至有機(jī)生命體的演化，實(shí)際上充滿了很多的偶然性和挑戰(zhàn)，因?yàn)榧词褂羞@種環(huán)境和條件，生命起源也是極端艱難的。因此，我們不能奢望地球再來一次生命的起源，而是要倍加珍惜地球——人類和所有生命的家園，讓生命的樂章在地球上繼續(xù)演奏下去。
（本文首發(fā)于科學(xué)大院，中科院南京地質(zhì)古生物研究所供稿，轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處并保留下方二維碼）
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