地球上的生命是如何开始的？
地球上的生命是如何开始的？Original 新原理
原理 2023-09-09 05:36
鱼儿可以在海中自由遨游，鸟儿在天空中乘风高飞，人类则主宰着我们脚下的大地。地球上有数以万亿计的物种，它们构成了一个多姿多彩、生生不息的美丽世界。
地球上如此复杂而又多样化的物种是如何形成的？宇宙中的无序原子究竟经历了多少次无序的碰撞，才幸运地促成了DNA和蛋白质的合成，让生命的信息与能量得以有序地传递下去？这些问题注定没有一个简单的答案。更何况如果生命的起源不止发生过一次，那么答案甚至不是唯一的。
在我们深入讨论生命的起源和进化之前，一个无法绕过的重要问题便是，生命的定义究竟是什么。
什么是生命？
目前，所有已知的生命都依赖于碳元素和水，但这并不能排除有生命能以其它形式存在，因此我们需要对生命进行一个更宽泛的定义。生命由什么组成是一个相对主观的问题，一直以来人们为此争论不休。但普遍来说，大多数对于生命的定义包括了以下几点：
[*]具备新陈代谢机制（能够采集能量为己所用）；
[*]能对环境变化做出反应（能调整行为）；
[*]可以进化（生长并适应环境）；
[*]能繁殖后代。
有一些类生命形式几乎满足以上所有条件，却并不能被视为普遍意义上的生命。比如病毒，它们必须侵入活体细胞才能完成自身的复制，本身其实并不具备新陈代谢和繁殖后代的能力。因此这些DNA和RNA普遍不会被认作为生命体。就好像水晶和雪花，它们可以生长，却不能新陈代谢，病毒本身也不具有传统意义上的生命特征。
所有已知的生物都是以细胞的形式存在的。并且根据三域系统的定义，它们可被分为三大类——细菌、古菌和真核生物，前两类为单细胞生物，后一类则既包含单细胞生物也包含多细胞生物。
就细胞的组成结构来说，这三大类各有不同。
[*]细菌：细菌没有细胞核和其它膜状细胞器，其主要遗传物质为一条闭合环状DNA。
[*]古菌：古菌也属于缺乏细胞核的单细胞生物，但它们在某种程度上与真核生物更加接近，因为古菌与真核生物具有相似的基因转录机制和新陈代谢途径。古菌还有一些独有的特征，比如它们的膜脂是由甘油醚组成，而细菌和真核生物的细胞膜中的脂类主要为甘油酯。
[*]真核生物：真核细胞的结构最为复杂。它们不仅具有膜状细胞核，还包括了其它被统称为细胞器的胞内膜状结构。真核细胞的遗传物质主要具有一条以上的线性染色体。其它两类只含有一条环形染色体。
目前所有已知的生物都可以被划分到三域系统中。但这并不意味世界上不存在其它形式的生命——它们或许只是未被我们发现而已。
三域系统，生命系统发生树。（图/维基共享资源）
地球上的生命是如何开始的？
我们的地球已经诞生了大约45.4亿年之久，根据目前发现的最早的单细胞生物化石推算，它们大约存活于42亿到37亿年前。
在细胞出现之前，组成细胞的蛋白质和脂类就已经出现了。简单来说，一个细胞的结构大致是由一层具有保护功能的脂质细胞膜包裹着核酸和各种蛋白质。蛋白质的合成必须以核酸作为模板，而核酸的复制与合成又离不开各种生物酶（本质为蛋白质）的作用。这就产生了一个好似“先有鸡还是先有蛋”的悖论：究竟是先有蛋白质，还是先有核酸？
科学界对这个问题众说纷纭，争论的双方都有证据表明细胞能自发形成蛋白质或核酸的可能。
氨基酸和蛋白质
蛋白质是一种由氨基酸线性排列组合形成的大型生物分子。相邻氨基酸的氨基和羧基通过肽键链接在一起构成主干，不同的侧链决定了蛋白质的结构和功能。目前已知的氨基酸总共有22种。它们的主要构成元素有碳、氧、氮和氢。近年来，科学家证明了在高温高盐的环境里（模拟地球的初始环境状态），大约一半的氨基酸可以在没有DNA或RNA模板的情况下，自发地形成折叠蛋白。
核酸
相比之下，支持首先生成的是核酸的证据就少得多，且不那么令人信服。支持“核酸在先”理论的一个重要论据就是，蛋白质和其它细胞组成部分的合成需要一个模板，这个模板最初很有可能以RNA的形态存在。
