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(gè)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(gè)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(dú)而又自豪地高唱著生命之歌。

因?yàn)榻^無僅有，所以彌足珍貴。

生命的誕生是機(jī)緣巧合還是預(yù)謀已久？

那個(gè)驅(qū)動(dòng)有機(jī)物命運(yùn)的齒輪如何開始轉(zhuǎn)動(dòng)？

是大洋深處最初的一絲蠕動(dòng)，還是池塘河邊露出的一線生機(jī)？

生命起源問題，和黑洞、暗物質(zhì)、暗能量以及宇宙起源、意識(shí)起源，

并稱為“一黑兩暗三起源”，向來是科學(xué)問題上的明珠！

這是個(gè)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(gè)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(shí)它橫跨生物、化學(xué)、地理、地質(zhì)、氣候、海洋、宇宙學(xué)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(shí)相符合的理論，

也幾乎沒有可能實(shí)地驗(yàn)證—這個(gè)實(shí)驗(yàn)本身就是個(gè)可能耗時(shí)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(xué)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(xué)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(xué)進(jìn)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(qiáng)國一代有我在!”

這句話來源于國科大。

只有在科學(xué)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(xué)探索 ，

X射線開啟了生命醫(yī)學(xué)影像探索，

量子力學(xué)推動(dòng)了宏觀生命科學(xué)探索的時(shí)代，

我們才稍具條件發(fā)起對這個(gè)問題的攻關(guān)。

科學(xué)突飛猛進(jìn)，科技自立自強(qiáng)；

隨著各學(xué)科的進(jìn)步不斷演進(jìn)，不斷豐富細(xì)節(jié)和淘汰偽說。

本書匯聚涓滴力量，引領(lǐng)你走進(jìn)地球原初不毛之地，

破解生命起源啞謎，揭示萬千生靈進(jìn)化的非凡之旅。

有詩為證：

千流歸大淵，萬馬踏平川。

聚瀾騰細(xì)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(shí)，它實(shí)際上就是個(gè)沒有任何生機(jī)的石球。那么生命是如何在這個(gè)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(shí)又尚未解決的科學(xué)難題中，或多或少擾動(dòng)過你的心靈。

這個(gè)可大可小的問題，少數(shù)人----科學(xué)家、哲學(xué)家或者只是一個(gè)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(dāng)然丟給哲學(xué)家們?nèi)ニ妓髁?，或者滿不在乎的任神學(xué)家手握答案。

而于我則認(rèn)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(gè)世界，都具有無法估量的價(jià)值。因?yàn)檎嬲私膺^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(gè)體而言，或可以喚起童年時(shí)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(dá)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(dá)爾文所處的時(shí)代連基因是何物都還不知道，現(xiàn)在已經(jīng)是20世紀(jì)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(xué)家補(bǔ)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??；兩者形成了強(qiáng)烈的對照”。雖然，科學(xué)發(fā)展到今天，我們能以極大地效率在實(shí)驗(yàn)室利用機(jī)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(shí)驗(yàn)卻“始終失敗”，這或許是大自然跟人類開的一個(gè)玩笑吧，以此提醒人們面對大自然、面對時(shí)間長河應(yīng)當(dāng)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(jì)》，認(rèn)為“生命”起源于空白和混沌，然后認(rèn)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(xué)中，大多數(shù)人認(rèn)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(jìn)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(xué)家、科學(xué)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(xué)家公認(rèn)的模式是培根（Francis Bacon）的歸納模式，即在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上大量采集資料，然后對資料進(jìn)行總結(jié)歸納，得出一個(gè)簡潔的結(jié)論，也就是新的知識(shí)。達(dá)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(rèn)識(shí)，然后去自然界尋找證據(jù)來證明這些認(rèn)識(shí)，這樣就驗(yàn)證了假說。

恩格斯在《路德維?！べM(fèi)爾巴哈和德國古典哲學(xué)的終結(jié)》的第二章，是這樣描述的：哲學(xué)家依照他們?nèi)绾位卮疬@個(gè)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(rèn)某種創(chuàng)世說的人（而創(chuàng)世說在哲學(xué)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(rèn)為自然界是本原的，則屬于唯物主義的各種學(xué)派。明顯，神創(chuàng)與自然發(fā)生已經(jīng)歸于陳舊哲學(xué)。

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(xué)》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(tuán)聚體學(xué)說”和“微球體學(xué)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(tuán)聚體小滴。這個(gè)團(tuán)聚體小滴在奧巴林看來是有代謝的特性，因?yàn)槠淠軓闹車橘|(zhì)中吸取不同的物質(zhì)，然后還出芽分裂成效的團(tuán)聚體小滴，所以，奧巴林認(rèn)為這就是一種生命起源解釋方式。

但這顯然有很大問題！因?yàn)檫@極大可能是一種物理或化學(xué)特性，而絕非代謝，因?yàn)榇x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“福克斯”的微球體學(xué)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(shí)和奧巴林的團(tuán)聚體學(xué)說本質(zhì)沒有太大差別；

其二是“核酸起源說”：此理論認(rèn)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(jī)能”進(jìn)行自我復(fù)制，即RNA是第一個(gè)作為具有“催化性生物機(jī)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(rèn)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(xué)》中，“生命起源”其實(shí)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(jìn)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(xué)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(xué)》?！?/p>

這一發(fā)現(xiàn)指出“DNA和RNA”可能是類似化學(xué)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(dú)的RNA結(jié)構(gòu)單元，形成鏡像鏈，這個(gè)新鏈的每個(gè)結(jié)構(gòu)單元都與原始模板鏈的結(jié)構(gòu)單元互補(bǔ)。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(shí)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?dú)?、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(jī)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(jī)物稀湯?！?/p>

