Posted by
生命为什么在这里？
这不仅是一个哲学问题，更是一个关乎人类未来的科学问题。
最早的生命痕迹可以追溯到40亿年前的冥古宙，但在地球伊始，地球如何，以及在哪里孕育出第一个生命，如何从一个死气沉沉的无机世界，变成充满的生命的有机星球，仍是一个个未解之谜。
无论生命起源在何处，以何种方式发生，都取决于三个关键的要素。
首先，地球上所有已知的生命形式都需要液态水。所有的活细胞，即使是那些在沙漠生态系统中生存的细胞，大部分也都是由水构成，因此地球上的第一个细胞肯定是在水环境中产生。
其次，生命活动需要能量。目前，生命的主要能量来源是太阳能，但在早期的地球上，闪电、小行星撞击、地球内部的热量、矿物的化学能，都有可能是生命能量的来源。
第三，生命依赖于多种化学元素，这些元素以优美的几何形状组合在一起，才形成基本的生物分子。
原始汤理论
二十世纪初，科学家就已经意识到这一点。于是在1924年，二十多岁的俄国化学家亚历山大·奥帕林提出了原始汤理论:在富含有机物的水域，有机分子以某种方式聚集在一起，并自发形成一个可以自我复制的化学系统，生命的种子开始萌发，生命起源于海洋的基调被奠定。
但是理论毕竟是理论，需要实验去验证。奥帕林及其同时代的科学家，并没有在实验中实现由无机物向有机物的转变。
直到1953年，美国芝加哥大学年轻研究员米勒和他导师尤里，设计出具有里程碑意义的实验，才敲开了生命起源的大门。
他们用装有水的玻璃烧瓶模仿地球原始海洋，用另一个装有甲烷，氨和氢的烧瓶模拟早期的大气，用试管连接烧瓶，电极模拟雷电，同时轻轻地将水煮沸，让里面的化学物质循环。
实验开始时，水是纯净透明的，但几天后，溶液变黄，黑色残渣开始在电极附近堆积，水和简单气体反应产生大量包括氨基酸在内的有机分子。
米勒实验最大的成功之处在于巧妙地耦合了早期地球的各种复杂特征:水汽循环、热力梯度、化学反应等，以一种看似合理的方式揭示了生命起源的过程。
在后续的实验中，其他科学家成功合成了其他关键的生物分子，例如形成细胞膜的脂类、高能量的糖，以及构成遗传物质的核糖，生命如何起源的问题似乎已经不成问题。
然而，米勒所创造的构成生命的分子模块仅仅是漫漫生命之路的第一步，它们需要连接形成构成蛋白质的肽链，需要链接成RNA，这些大分子容易在宇宙辐射或太阳紫外线照射时断裂，因此，大分子最好是在破坏性较小，能量较低的区域完成，深海无疑是个好地方。
深海起源
1977年，深海生态系统意外发现。在深海黑烟囱附近，生物常年与阳光隔绝，微生物是主要的能源生产者，它们发挥着与植物相同的生态作用。
在这里，含有氧气的冰冷海水和炽热的火山喷出物，以及富含硫的矿物混合，形成有机物和能量来源。这种奇特的生态系统致使地质学家迈克尔•罗素开始倡导生命始于热液喷口。
随着在大西洋和太平洋的洋脊发现丰富的热液生态系统，生命始于热液喷口观点逐渐确立，深部起源假说已经被广泛接受。相比被彗星和小行星撞击的地球表面，深海生态系统将为生命的起源和进化提供一个比洋表更有利的位置。
除此之外，深层油井，南极千米深的冰层之下，干燥沙漠的深处，微生物都比比皆是，预示着生命似乎可以不依赖于阳光而生长，这些生物附着在矿物表面茁壮成长，水与岩石的相互作用为生命提供化学能量。因此，热液喷口起源被广泛接受，成为一种可行的、但未经证实的米勒地表起源假说的替代方案。
但是随着对细胞的深入研究，许多科学家发现生命起源于海洋的假说存在一个根本问题：构成生命基石的有机大分子可以在水中分解，蛋白质和核酸的链接处很容易受到大量水分子攻击而断裂。
水悖论
1986年，已故的生物化学家罗伯特•夏皮罗在其著作《起源》中写道：在碳化学世界中，水是大分子最大的敌人，因为分子可以被水分解，这就是水悖论。
在生物体内，细胞通过限制水在细胞内的自由流动来解决分子被水分解。因此，流行的细胞质图像通常是错误的。生物课本中描述的细胞基质只是一个容纳所有东西的袋子，所有东西都可以游动，这并不正确，细胞基质是凝胶体而不是单纯的水，生物必须控制水的通量。
因此，广阔的海洋环境可能并不利于生命形成，它无法使化学物质浓缩。生命的关键分子及其核心过程只能在相对较浅的水域中形成，水环境必须高度浓缩，甚至有时会完全变干，在干湿交替的陆地环境中，生命才可以形成。
2009年，科学家找到生命起源于干湿交替环境的证据。科学家萨瑟兰成功地制造出构成RNA四个核苷酸的其中两个。他将磷酸盐和四种简单的有机物溶解在水中，但高度浓缩，通过加热这些物质，使其经受紫外线辐射并间歇性干燥，最终结果产生RNA、蛋白质和细胞的其他核心成分，而在此之前这被认为是不可能的，同时在之前的生命起源于原始海洋的实验中从未合成过如此广泛的生物分子。
所以，萨瑟兰认为生命不可能在海洋深处起源，只能在阳光充足的池塘或溪流中，组成生命的简单有机物才能集中。
2019年，美国生物化学家皮特对这种观点进行扩展。他们证实如果氨基酸变干，氨基酸会自发连接形成蛋白样链。与地球古老的其他氨基酸相比，现在蛋白质中存在的20多种氨基酸更有可能发生这类反应。
同时，间歇性干燥也可以驱动大分子构件组装得更复杂。1982年，加利福尼亚大学科学家研究了大分子脂质如何自发形成包围细胞的细胞膜。他们首先制造囊泡：即球形斑点，其亲水基核心被两个脂质层围绕。然后研究人员将囊泡干燥，脂质重新组织形成多层结构，就像一叠煎饼。先前漂浮在水中的DNA链被困在两层之间。当研究人员再次加水时，囊泡进行重整，DNA进入囊中。
2008年，科学家将核苷酸、脂质与水混合，然后进行干湿循环。当脂质形成层时，核苷酸连接成RNA状链。
除此之外，这些研究指出生命起源的另一个关键因素：光。
