苍天有情自何始：地球生命起源之谜（1）
本文编译自BBC年度热文“the secret of how life on earth began”，原文较长，先分成多期发布。
本文与前期文章《天地玄黄、宇宙洪荒：宇宙大爆炸理论介绍》共同组成天问第一期“溯源”主题，探讨万物起源和第一推动力问题，也就是门卫保安经常问的第一个问题：“你从哪里来的？”。
今天的生命已经征服了每平方英寸的地球，但是当这个星球形成时它是一块死寂的岩石。 生命是如何开始的呢？
生命如何开始？ 几乎没有比这个更大的问题了。 在人类的大多数历史上，几乎每个人都相信过一些版本的“神创造世界”。 任何其他的解释都无法让人信服。
但这已不再是真的，在上个世纪，一些科学家试图弄清楚第一个生命如何诞生。 他们甚至试图在他们的实验室中重新创造这个创世纪的时刻：从零开始创造全新的生命。
目前，还没有人搞定，但我们已经取得了长足进步。 今天，许多研究生命起源的科学家都相信他们正处于正确的轨道上 - 而且他们通过实验来验证、增强了他们的信心。
这是我们探索、发现我们终极起源的故事。 它是一个充满了痴迷、奋斗和辉煌创造力的故事，其中包含了现代科学的一些最伟大的发现。 了解生命开始的努力已经将前赴后继的男男女女们送到我们星球最遥远的角落。 其中的一些科学家被（宗教和愚昧的人类）打上怪物的标签，而其他科学家则必须在残酷的极权主义政府的铁幕下进行工作。
这就是地球上生命诞生的故事。
恐龙生活得年代实际上离我们很近（来源：Oleksiy Maksymenko / Alamy）
生命是古老而悠久的，恐龙也许是其中最著名的已灭绝的生物，他们起源于2.5亿年前。 但生命可以追溯到更遥远。 最古老的化石是35亿岁，是最古老的恐龙的14倍。 但化石记录可能会进一步向前延伸。 例如，2016年8月，研究人员发现似乎是37亿年前的化石微生物。
这些波浪形态可能是37亿年的化石（来源：Nutman等人，Nature）
地球本身的年龄并不是很古老：形成于45亿年前。 如果我们假设生命是诞生于地球上的 （这似乎是合理的，因为我们还没有在其它地方找到它），那么在地球形成后直到我们发现的最古老的生物化石之间的10亿年，也就是生命起源所花费的时间。 随着我们逐步逼近生命起源的准确时间，我们也在对生命是如何起源的进行有根据的猜测。
生命之树：大多数分支是细菌（来源：Hug，Banfield等人，Nature Microbiology）
自19世纪以来，生物学家已经知道芸芸众生皆由“细胞”构成：就是一些装着生物质的大大小小各异的小袋子。 细胞在17世纪首次被发现，当时发明了第一台现代显微镜，但是让人们认识到它们是所有生命的基础，又花了一个多世纪的时间。
你可能不认为你自己看起来像鲶鱼或霸王龙，但是显微镜会显示出你们都是由相当类似细胞组成的。 植物和真菌也是如此。但到目前为止，最多的生命形式是微生物，每一种都是由一个细胞组成的。 细菌是其中最著名的群体，它们在地球上的任何地方都能找到。
2016年4月，科学家提出了“生命之树”的更新版本：每种生物物种的一种家谱。 几乎所有的分支都是细菌。 此外，树的形状表明细菌是一切生命的共同祖先。 换句话说，包括你在内的每一个生物 - 最终都是从一个细菌中衍生来的。
这意味着我们可以更精确地定义生命起源的问题：
仅使用35亿年前的地球上发现的物质和条件，我们必须能生成一个细胞。“Using only the materials and conditions found on the Earth over 3.5 billion years ago, we have to make a cell”
那么它有多难呢？
一个完整的活细胞（来源：Equinox Graphics Ltd）
第一章 第一次实验
对于历史上的大多数时候来说，没有人真正认为有必要关心“生命是如何起源的”，因为答案似乎很明显。在十九世纪之前，大多数人信仰“生命主义”。 人们的直觉让他们相信：生物被赋予了一种特殊的、神奇的特质，使它们与无生命的物体根本不同。
“生命主义信仰”常常与珍爱的宗教信仰有关。 圣经说，上帝用“生命之气”来让第一个人鲜活起来，不朽的灵魂是一种生命力的存在形式。