而后，“羅斯”直接就認(rèn)為生命的開始居然是源于脂或油，是油滴中聚集了有機(jī)物以及鈉離子和鉀離子，從而構(gòu)成最原始的原核細(xì)胞。這種說法其本質(zhì)就是認(rèn)為“初始細(xì)胞”源于“隨機(jī)組合”，這就相當(dāng)于一陣大風(fēng)，將廢品站的銅鐵鋁吹成了現(xiàn)在登機(jī)站臺(tái)下的一架駕簇新的飛機(jī)，或者讓一只猴子學(xué)會(huì)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(fèi)時(shí)機(jī)。

IV

科學(xué)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(shí)驗(yàn)室生產(chǎn)出人類的福利，即從大自然到實(shí)驗(yàn)室，一種對規(guī)律的應(yīng)用；而在用進(jìn)化理論試圖解決“起源”的問題上，既然是從無到有，實(shí)驗(yàn)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(xué)研究的方法是不同的，這是還原論的困境。

科學(xué)性的生命起源假說有不下幾十種，隨著各學(xué)科的進(jìn)步不斷演進(jìn)，不斷豐富細(xì)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(shí)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(dāng)時(shí)的大氣、海洋或者地質(zhì)化學(xué)條件，試圖通過模擬的實(shí)驗(yàn)，一點(diǎn)點(diǎn)驗(yàn)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(dòng)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?cái)_動(dòng)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(xué)的層面具有令人驚奇的共性。這除了讓科學(xué)研究者更加堅(jiān)定了“生命同源”的信心之外，還提供了一個(gè)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(shí)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(xué)和基因科學(xué)為反演法提供了海量的各種生物遺傳信息。整個(gè)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?yàn)樵谏飳W(xué)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(gè)術(shù)語就是LUCA（Last Universal Common Ancestor）：“最后的共同祖先”。它是一個(gè)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?yàn)椴慌懦案绲姆种б褱缃^且未留下后代）

雖然生命起源問題是個(gè)難以索解的問題，沒有人能夠目睹生命形成的過程，科學(xué)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(shí)，正如霍金提出的宇宙大爆炸理論（Big Bang theory），不管科學(xué)怎么進(jìn)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(xué)和藝術(shù)難題，我們會(huì)創(chuàng)造出嶄新的思考框架和理論邏輯。我們不斷擴(kuò)大這研究的“方法庫”，這些方法來源卻不限于：

考古生物學(xué)與生命起源的化石證據(jù)；

在南非的巴伯頓綠巖帶，科學(xué)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(shí)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(xì)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(xué)家們通過對細(xì)胞的研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞核是真核生物細(xì)胞中的重要結(jié)構(gòu)之一，它可以儲(chǔ)存遺傳信息并指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成。而這種細(xì)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(xué)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(xué)結(jié)構(gòu)和功能。通過對這些分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)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(xué)環(huán)境中形成。

b.實(shí)驗(yàn)室模擬生命起源的化學(xué)過程；

實(shí)驗(yàn)室模擬生命起源的化學(xué)過程可以被理解為一種在實(shí)驗(yàn)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(xué)演化過程。這個(gè)過程主要基于對原始地球大氣和環(huán)境的模擬，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證生命從無機(jī)小分子物質(zhì)到有機(jī)小分子物質(zhì)，再進(jìn)一步到更復(fù)雜的有機(jī)分子物質(zhì)的演化過程。

這個(gè)模擬過程主要包括以下幾個(gè)步驟：

創(chuàng)建模擬原始地球的條件：在實(shí)驗(yàn)室中，科學(xué)家們會(huì)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(huì)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(xué)反應(yīng)：在模擬的原始地球條件下，科學(xué)家們會(huì)開始模擬地球早期的化學(xué)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(xué)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(xué)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(gè)過程中，科學(xué)家們的主要目標(biāo)是理解早期地球的化學(xué)環(huán)境如何促進(jìn)從無機(jī)小分子到有機(jī)小分子，再到更復(fù)雜的有機(jī)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(shí)驗(yàn)室模擬生命起源的化學(xué)過程是一個(gè)高度專業(yè)化的研究領(lǐng)域，需要專門的知識(shí)和技能。盡管這個(gè)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(jì)算機(jī)模擬、仿真與生命起源的數(shù)據(jù)；

計(jì)算機(jī)模擬在生命科學(xué)研究中的應(yīng)用與進(jìn)展主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

分子模擬與生物大分子：利用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，科學(xué)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(xué)家們理解生物大分子的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)性，從而加深對生物學(xué)過程的理解。例如，分子動(dòng)力學(xué)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(jì)算機(jī)科學(xué)可以用于生物模擬與仿真，即借助計(jì)算機(jī)模擬和重現(xiàn)生物系統(tǒng)的行為和特征?？茖W(xué)家們可以使用計(jì)算機(jī)模擬來研究生物系統(tǒng)的復(fù)雜性和動(dòng)態(tài)性，從而更好地理解生物學(xué)過程。生物仿真則是指將生物系統(tǒng)的模型嵌入到計(jì)算機(jī)程序中，通過模擬真實(shí)生物系統(tǒng)的行為，幫助科學(xué)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(xué)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(jì)算機(jī)科學(xué)在生命科學(xué)中的另一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域是生物數(shù)據(jù)分析。通過計(jì)算機(jī)算法和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，科學(xué)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(jìn)化、疾病診斷和治療等方面。

