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地球上的生命是如何開始的？

點擊：  作者：新原理    來源：原理微信號  發布時間:2023-10-04 16:55:09

 

 

 

魚兒可以在海中自由遨游，鳥兒在天空中乘風高飛，人類則主宰著我們腳下的大地。地球上有數以萬億計的物種，它們構成了一個多姿多彩、生生不息的美麗世界。

 

地球上如此復雜而又多樣化的物種是如何形成的？宇宙中的無序原子究竟經歷了多少次無序的碰撞，才幸運地促成了DNA和蛋白質的合成，讓生命的信息與能量得以有序地傳遞下去？這些問題注定沒有一個簡單的答案。更何況如果生命的起源不止發生過一次，那么答案甚至不是唯一的。

 

在我們深入討論生命的起源和進化之前，一個無法繞過的重要問題便是，生命的定義究竟是什么。

 

  什么是生命？  

 

目前，所有已知的生命都依賴于碳元素和水，但這并不能排除有生命能以其它形式存在，因此我們需要對生命進行一個更寬泛的定義。生命由什么組成是一個相對主觀的問題，一直以來人們為此爭論不休。但普遍來說，大多數對于生命的定義包括了以下幾點：

 

·      具備新陳代謝機制（能夠采集能量為己所用）；

·      能對環境變化做出反應（能調整行為）；

·      可以進化（生長并適應環境）；

·      能繁殖后代。

 

有一些類生命形式幾乎滿足以上所有條件，卻并不能被視為普遍意義上的生命。比如病毒，它們必須侵入活體細胞才能完成自身的復制，本身其實并不具備新陳代謝和繁殖后代的能力。因此這些DNA和RNA普遍不會被認作為生命體。就好像水晶和雪花，它們可以生長，卻不能新陳代謝，病毒本身也不具有傳統意義上的生命特征。

 

所有已知的生物都是以細胞的形式存在的。并且根據三域系統的定義，它們可被分為三大類——細菌、古菌和真核生物，前兩類為單細胞生物，后一類則既包含單細胞生物也包含多細胞生物。

 

就細胞的組成結構來說，這三大類各有不同。

 

·      細菌：細菌沒有細胞核和其它膜狀細胞器，其主要遺傳物質為一條閉合環狀DNA。

·      古菌：古菌也屬于缺乏細胞核的單細胞生物，但它們在某種程度上與真核生物更加接近，因為古菌與真核生物具有相似的基因轉錄機制和新陳代謝途徑。古菌還有一些獨有的特征，比如它們的膜脂是由甘油醚組成，而細菌和真核生物的細胞膜中的脂類主要為甘油酯。

·      真核生物：真核細胞的結構最為復雜。它們不僅具有膜狀細胞核，還包括了其它被統稱為細胞器的胞內膜狀結構。真核細胞的遺傳物質主要具有一條以上的線性染色體。其它兩類只含有一條環形染色體。

 

目前所有已知的生物都可以被劃分到三域系統中。但這并不意味世界上不存在其它形式的生命——它們或許只是未被我們發現而已。

 

 

三域系統，生命系統發生樹。（圖/維基共享資源）

 

  地球上的生命是如何開始的？  

 

我們的地球已經誕生了大約45.4億年之久，根據目前發現的最早的單細胞生物化石推算，它們大約存活于42億到37億年前。

 

在細胞出現之前，組成細胞的蛋白質和脂類就已經出現了。簡單來說，一個細胞的結構大致是由一層具有保護功能的脂質細胞膜包裹著核酸和各種蛋白質。蛋白質的合成必須以核酸作為模板，而核酸的復制與合成又離不開各種生物酶（本質為蛋白質）的作用。這就產生了一個好似“先有雞還是先有蛋”的悖論：究竟是先有蛋白質，還是先有核酸？

 

科學界對這個問題眾說紛紜，爭論的雙方都有證據表明細胞能自發形成蛋白質或核酸的可能。

 

  氨基酸和蛋白質  

 

蛋白質是一種由氨基酸線性排列組合形成的大型生物分子。相鄰氨基酸的氨基和羧基通過肽鍵鏈接在一起構成主干，不同的側鏈決定了蛋白質的結構和功能。目前已知的氨基酸總共有22種。它們的主要構成元素有碳、氧、氮和氫。近年來，科學家證明了在高溫高鹽的環境里（模擬地球的初始環境狀態），大約一半的氨基酸可以在沒有DNA或RNA模板的情況下，自發地形成折疊蛋白。

 

  核酸  

 

相比之下，支持首先生成的是核酸的證據就少得多，且不那么令人信服。支持“核酸在先”理論的一個重要論據就是，蛋白質和其它細胞組成部分的合成需要一個模板，這個模板最初很有可能以RNA的形態存在。

 

DNA和RNA由寡核苷酸組成。寡核苷酸是一類少于20個核苷酸組成的短鏈核苷酸的總稱。一些科學家認為這些基礎構件首先是自發形成，然后才組合成了更長的基因序列。

 

