地球上的生命可能起源于一鍋原始湯，生命的基本特征從中自發(fā)涌現。

作者｜劉培源 集智俱樂(lè )部主編

我們是誰(shuí)，從哪里來(lái)，是人類(lèi)世世代代追問(wèn)的問(wèn)題。地球上的生命可能起源于一鍋原始湯。2020年9月，發(fā)表在《科學(xué)》雜志上的一項研究發(fā)現，僅僅利用水、氮氣、甲烷等6種簡(jiǎn)單的無(wú)機物，讓它們相互發(fā)生化學(xué)反應，不斷迭代下去，就可以產(chǎn)生多種催化劑，它們同時(shí)又是化學(xué)反應的參與物，從而形成一個(gè)自我催化、自我復制的化學(xué)循環(huán)。

生命起源于一鍋原始湯？

生命的起源一直是科學(xué)家關(guān)心的問(wèn)題。最初的地球，顯然是沒(méi)有生命的。從簡(jiǎn)單的無(wú)機物中，如何孕育出復雜的生物體？早在19世紀，達爾文在寫(xiě)給植物學(xué)家約瑟夫·胡克的信中就曾猜想，或許地球生命起源于一個(gè)溫暖的小池塘。在這個(gè)小池塘中，如果氨和磷酸鹽、光、熱、電等條件都具備，就可以形成蛋白質(zhì)這樣的生物大分子。達爾文的思想后來(lái)逐漸發(fā)展為關(guān)于生命起源的原始湯假說(shuō)。簡(jiǎn)而言之，原始湯假說(shuō)認為，地球上的生命起源于一鍋無(wú)機物混合的原始湯：在原始地球環(huán)境下，簡(jiǎn)單的無(wú)機物通過(guò)化學(xué)反應轉變?yōu)橛袡C物，有機物發(fā)展為生物大分子，直到出現一個(gè)最簡(jiǎn)單、最原始的細胞，最終演化出地球上繽紛多彩的各類(lèi)生命形態(tài)。

1953年，原始湯假說(shuō)的一小部分——從無(wú)機物中產(chǎn)生有機物的過(guò)程被實(shí)驗證實(shí)。這就是我們在中學(xué)課本上學(xué)過(guò)的米勒-尤里實(shí)驗。當時(shí)，化學(xué)家尤里和米勒將多種無(wú)機物（水、甲烷、氨氣、氫氣和一氧化碳）密封于燒瓶?jì)?，然后用電極產(chǎn)生火花，模擬原始大氣電閃雷鳴的環(huán)境，觀(guān)察是否真的能合成有機物。結果驚人地發(fā)現，燒瓶中產(chǎn)生了蛋白質(zhì)的基本組成成分——氨基酸。這個(gè)實(shí)驗極大地支持了原始湯假說(shuō)，但原始大氣成分到底是怎樣的，我們并不清楚?？茖W(xué)家在考察過(guò)遠古地球的氣候、溫度等因素后發(fā)現，氨氣、甲烷、氫氣或許從未在同一時(shí)間段作為地球的主要氣體存在過(guò)。在考慮到這些因素后，后來(lái)的實(shí)驗再也沒(méi)能復制米勒-尤里實(shí)驗的成功，原始湯中也沒(méi)有自發(fā)產(chǎn)生氨基酸。原始湯假說(shuō)似乎變得岌岌可危。幸好，來(lái)自海底熱泉的研究為事情帶來(lái)了轉機。地球上的生命可能起源于一鍋原始湯。｜Wired

深海熱泉帶來(lái)轉機上世紀70年代，科學(xué)家在太平洋加拉帕戈斯裂谷看到了一幅奇異的景觀(guān)：這里蒸汽騰騰，煙霧繚繞，雖是兩千多米深的海底，卻煙囪林立，恍若置身火山口——這便是深海熱泉。更令人驚奇的是，熱泉周?chē)且粋€(gè)生機勃勃的生命世界，聚集著(zhù)細菌、甲殼類(lèi)、 管蠕蟲(chóng)和章魚(yú)等各種大小的生物，種群密度堪比珊瑚礁生態(tài)。在光線(xiàn)無(wú)法穿透的黑暗深海，尚且有生命出現，從原始湯中形成生命，似乎也頗有可能。到了80年代，第二類(lèi)熱泉也映入科學(xué)家眼簾。不同于第一類(lèi)熱泉由火山和巖漿形成，第二類(lèi)熱泉由海水滲透進(jìn)巖石形成。緩慢的海水侵蝕使得巖石形成奇特的紋路，在電子顯微鏡下呈現出大量微小的空腔，與細胞尺寸相仿，卻并非細胞遺跡。