对此我们只有一句话：生命主义信仰是错误的。
到了十九世纪初，科学家发现了几种似乎是生命独有的物质。 其中一种这样的化学物质是尿素（urine），它在尿液中发现，并在1799年被分离出来。 这个发现仍然是与生命主义信仰吻合的。 似乎只有生物能够制造这些化学品，所以也许他们被注入了生命的能量，这使得他们与众不同。
但在1828年，德国化学家弗里德里希·沃勒（Friedrich Wöhler）发现了一种方法，从一种常见的化学物质“氰酸铵”（ammonium cyanate）制造尿素，这与生物没有明显的联系。 其他人跟随着他的脚步，很快就弄明白：所谓“生命的化学物质”都可以由与生命无关的、更简单的化学物质制成。
德国化学家弗里德里希·沃勒（FriedrichWöhler），摘自1856年由道夫·霍夫曼（Rudolf Hoffmann）出版的刊物
“The chemicals of life can all be made from simpler chemicals that have nothing to do with life”
这是生命力作为一种科学概念的结束。 但人们发现这个想法很难放开。 对于许多人来说，将我们简化为纯粹的机器，认识到生命中的化学物质没有什么“特殊”，似乎夺取了生命的神圣意义。
而且当然，这也违反了圣经。
即使是科学家也努力维护生命力学说。 直到1913年，英国生物化学家本杰明·摩尔（Benjamin Moore）正在热切地推出一种“生物能量”（biotic energy）理论，这个理论本质上是仅仅是不同名字的生命力学说。 这个想法是对逝去情感的强烈留恋。
今天，生命力这个想法还在一些不经意的地方出现。 例如，有很多科幻故事，一个人的“生命能量”可以被提升或消失。 想想《Doctor Who》中的Time Lords使用的“再生能量”，当能量变低时，甚至可以重新加满。 这听起来挺有未来感的，但它其实是一个很早就有了的老式想法。
然而，在1828年以后，科学家们有合理的理由去寻找一个没有神参与的生命诞生理论， 但他们没有。 这似乎是一个很显然需要探索的课题，但事实上，生命起源的奥秘被忽略了几十年。 也许每一个人仍然在感情上依附于生命力学说而没有走出下一步。
“The mystery of life's origin was ignored for decades”
查尔斯·达尔文（Charles Darwin）阐明，所有的生命都从一个简单的共同祖先演变而来
相反，十九世纪的巨大生物学突破，是由达尔文等人提出的进化论。
达尔文的理论，在1859年的“物种起源”（ On the Origin of Species）中提出，解释了现在形态各异、纷繁复杂的生命是如何由一个共同的祖先派生来的，而不是由上帝一个个分别创造的，他们都是从数百万年前生活的那个原始生物体衍生而来的：那个终极的共同祖先。
这个想法被证明是非常有争议的，因为它与《圣经》相矛盾。 达尔文和他的想法受到凶猛的攻击，尤其是那些愤怒的基督徒。 但进化论对于第一个生物体如何形成一无所知。
达尔文猜测生命开始于一个“温暖的小池塘”（来源：Linda Reinink-Smith / Alamy）
达尔文知道这是一个深刻的问题，但是，也许警惕再次与教会发生争执，他似乎只在1871年写的一封信中讨论过这个问题。他兴奋的语言表明他知道这个问题的深刻意义：
“但是假设（啊，一个多么伟大的假设）我们可以构想：在某个温暖的小池塘里，用各种氨和磷酸盐（ammonia & phosphoric），施加光、热、电和电流，一个蛋白质化合物就这样用化学方法合成了。并且准备好，再经历更多的复杂变化...“
换句话说，如果曾经有一小片水，充满简单的有机化合物，并沐浴在阳光下。 这些化合物中的一些可能结合形成类似蛋白质的生命样物质，然后可以开始发展并变得更加复杂。这是一个粗略的想法。 但它将成为生命开始的第一个假设的基础。
这个想法出乎意料之外。 你可能会认为，这种大胆的自由思想将会在具有言论自由的民主国家发展，也许是美国。 但事实上，生命起源的第一个假设是在一个野蛮的极权主义国家发明的，在这个国家，自由思想被消除：苏联。