計(jì)算機(jī)科學(xué)的應(yīng)用為生命科學(xué)研究提供了新的視角和方法，不僅加速了科學(xué)研究的進(jìn)程，更為生物醫(yī)學(xué)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(huì)有涉及）；

e.向不同學(xué)派與爭議觀點(diǎn)學(xué)習(xí)。

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

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

異源傳遞論：這個(gè)起源論認(rèn)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(xué)物質(zhì)。這些微生物或化學(xué)物質(zhì)通過隕石、彗星撞擊等自然過程到達(dá)地球，并在適宜的條件下繁衍和演化。這個(gè)觀點(diǎn)也是目前科學(xué)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(jì)論：這個(gè)起源論認(rèn)為生命的起源來自于先有智慧的設(shè)計(jì)者。這種起源論通常被歸類為“創(chuàng)造論”，其認(rèn)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(shí)、有目的地創(chuàng)造的。這個(gè)觀點(diǎn)沒有被廣泛接受，主要是因?yàn)槿狈茖W(xué)證據(jù)來支持它的正確性?？偟膩碚f，關(guān)于生命起源的研究仍在進(jìn)行中，尚沒有明確的答案。不同的學(xué)派和觀點(diǎn)都有其優(yōu)缺點(diǎn)和證據(jù)支持，科學(xué)家們?nèi)栽诓粩嗵剿骱万?yàn)證這些觀點(diǎn)，以更好地解釋生命的起源和演化，我們可以在不同學(xué)派與爭議觀點(diǎn)學(xué)習(xí)，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(xué)的角度入手。因?yàn)榕c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(xué)家們討論和試圖描述LUCA的時(shí)候，不是關(guān)注它長什么模樣，有多大個(gè)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(xué)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(shí)的啟示是廣泛而深遠(yuǎn)的。

首先，生命起源本身是科學(xué)研究的一個(gè)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(xué)、遺傳學(xué)、進(jìn)化論等學(xué)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(dāng)前，盡管科學(xué)家們已經(jīng)取得了顯著進(jìn)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(shí)驗(yàn)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(jìn)一步揭曉。

其次，生命起源對人類意識(shí)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(shí)并非是獨(dú)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(gè)過程中，自然界的進(jìn)化機(jī)制發(fā)揮了重要作用，而人類的意識(shí)也是這個(gè)機(jī)制的一部分。還有，地球外生命的可能性也是一個(gè)激動(dòng)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(rèn)識(shí)到自身的價(jià)值和使命，同時(shí)也要意識(shí)到自己對自然界的影響和責(zé)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(shí)，人類需要承擔(dān)起更多的責(zé)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(jìn)一步實(shí)驗(yàn)?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(xué)習(xí)保護(hù)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(xiàng)挑戰(zhàn)巨大但意義深遠(yuǎn)的科學(xué)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(jī)制，探索新的科學(xué)領(lǐng)域和未知的領(lǐng)域。特別是在分子生物學(xué)、地球科學(xué)和天文學(xué)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(dòng)科學(xué)的發(fā)展和進(jìn)步。隨著科技的飛速發(fā)展和進(jìn)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(shí)疆域，引導(dǎo)我們在自然界和宇宙的廣闊舞臺(tái)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(xué)中的皇冠，同時(shí)也是Mission Impossible。這是一個(gè)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(gè)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(shí)它橫跨生物、化學(xué)、地理、地質(zhì)、氣候、海洋、宇宙學(xué)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(shí)相符合的理論，也幾乎沒有可能驗(yàn)證—這個(gè)實(shí)驗(yàn)本身很可能耗時(shí)千萬年，或者上億年。然而這絲毫沒有驅(qū)散各領(lǐng)域科學(xué)家對這個(gè)問題無休止的興趣。

首先，這種興趣被生命起源于哪里點(diǎn)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(dāng)今所認(rèn)識(shí)到的任何生物都不像，結(jié)構(gòu)甚至比細(xì)菌的細(xì)胞還要簡單?？茖W(xué)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(diǎn)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(diǎn)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(xì)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(gè)地方，藏這這樣一個(gè)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(jìn)行完美的化學(xué)反應(yīng)。

i小池塘猜想

達(dá)爾文是最早開始嘗試回答這個(gè)問題的人。1871年，他在一封信中描述了自己的猜想：有一個(gè)溫暖的小池塘，里面富含化學(xué)物質(zhì)和鹽，環(huán)境中還有光、熱和電。達(dá)爾文認(rèn) 為在這樣的環(huán)境中，蛋白質(zhì)可能會(huì)自發(fā)地形成，然后會(huì)變成更復(fù)雜的有機(jī)體。20世紀(jì)50年代，美國化學(xué)家哈羅德·尤里和斯坦利·米勒進(jìn)行了著名的米勒—尤里實(shí)驗(yàn)。他們建立了一個(gè)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(dāng)時(shí)的海洋，當(dāng)水蒸氣蒸發(fā)時(shí)，會(huì)被收集在另一個(gè)燒瓶中。尤里和米勒在該實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(jìn)行分析。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在冷卻的液體中大量地存在著有機(jī)化合物，約有10%到15%的碳以有機(jī)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(jī)分子形式能夠來自于無氧大氣層，同時(shí)最簡單的生命體也可能孕育在這種早期環(huán)境中。

這場實(shí)驗(yàn)是20世紀(jì)最著名的實(shí)驗(yàn)之一，當(dāng)時(shí)在社會(huì)上造成不小的影響，不過現(xiàn)在我們知道，當(dāng)時(shí)在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中生成的有機(jī)成分，并不足以構(gòu)成生命，也意味著這場實(shí)驗(yàn)不足以說明達(dá)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(xì)胞的生物藍(lán)圖；新陳代謝可以為細(xì)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(jī)生物中，以上三個(gè)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(dāng)生物化學(xué)家們還在苦苦思索這些問題時(shí)，深海探險(xiǎn)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(xué)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(gè)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(rèn)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(xué)家們放棄了這個(gè)猜想，因?yàn)楹５缀跓焽柚写嬖诘臍浜亢艿停宜臏囟忍?，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(huì)在高溫里被迅速降解。

21世紀(jì)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(gè)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?？茖W(xué)家認(rèn)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(xué)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(xì)胞供能的化學(xué)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(jī)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(xué)家猜想，或許存在一個(gè)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(rèn)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(jī)分子時(shí)扮演著重要的角色。每當(dāng)一個(gè)蛋白質(zhì)的組成成分被添加進(jìn)蛋白質(zhì)鏈中時(shí)，會(huì)釋放出一個(gè)水分子。眾所周知，酶是活細(xì)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(dān)任脫水的作用。