但是一個明顯的問題在于，如果RNA首先形成，它是怎樣在酶缺失的情況下自我復制的呢？上個世紀八十年代，科學家發現了一種具有催化功能的RNA，這在理論上解決了RNA自我復制的問題。這種不同尋常的RNA被命名為核酶。雖然科學家們成功地從無序的RNA分子中合成了核酶，但是目前還沒有發現能夠維持自我復制的核酶。

 

在天體生物學中，“RNA優先”理論不能解釋的問題還包括：

·      RNA出現之前是否有更容易聚合的核酸

·      RNA或其它核酸能否在開放的環境下聚合；

·      以及RNA是如何自發形成的。

 

關于最后一點疑問，在近期有了一些進展：2009年，化學家利用兩種前導化合物乙炔和甲醛，證明了無機物可以在無酶的情況下經過一系列化學反應合成RNA。

 

  其它需要納入考慮范疇的因素  

 

在考慮蛋白質和核酸哪一個更先存在的同時，還需考慮以下這些關鍵因素：

·      分子的聚合（基本的分子是如何連接起來形成更大更復雜的分子的）；

·      膜的形成（一個封閉安全的環境對這些化學反應十分重要）；

·      代謝網絡的形成以便產生和利用能量（光合作用和ATP的使用只是一些現代生物利用能量的例子，早期新陳代謝的機制或許已被今天的新陳代謝機制所取代）

 

有一些理論認為，新陳代謝和（或）膜狀結構必須要最先進化出來。比如，膜的形成為早期的化學反應提供了一個封閉可控的環境，給早期的生命創造了接受保護和營養的先決條件。此外，跨膜離子梯度是細胞新陳代謝的必要條件，膦脂膜為此提供了可能。但以上所述的這些依據都是建立在“水是生命之源”這一前提之下的，這一基本假設或許適用于地球上的生命，卻不一定跨宇宙皆準。

 

  通向生命之路和共生協作  

 

使問題更為撲朔迷離的是，因為生命或許通過不同的途徑進化了多次，所以很有可能最早出現的蛋白質和核酸已經滅絕，取而代之的是結構與功能都已不同的現代蛋白質和核酸。時至今日，我們只能通過已知的生物和他們的祖先來作出判斷，但這只能追溯到太陽系形成的45億年以后。

 

在幾十億年的漫長歲月里，生命的進化途徑有無數種排列組合的可能，因此要想準確判斷最初的生命是如何形成的幾乎完全沒有可能。科學家們只能根據已知的證據作出最貼切的假說。

 

很多生物學家強調，細胞所有的組成部分都是相互依存的，它們必須密切協調才能保證細胞正常運轉。這在一定程度上解決了先有雞還是先有蛋的難題。就像保羅·周伊特（Paul Jowett）寫到的那樣：“目前為止任何一個細胞組成部分的自我復制都不可能獨立完成。這或許證明了自我復制在分子水平上是不能完成的，而只能依靠不同分子間的相互協作。”

 

  地球生命是從哪里開始的？  

 

如果能弄清楚生命誕生時的外部條件，科學家就有可能推測出核酸和蛋白質究竟是如何出現和組合的。但我們首先要明白的是，地球上最初的環境和現在是完全不同的。早期地球溫度很高，并且沒有像現在這樣充足的氧氣。直到25億年前，地球上發生了大氧化事件，游離氧才大量增加。所以最初的地球生命面對的是一個和我們現在所看到的完全不同的世界。

 

以下幾個地方，是科學家認為的生命的可能誕生之地。

 

  海底熱液  

 

自從在大陸架附近發現海底熱液后，生命最初誕生于此便成為了一個最受歡迎的說法，主要有以下幾個原因：

·      海底熱液的溫度最高可以達到400攝氏度，大多數有機化合物在這么高的溫度下是不穩定的。可是現在我們能在類似的高溫環境中找到一些原始的古菌，這說明生命是可以承受這樣的極端條件的。

·      堿性熱泉水與富含碳酸的酸性海水的混合，為生物最初的進化提供了能量梯度（一般認為早期海洋含有大量的碳酸）。

·      海底熱液提供了大量的碳酸鈣，可以為早期的原始細胞提供一層海水與熱泉之間的隔斷。

 

但是這些極端環境同時產生了一些不利因素：

·      與普通細胞內通常觀察到的鈉鉀離子含量相比，海水的鈉離子濃度太高而鉀離子濃度過低。這就凸顯了一個問題：如果生命起源于海洋之中，那么為什么細胞中的鉀的含量是鈉的10倍，而海水中鈉的含量是鉀的40倍。

·      一些科學家認為，在像海底熱液這樣的環境中存在的變量不足以形成多樣化的細胞器 （比如，干濕循環可能會使原始細胞脫水）；

·      RNA在紫外線下可以保持穩定，說明生命最初是有可能出現在富含紫外光的地球表面，而非海洋深處的。

 

  熱水田  

 

另一個在許多方面都優于海底熱液的假說，是生命可能最初發源于火山口附近的淡水泥坑中，這些泥坑又被稱作熱水田。相較于海底熱液說，熱水田說有幾大優勢：

·      這些泥坑中存在著干濕循環，這為生成復雜細胞器創造了更為有利的環境；

·      這些熱田是相對封閉的環境，允許生命所需的材料累積；

·      經受日照，可以接收太陽能以提供化學反應所需的能量。

 