DNA和RNA由寡核苷酸组成。寡核苷酸是一类少于20个核苷酸组成的短链核苷酸的总称。一些科学家认为这些基础构件首先是自发形成，然后才组合成了更长的基因序列。
但是一个明显的问题在于，如果RNA首先形成，它是怎样在酶缺失的情况下自我复制的呢？上个世纪八十年代，科学家发现了一种具有催化功能的RNA，这在理论上解决了RNA自我复制的问题。这种不同寻常的RNA被命名为核酶。虽然科学家们成功地从无序的RNA分子中合成了核酶，但是目前还没有发现能够维持自我复制的核酶。
在天体生物学中，“RNA优先”理论不能解释的问题还包括：
[*]RNA出现之前是否有更容易聚合的核酸
[*]RNA或其它核酸能否在开放的环境下聚合；
[*]以及RNA是如何自发形成的。
关于最后一点疑问，在近期有了一些进展：2009年，化学家利用两种前导化合物乙炔和甲醛，证明了无机物可以在无酶的情况下经过一系列化学反应合成RNA。
其它需要纳入考虑范畴的因素
在考虑蛋白质和核酸哪一个更先存在的同时，还需考虑以下这些关键因素：
[*]分子的聚合（基本的分子是如何连接起来形成更大更复杂的分子的）；
[*]膜的形成（一个封闭安全的环境对这些化学反应十分重要）；
[*]代谢网络的形成以便产生和利用能量（光合作用和ATP的使用只是一些现代生物利用能量的例子，早期新陈代谢的机制或许已被今天的新陈代谢机制所取代）
有一些理论认为，新陈代谢和（或）膜状结构必须要最先进化出来。比如，膜的形成为早期的化学反应提供了一个封闭可控的环境，给早期的生命创造了接受保护和营养的先决条件。此外，跨膜离子梯度是细胞新陈代谢的必要条件，膦脂膜为此提供了可能。但以上所述的这些依据都是建立在“水是生命之源”这一前提之下的，这一基本假设或许适用于地球上的生命，却不一定跨宇宙皆准。
通向生命之路和共生协作
使问题更为扑朔迷离的是，因为生命或许通过不同的途径进化了多次，所以很有可能最早出现的蛋白质和核酸已经灭绝，取而代之的是结构与功能都已不同的现代蛋白质和核酸。时至今日，我们只能通过已知的生物和他们的祖先来作出判断，但这只能追溯到太阳系形成的45亿年以后。
在几十亿年的漫长岁月里，生命的进化途径有无数种排列组合的可能，因此要想准确判断最初的生命是如何形成的几乎完全没有可能。科学家们只能根据已知的证据作出最贴切的假说。
很多生物学家强调，细胞所有的组成部分都是相互依存的，它们必须密切协调才能保证细胞正常运转。这在一定程度上解决了先有鸡还是先有蛋的难题。就像保罗·周伊特（Paul Jowett）写到的那样：“目前为止任何一个细胞组成部分的自我复制都不可能独立完成。这或许证明了自我复制在分子水平上是不能完成的，而只能依靠不同分子间的相互协作。”
地球生命是从哪里开始的？
如果能弄清楚生命诞生时的外部条件，科学家就有可能推测出核酸和蛋白质究竟是如何出现和组合的。但我们首先要明白的是，地球上最初的环境和现在是完全不同的。早期地球温度很高，并且没有像现在这样充足的氧气。直到25亿年前，地球上发生了大氧化事件，游离氧才大量增加。所以最初的地球生命面对的是一个和我们现在所看到的完全不同的世界。
以下几个地方，是科学家认为的生命的可能诞生之地。
海底热液
自从在大陆架附近发现海底热液后，生命最初诞生于此便成为了一个最受欢迎的说法，主要有以下几个原因：
[*]海底热液的温度最高可以达到400摄氏度，大多数有机化合物在这么高的温度下是不稳定的。可是现在我们能在类似的高温环境中找到一些原始的古菌，这说明生命是可以承受这样的极端条件的。
[*]碱性热泉水与富含碳酸的酸性海水的混合，为生物最初的进化提供了能量梯度（一般认为早期海洋含有大量的碳酸）。
[*]海底热液提供了大量的碳酸钙，可以为早期的原始细胞提供一层海水与热泉之间的隔断。
但是这些极端环境同时产生了一些不利因素：