科學(xué)家們認(rèn)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(huì)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(shí)，油會(huì)輕易和水分離，出現(xiàn)很明顯的邊界一樣。

為了證明這個(gè)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(bǔ)充水分，其中類似RNA的分子就會(huì)被包裹在脂肪膜中，就像原始細(xì)胞膜能包裹遺傳物質(zhì)一樣。

有的科研人員認(rèn)為，比起火山水池，地?zé)崽锼坪跏歉硐氲沫h(huán)境，因?yàn)樗稍?。地?zé)崽锸侵赣脕磲尫诺責(zé)嵴羝臒釒r石?？蒲腥藛T認(rèn)為，這里的化學(xué)反應(yīng)更接近于我們自己細(xì)胞內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)，因?yàn)榈責(zé)嵴羝缓茉杏闹匾?。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(huì)自發(fā)變成我們需要的核糖。這時(shí)候硼酸鹽礦物可以成為有效的助力，它能引導(dǎo)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(rèn)為沙漠才是生命的搖籃，因?yàn)閹r石中有著豐富的硼酸鹽礦物質(zhì)，偶爾還會(huì)有雨水濾出。

Iv冰上起源猜想

上述的所有環(huán)境都有一個(gè)共同點(diǎn)，就是熱量。我們知道，溫暖的環(huán)境可以幫助推動(dòng)化學(xué)反應(yīng)，有些科研人員偏要反其道而行之，他們認(rèn)為生命可能起源于冰塊。當(dāng)水結(jié)冰時(shí)，溶解在水中的所有物質(zhì)都會(huì)被脫水，并濃縮成鹽水。這些鹽水被困在冰的狹窄裂縫中，進(jìn)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(gè)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(jìn)催化反應(yīng)。

實(shí)驗(yàn)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(xué)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?？梢姡坪跏且环N有效媒介，它可以促進(jìn)生物分子轉(zhuǎn)換，使分子變成一個(gè)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(gè)問題，它們無法對新陳代謝如何參與生命進(jìn)程作出解釋，這導(dǎo)致了所有猜想都無法回答一個(gè)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(rèn)為，我們在研究生命起源時(shí)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(diǎn)，要么在遺傳物質(zhì)中，要么在新陳代謝上。如今，薩瑟蘭的團(tuán)隊(duì)正在探究一種新的猜想，認(rèn)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(xué)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(jī)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(gè)猜想也有一個(gè)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(shí)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(gè)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．?dāng)一顆巨大的隕石撞擊地球時(shí)，會(huì)使地殼裂開。

這時(shí)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(shí)，又會(huì)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(huì)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(gè)復(fù)雜的環(huán)境，隕石坑表面的礦物可以充當(dāng)催化劑，有機(jī)物小分子可能會(huì)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(gè)優(yōu)勢：隕石撞擊會(huì)沖擊大氣，產(chǎn)生氰化物，形成生命起源的原始有機(jī)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(xué)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(gè)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(shí)候科學(xué)是一種深耕，需要依靠科學(xué)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(xué)界普遍承認(rèn)的原初生物留下的遺跡主要有兩個(gè)，即原初的RNA世界和細(xì)胞內(nèi)的還原環(huán)境。

在現(xiàn)代的細(xì)胞中，絕大多數(shù)化學(xué)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?zhǔn)窃诤颂求w（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(biāo)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(chǔ)存信息，即為蛋白質(zhì)分子中的氨基酸序列編碼。就是細(xì)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(shí)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(shí)，大氣中還沒有氧氣，而主要由中性氣體（如氮?dú)猓┖瓦€原性氣體（如氫氣、氨和硫化氫）組成。在此環(huán)境中形成的細(xì)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?。為了保持?xì)胞內(nèi)的還原環(huán)境，細(xì)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(gè)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(lán)細(xì)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(dòng)物體內(nèi)，在分子中形成二硫鍵的蛋白或者是分泌到細(xì)胞外的，例如抗體分子和胰島素，或者主要部分位于細(xì)胞膜表面的（也即在細(xì)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(xì)胞內(nèi)的活性氧物質(zhì)，維持細(xì)胞內(nèi)的還原狀態(tài)?，F(xiàn)在許多在試管內(nèi)進(jìn)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(shí)為根據(jù)，而反對的意見基本沒有，可以認(rèn)為是被普遍承認(rèn)的。問題是，細(xì)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(shí)可能的水環(huán)境

鉀高鈉低的狀況存在于所有生物的細(xì)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(xì)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(shí)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(shí)差不多:鈉為2.8%，而鉀為2.6%。之所以河水中鈉的含量遠(yuǎn)高于鉀，是因?yàn)樵趲r石風(fēng)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(huì)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(fēng)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(shí)把海水中的金屬離子帶走。這個(gè)過程叫做“反風(fēng)化”（reverse weathering），是海水中的鹽被帶走的一個(gè)重要方式。據(jù)估計(jì)，通過這些除鹽機(jī)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(fēng)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(yuǎn)高于鉀。其余的離子，例如鈣離子、鎂離子、氯離子等，被“反風(fēng)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(diǎn)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(yuǎn)古海水，其鈉離子的濃度高達(dá)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(yuǎn)古時(shí)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(shí)水環(huán)境鉀高鈉低的狀況，科學(xué)家們提出了兩種可能性。一種是比35億年更遠(yuǎn)古的地殼。這樣的地殼在地球上由于板塊運(yùn)動(dòng)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(gè)火星大小的星球和地球相撞形成的，當(dāng)時(shí)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(shí)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(fēng)化過程就應(yīng)該提供一個(gè)富含鉀和磷的水環(huán)境，十分有利于生命的形成。

