一位天文学爱好者兼地质学家眼中的生命起源

  地球上的生命诞生于约40亿年前，即地球形成（45.4亿年前）后不久。虽然人们对复杂大分子到最简单细胞的进化仍然知之甚少，但对其起源并没有太多争议。生命的组成部分自然合成于彗星和陨石的尘埃表面，或由地球表面的地壳（岩石圈）中热水与富铁硅酸盐相互作用产生。然而，大量陨石和彗星在约40亿年前撞击地球，导致地表及地下富含大量硅（硅酸盐）和铁的矿物。

1.生命起源：细胞的故事

  19世纪中期之前，并没有人质疑生命的起源：生命是造物主的杰作。但无神论者和批判性信徒的自发生成理论认为：当环境合适时，生命（至少是简单的生物体）从矿物物质中自发出现。直到19世纪60年代，巴斯德用模拟实验证明，生物体并未在相同自然环境和持续时间的条件下出现，于是生命起源这个问题变得至关重要。一百五十年后的今天，我们如何总结这个问题？生命首先是一个细胞（见《第一批细胞的起源：工程师的观点》）。从“概念”上来说，制造一个细胞很容易，通过回溯过去可以总结为三个阶段。细胞的形成需要复杂的有机大分子，如蛋白质、核酸这类聚合物，且应该具有自动复制（拷贝或复制自己的行为）和催化特性（分子（例如酶）进行化学反应的能力）。这些存在于溶液或悬浮于水中的大分子还必须组合在一起，形成具有渗透性的膜，并联结成实体，将内部环境与外部环境隔开。在这之前，需要通过聚合形成较简单的有机单体(如氨基酸、含氮碱基、单糖)来合成大分子。而最基础的一步则是制造出合成单体所需的已经具有复杂结构的分子。因此，生命历史的最古老阶段是从无处不在的简单分子：二氧化碳（CO₂）；水（H₂O）；氨（NH₃）；氰化氢（CNH）等中合成氨基酸、含氮碱基，这些生命分子含有的主要成分为碳（C），氢（H），氧（O）和氮（N）。

2.地球上原始生命的化石证据

  哪里有关于生命起源的证据呢？想知道到哪里去找，首先要设法确定这三个阶段发生的环境、条件和时间。2016年形成的共识认为最古老的生命形态迹象可以追溯到约35亿年前。在澳大利亚或南非的沉积岩中发现的间接迹象显示了细菌菌幕（也叫生物膜，是微生物群落分泌的具有粘性和保护性的基质，通常形成于水或含水介质中。生物膜可能是生命有机体和叠层石中最早的生物群落的证据）的存在。叠层石通常是在浅水、海洋或淡水环境中产生的钙质结构。它们既是有沉积成因，也有生物成因（由蓝藻菌落建造）。叠层石本身是一种无生命结构，只有建造它的蓝藻细菌是有生命的。叠层石在35亿年前已经存在，遍布各大洲。其形态与目前的同类物质相当相似（图1）（见《生物圈，一个主要的地质角色》）。细菌细胞的残留物可以识别，但其起源仍存争议。含有机物的沉积岩中富含¹²C，即碳的轻（和主要的）同位素（同一化学元素的核素，质子数相同而中子数不同的同一元素的不同原子互为同位素）。然而，通过酶促过程（如本森–卡尔文循环（Benson and Calvin cycle））合成的有机分子也会富集¹²C，且与从古老岩石中发现的有机物中¹²C比例相同。目前还没有发现超过35亿年的形态学生命指标。但在格陵兰岛研究发现，距今38亿年前的变质岩（温度和压力上升后经历了矿物学转变以及结构转变的岩石）显示富集¹²C。出现¹²C富集异常的岩石（最古老岩石，实际上是矿物）可以被追溯至距今41亿年前的澳大利亚地区，表明在那时已有生物的存在。生命可能出现在地球还在受无数彗星和陨石的轰击、大气和海洋中没有氧气（O₂）、火山活动比如今更加活跃的时期。在这样的环境条件下，生命起源必须经历三个主要阶段。