[*]与普通细胞内通常观察到的钠钾离子含量相比，海水的钠离子浓度太高而钾离子浓度过低。这就凸显了一个问题：如果生命起源于海洋之中，那么为什么细胞中的钾的含量是钠的10倍，而海水中钠的含量是钾的40倍。
[*]一些科学家认为，在像海底热液这样的环境中存在的变量不足以形成多样化的细胞器 （比如，干湿循环可能会使原始细胞脱水）；
[*]RNA在紫外线下可以保持稳定，说明生命最初是有可能出现在富含紫外光的地球表面，而非海洋深处的。
热水田
另一个在许多方面都优于海底热液的假说，是生命可能最初发源于火山口附近的淡水泥坑中，这些泥坑又被称作热水田。相较于海底热液说，热水田说有几大优势：
[*]这些泥坑中存在着干湿循环，这为生成复杂细胞器创造了更为有利的环境；
[*]这些热田是相对封闭的环境，允许生命所需的材料累积；
[*]经受日照，可以接收太阳能以提供化学反应所需的能量。
关于光照究竟会帮助还是阻碍生命的形成，我们暂且尚无定论。一些理论认为光照会伤害脆弱的生命萌芽。而另一些实验结果则表明紫外线可以帮助生成重要的核酸原料，例如氰化氢和硫化氢。更重要的是，科学家发现类似的化学反应可以生成蛋白质和脂类，这表明同一类化学反应可以生成生命所需的几乎所有要素。
其它的可能性
就像热水田一样，潮水坑也具有一些生成生命的必要条件。这些水坑经历了蒸发凝聚的循环，并且具有多孔性和水的活动梯度。事实上，20世纪50年代初的科学家曾将混有甲烷、氢气和氨的烧瓶放入一个小水池中，在对其通电后，成功地制造出了氨基酸。但是最新的研究显示，地球早期的大气可能是中性（由更多的氮气和二氧化碳组成）而不是还原性的，这促使科学家们更倾向于海底热泉和热水田假说。
地球生命始于外太空？
尽管有充分的证据显示我们的地球可以很好的支持生命的形成、生长和繁荣，但这仍不能完全排除生命起源于外太空的可能。
因为以上关于生命起源的理论论述除了能描述生命在地球上诞生以外，还同样适用于太阳系的其它星球，比如木星的冰月——木卫二（欧罗巴）和土星的卫星土卫二。这就引出了另外一种假说：生命或者生命的种子是从外太空带来地球的，这一类理论被称为有生源说。
有生源说
由于科学家们在彗星、小行星和火星上都发现了构成生命的基本分子，因此他们怀疑在太阳系中的一些其他卫星上，也存在类似的有机分子。这就不难想象生命的基本要素有可能广泛地存在于太阳系、乃至更远的宇宙深处。
根据有生源说，生命广泛存在并且分布于许多不同的行星体，它们甚至可以借助彗星移动。在太阳系中的星际物质和曾撞击地球的彗星上都发现了氨基酸甚至水的痕迹。由此可见，在彗星或者行星的帮助下，生命可以在太阳系中甚至星系中自由移动，播撒新的生命分支。
的确，科学家们在系外行星上发现了越来越多的潜在的生命证据。TRAPPIST-1系统就是其中一个例子。TRAPPIST-1是一个由七颗地球大小的行星所组成的系统，尽管它们围绕着的恒星温度与质量都比太阳要小，但其中最多有三颗行星具有维持生命的可能性。或许我们所知道的生命就源自于像遥远的TRAPPIST-1系统中的那些行星，它们通过宇宙中的星际物质，将生命传播到了地球。
TRAPPIST-1系统：其中行星TRAPPIST-1e、f、g位于宜居带内。（图/NASA/JPL-Caltech）
在这样的情形下，一些生命形态或许能在极端情况下休眠，等待时机成熟；一旦有了新的有利生命生长的适合环境，它们便会苏醒、生长、蔓延。
事实上，一些微生物的存在支持着这个假说。缓步类、浮游类、八足类、微生动物类被证实可以在有太阳辐射的太空中存活。但是生活在岩石深处的生物或许具备更有利的生存条件，因为它们可以免受紫外线辐射的影响。
如果一些生物可以在宇宙中穿梭并播种，那么生命或许是从太阳系之外的某个很远很远的星系中产生的。如果是这种情况的话，或许在太阳系产生之前，我们的祖先就已经踏上了前往地球的路途了。
事实上，基于生命的复杂度和基因的非冗余是可以测量并且成指数上涨的（基于基因组的复杂程度比如基因协作，基因复制和随后的专门化，还有生成针对性作用的一些基因），那么我们可以推测生命的诞生大约在97亿年前。如果这些推测是对的，那么生命在太阳系产生之前就已经存在了，这也就从一个侧面证明了有生源说。