另一個(gè)可能性是俄裔美國科學(xué)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(jìn)入蒸汽中。這樣蒸汽在冷凝以后，就會(huì)形成鉀高鈉低的水。這個(gè)假說也得到了實(shí)地觀測的證實(shí)。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?yàn)榈貧ぴ趲资畠|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(huì)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(huì)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(shí)為每升35.9克，60攝氏度時(shí)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(shí)為每升34.2克，和氯化鈉差不多，而在60攝氏度時(shí)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(shí)，氯化鈉首先飽和，結(jié)晶出來。由于氯化鉀達(dá)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(huì)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(huì)含有較高的鉀和較低的鈉。這些事實(shí)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(xì)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(xì)胞膜的脂類分子只有一根碳?xì)洹拔舶汀?，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(jìn)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(xì)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(xì)胞中的化學(xué)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(xué)反應(yīng)也就依賴于鉀，而不是依賴于鈉。如果能夠證明細(xì)胞最原始蛋白的功能確實(shí)需要鉀，而不需要鈉，就能夠?yàn)樵跎阝浉哜c低的環(huán)境中形成的學(xué)說提供強(qiáng)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(rèn)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?yàn)橹灰行聹y定的某種生物不含有其中的一些蛋白，這些蛋白就會(huì)從名單中剔除），最后穩(wěn)定在60個(gè)左右。這60個(gè)左右的蛋白就被認(rèn)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?yàn)榈鞍缀铣珊虳NA信息的讀取和修復(fù)是生物最基本的生命活動(dòng)。在這些蛋白中，有若干需要鉀離子以實(shí)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?xí)绊懫涔δ堋＿@是原初生命在高鉀低鈉環(huán)境中生成的最強(qiáng)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(gè)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(gè)遺跡，即RNA世界的證據(jù)）。如果在試管中除去1價(jià)陽離子，肽轉(zhuǎn)移酶就不再有活性。把不同的1價(jià)陽離子分別加進(jìn)反應(yīng)系統(tǒng)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)使肽轉(zhuǎn)移酶活性恢復(fù)的1價(jià)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(jìn)行蛋白合成時(shí)，通常使用的是兔的網(wǎng)織紅細(xì)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(gè)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(xì)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(gè)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(xì)胞膜的形成有利。實(shí)驗(yàn)證明，在離子濃度增加到一定程度時(shí)，細(xì)胞膜會(huì)沉淀出來。在沒有二價(jià)離子（例如鎂離子和錳離子）的情況下開始使細(xì)胞膜沉淀出來的鈉離子濃度（0.4 M）遠(yuǎn)比鉀離子（大于1 M）低。即使在二價(jià)離子存在的情況下，使細(xì)胞膜凝聚的鈉離子濃度仍然比鉀離子低，也就是細(xì)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(yàn)：鉀肥皂是液態(tài)的，而鈉肥皂是固態(tài)的。

所有這些事實(shí)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(jìn)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(xì)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(xì)胞仍然要保持內(nèi)部鉀高鈉低的環(huán)境，盡管細(xì)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(xué)醫(yī)學(xué)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(xì)胞似乎并不太困難。細(xì)胞的確擁有復(fù)雜的機(jī)制，但事實(shí)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(xì)胞似乎不太可能在地球早期生存下來。但當(dāng)時(shí)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(jī)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(cuò)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(gè)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?yàn)檫@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(gè)錯(cuò)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(xué)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(huì)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(rèn)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(xì)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(xì)胞可能通過泵出或泵進(jìn)機(jī)制實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，但第一個(gè)細(xì)胞可能無法做到，因?yàn)樗鼈儾痪邆溥@種必要機(jī)制。阿爾緬認(rèn)為，第一個(gè)細(xì)胞肯定形成于與現(xiàn)代細(xì)胞擁有相同化學(xué)物質(zhì)混合物的地方。這立即就排除了海洋，因?yàn)榧?xì)胞中所含磷鉀比例遠(yuǎn)高于海洋，但鈉卻更少。而活火山附近發(fā)現(xiàn)的地?zé)岢靥羺s更為理想，這些池塘中擁有細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)的所有金屬物。索斯塔克還認(rèn)為，地?zé)峄钴S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(xué)物理論在此也可有很好的解釋。溫泉中有合適的化學(xué)物質(zhì)，水位波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致某些地方干涸，還有來自太陽的大量紫外線。索斯塔克認(rèn)為，這些池塘同樣適合他的原細(xì)胞誕生。

X 早期生命的第一個(gè)代謝酶推測生存環(huán)境

2020年，羅格斯大學(xué)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(fù)責(zé)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(dāng)化學(xué)信號，研究發(fā)表在《美國國家科學(xué)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(gè)千變?nèi)f化的謎一樣，科學(xué)家們追溯了酶(蛋白質(zhì))從古老過去到現(xiàn)在的進(jìn)化過程。解決這個(gè)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(gè)由它們在新陳代謝中的作用連接起來的網(wǎng)絡(luò)，這個(gè)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了這些缺失的部分。

該研究的合著者、羅格斯大學(xué)羅伯特·伍德·約翰遜醫(yī)學(xué)院(Rutgers Robert Wood Johnson Medical School)生物化學(xué)和分子生物學(xué)教授、高級生物技術(shù)和醫(yī)學(xué)中心(Center for Advanced Biotechnology and Medicine)常駐教員維卡斯·南達(dá)(Vikas Nanda)說:“我們對地球生命的起源知之甚少。這項(xiàng)研究可以讓我們跨越時(shí)間，對最早的代謝蛋白提出假設(shè)，我們的預(yù)測將在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)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(shí)驗(yàn)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(xué)領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)名為ENIGMA(Evolution of Nanomachines in Geospheres and Microbial Ancestors)的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)正在通過美國國家航空航天局天體生物學(xué)計(jì)劃的成員身份進(jìn)行這項(xiàng)研究。ENIGMA項(xiàng)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(xué)新伯朗士威校區(qū)杰出教授、環(huán)境生物物理學(xué)、分子生態(tài)學(xué)實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人保羅·G·法爾(Paul G. Falkowski)說:“我們認(rèn)為生命是從非常小的基石進(jìn)化而來的，并且像樂高積木套裝那樣，發(fā)展出細(xì)胞和像我們一樣更復(fù)雜的生物體。我們認(rèn)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(dǎo)致了細(xì)胞、動(dòng)物和植物的進(jìn)化?！?/p>

