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先说结论:生命的起源有两种假说:陆地热泉说和深海黑烟囱说,但到目前为止还有待验证。

著名的哲学三问“我是谁?我从哪里来?要到哪里去?”,哲学自身永远无法给出答案,如果有一天我们能找到答案,那给出回答的一定是科学。

生命起源之谜——第一个生命是怎么诞生的?

这一章的主题就是“我从哪里来”,即生命的起源问题。

自从达尔文的进化论创立以来,科学家们一直面临着一个终极谜题——第一个生命是怎么诞生的?在这卷壮丽的生命演化诗篇中,进化论能解释所有后面发生的事情,唯独无法解释这一切是怎么开始的。

生命起源之谜——第一个生命是怎么诞生的?

1953年,在芝加哥大学的一间实验室中,有两个人向这个谜题发起了冲锋。其中一个叫米勒,他是一名研究生,还有一个是米勒的导师,诺奖得主尤里。当然,真正干活的肯定是研究生米勒嘛。他们将水(H2O)、甲烷(CH4)、氨(NH3)、氢气(H2)与一氧化碳(CO)这五种物质密封在无菌状态下的玻璃管和烧瓶内,然后将他们连结形成一个回路。

在这个精巧的装置中,其中一个烧瓶装着半满的水,另一个则含有一对电极。米勒和尤里用这个装置模拟太古时代的地球环境。他们首先将液态水加热产生水蒸气,然后将另一个烧瓶中的电极通电,产生电火花,这就模拟了闪电。水蒸气经过电极之后,又再度凝结并重回到原先装水的烧瓶中,使实验得以循环进行。

一周后,水竟然变成了黄绿色。他们惊喜地发现,约有 10% 到 15% 的碳以有机化合物的形式存在,其中 2% 属于氨基酸,以甘胺酸最多。而糖类、脂质与其他一些可构成核酸的原料也在实验中形成了。米勒的导师尤里看到后非常兴奋,他说:“我敢打赌,上帝就是这么干的”!

米勒-尤里实验的结果一公布,就在公众中引起了极大的反响,生物学家们也纷纷奔走相告,进化论诗篇那缺失的序章终于给找到了,“我们从哪里来”的问题终于告破了。当时的新闻报道让人觉得,只要有人把一些化学物质放到一个瓶子中,然后用力摇一摇,生命就会从里面爬出来一样。

我非常理解当时人们的心情,延续了几千年的哲学三问萦绕在人类的头脑中,我们多么希望能够解答其中的任何一个问题啊。所以,尽管这个实验是如此显而易见的简陋,而且结论也明显不能说明生命的起源问题,可人们还是很乐于夸大它的作用,假装获得了满意的结论。

当然,过了没多久,冷静下来的科学家们,包括米勒自己也出来告诉那些欢喜过了头的科普作家们,别高兴得太早,我们离真相还差得远呢。

  • 首先,我们对原始大气的成份其实一无所知,那五种物质和它们的配比基本上就是连猜带蒙的。
  • 然后,即便我们的猜测是正确的,我们的实验过程也都真实还原了远古地球的环境,可是,我们也只是合成了一些小分子有机物啊,从氨基酸到蛋白质,从蛋白质到核酸(DNA和RNA),再到生命,那还差得十万八千里啊。

不过,在那之后的二十多年中科学家们在研究生命起源时,目光依旧是停留在地球表面的,他们普遍认为地球原始大气、原始海洋、还有闪电、火山、地震等等自然现象是生命诞生的基本条件,我们要搞清楚的无非就是这些物质和自然现象之间是如何发生相互作用,最终诞生了生命。

然而,到了 1977 年,一艘深海潜艇的偶然发现却彻底转变了人们的看法。这是怎么回事呢?

话说美国有一艘传奇潜艇叫阿尔文号。当年美国人曾经因为加油机和一架 B-52 轰炸机相撞导致一枚氢弹沉入地中海,这可不得了,要是给恐怖分子率先打捞上来那还了得。于是,阿尔文号一战成名,在 1000 多米深的海底把氢弹给捞了上来。谁知英雄阿尔文号在 1968 年由于缆绳断裂,沉没于 1600 米的海底,幸好那次没载人。11 个月后才被打捞上来,重装上阵。

就是这艘传奇的阿尔文号,1977 年来到了著名的加拉帕戈斯群岛附近的海域,深潜入将近 2500 米深的海底。在这片完全漆黑、压力巨大的海底,科学家们发现,数十个丘状体不停地喷着黑色和白色烟雾,含硫化物的炽热液体从直径约 15 厘米的烟囱中喷出,温度高达 350℃,科学家们形象地把这些喷着烟雾的丘状体统称为海底“黑烟囱”。

生命起源之谜——第一个生命是怎么诞生的?