探索仍在继续
生命的起源是一个宏大而复杂的命题，我们很难精确地描述这一切是从何发生、又是如何发生的。文章中提到的种种假说只说明了通向生命诞生的路径或许不止一条。一些科学家怀疑地球上的所有生命都起源于同一个共同祖先，但是我们今天所看到的物种仅仅是在上亿年的进化中存活下来的那一部分，而其它那些已灭绝的物种或许会给出不同的答案。
科学家在研究生命的基本组成部分（膜状结构、蛋白质、核酸）是如何形成并促成了我们所知道的生命的，他们已经得到了一些有价值的线索，但人类至今还未能仅凭无机化学物质就创造出生命。他们也试图从反面倒推：根据现有已知的所有生命的基因来寻找那个生命繁衍的“共同分母”，但是答案依旧未知，或许我们永远无法100%确切地知道生命到底是通过哪一种途径进化而来的。我们能做的只有继续探索，寻找那个最贴切的可能，来还原那个创造了地球上数以万计物种的起点。
#创作团队：
撰文：米歇尔·汉普森（Michelle Hampson）翻译：李萌#参考来源：1. Dodd, MS. (2017). Evidence for early life in Earth’s oldest hydrothermal vent precipitates http://eprints.whiterose.ac.uk/112179/2. Florida State University. (2013). How life may have first emerged on Earth: Foldable proteins in a high-salt environment https://www.sciencedaily.com/releases/2013/04/130405064027.htm 3. Jowett, Paul (2107). Myth and fact in the origins of cellular life on Earth https://academic.oup.com/biohori ... rizons/hzx017/469374. Powner, Matthew (2009). Synthesis of activated pyrimidine ribonucleotides in prebiotically plausible conditions https://www.nature.com/articles/ ... -dSRrCgBs6q8cs9nyyD 5. Brazil, Rachel. Hydrothermal vents and the origins of life https://www.chemistryworld.com/f ... ife/3007088.article6. Sutherland, John D. (2015). Common origins of RNA, protein and lipid precursors in a cyanosulfidic protometabolism https://www.nature.com/articles/nchem.22027. Kitadai, Norio (2017). Origins of building blocks of life: A review https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S16749871173013058.Gordon, Sharov (2013). Life Before Earth https://arxiv.org/abs/1304.3381#图片来源：
封面图&首图：新原理研究所
页:
[1]