 生命是什么时候，从哪里起源的？这一直是一个很有争议的问题。目前人们对于生命起源的看法有两种，一种是地外起源说；一种是地球起源说 一、地外起源说《普罗米修斯》是我很喜欢的一部电影，电影的开头讲的是一个虚构的人类起源的故事： 一个外星人在地球上服下毒药自杀，毒药让他全身都变成微小的有机分子，这些有机分子在随后自由组合形成DNA，进而演化出如今的人类。很多人可能对于地球生命的起源也抱有类似的想法，他们认为地球生命起源于太空。当然，这只是一种最为朴（民）素（科）的生命地外起源说，这种说法认为地球生命起源于外星人或者是神（反正搞不清楚的事都推给外星人或者是神，这已经成了惯例了）。 当然，在民科版之外还有一个正经版本的地外起源说，它认为地球上最早的生命或者是构成生命的有机物，是来自于其他星球或者是星际尘埃。注意，在这个科学版本的说法里，并没有外星人之类的存在，科学家们的观点是微生物或者是最初形成生命的有机物来源于宇宙。 不断在陨石中发现的证据似乎也在印证着这一个说法。1969年一颗名为Murchison的陨石降落在澳大利亚，科学家们在这颗陨石的内部检测出了5种氨基酸；随后，人们陆陆续续从各种陨石中找到了更多的有机物，包括组成核酸的碱基等，这些有机物的种类多达数万种[1]；2019年，有科学家宣称在陨石中发现了核糖，这是一种非常重要的物质，它是RNA的组成物质[2]；惊喜似乎还在持续，2020年2月底，科学家们在陨石中首次发现了蛋白质，这种蛋白质被称为Hemolithin，蛋白质中含有铁和锂两种元素，在蛋白质的尖端上形成一种铁氧化物，可以利用光能将水分解为氧气与氢气，这个过程中产生的能量可以被生命体利用。  人类首次发现氨基酸的陨石—Murchison  首次发现蛋白质的陨石——Allende  蛋白质的结构 二、生命真的起源于地外吗？这些持续的发现好像确实在印证着生命起源于地外这个说法。然而，如果细细推敲的话，这个说法其实还有一些问题。 第一个问题是，陨石和地球上的同种有机物在分子结构上是存在差异的，许多都是同分异构体（分子式相同，结构不同）[1]；  同分异构体：分子式相同，结构不同 第二个问题是，手性的问题。陨石中的氨基酸和地球上的氨基酸在手性上是有差异的。什么是手性呢？做个小实验就懂了，举起我们的左右手，掌心对掌心是可以贴合在一起的，但是如果都掌心向下，左右手放在一起，你就会发现此时就没办法贴合在一起了，这就是手性。在地球上的氨基酸，都只有左旋结构，但是陨石中的氨基酸则左旋和右旋结构都有[1]。  手性与非手性的区别 第三个问题是，在形成生命的化学演化过程中，可能需要比较多的有机物，这些陨石能不能为生命演化提供足够的有机物？而早期地球的水热环境无疑能够稳定、大量地产生有机物，因此现在的主流更相信生命起源于地球这个说法。 不过，在陨石中发现的这些有机物告诉我们，可能在整个宇宙中有机物的形成是一件很普遍的事情，只要环境合适就有可能形成有机物，进而有机物继续演化形成生命也并不是一件不可能的事情。而且，这些有机物很可能预示着，就算是找到外星生物，它们很可能也与我们一样是碳基生物而不是硅基生物或者是砷基生物。 三、生命是如何起源的？关于生命的起源，接收度最广的一个说法是，在地球诞生的早期，海水温度很高，而且地球的大气环境比较恶劣，经常遇到电闪雷鸣，就在这种高温和闪电的环境中，海水中的各种无机物发生化学反应形成了有机物小分子，随后这些有机小分子继续发生化学反应装配成为有机大分子，继而形成被膜包裹的细胞结构，这就是原始生命的起源。这个理论被称为化学进化理论。 最初证实化学进化理论的要数著名的米勒实验了，这个实验在初高中的课本中应该就有：氨气、甲烷、氢气、水、二氧化碳等气体在一个持续放电的瓶子中加热，最后冷却得到的液体中出现了氨基酸。后续的实验中，人们得到了肽、核糖、核酸碱基等多种生命形成所必需的物质。  米勒实验示意 目前科学家们已经普遍接受了化学进化论的观点，只不过对于化学进化发生的地点比较有争议。 四、生命起源于哪里？在米勒实验中，化学进化发生的地点在海水浅层，只有这里才能与闪电和各种气体直接接触，但是问题在于那时候的地球上，空气中没有氧气，自然也就没有臭氧层，来自太空的紫外线和高能射线很容易就照射到海水中破坏已经形成的各种有机物。 那么生命到底起源于哪里呢？有些人认为起源于泥土，有些人认为起源于火山爆发，有些人认为起源于原始灼热的富硫化物溶液的沸腾海洋[3]，不过持续的科学发现让越来越多的人认识到生命其实更可能起源于海洋深处。 1967年，美国科学家在黄石公园的热泉中发现了大量的嗜热生物，这些生物生存的温度很多时候都超过了60℃，因为蛋白质超过60℃就会变性，因此在此之前对生物能够存活在60℃以上的环境是完全不敢想象的[4]；  黄石公园热泉 图/维基百科  嗜热细菌 图/Science Source 此后，得益于冷战的持续，美苏两国对于海底的探索程度不断加深。