3.生命起源三阶段

3.1.有机大分子形成细胞

  地质学家并不能充分理解第三阶段：即从聚合物和其他有机大分子制造细胞。因为这一步没有化石记录，只能参考化学家和生物化学家的研究工作，而这些工作在2016年还远未完成。自20世纪初以来，实验（以及最近的建模研究）指出了可能路径以及可能发生的情况：关于聚合物组成膜，膜转化为球状物，既具有催化特性又能进行还原反应（基于电子在一个氧化（失去一个电子）的分子和另一个被还原（获得一个电子）的分子之间转移的化学反应）和传输其复制所需信息的RNA（核糖核酸，是由一连串的核糖核苷酸（腺嘌呤、胞嘧啶、鸟嘌呤、尿嘧啶）组成的分子，在细胞内具有许多功能）的存在。

3.2.通过聚合制造有机大分子

  地质学家更关注生命起源的第二阶段：即通过聚合较简单的有机单体（如氨基酸、含氮碱基等）形成的大分子。实际上，这种聚合在很大程度上得益于催化剂，而地质过程提供了这类催化剂：例如黄铁矿（FeS₂）和层状硅酸盐（又称片状硅酸盐，由四面体层堆积而成的硅酸盐矿物）。主要的催化剂为粘土和蛇纹石。这些矿物的表面具有吸附单体（如氨基酸）的特性，能够将这些分子集中起来并促进凝聚。硫化物常见于火山地带，大量粘土和蛇纹石会在水与硅酸盐岩接触相互作用时被释放，特别是玄武岩（来自快速冷却的岩浆的深色火山岩）橄榄岩（超基性岩浆岩，地球上层地幔的主要构成部分）。这些岩石构成了岩石圈，即地表地壳（海洋或大陆）和刚性上地幔。因此，如果我们有一个“富含”氨基酸分子和其他有机分子的水介质（有时被称为“原始汤”），层层状硅酸盐和/或硫化物，阶段2和3就可以“自发”产生原始细胞（细胞原型，初级细胞），继而成为最早的生命有机体。

3.3.形成“生命的分子”

  氨基酸、含氮碱基和其他单体（即复杂分子的基本成分。由氨基酸形成蛋白质，碳水化合物形成复合糖，核苷酸形成核酸。有时被称为“生命的基本砌块”） 的来源，是第一阶段中形成蛋白质、核酸和其他大分子等复杂聚合物的关键。研究地球和太阳系的科学家们针对起源提出了三种可能的机制。

  大气起源。第一个起源假说（按时间顺序）于1953年提出：源自米勒的著名实验[1]。当时，人们认为大约40亿年前的地球大气主要由甲烷（CH₄）、氨（NH₃）、氢（H₂）和水（H₂O）组成。外部能量供应（放电、紫外线光子等）足以产生更复杂的分子，如氨基酸（参见《生命出现的时候：40亿年前地球海洋的化学》）。但现在人们认为，地球的原始大气不包括H₂，碳主要是以CO₂而不是CH₄的形式存在。在这种大气环境下，合成物将发生改变，放电和紫外线几乎只形成过度氧化的化合物。因此，米勒的实验可能不适用于地球。当然，这仍可能在特定地点发生，例如在富含火山化合物的大气中。这方面的研究仍在继续。

  外星起源。第二种起源假说是彗星和陨石带来生命分子（图2）。自1864年普雷德（Pride）（Tarn et Garonne）陨石坠落以来，一些陨石（碳质球粒陨石）被认为是太阳系最原始的陨石（其基本成分非常接近于太阳的成分）。它们的特点是富含碳、水和挥发性气体（特别是稀有气体）这些著名的“生命的基本砌块”。20世纪60年代，这些有机分子被证明为陨石所固有，并非受陆地物质的干扰。这与之前普雷德陨石坠落时人们提出（甚至延伸）的说法相反。此类陨石每吨含有的氨基酸相当于一个鸡蛋的质量，即60克，同时还有1.3克含氮碱基。