令人震惊的是,在这样一个似乎是生命禁区的地方,却发现了生命。

2 年后的 1979 年,阿尔文号载着很多生物学家再次回到这里,对海底黑烟囱做了一次全面的考察,这次考察刷新了人类对生命的认知。在这样的一个极端环境中,却存在着一个完整的生物群落,从细菌到各种蠕虫,再到各种虾兵蟹将,那是应有尽有。

这些生物不需要氧气,他们的能量来源是海底火山口的热量以及各种硫化物。他们发现的嗜热细菌能够在 350 摄氏度的高温海水中存活。这次发现真是彻底刷新了人们过去对生命的认知啊。

生命起源之谜——第一个生命是怎么诞生的?

进一步的科学研究表明,海底黑烟囱的这种环境与地球早期的环境类似。于是,科学家们就提出了原始生命起源于海底黑烟囱的理论,而第一批诞生的生命——我们人类最早最早的祖先——就是嗜热微生物。沿着这个方向,科学家们又找到了一些很重要的证据,例如

  • 在大西洋深海的“黑烟囱”,发现有一种虾的背上有感光区,能够感知蓝绿光线,这很可能就是光合作用的最早起源。
  • 另外,有一次美国科学家在 5000 米深的海底把深潜器的灯光关闭了 5 分钟,在一片漆黑中,他们在热液口发现了光线。这种光可能被最早的某一种生物利用了,这个时候光合作用效率高的优越性就显示出来了,把生物的演化往前推进。

于是,在这样的背景下,生命起源于海底黑烟囱的假说就越来越流行了,可以说,这也是目前在科学界接受度最高的一种生命起源假说。

它甚至影响了我们探索外星生命的方向,如果这个假说成立,那么在太阳系中的木卫二(欧罗巴)和土卫二(恩科拉多斯)这两颗卫星冰封的海底,就有可能存在生命。为了验证这个推测,美国宇航局正在耗费巨资推动欧罗巴和恩科拉多斯的进一步探测计划。

生命起源之谜——第一个生命是怎么诞生的?

总体来说,不管生命是起源于海洋浅层,还是起源于海底黑烟囱,都是起源于海洋,这也是科学界最普遍的观点,在全世界任何一个自然博物馆,讲解人员都会告诉观众们一个生命从海洋爬上陆地的故事。

然而这个观点却面临着一个最大的问题,那就是:海洋里面的水太多了,生命必须的分子在那里散开得太快,快到来不及相互作用,快到无法形成细胞膜和原始的新陈代谢途径。

最近这几年,有一些学者就提出了一种完全不同的假说。他们认为,陆地上的水池才是更好的生命摇篮。

在古老地球的火山附近有着大量的热泉和间歇泉形成的水池,这类水池干湿交替、不断循环,它的热量可以催化各种化学反应,干旱期可供简单分子聚合成为复杂分子,湿润期则可以让这些聚合物四处流动,在这之后的干旱期又能把聚合物困于细小的孔隙中,让它们相互作用,甚至在脂肪酸构成的囊泡中进一步浓缩——而脂肪酸囊泡正是细胞膜的原型。

生命起源之谜——第一个生命是怎么诞生的?

可以说,这是一个完全不同于生命海洋起源说的理论。对于同一种现象,有不同的科学解释,这在科学的发展史上太常见了。但科学有一个最大的特点,就是看证据,决定一个理论命运的不是哪个权威的支持,也不是某种意识形态的支持,而是证据。谁的证据更多更好,谁就能最终胜出。我们来看看陆地起源说都有一些什么样的证据。

戴维·迪默早在十多年前就已经冒出了生命起源于陆地的想法。他是这样想的:

  • 当简单的分子组件暴露于陆地热泉独特的干湿循环中时,它们就会聚合成较长的、携带信息的聚合物,比如核酸,这是原始生命生长和复制必不可少的物质。
  • 其他关键性的聚合物,比如多肽,也可能是在相同条件下由氨基酸形成的。
  • 还有一点至关重要,另有一种名叫脂类的基本结构分子可能会形成微小的囊泡,把携带信息的聚合物装在里面,使其免受伤害。对于生命的诞生,这些化合物都是必不可少的。

为了验证这个想法,迪默带着团队前往了俄罗斯远东地区勘察加半岛上的一座活火山,这座火山的名字叫穆特洛夫斯基火山(由于俄罗斯人取的名字都太长、太难念,我后面就简称为穆特火山)。

生命起源之谜——第一个生命是怎么诞生的?