科學(xué)家們猜測，這些空腔可能是孕育生命的理想場(chǎng)所，大自然的第一鍋原始湯或許就曾盛放在這里。最早的生命在演化出自己的細胞結構之前，寄居在大自然提供的這些天然隔離屏障中，正如遠古人類(lèi)寄居在洞穴里一樣。這些空腔的壁上富含硫鐵礦，天然具有很強的催化能力，催化其中的生命物質(zhì)自我復制。而遺傳物質(zhì)的復制是生命復制的核心，正是它讓一個(gè)細胞發(fā)展為一團細胞，讓一棵樹(shù)蔓延出整片樹(shù)林，讓一對鳥(niǎo)繁衍出整個(gè)島嶼的鳥(niǎo)。

深海熱泉周?chē)巧鷻C勃勃的生命世界。｜維基百科

生命起源的“雞生蛋”問(wèn)題，或許無(wú)需糾結自然固然有自己的道路，在原始湯中成功孕育出能夠自我復制的生命?？墒?，人類(lèi)似乎難以窺見(jiàn)其智慧。我們不得不苦苦思索，米勒-尤里實(shí)驗斷掉的鏈條要如何連上，無(wú)機物究竟是怎樣產(chǎn)生出生物大分子，并獲得自我復制的能力的？進(jìn)入20世紀，網(wǎng)絡(luò )科學(xué)迅速興起，給人們帶來(lái)啟發(fā)。正如連接是網(wǎng)絡(luò )的本質(zhì)一樣，科學(xué)家們猜測，在從原始湯孕育出生命的過(guò)程中，關(guān)鍵的未必是幾種特定分子，也可能是一批相互作用的不同分子。不同分子相互作用，從中涌現出生命的基本特征——自我復制。

2020年《科學(xué)》雜志上的論文為這種猜想提供了證據。研究者使用化學(xué)算法軟件，僅僅以水、氮氣、硫化氫、氨氣、氰化氫、甲烷這?6種簡(jiǎn)單物質(zhì)作為起始反應物，讓它們相互反應，產(chǎn)生的新物質(zhì)接著(zhù)繼續參與反應，一代代持續下去，形成一個(gè)龐大的化學(xué)網(wǎng)絡(luò )，其中包含數萬(wàn)種分子，有許多是生物體內存在的有機物。他們在分析后驚人地發(fā)現，在這個(gè)網(wǎng)絡(luò )中，竟然會(huì )產(chǎn)生多種催化劑。它們既是催化劑，也是化學(xué)反應的參與物，讓化學(xué)反應越來(lái)越快，積累的物質(zhì)越來(lái)越多。也就是說(shuō)，從簡(jiǎn)單的無(wú)機物開(kāi)始，就可以自發(fā)形成自我催化、自我復制的化學(xué)循環(huán)——這正是生命的自我復制能力的根基。

研究還發(fā)現，除了催化劑，反應產(chǎn)物中還有表面活性劑。這是一類(lèi)可以讓目標溶液表面張力顯著(zhù)下降的物質(zhì)，可以改變浸潤性、幫助增溶、乳化、起泡等。我們常見(jiàn)的洗滌劑，主要成分就是表面活性劑。

你可能一時(shí)想不到表面活性劑和生命有什么聯(lián)系，事實(shí)上，細胞膜的主要功能成分就是表面活性劑。這層表面活性劑可能幫助形成生命和周遭環(huán)境之間最原始的邊界，加速個(gè)體細胞生命的形成。

模擬實(shí)驗讓我們看到，幾種簡(jiǎn)單無(wú)機物相互反應，不斷迭代，就可以產(chǎn)生具備自我催化、自我復制能力的生物大分子，以及表面活性劑這道生命屏障。這也啟發(fā)我們，或許根本無(wú)需糾結生命起源領(lǐng)域的一個(gè)“雞生蛋”問(wèn)題：具有自我復制能力的DNA和具有催化功能的蛋白質(zhì)，到底誰(shuí)先產(chǎn)生？情況可能是，一切都在原始湯中自發(fā)涌現。雖然相關(guān)研究還相當初步，卻無(wú)疑讓我們窺見(jiàn)了生命起源的一道亮光。非生命和生命的界線(xiàn)，一開(kāi)始可能并沒(méi)有那么清晰。

如今生機勃勃的生命世界，都是從無(wú)機物分子組成的一鍋原始湯中產(chǎn)生。下一次當我們漫步沙灘上，看到散落的石頭、貝殼，看到水草、魚(yú)群，砂礫和空氣，你會(huì )不會(huì )覺(jué)得，那些非生命的物質(zhì)，也都和我們更親近了一些。


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