亚历山大·奥波林（Alexander Oparin）在苏联生活和工作（来源：Sputnik / Science Photo Library）
在斯大林的俄罗斯，一切都在国家的控制之下。 这包括人们的想法，甚至是与共产主义政治无关的科学，如生物学。
最著名的是，斯大林有效禁止科学家研究常规遗传学。 相反，他强迫推广一个名叫Trofim Lysenko的农民工的想法，他认为这更符合共产主义意识形态。 从事遗传学的科学家被迫公开支持 Lysenko的想法，否则就要面临进劳动改造集中营的风险。
亚历山大·奥波林（Alexander Oparin）在这个高压的环境中进行了生物化学研究。 他能够继续工作，因为他是一个忠诚的共产党人：他支持赖连科（Lysenko）的想法，甚至获得了列宁的命令，这是生活在苏联的人的最高荣誉。
在1924年，Oparin发表了他的书“生命的起源”。 在那里，他提出了一个与达尔文温暖的小池塘相似的生命诞生的设想。
当地球冷却后，海洋开始形成（图片来源：Richard Bizley / Science Photo Library）
Oparin想象地球刚形成时的样子： 地表灼热，太空中的岩石坠落下来撞击着地面。就像一锅半熔融的岩石粥，含有大量的化学物质，包括许多基于碳的化学物质。
当地球逐渐冷却、水蒸汽凝结成液态水，第一次降雨发生了。 在形成海洋之前的长时间内，地球上炎热、富含碳基化学品，这时，有两件事可以发生：
首先，各种化学物质可以相互反应，形成许多新的化合物，其中一些化合物会更复杂。 Oparin认为与生命密切相关的的分子，如糖和氨基酸，都可能在地球的水域形成。
其次，一些化学品开始形成微观结构。 许多有机化学品不溶于水：例如，油在水面上形成一层。 但是当这些化学物质中的一些接触水时，它们形成称为“凝聚层”（coacervates）的球形小粒，直径可以达到0.01cm（0.004英寸）。
如果你在显微镜下观看凝聚层（coacervates），他们的行为活脱脱就像活细胞一样。 他们成长并改变形状，有时分裂为两部分。 他们也可以从周围的水中吸收化学物质，使近似生命的化学物质聚集在里面。 Oparin提出了凝聚层是现代细胞的祖先假说。
五年后的1929年，英国生物学家J. B. S. Haldane在《理性年鉴》中发表的一篇短文中独立提出了一些非常相似的观点。
哈尔丹（Haldane）已经对进化理论作出了巨大贡献，有助于将达尔文的想法与新兴的遗传学科学相结合。
他也是一个活得比生命本身伟大的人物。 有一次，由于一些减压室的实验，他遭受了耳膜穿孔，但他后来写道：“耳鼓通常会愈合，即使可能留了一个洞，虽然有些耳聋，却可以将烟雾从有问题的耳朵喷出来，这是一个不错的社会成就。“
就像Oparin一样，Haldane概述了有机化学物质如何在水中积累，“直到原始海洋形成了均匀的热稀汤”。 这为“第一个生命或半生物”的形成创造了舞台，每一个都被包围在了“油膜”中。
英国遗传学家J. B. S. Haldane（来源：Science Photo Library库）
这是告诉世界上所有生物学家，Oparin和Haldane提出了这一点。 以纯化学方式形成了生物有机体，没有上帝、甚至没有“生命力量”，这个想法是激进的。 就像达尔文的进化理论一样，它必须面对众多的基督徒。
这其实挺适合苏联呢，苏维埃政权是冠冕堂皇的无神论者，其领导人渴望对诸如生命等深刻的现象进行唯物主义的解释。 Haldane 也是一个无神论者，也是一个专注的共产主义者。
“当时，接受或不接受这一想法基本上取决于个人信仰：他们是宗教信仰还是支持左派或共产主义思想，”德国奥斯纳布吕克大学的起源专家Armen Mulkidjanian说。 “在苏联，他们因为不需要上帝而高兴地被接受，在西方世界，如果你要寻找按这个方向思考的人，他们都是左派，共产主义者等等。
在原始有机化学汤中形成生命的想法被称为Oparin-Haldane假说。 它是优美和引人注目的，但是，它有一个问题。 没有实验证据支持，这种情况在将近四分之一个世纪都不会改变。