这个地方热泉和间歇泉密布,人迹罕至,是他们认为最接近地球 40 亿年前环境的地方。迪默随身带了一瓶白色的粉末,粉末里包含 4 种氨基酸、4 种碱基,以及磷酸盐、甘油和一种脂类。他们认为这些就是在地球的前生命时代能够找到的原料。迪默把这瓶混合物倒入一个翻滚的热泉泉眼。没过几分钟,泉眼边上就出现了一圈白沫。这些泡沫包含无数气泡,每个气泡里都包裹着原始汤中的化合物。

迪默就想:如果这些气泡在水池边上干涸掉,它们里面那些挨在一起的物质会结合成聚合物吗?这个阶段可能为产生第一个生命打下基石吗?

迪默回到自己的实验室,和同事们一起把简单的核苷酸和脂类相混合,以检验自己的想法。他们模仿穆特火山的热泉条件,让这些混合物处于类似的温度和酸度下,经历干湿循环。

  • 他们得到了较长的聚合物,长度从十个核苷酸到上百个。
  • 后来,迪默和同事使用X射线衍射技术分析了产物的结构,他们发现这些聚合物与核糖核酸(也就是RNA)非常相似。
  • 不仅如此,这些聚合物还被脂类封装起来,形成了大量微小的囊泡,他们称为“原细胞”。

尽管它们还不是生命,却也明显是通往生命的重要一步了。

迪默的实验只用了几个干湿循环,得到的是相对来说较简单的分子。他的同事戴默认为,更多的干湿循环会为这些“原细胞”带来另一个生物的关键特征:适者生存。

戴默猜想,每一轮干旱都会让囊泡的脂类薄膜破开,让囊泡内外的聚合物和营养物质相混合。一旦重新被水浸润,脂类薄膜又会闭合,把成分不同的聚合物混合物封裹在里面。每一组混合物都代表一场自然实验。

原细胞越复杂,生存下来的几率就越大。那些适应性更强的原细胞会存活下来,并把它们的整套聚合物传给下一代,从此攀上进化的阶梯。这个模型就像是一种化学计算机,它“启动”了生命的功能,而一切的开端则是以聚合物形式随机写就的“程序”。

2015 年的某一天,一个偶然的机遇,让戴默又给这个模型增加了一个阶段。有一天戴默在沙漠中穿行,偶然发现在岩壁上有一些干巴巴的棕色微生物层,出于好奇,他往上面浇了点儿水,没想到,它们竟然重返生机,变成了绿色的凝胶状物质。

戴默意识到,如果在干湿循环里插一个半湿润状态,那么在这种状态下存活的原细胞就会挤作一团,成为与微生物凝胶相似的胶体,聚合物和营养分子也会穿越脂类薄膜,进行混合和交换。而这个由相互协作的原细胞们组成的群落更容易找到帮助自己生存的最佳分子。

乔基奇是澳大利亚天体生物学中心的女博士,范克拉嫩东克则是资深的地质学家。2014 年 6 月,他们共同来到澳大利亚西北部一个叫做皮尔巴拉的偏远地区。在那里,有一片古老的沉积岩层,有 34.8 亿年的历史,被称为得雷瑟组

在这层岩石中,有一些橙白相间皱褶的岩石叫硅华,是地表火山口间歇泉的产物。他们发现,这些石头里存在气泡,是气体陷入黏稠的膜中形成的,而这些膜很可能就是由远古的类似细菌那样的微生物制造的。

这些发现表明,那里很可能发生过之前介绍过的三阶段循环。 他们在 2017 年 5 月的 《自然通讯》杂志上发表了这些证据。他们认为,既然德雷瑟曾经被地热系统所主宰,地表曾密布热泉,那么显然它也曾拥有生命起源所需要的许多关键成分和有组织的结构。

循环流动的热液为它提供了能源,这些热液富含氢,由地下的岩浆加热。岩石中有大量硼,这种元素是合成核糖的关键成分,而核糖对 RNA 这样的核酸来说必不可少。

德雷瑟也有磷酸盐,这些成分是从下层岩石中溶解出来,通过酸性的地下热水输送上来的。磷酸盐是核酸的重要成分,也被所有生命以 ATP 形式加以利用。这个 ATP 就是三磷酸腺苷,是细胞内提供能量的分子。热液喷口和火山湖蒸发留下的沉积物中更汇集了锌元素和镁元素,所有已知生物门类的细胞原生质中都有多种酶含有这两种成分。

生命起源之谜——第一个生命是怎么诞生的?