羅格斯大學(xué)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(gè)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(jìn)化過程謎題中缺失的兩個(gè)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(jī)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(dāng)中，并且穿梭在細(xì)胞周圍的電子里以促進(jìn)新陳代謝。電子會(huì)在固體、液體和氣體中流動(dòng)，為生命系統(tǒng)提供動(dòng)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(jià)降低被還原，鐵化合價(jià)升高被氧化，即使被氧化成亞鐵離子，也能產(chǎn)生兩個(gè)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(jì)約超過99％的品種已滅絕。地球目前物種數(shù)量的估計(jì)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(rèn)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(rèn)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(gè)過程不超過3億年。對于這個(gè)充斥生命的星球，我們可能早已習(xí)以為常了?？墒悄闶欠裨?jīng)有那么一瞬間沉下心來認(rèn)真思考過，地球上的第一個(gè)生命到底是怎么來的呢？

二十世紀(jì)初，蘇聯(lián)生物化學(xué)家 Alexander Oparin 和英國遺傳學(xué)家 J. B. S. Haldane 分別提出“原始湯”假說，認(rèn)為早期地球的海水里的碳基化學(xué)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(yuǎn)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(jī)物。可是，蛋白質(zhì)和核酸并不能在水中長期穩(wěn)定地存在。細(xì)胞質(zhì)是一團(tuán)膠體，性質(zhì)與海水截然不同。這意味著細(xì)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(xué)物質(zhì)開始、在模擬遠(yuǎn)古地球的環(huán)境里造出兩種核酸。反應(yīng)過程中，化學(xué)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(tuán)隊(duì)搞出了能在遠(yuǎn)古地球的環(huán)境條件及簡單的無機(jī)底物作用下同時(shí)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(xué)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(jì)算表明需時(shí)1億年）。

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

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(shí)期的月球撞擊坑推算[2]，地球當(dāng)時(shí)形成了 22000 個(gè)或更多的直徑大于 20 千米的撞擊坑、約 40 個(gè)直徑約 1000 千米的撞擊盆地、幾個(gè)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(rèn)為上述階段的撞擊規(guī)模要小一個(gè)甚至幾個(gè)數(shù)量級。

21 世紀(jì)初，學(xué)者一般估計(jì)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(xué)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(yuǎn)古海底熱泉噴口處生物的活動(dòng)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(shí)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(xué)術(shù)界經(jīng)常談?wù)摰脑掝}，人們實(shí)際上發(fā)現(xiàn)一些隕石可以帶來大量的氨基酸等有機(jī)物，并在撞擊時(shí)產(chǎn)生一個(gè)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(dāng)?shù)貢r(shí)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(gè)碳原子，還有二羧基、二氨基等不同的官能團(tuán)。2020 年 1 月發(fā)表的一項(xiàng)研究估計(jì)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(shí)驗(yàn)室

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

2022 年，實(shí)驗(yàn)顯示，水溶液中的酮酸、氰化物、氨、二氧化碳可進(jìn)行化學(xué)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(jìn)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(xué)》（2024.2.26）雜志報(bào)道，英國倫敦大學(xué)學(xué)院研究團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)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(gè)時(shí)代起源的，現(xiàn)代地球的水域、地下仍然可能在進(jìn)行有機(jī)大分子的自我制造，只是這個(gè)過程本就極度緩慢、難以和現(xiàn)代生物制造的有機(jī)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(xì)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(shí)，生物學(xué)和化學(xué)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(gè)連續(xù)的色譜，可以在其中指出某些地方是藍(lán)色的，某些地方是綠色的，但也有一些地方是藍(lán)綠色的，難以完全地確定顏色。

當(dāng)科學(xué)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(shí)，也是如此，沒有完美的定義，可以有眾說紛紜的標(biāo)準(zhǔn)。但是，大多數(shù)科學(xué)研究都采用約定的概念：生命是復(fù)制和進(jìn)化的結(jié)果。生物學(xué)家認(rèn)為，地球上所有活的生物必須共享一個(gè)最后的祖先 ，因?yàn)閮蓚€(gè)或多個(gè)獨(dú)立的世系不可能獨(dú)立地開發(fā)出所有活生物共有的許多復(fù)雜的生化機(jī)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(xué)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(xué)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(huì)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(xué)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(gè)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(fù)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(xué)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(jī)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(gè)是假設(shè)原始生命形式在地球早期會(huì)是什么樣子。

對于第一種途徑，可以將細(xì)菌視為原始的生命形式。但是，它們存活的環(huán)境是另一個(gè)生命系統(tǒng)。有細(xì)菌依賴其他細(xì)菌存活。但最原始的生命形式取決于另一個(gè)存活的生命系統(tǒng)。另一個(gè)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(xì)胞，該細(xì)胞具有迄今為止任何已知的獨(dú)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(xué)反應(yīng)中的某個(gè)時(shí)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(xué)物質(zhì)。 RNA是一種非常類似于DNA的聚合物，可以存儲(chǔ)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(xué)反應(yīng)。

