这是云南澄江化石地自然博物馆内的沉浸式投影剧场

　　随着天文学、地质学、古生物学、分子生物学、细胞学等的发展，以及现代科学观察技术的进步，科学界对地球生命的起源之谜，即使还未达到真正的破解，也已取得了相当大的进展，为深入研究、破解生命起源之奥秘奠定了基础。

文/冯伟民

编辑/胡艳芬

　　地球生命是从地球自身产生，还是起源于外星？这是关于地球生命起源的两种假说。2022年6月，来自距地球3亿千米以外的小行星“龙宫”上的样本，又开启了人们对地球生命起源的新一轮讨论——日本科学家从小行星探测器“隼鸟2号”带回的“龙宫”样本中，发现了20多种氨基酸。不少科学界人士认为，这意味着人类对外星生命的探测又迈出了新的一步。

　　地球生命起源是一个亘古难解之谜。自古以来，人类曾有许多传说和宗教说法，如中国有盘古开天辟地说，西方有上帝造人说等。直到19世纪，伴随着达尔文《物种起源》科学巨著的问世，人类对地球生命起源的认知走上了科学探究之路。地球上的生命究竟产生于何时？是在怎样的环境下孕育而生？又经历了怎样复杂的进化过程？

　　随着天文学、地质学、古生物学、分子生物学、细胞学等的发展，以及现代科学观察技术的进步，科学界对地球生命的起源之谜，即使还未达到真正的破解，也已取得了相当大的进展，为深入研究、破解生命起源之奥秘奠定了基础。

生命是什么

　　生命是一些生物化学反应的组合；从物理学的角度看，生命是一个熵值比周围环境低的系统；从信息学的角度看，生命通过消耗能量的方式来维持信息的传递；从生物学本身来看，生命是一套自我复制的系统，是由细胞组成的、能够自我繁殖的能量代谢现象。

　　生命最基本的存在形式是细胞。一个活细胞具有非常复杂的系统，它由两种被生物膜包裹着的大分子组成。大分子由6种元素组成，即碳、氢、氧、氮、磷和硫。具有生命基本特征的细胞必须具有能自我复制的遗传系统核酸和活性蛋白质，必须有生物膜系统。由生物大分子组成的遗传系统能使生命一代一代地延续下去，而生物膜（或细胞膜）使生命结构与外部环境分隔。

　　理解生命的存在形式、组成和特征，有利于我们更好地理解生命的形成过程。比如组成生命的最基本元素，其中的氢元素一直可以追溯到宇宙大爆发之初，而水、蛋白质，核酸和细胞膜中的碳，氧和氮原子也有数十亿年的历史。

　　2020年底，“隼鸟2号”结束为期6年的太空探测，从“龙宫”带回约5.4克行星表面样本。到目前为止，日本科学家已从这些样品中检测发现了20多种氨基酸。为此，日本科学界郑重宣布，宇宙中存在生命之源。

　　其实，从坠落的陨石中，科学界已发现大量氨基酸小分子。比如，2022年4月，日本北海道大学的研究小组就宣布，他们利用最新的分析技术对包括1969年在澳大利亚发现的默奇森陨石在内的3块陨石进行了新的检测，成功地同时检测到了所有5种核苷酸，即构成核酸的碱基，这些核酸传递着生物体的遗传信息。但以往发现的陨石在撞击地球表面的过程中难免与地球物质接触，发生污染。所以，日本科学家基于新鲜的、无污染的样品，在无菌实验室做出的研究结果具有更高的可信度。

　　现代天文观察也发现，紫外线能使覆盖在星际尘埃微粒上的冰中的简单分子形成更复杂的有机化合物。一层薄薄的水冰积聚在尘埃颗粒的表面，这些冰含有简单的分子，如氨和甲醇等。

　　实际上，宇宙胚种论早在20世纪初，就由瑞典化学家、1903年诺贝尔化学奖获得者阿列纽斯于1907年首先提出。他认为，在宇宙中存在着微生物，这些微生物作为物种的孢子，在太阳光压力的推动下，被送到遥远的宇宙彼方，如果遇到像地球这样的行星，就把生命传播到那里。

　　同时，20世纪50年代，美国科学家米勒进行了著名的米勒实验。他们将甲烷、一氧化碳、二氧化碳、氨气、氮气等气体混合并进行放电实验，结果产生了氨基酸、糖、脂肪酸以及嘌呤、嘧啶等简单有机分子。后来，这些简单有机分子再聚合成生物大分子的过程也在实验室中模拟完成了。这表明无机分子还可以在地球自然环境下经过如闪电激发作用，合成氨基酸等有机小分子。这就是流行的化学进化说。