合成生物学家杰克·索斯塔克（Jack Szostak）利用一些简单细胞——即包含少量化学物质，但可以生长，竞争和自我复制的细胞进行一些实验。如果将这些原始细胞暴露在与陆地相似的条件下，它们表现出更逼真的行为，原始细胞可以利用光能以简单复制形式进行分裂。
其次，紫外线辐射可以推动铁硫簇的合成，这对许多蛋白质合成至关重要，铁硫簇的合成可以驱动储能分子ATP的合成，有助于为活细胞提供动力。但是如果将铁硫分子暴露在水中，它们就会破裂。
因此，许多科学家相信生命始于光线充足，水量有限的陆地表面。但是，水在生命起源的过程中扮演的角色仍存在争议。
干燥的环境为蛋白质和RNA等分子的形成提供了机会。但是，简单地制造RNA和其他的大分子并不是生命，物质必须形成一个自我维持的动态系统。
有科学家认为，水破坏可能会促进生命形成，就像捕食动物比被捕食动物进化得更快，第一个生物分子可能已经进化出应对水的化学攻击的能力，甚至能利用水的破坏性。
在新西兰罗托鲁瓦附近温泉中进行的一项研究表明，来自温泉的样品经历了干燥再润湿的循环之后，产生类似RNA的分子。干燥可以导致氨基酸自发连接。
但是，研究小组也发现它们的原蛋白可以与RNA相互作用，两者在水中都变得更加稳定。实际上，水扮演自然选择的角色，只有那些可以在水中生存的分子可以存在，其他分子则会被破坏。在每个润湿周期中，链接较弱的分子或无法通过结合而自我保护的分子被水破坏。而较稳定的更复杂的分子则不断积累。
所以，生命起源环境中的水不应该那么多，以至于生物分子被破坏得太快；但也不至于没有那么少，以至于生物分子没有任何变化。
那么，生命起源可能发生在哪些地方呢？
火山温泉是第一个候选者。脂质会在热水中形成原始囊泡，池塘边缘的干湿循环将推动核酸的形成和复制。科学家在现代火山温泉中进行过几次实验，证实囊泡可能在温泉水中形成，甚至能包封核酸，同时也发现当干燥囊泡时，核苷酸能连接起来形成RNA样链，那么形成生命是理所应当的事情。
其次，生命可能起源于陨石坑。陨石坑本来就是一个复杂的环境，陨石坑表面的矿物可以充当催化剂，有机物小分子可能会交替溶解在水中并在阳光下干燥。铁镍陨石很容易形成生命起源需要磷酸盐和铁。而且陨石坑还有一个优势：陨石撞击会冲击大气，产生氰化物，形成生命起源的原始有机分子。
但是生命到底起源于何处，恐怕科学家永远也无法知晓，随着地球生态系统的复杂化，人类无法模拟出四十多亿年前的那个朴素的地球，只能通过盲人摸象的方式拼凑出生命出现的种种可能，形成一条可行的证据链。
虽然我们喜爱灵光一闪的故事， 喜欢那些能改变世界的重大发现，但更多的时候科学是一种深耕，需要依靠科学家小心翼翼地剔除那些失败的假设，直到真相显露。在真相到来之前，我们还需耐心等待。
参考资料：
Rethinking the Search for the Origins of Life – Eoshttps://www.nature.com/articles/d41586-020-03461-4https://www.evolutionisamyth.com/biological/water-paradox-water-needed-for-life-yet-water-destroys-living-things/Knoll A H , Canfield D E , Konhauser K O . Fundamentals of Geobiology[M]. Wiley-Blackwell, 2012.Miller, S. L. Science 117, 528–529 (1953).Powner, M., Gerland, B. & Sutherland, J. Synthesis of activated pyrimidine ribonucleotides in prebiotically plausible conditions. Nature 459, 239–242 (2009). https://doi.org/10.1038/nature08013Xu, J., Chmela, V., Green, N. et al. Selective prebiotic formation of RNA pyrimidine and DNA purine nucleosides. Nature 582, 60–66 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2330-9Patel, B., Percivalle, C., Ritson, D. et al. Common origins of RNA, protein and lipid precursors in a cyanosulfidic protometabolism. Nature Chem 7, 301–307 (2015). https://doi.org/10.1038/nchem.2202Deamer, D.W., Barchfeld, G.L. Encapsulation of macromolecules by lipid vesicles under simulated prebiotic conditions. J Mol Evol 18, 203–206 (1982). https://doi.org/10.1007/BF01733047Damer, B., and D. Deamer (2020), The hot spring hypothesis for an origin of life,Astrobiology, 20, 429–452,https://doi.org/10.1089/ast.2019.2045.