  通过光谱分析，可以在彗星尾部检测到简单有机分子。乔托（Giotto）（1986年）和罗塞塔·菲莱（Rosetta-Philae）探测器（2014-2016年）的原位分析证实了彗星中有机分子的存在。遗憾的是，菲莱着陆器无法对67P-CG彗星（亦称丘尤穆夫·杰拉西门科彗星（Churyumov-Gerasimenko），或简称Churi彗星）的尘埃进行分析。但通过分析从这些尘埃中逸出的挥发性化合物，就识别了16种含碳分子，其中一些是氨基酸合成的前体（参见《如何研究彗星的有机分子》）。2006年，美国星尘号（Stardust）探测器带回地球的一个彗星颗粒中含有甘氨酸（最简单的氨基酸）。罗塞塔（Rosetta）探测器搭载的“罗塞塔轨道器离子与中性粒子分析光谱仪”（Rosina）在Tchouri彗星尾部检测到了甘氨酸。当陨石或彗星碎片和尘埃到达地球时，大部分会在穿越大气层燃烧殆尽；但仍一部分会完整地到达地表。根据当前和过去的陨石流（从月球研究中推断）以及这些地外碎片的有机碳含量，估计有10¹⁵至10¹⁶公斤的有机分子在45亿至40亿年前到达地球而没有被破坏。这些地外有机分子被认为可以追溯到太阳系的大致起源时间。太阳系前星云的外部尘埃（聚集成彗星和碳质球粒陨石的尘埃）一定富含水构成的冰和其他小分子（CO、CO₂、CH₄、NH₃、CH₃O等）。而当这样的冰混合物被紫外线光子或宇宙射线照射时，就会形成更复杂的分子，包括我们熟知的生命基本砌块。

  地质学起源。海底和/或大陆底部土壤是有机分子形式生命起源的第三种假说。在适当催化剂存在下，H₂和CO₂可以在高温或中温环境中合成有机分子：

  CO₂ + 4H₂ → CH₄（和其他更复杂的分子）+ 2 H₂O（费歇尔-托罗普施（Fischer-Tropsch）反应）

  NH₃（氨）或HCN（氰化氢）可以合成氨基酸和含氮碱基（斯特雷克（Strecker）反应）。然而，当不太冷的水（T≥80℃）与含有Fe²⁺形式铁的硅酸盐（橄榄石、辉石等）接触时会发生反应，可概括为：

  橄榄石+H₂O →蛇纹石+青铜矿+磁铁矿+H₂

  因此，只要水（海水、地下水等）与含橄榄石的热岩石（如橄榄岩）接触，就可以产生H₂（图3），同时生成磁铁矿（Fe₃O₄）和蛇纹石（一种含水的富镁硅酸盐矿物）。磁铁矿作为催化剂，可以促进费歇尔-托罗普施（Fischer-Tropsch）反应。此外，氢氧镁石（Mg(OH)₂）维持的碱性环境有利于斯特雷克（Strecker）反应的发生。事实证明，蛇纹石是一种非常好的有机单体聚合催化剂。因此，这些水与热橄榄石接触的地点具备了生命出现的“一切条件”：典型的氨基酸单体，以及使其聚合的催化剂。相比而言，其他两种假说（由陨石或彗星带来的单体，或在大气中合成然后落到地面上的单体）需要另一个条件：它们必须到达含层状硅酸盐的地理区域。但是，地球上并不缺乏层状硅酸盐，这意味着生命起源的化学过程可能在多种环境中发生。

4.生命起源的结论和展望

  所有上述假说都强调，生命起源无需任何特殊条件，这可能是一个“相当容易”实现的自发现象；在地质时间尺度上，生命在地球上的出现“速度很快”，这进一步支持了生命起源的容易性。 “容易”和“快速”这两个词必须从地质学角度来理解。“快速”是指生命出现的时间距今不到4亿年，或者说不到地球历史的8%。而“容易”则理解为，当一个难题“快速”完成时，它就是“容易”的。所有内容表明，只要有液态水、陨石和彗星降临和/或水与橄榄石或辉石接触，就可能出现生命。这些条件在太阳系中并不罕见，特别是火星、欧罗巴（木卫二）、恩克拉多斯（土卫二），更不用说无数的太阳系外行星。未来的研究将告诉我们到底发生了什么？对于火星、欧罗巴和恩克拉多斯等太阳系内的天体，通过太空探测器直接进行现场探测“只是”时间问题。而对于系外行星，在可预见的未来无法进行原位研究，只能依赖于其大气和表面的光谱分析。尽管目前研发探测器能力不够，但我们可以寻找系外行星的大气层中高度氧化（如O₂）和高度还原（如CH₄）化合物光谱线的共存。这将证明该大气层中存在着强烈的化学不平衡。而生命是这种化学不平衡的一个巨大成因，这种共存可能表明有生命的存在！

 

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参考资料和注释

[1]Miller SL & Urey HC (1959) Organic Compound Synthesis on the Primitive Earth, Science, 130, pp. 245-251.