對于非生命化學(xué)物質(zhì)如何產(chǎn)生生命的研究，集中在三個(gè)可能的起點(diǎn)上： 自我復(fù)制 ，一種有機(jī)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(xì)胞膜 ，允許食物進(jìn)入和浪費(fèi)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?yàn)槔碚摵徒?jīng)驗(yàn)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(gè)復(fù)雜的分子，而要良好地復(fù)制復(fù)雜的分子，需要一個(gè)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(gè)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(cuò)誤（稱為突變）而出現(xiàn)。一旦出現(xiàn)在大量復(fù)制者中，便會(huì)迅速吞噬復(fù)制者使用的資源，并導(dǎo)致其他生物滅絕。

即使是三個(gè)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(dǎo)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(gè)RNA世界 ，其中有個(gè)體但沒有物種，因?yàn)橥蛔兒退交蜣D(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(kuò)大了單個(gè)生物體具有的能力范圍。 核酶仍然是核糖體 （現(xiàn)代細(xì)胞的“蛋白質(zhì)工廠”）的主要成分。

盡管在實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(hù)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(tuán)，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(dǎo)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(bào)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(xué)家發(fā)現(xiàn)生命起源于海洋的假說存在一個(gè)根本問題：構(gòu)成生命基石的有機(jī)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(xué)家羅伯特夏皮羅在其著作《起源》中寫道：在碳化學(xué)世界中，水是大分子最大的敵人，因?yàn)榉肿涌梢员凰纸?，這就是水悖論。

在生物體內(nèi)，細(xì)胞通過限制水在細(xì)胞內(nèi)的自由流動(dòng)來解決分子被水分解。因此，流行的細(xì)胞質(zhì)圖像通常是錯(cuò)誤的。生物課本中描述的細(xì)胞基質(zhì)只是一個(gè)容納所有東西的袋子，所有東西都可以游動(dòng)，這并不正確，細(xì)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(xué)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(shí)會(huì)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(xué)家找到生命起源于干濕交替環(huán)境的證據(jù)。科學(xué)家薩瑟蘭成功地制造出構(gòu)成RNA四個(gè)核苷酸的其中兩個(gè)。他將磷酸鹽和四種簡單的有機(jī)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(xì)胞的其他核心成分，而在此之前這被認(rèn)為是不可能的，同時(shí)在之前的生命起源于原始海洋的實(shí)驗(yàn)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(rèn)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(jī)物才能集中。

2019年，美國生物化學(xué)家皮特對這種觀點(diǎn)進(jìn)行擴(kuò)展。他們證實(shí)如果氨基酸變干，氨基酸會(huì)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(shí)，間歇性干燥也可以驅(qū)動(dòng)大分子構(gòu)件組裝得更復(fù)雜。1982年，加利福尼亞大學(xué)科學(xué)家研究了大分子脂質(zhì)如何自發(fā)形成包圍細(xì)胞的細(xì)胞膜。他們首先制造囊泡：即球形斑點(diǎn)，其親水基核心被兩個(gè)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(dāng)研究人員再次加水時(shí)，囊泡進(jìn)行重整，DNA進(jìn)入囊中。

2008年，科學(xué)家將核苷酸、脂質(zhì)與水混合，然后進(jìn)行干濕循環(huán)。當(dāng)脂質(zhì)形成層時(shí)，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(gè)關(guān)鍵因素：光。

合成生物學(xué)家杰克·索斯塔克（Jack Szostak）利用一些簡單細(xì)胞——即包含少量化學(xué)物質(zhì)，但可以生長，競爭和自我復(fù)制的細(xì)胞進(jìn)行一些實(shí)驗(yàn)。如果將這些原始細(xì)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(xì)胞可以利用光能以簡單復(fù)制形式進(jìn)行分裂。

其次，紫外線輻射可以推動(dòng)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(dòng)儲(chǔ)能分子ATP的合成，有助于為活細(xì)胞提供動(dòng)力。但是如果將鐵硫分子暴露在水中，它們就會(huì)破裂。

因此，許多科學(xué)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(jī)會(huì)。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(gè)自我維持的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。

生命進(jìn)入海洋

有科學(xué)家認(rèn)為，水破壞可能會(huì)促進(jìn)生命形成，就像捕食動(dòng)物比被捕食動(dòng)物進(jìn)化得更快，第一個(gè)生物分子可能已經(jīng)進(jìn)化出應(yīng)對水的化學(xué)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(jìn)行的一項(xiàng)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(dǎo)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(shí)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(huì)被破壞。在每個(gè)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(hù)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?dú)?、二氧化碳、水蒸氣），生命有機(jī)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?yàn)橐罅慨a(chǎn)生原始細(xì)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(shí)候看起來是什么樣子？這是個(gè)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(yùn)動(dòng)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(jìn)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(lán)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(dá)今天海陸相間、地貌多樣、生機(jī)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(gè)時(shí)代：混沌時(shí)代、熔漿時(shí)代、滾石時(shí)代、暴雨時(shí)代、淺水時(shí)代、玄黃時(shí)代、洪荒時(shí)代、深水時(shí)代分別論述。

I 混沌時(shí)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?yàn)樵诖蟊ㄖ?，連真空和時(shí)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(diǎn)，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(xué)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(gè)原子的核中。此時(shí)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(jìn)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(xué)家證明。

科學(xué)家認(rèn)為，在大爆炸的10萬年后，中性氦原子（He）與質(zhì)子（實(shí)際上是帶正電的氫離子，H?）會(huì)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(fēng)，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(tuán)巨大的星云，由氣體和塵埃構(gòu)成，那其實(shí)是此前許多恒星的殘骸。每一團(tuán)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(gè)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(gè)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(gè)天體懸浮在宇宙中，圍繞著太陽一圈圈的轉(zhuǎn)動(dòng)。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(shí)間中，地球也轉(zhuǎn)了幾十億圈，地球紀(jì)元也經(jīng)歷了很多的歷史，難以計(jì)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(shí)代。