關于光照究竟會幫助還是阻礙生命的形成，我們暫且尚無定論。一些理論認為光照會傷害脆弱的生命萌芽。而另一些實驗結果則表明紫外線可以幫助生成重要的核酸原料，例如氰化氫和硫化氫。更重要的是，科學家發現類似的化學反應可以生成蛋白質和脂類，這表明同一類化學反應可以生成生命所需的幾乎所有要素。

 

  其它的可能性  

 

就像熱水田一樣，潮水坑也具有一些生成生命的必要條件。這些水坑經歷了蒸發凝聚的循環，并且具有多孔性和水的活動梯度。事實上，20世紀50年代初的科學家曾將混有甲烷、氫氣和氨的燒瓶放入一個小水池中，在對其通電后，成功地制造出了氨基酸。但是最新的研究顯示，地球早期的大氣可能是中性（由更多的氮氣和二氧化碳組成）而不是還原性的，這促使科學家們更傾向于海底熱泉和熱水田假說。

 

  地球生命始于外太空？ 

 

盡管有充分的證據顯示我們的地球可以很好的支持生命的形成、生長和繁榮，但這仍不能完全排除生命起源于外太空的可能。

 

因為以上關于生命起源的理論論述除了能描述生命在地球上誕生以外，還同樣適用于太陽系的其它星球，比如木星的冰月——木衛二（歐羅巴）和土星的衛星土衛二。這就引出了另外一種假說：生命或者生命的種子是從外太空帶來地球的，這一類理論被稱為有生源說。

 

  有生源說  

 

由于科學家們在彗星、小行星和火星上都發現了構成生命的基本分子，因此他們懷疑在太陽系中的一些其他衛星上，也存在類似的有機分子。這就不難想象生命的基本要素有可能廣泛地存在于太陽系、乃至更遠的宇宙深處。

 

根據有生源說，生命廣泛存在并且分布于許多不同的行星體，它們甚至可以借助彗星移動。在太陽系中的星際物質和曾撞擊地球的彗星上都發現了氨基酸甚至水的痕跡。由此可見，在彗星或者行星的幫助下，生命可以在太陽系中甚至星系中自由移動，播撒新的生命分支。

 

的確，科學家們在系外行星上發現了越來越多的潛在的生命證據。TRAPPIST-1系統就是其中一個例子。TRAPPIST-1是一個由七顆地球大小的行星所組成的系統，盡管它們圍繞著的恒星溫度與質量都比太陽要小，但其中最多有三顆行星具有維持生命的可能性。或許我們所知道的生命就源自于像遙遠的TRAPPIST-1系統中的那些行星，它們通過宇宙中的星際物質，將生命傳播到了地球。

 

 

TRAPPIST-1系統：其中行星TRAPPIST-1e、f、g位于宜居帶內。（圖/NASA/JPL-Caltech）

 

在這樣的情形下，一些生命形態或許能在極端情況下休眠，等待時機成熟；一旦有了新的有利生命生長的適合環境，它們便會蘇醒、生長、蔓延。

 

事實上，一些微生物的存在支持著這個假說。緩步類、浮游類、八足類、微生動物類被證實可以在有太陽輻射的太空中存活。但是生活在巖石深處的生物或許具備更有利的生存條件，因為它們可以免受紫外線輻射的影響。

 

如果一些生物可以在宇宙中穿梭并播種，那么生命或許是從太陽系之外的某個很遠很遠的星系中產生的。如果是這種情況的話，或許在太陽系產生之前，我們的祖先就已經踏上了前往地球的路途了。

 

事實上，基于生命的復雜度和基因的非冗余是可以測量并且成指數上漲的（基于基因組的復雜程度比如基因協作，基因復制和隨后的專門化，還有生成針對性作用的一些基因），那么我們可以推測生命的誕生大約在97億年前。如果這些推測是對的，那么生命在太陽系產生之前就已經存在了，這也就從一個側面證明了有生源說。

 

  探索仍在繼續  

 

生命的起源是一個宏大而復雜的命題，我們很難精確地描述這一切是從何發生、又是如何發生的。文章中提到的種種假說只說明了通向生命誕生的路徑或許不止一條。一些科學家懷疑地球上的所有生命都起源于同一個共同祖先，但是我們今天所看到的物種僅僅是在上億年的進化中存活下來的那一部分，而其它那些已滅絕的物種或許會給出不同的答案。

 

科學家在研究生命的基本組成部分（膜狀結構、蛋白質、核酸）是如何形成并促成了我們所知道的生命的，他們已經得到了一些有價值的線索，但人類至今還未能僅憑無機化學物質就創造出生命。他們也試圖從反面倒推：根據現有已知的所有生命的基因來尋找那個生命繁衍的“共同分母”，但是答案依舊未知，或許我們永遠無法100%確切地知道生命到底是通過哪一種途徑進化而來的。我們能做的只有繼續探索，尋找那個最貼切的可能，來還原那個創造了地球上數以萬計物種的起點。

 

作者：新原理；來源： 原理微信號