1977年，科学家们在东太平洋的洋中脊附近，发现了一个个耸立着的“烟囱“，这些烟囱的高度一般在2-5m，呈上细下粗的圆筒型，烟囱还不断向外冒着白烟或黑烟。这些烟其实是温度高达350°的含矿热液，这些热液喷涌而出，遇到周围冷的海水后发生反应沉淀而成。——这些被称为深海热泉或者是”黑烟囱“。  海底黑烟囱 图/USGS 这些深海热泉其实是由于岩浆活动导致。在大洋底部，岩浆活动经常会非常强烈，它们从洋底喷涌而出，形成一座座海底的山岭，这些山岭连起来就形成了洋中脊。  从谷歌地球上可以直接看见洋中脊 在洋中脊附近，地壳薄弱，裂隙较多，海水沿着这些裂隙向下流动，接触到这些炽热的岩浆后向上涌出就形成了这些深海热泉。 深海热泉的形成示意图 在深海热泉周边，温度高，酸性大，而且含有硫化氢等有毒物质，而且这里是深海，没有阳光一片漆黑，科学家们在之前并不认为这里会有生物活动。但是现实给了科学家们一个大大的惊喜：他们不仅发现了生物活动，还发现了一个完整的生态系统。这里的生物生存不需要光照，嗜热细菌们以热泉喷出的硫化物为能量来源制造有机物，而其他的生物则以这些嗜热细菌为食物维持生活。 深海热泉附近的生物 图/Marum 深海热泉附近的生物 图/NASA 深海热泉的发现，让科学家们认识到化学进化很有可能发生在深海热泉附近，在这里有各种各样的无机物，而且海水的温度比较稳定，还不容易受到诸如小行星撞击、高能射线等的危害，因此是一个非常完美的化学进化场所。 2017年，科学家们在澳大利亚发现了一些微生物化石，这些微生物生活在37.7亿年（甚至可能是42亿年）前的深海热泉附近，与如今的深海热泉微生物非常相似[5]，这个化石证据无疑为生命的深海热泉起源提供了有力证据。总而言之，生命的深海热泉起源目前成为了最主流的学说。 深海热泉生物化石[5] 五、生命何时出现？关于生命出现的时间，一直很有争议。根据化学进化的理论来说，当地球上出现原始海洋的时候（约44亿年前），生命可能就随之出现了，不过在41-38亿年间持续3亿年的小行星轰炸已经让所有的证据荡然无存。我们目前能够找到的最早的疑似生命的证据是一些磺基化合物的代谢证据，这些证据保存在38亿年前的岩石中[6]，但是这只是疑似的化石证据。 真正能够比较确定的化石证据被称为叠层石（又称为微生物藻席），这是由于蓝绿藻等生物聚集在一起生长，在它们生长代谢的过程中无机物堆积起来形成的层状结构的藻席，藻席形成岩石后保存下来即成为叠层石。目前发现的叠层石证据证明，在35亿年前，生命肯定已经存在了[6]。加上37.7亿年前微生物化石的证据，我更倾向于相信生命在38亿年前就已经出现这个说法。 藻类生长过程中的层状结构 图/Palaeocast 叠层石一般长这样 图/Wikimedia 澳大利亚鲨鱼湾，正在生长中的叠层石 图/Altcoopsys.org 参考文献： [1]杨晶,林杨挺,欧阳自远.地外有机化合物[J].地学前缘,2014,21(06):165-187. [2]Furukawa Yoshihiro,Chikaraishi Yoshito,Ohkouchi Naohiko,Ogawa Nanako O,Glavin Daniel P,Dworkin Jason P,Abe Chiaki,Nakamura Tomoki. Extraterrestrial ribose and other sugars in primitive meteorites.[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America,2019,116(49). [3]齐文同,柯叶艳.早期地球的环境变化和生命的化学进化[J].古生物学报,2002(02):295-301. [4]李三忠,许立青,张臻,孙文军,戴黎明,郭玲莉,曹花花,张国伟.前寒武纪地球动力学(Ⅱ):早期地球[J].地学前缘,2015,22(06):10-26. [5]Dodd, M., Papineau, D., Grenne, T. et al. Evidence for early life in Earth’s oldest hydrothermal vent precipitates. Nature 543, 60–64 (2017). [6]史晓颖,李一良,曹长群,汤冬杰,史青.生命起源、早期演化阶段与海洋环境演变[J].地学前缘,2016,23(06):128-139. |
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