最后,德雷瑟还有粘土矿物,它的层状结构, 带有电荷,可以在制造有机分子时起到催化剂的作用。

作为一个与生命起源地条件相似的研究对象,德雷瑟最令人兴奋的地方恐怕就在于它的多样性。因为在生命起源这个科学领域,多样性就是生命的佐料。德雷瑟现在确实只剩又干又硬的石头了,但在早期,像它这样布满温泉的地热区却拥有成百上千个池洼,每个水池的 PH 值和水温都略有差异,每个水池里的离子和其他化学成分都千差万别。

在这些地热区中,化学反应极为复杂,因为它们同时具备三个活跃的反应界面,

  • 水岩界面
  • 气水界面
  • 气岩界面

地热区不同地点的温度也不尽相同。把所有这些因素都考虑进来,于是每天都会上演无数轮的干湿循环,就像黄石公园著名的老忠实泉。在这种情况下,不停变化的池水化学成分,异常活跃的反应界面,间歇泉来回喷溅以致池水中的化合物反复交换,更何况它的地下还有一个四通八达的缝隙网络。

简单计算一下可知,有 100 个热泉的地区,复杂的环境条件下,每年可以产生 100 万种组合,甚至更多!

生命起源之谜——第一个生命是怎么诞生的?

每个温暖的小水洼都变成了一个“创新之池”,每个都是一片试验田。在水洼中,能适应环境的分子组合会快速涌现、成功生长并自我复制;不适应的分子组合则会被踢出局,没法更进一步。在“装配”出第一版生命前,很可能已经有无数的分子组合出现并被淘汰了,而这个过程一般来说需要耗费几亿年的时光。

但是,从概率上来说,生命可能在仅仅 1000 万年内就产生了。这个过程的第一步开始于 40 多亿年前,那时地壳才刚刚稳定下来,火山活动频繁的陆地星罗棋布于海洋之中。

我们必须要知道,到目前为止,陆地热泉说深海黑烟囱说都还只是处在有待验证阶段的两种科学假说。

科学有一个最大的特征就是它可以自我完善自我纠错。所有的假说,只要你有了初步的证据和自洽的逻辑论证,都可以登上历史的舞台,但这些理论必须使用全世界的科学家都能看得懂的语言。

我这里所说的语言当然不是中文、英文这种语法语言,而是说有些理论宣称只能用中文,并且只能了解了中国古代的传统文化后才能理解,那么这种理论就不是我所说的全世界的科学家都能看得懂的理论,这样的理论也永远不可能得到科学共同体的认可。

那么科学又是如何自我纠错的呢?

靠的就是同行评议证据为王这两种精神,你所提出的任何证据都必须是同行在独立研究的情况下能复现的。

两种生命起源的理论最终谁能胜出,现在还很难说。海底烟囱假说不仅没有消亡,反而进展不断。美国航空航天局喷气动力实验室的生物化学家麦克•拉塞尔(Mike Russell)将“阿尔文”最初有关黑烟囱的发现发展为一个更漂亮的模型。

根据他的想法,在海底烟囱岩石上的微小孔洞中形成的矿物薄膜,可以把喷出的碱性液体与酸性更强的海水隔离开来。这将制造出相差数个 PH 值的酸性梯度,就像家用氨水和橙汁的酸碱度差异一样。

这种梯度是一种可供利用的能量,如今的细菌在细胞里制造 ATP 的方式与此如出一辙。海底烟囱还有另一种能量来源,就是氢气和二氧化碳等溶解在热液中的气体。

拉塞尔和同事提出,当古老海水中的二氧化碳和氢气相混合时,电子从氢气向二氧化碳转移,可以合成更复杂的有机物。在他们看来,矿物薄膜构成的囊泡与细胞相似,而PH值梯度和氢气所提供的能量最终能演化为最早生命所需的原始代谢途径。