II 熔漿時(shí)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(dòng)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(gè)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(qiáng)，使周圍旋轉(zhuǎn)的星際物質(zhì)越來越快的拉像地球，以更強(qiáng)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(qiáng)大熱量作用下，地球的外層開始融化，形成了一個(gè)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(shí)期的證據(jù)并沒有留下來。我們的地球是個(gè)終極循環(huán)器，板塊運(yùn)動(dòng)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(shí)的樣子，45億年前的地球剛形成時(shí)，地表很可能和現(xiàn)在完全不同。科學(xué)家依希臘神話的冥王之名，將此時(shí)期命名為冥古代（Hadean），這名稱極為貼切，因?yàn)檫@時(shí)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(gè)時(shí)期你穿越回去，對于生命來說你看到的絕對是一個(gè)地獄一般的場景。

到44億年前，撞擊的減少使巖漿海的活動(dòng)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(shí)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(jìn)行，地球表面形成了越來越厚的地殼，地球從熔漿進(jìn)入到隕石亂飛的時(shí)代。

III 隕石時(shí)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?yàn)榈厍虻牡孛惨呀?jīng)被后來的地殼運(yùn)動(dòng)和風(fēng)和河流改變，所以一般會(huì)參照月球進(jìn)行研究，因?yàn)樵虑驇资畠|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(fēng)暴洋也都是于此一時(shí)期撞擊形成的），地球當(dāng)時(shí)的場景可以想象一下：

每隔十幾年，就會(huì)有一次毀天滅地的撞擊，撞擊坑直徑約5000公里，相當(dāng)于整個(gè)中國大?。幻扛?年，都會(huì)有一次瞬間毀滅全球的撞擊，撞擊坑直徑約1000公里，相當(dāng)于法國大?。幻刻?，都會(huì)有猛烈撞擊的發(fā)生，撞擊坑直徑大于20公里，每個(gè)都足以毀滅現(xiàn)代人類文明，當(dāng)時(shí)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(gè)隕石時(shí)代，地球從一個(gè)熾熱的巖漿球，地質(zhì)活動(dòng)劇烈、火山噴發(fā)遍布、熔巖四處流動(dòng)的時(shí)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(shí)候的地表情況是幾無可能的，然而科學(xué)家的確從鋯石（zircon）這種極度堅(jiān)固的礦物中找到了一些線索。

鋯石結(jié)晶幾乎堅(jiān)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(shí)光膠囊，里頭裝著非常早期的化學(xué)足跡。這基本上是我們窺看地球成形階段的唯一機(jī)會(huì)。羅徹斯特大學(xué)（University of Rochester）的達(dá)斯汀．崔爾（Dustin Trail）在《美國國家科學(xué)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(shí)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(jiān)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(dòng)，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(shí)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(jiān)固，所以常常能從這個(gè)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(shí)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(dá)斯?。逘枅F(tuán)隊(duì)找上加州大學(xué)洛杉磯分校的高解析度離子微探針（high-resolution ion microprobe）來幫忙，它會(huì)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(jìn)行檢驗(yàn)，每個(gè)大約100微米寬，接近人發(fā)的粗細(xì)。他們把這些古老礦石的化學(xué)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(yàn)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(xué)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(gè)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(jìn)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(gè)分子、礦物乃至今日復(fù)雜生物的早期過程。從手機(jī)到食物，從古菌到真核細(xì)胞，以及你胸中跳動(dòng)的心臟皆是如此，而科學(xué)家才剛剛開始厘清地球的起源。

V、淺水時(shí)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(diǎn)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(shí)的地球，時(shí)而在這里，時(shí)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(xué)家們把最早形成的大海稱作 原始海洋 。此時(shí)的大洋水不僅嚴(yán)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(qiáng)的溶解能力。根據(jù)科學(xué)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(yuǎn)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(jī)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?，原始海洋中的有機(jī)大分子要比現(xiàn)在海洋中的豐富得多。

原始大氣化學(xué)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(jī)分子都隨著雨水沖進(jìn)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(shí)間，原始海洋中的有機(jī)分子越來越豐富（據(jù)推測，在原始海洋中有機(jī)分子含量達(dá)到了1%）是由于當(dāng)時(shí)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(jī)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(shí)所引起的沖擊波等，也都有助于有機(jī)物的合成。但其中天空放電可能是最重要的，因?yàn)檫@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(jī)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(jī)物質(zhì)，這就為生命的誕生創(chuàng)造了必要的條件。

而我們認(rèn)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?yàn)楹Ｋ?，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(dāng)然大海也值得研究——第二現(xiàn)場。

vi、玄黃時(shí)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(shí)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(jī)分子：由碳原子構(gòu)成的有機(jī)分子是生命的基礎(chǔ)，它們可以形成從簡單的碳?xì)浠衔锏綇?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(dú)特的化學(xué)性質(zhì)，它能夠與其他元素（包括自身）形成穩(wěn)定的共價(jià)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(xué)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(jī)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(xué)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(xué)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(gè)個(gè)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(xué)家通過實(shí)驗(yàn)室模擬早期地球條件的實(shí)驗(yàn)，確定了氨基酸可以在地球上形成。同時(shí)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(shí)驗(yàn)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(dāng)?shù)目s合劑存在時(shí)，可以縮合成高分子聚合物，繼而產(chǎn)生團(tuán)聚體和原始細(xì)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(diǎn)形成了，當(dāng)大雨來臨之時(shí)，他們被沖刷進(jìn)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(jìn)、互相支持，合作的非常愉快，從而數(shù)量日漸增多。

這時(shí)候，從外界漂浮而來很多脂肪分子，因?yàn)橹镜拿芏缺容^低，他們漂浮在水面上，同時(shí)他們的作用也非常巨大，能夠?yàn)镽NA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(hù)的比較好的核酸率先闖進(jìn)了脂質(zhì)雙層膜囊，沒有進(jìn)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(jìn)RNA和DNA、蛋白質(zhì)的坑洼之地進(jìn)行著。

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

5.沒有進(jìn)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(jìn)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。