生命诞生需要的环境

　　生命诞生离不开环境的孕育。大环境与小环境都非常关键。从大环境来讲，地球早期与现在有很大的不同。当时地球形成的大气层充满了还原性气体，主要是氨气、氢气，还有水、一氧化碳、二氧化碳和氮气，这使原始地球初期形成的生物有机分子得以积累和保存。

　　那时大气层无游离氧，地球外层空间也未形成臭氧层，因此，强烈的太阳紫外线可以直射地表，并对早期大气中的化学反应起着重要作用。

　　另外，频繁的雷电、宇宙射线是原始地球化学进化中的重要能源。雷击可能产生了大量的闪电熔岩——玻璃状的熔砂、土壤或岩石，其中含有宝贵的陨磷铁矿。40多亿年前疯狂的闪电袭击可能有助于创造地球生命诞生所需的磷。2021年，美国耶鲁大学和英国利兹大学的科学家发表研究论文认为，地球上的生命可能是数十亿年前雷击的结果。

　　当地球告别大规模天体物的撞击，积蓄在地球内部的热量仍在通过火山不断喷涌而出，形成原始大气，而大气中的水分子在地表温度降低到100℃以下时，巨厚云层中的水分子倾泻而下，形成了几乎覆盖地球的海洋。

　　原始海洋的形成孕育了生命，然而海洋是如此辽阔浩瀚，形成生命所需的有机化合物溶液非常稀薄，显然有机分子难以进行有效的化学反应。因此，还需要从小环境上深入探究生命的诞生。从小环境看，生命究竟诞生于海洋深海黑烟囱壳壁上，还是陆地火山温泉的暖水池里？迄今还存在争议。

　　20世纪70年代末，美国阿尔文号潜入东太平洋加拉帕戈斯群岛附近的深海2610米至1650米处，发现了难以想象的冒着黑烟的黑烟囱和围绕着它的各种热液生物。黑烟囱具有高温、高压及含有丰富的还原性物质等特点，存在明显的化学浓度梯度和水温变化梯度，其热液口有着最大的温度、pH（酸碱性）和EH（氧化性和还原性）梯度。因此，深海热液喷口微生物生存环境与地球形成早期的环境十分相似。而且，科学家在热液口发现的嗜超高温微生物都是进化树的根基微生物。于是，科学家们提出生命有可能起源于热液环境的假说，但问题是深海黑烟囱情况无法在实验室模拟。

　　近年来，科学家又提出了生命可能起源于火山岛上的淡水中。因为当水从火山温泉中的淡水小池中蒸发时，即使是稀溶液也变得极其浓缩。膜状囊泡也很容易在火山温泉的淡水中聚集。科学家还发现，像核苷酸、碳水化合物、氨基酸单体在海水中难以形成大分子，因为这样的反应在热力学上是困难的。换句话说，形成大分子需要能量，而在溶液中的聚合反应只有通过化学方式来激活单体。

　　重要的是，科学家已经在新西兰温泉中做了实验。他们将装有核糖核酸（RNA）单体的小瓶放入新西兰温泉的边缘，并使用温泉中的水对它们进行了4次干湿循环。在实验室分析结果时，发现类似RNA的聚合物的产量很高。这一结果支持这样的观点，即生命的核酸大分子可以在类似于生命起源前的地球条件下合成，而不仅仅是在实验室里。

生命究竟诞生于何时

　　地球上生命起源的时间主要是根据最古老的生物化石、太阳系和地球的形成时间以及地球化学等多方面的资料推测而来。科学家通过分析澳大利亚西部40多亿年前的锆石矿物，发现那时的温度出奇地低，远低于熔岩的温度，这意味着存在海洋形式的液态水。

　　迄今，地球上发现的最古老的、较为可靠的化石来自澳大利亚西部约35亿年前的岩石中，它们是形态类似现代细菌的微体化石，属于单细胞原核生物。这说明生命诞生不会晚于35亿年前。科学家又在格陵兰岛37亿年前的岩石中发现了一类2～4厘米高的穹隆状结构，被认为是生物参与形成的沉积（叠层石）。近年来，在加拿大北部古老的地盾上，科学家甚至发现了42.8亿～37.7亿年前的直径约20微米的赤铁矿化丝状管体，疑似铁细菌化石。