现在看来,陆地热泉说和深海烟囱说都有深远的影响。除了指导人类进一步探索地球生命的起源外,它们也为我们去太阳系中的其他行星及卫星寻找生命指出了不同的道路。

  • 如果深海烟囱假说是对的,那么土卫二和木卫二等卫星上的冰冻海洋就是值得关注的对象
  • 但如果我们的陆地热泉假说是对的,那么卫星的冰冻海洋就不太可能有生命,生命就更可能在火星诞生,毕竟火星上有过广布的火山,也有水,两者相加即可构成热泉

2008 年,美国航空航天局的“勇气”号火星车的确在火星的哥伦比亚山发现了 36.5 亿年前的热泉沉积物。这与我们的德雷瑟热泉差不多古老,而德雷瑟非常好地保存了关于地球早期生命的证据。

对于深海烟囱假说和陆地热泉假说,要判定孰是孰非还有很长的一段路要走。生命起源就像由很多块图案拼成的拼图,每块该放在哪里,我们如今还了解得不够。以德雷瑟为例,我们还不知道的是:

  • 什么原因让某些元素在不同的池洼里富集?
  • 地热区域如何随时间演化?
  • 在合成或降解有机分子时,不同的化学物质是如何相互作用的?

对于生命出现之前的那些温暖小水洼中的化学过程,我们还需要设计更成熟的实验,来研究复杂的有机分子是怎样形成的,以及当它们包裹于薄膜中时,又是怎样相互作用和结合的。

无论是在陆地还是海洋,物理和化学定律都为这个拼图游戏提供了有用的框架,而我们这一章中讲到的地质和化学发现也在为这块拼图添砖加瓦。但是,只有把更多图块放到正确的位置,我们才能看到生命起源的清晰图景。

令人欣慰的是,科学已经帮我们找到了通往答案的道路。

最后,我们来谈一下这个问题:地球上最古老的生命是诞生于地球的哪个年龄。这个问题一直在被刷新答案。如果你在网上搜索的话,会找到各种版本的答案。其中最流行的一个答案是 38 亿年。

这个答案的出处是 1996 年的《自然》杂志,一篇报道称,在采自格陵兰亚开利亚(Akilia)岛的岩石中发现了生命的证据,这些岩石的同位素分析显示了某些神秘微生物的代谢活动,这些岩石的年龄约 38 亿年。

但这个只能算是间接证据,并不是直接证据,所以还是有一些争议。

就在 2017 年 3 月,《自然》杂志再次刊登了一篇论文,标题就是《地球上最古老的热液渗出物沉淀早期生命的证据》,这是目前我可以查到的最新鲜的一篇有关地球最古老生命的、刊登在核心期刊上的论文,而且这篇论文已经被维基百科上的众多有关生命起源的词条所引用。

但奇怪的是,这篇论文似乎没有引起中文世界的广泛关注,我还是在用英文检索到了这篇论文后,再用其中的关键词搜索,才搜到了几篇零星的中文报道。

两位伦敦大学学院的研究者宣称,他们在加拿大的魁北克省的纳沃基达克绿石带(这个地名的原名是印第安语,我在请教了一位生活在加拿大的朋友后,自己音译的,因为确实没有标准的中文译名)发现了 37.7 亿年前至 42.8 亿年前形成的微生物化石。

这些微生物化石从照片上看,就是一些细小的丝状体、细小的管状物、矿物颗粒和条状物,它们的实际直径大概只有头发丝的二分之一到十分之一。两位研究者认为,这些结构能够证明发现的丝状物曾有生命痕迹。因为在迄今为止的科学发现中,只有生物结构才能解释他们观察到的组合物,磷灰石、碳酸盐和石墨碳应当是从变质和氧化的生物质矿物中产生的。

这个发现是生命起源于深海黑烟囱的一个证据,因为这些岩石来自于深海热液泉的沉积岩。论文的一位作者在接受路透社采访时说:

“地球约在 45 亿年前形成,海洋在约 44 亿年前出现,如果微生物化石能够证明诞生于 42.8 亿年前,就提示了生命在海洋形成后随即出现的可能。”

生命到底起源于陆地还是海洋,现在下结论还为时过早,或许是在陆地和海洋同时起源呢?

古老的哲学三问仍然会长期萦绕在人类的头脑中。我相信,只要科学精神不死,人类终有一天能找到全部的答案。

原文链接:http://www.toutiao.com/i6750476421983896077

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