　　地球早期曾被小行星等大小星际物体撞击过。巨大的月球环形山，就是这些撞击留下的伤疤。由于地球比月球大得多，它可能会遭受更多的撞击。最大的撞击所释放的能量可能会导致任何已经出现的原始生命的灭绝。有人认为，生命可能起源过多次，但都被猛烈的撞击抹去了一切，直到38亿年前大撞击结束后才得以幸存下来。由此看来，生命可能起源于42亿至38亿年前的某个时候。

生命形成经历的过程

　　生命是由蛋白质（活性酶）和核酸（遗传物质）及生物膜（分隔结构）组成，因此，生命起源主要是这些系统的起源。

　　传统观点认为，在早期地球大气中充满着随火山喷发而出的甲烷、一氧化碳、二氧化碳、氨气、氮气、水、氢气等气体，在热、离子辐射和紫外线辐射等不同能量的作用下，会在重金属或黏土（作为化学催化剂）的表面合成简单有机化合物（氨基酸、嘌呤、嘧啶等），再聚合成生物大分子（多肽、多聚核苷酸等），这个由无机化合物转变成简单有机化合物再聚合成生物大分子的过程，并不是一个十分复杂的化学反应，已经被大量的模拟实验所证明。

　　生命诞生的关键步骤是从生物大分子到原始生命的演化。它是生命形成中的关键事件，是生物与非生物之间难以跨越的鸿沟。近百年来，科学家试图在实验室中重复这个过程或某个步骤，但都没有获得满意的结果。例如，在奥巴林的“团聚体模式”和福克斯的“微球体模式”实验中，有类似于生命现象的过程出现，比如有类似于生物膜的双层结构产生，并在团聚体内发生复杂的生物化学反应等。但他们一直没有解决一个共同的难题，那就是生命的遗传物质核酸如何形成，及其如何与活性蛋白质结合而形成有遗传复制功能的细胞。

　　现在，科学家倾向于这样的生命形成模式——生命起源于从咸海中蒸馏出来的温泉水，然后落在火山大陆地上。陨石坠落和地球化学合成带来的有机分子积聚在温泉中。聚积在火山口附近温泉中的大分子进行自我选择，进而通过分子的自我组织实现自我复制和变异，从而形成核酸（遗传物质）和活性蛋白质，再加上分隔结构（如类脂膜）同步产生，最后在基因（多核苷酸）控制下的代谢反应，为基因的复制和蛋白质的合成等提供能量。这样，一个由生物膜包裹着的、能自我复制的原始细胞就产生了。这个原始细胞可能是异养的或者是化学自养的，它可能类似于现代生活在热泉附近的嗜热古细菌。几百万年之后，它们又顺坡向海洋迁徙，慢慢适应了越来越咸的海水，最终变得足够强壮，可以在潮间带繁衍生息。

实验尚难模拟生命细胞的形成

　　实际上，生命诞生绝不像上面描述的那么简单，因为生物与非生物之间存在着不易跨越的巨大鸿沟。实验实现生命形成过程是一个综合性的研究课题，需要诸多学科的交叉研究，并借助现代高科技手段才能逐步解决。地质学家曾质疑米勒实验中利用的还原性气体与早期地球的大气成分不相符，不能轻易地产生氨基酸、嘌呤、嘧啶等有机小分子。这就是一个典型的案例。

　　还如，20世纪90年代，生物学家在研究某些病毒时发现，RNA非常奇特，既有脱氧核糖核酸（DNA）的自我复制能力，又有蛋白质的催化性质，从而推测RNA可能是地球早期产生的最早的大分子，它同时承担了DNA和蛋白质的功能，后来才渐渐出现功能的分化，衍生出后两者。由此，生物学家提出一个假说：原始细胞形成之前可能存在一个“RNA世界”。但是，“RNA世界”假说与米勒实验的假说都是主张生命起源于低温状态的自然环境，这与热液生命起源说主张高温环境的起源截然不同。

　　牛顿曾说过，人类在大自然面前始终是一个“捡贝壳的孩子”。确实，我们离最终破解生命起源这一千古之谜还任重道远，但只要坚持用科学方法去探索，持之以恒，人类对于生命起源的认知会越来越接近真相。

　　（作者系中国科学院南京地质古生物研究所研究员）

来源：2023年1月25日出版的《环球》杂志 第2期

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