Harold Urey (来源: Emilio Segre Visual Archives/American Institute of Physics/Science Photo Library)
当哈罗德·雷耶（Harold Urey）对生命的起源感兴趣时，他已经赢得了1934年诺贝尔化学奖，并帮助建造了原子弹。 在第二次世界大战期间，Urey在曼哈顿计划上工作，收集了炸弹核心所需的不稳定铀-235。 战争结束后，他致力于把核技术控制在平民应用中。
他也对外太空化学感兴趣，特别是当太阳系第一次形成时所发生的事情。 有一天他做了讲座，并指出，地球大气层初次形成时，可能没有氧气。 这将为Oparin和Haldane的原始汤提供理想的条件：脆弱的化学物质会因与氧气接触而被破坏。
一名叫斯坦利·米勒（Stanley Miller）的博士生也在听众中，后来来到Urey面前并提了一个提议：“我们是否可以测试这个想法吗？” Urey犹疑了，但是Miller说服了他。
所以在1952年，米勒开始了那个在所有实验中最有名的生命起源实验。
The Miller-Urey 实验 (来源: Francis Leroy, Biocosmos/Science Photo Library)
设置过程很简单。 Miller连接了一系列玻璃瓶，并且施加了四种化学物质：他推测存在于早期的地球上，沸水（boiling water），氢气（hydrogen gas），氨（ammonia）和甲烷（methane）。 他控制气体进行反复电击，模拟了在地球早期非常常见的雷击。
米勒发现“烧瓶中的水在第一天后变得明显粉红色，而到了周末，溶液变成深红色又浑浊“。 显然，已经形成了一份混杂的化学物质。
当米勒分析混合物时，他发现它含有两种氨基酸（amino acids）：甘氨酸（glycine）和丙氨酸（alanine）。 氨基酸通常被描述为生命的基石，它们用于形成、控制我们身体中大多数生物化学过程的蛋白质（【岭南按】蛋白质是生命最重要的大分子，一度被认为是基因的载体）。 米勒从零开始就制作出了两个生命中最重要的元素。
结果发表于1953年著名的杂志“科学”（Science）上。Urey表现出了非同一般的高尚行为：他把自己的名字从论文上拿掉了，给了Miller独享的荣誉。 尽管如此，这项研究通常被称为“米勒 - 雷亚尔实验”（Miller-Urey experiment）。
实验室里的Stanley Miller(来源: Science Photo Library)
英国剑桥分子生物学实验室的John Sutherland说：”米勒 - 瑞雷的冲击性在于表明：你可以从简单的大气开始，生产出大量的生物分子”。
实验里的细节后来发现是错误的，因为后来的研究表明，早期的地球大气层的气体组合并不相同（跟试验中）， 但这已经接近真实的结论了。
萨瑟兰（Sutherland）说：“它具有巨大的标志性，激发了大众的想象力，并被广泛引用。“
在米勒实验激发的觉醒之后，其他科学家也开始寻找从零制作简单生物分子的方法。 解决生命起源的奥秘似乎就在眼前。
但随之而来经历表明，生命比任何人都想的更复杂。 事实证明，活的细胞不仅仅是装着化学药品的小袋子：它们是复杂的小机器。 突然间，从0到1的创造生命、不再像科学家预期的那样，像是又变成了一个巨大的挑战。
细胞内的运作机到了令人难以置信的复杂度
探索生命起源之旅的精彩历程打开了大门，精彩的过程刚刚开始：生命进化过程中先有DNA还是先有RNA？生命进化过程中“复制第一”、还是“新陈代谢第一”？没有能量还复制个啥呀？！亦或是“细胞膜第一”？没有房子还谈啥恋爱？！
敬请期待下一期：《第二章 大分歧》
原作者：Michael Marshall ，31 October 2016
http://www.bbc.com/earth/story/20161026-the-secret-of-how-life-on-earth-began
天问 屈原
遂古之初，谁传道之？
上下未形，何由考之？
冥昭瞢暗，谁能极之？
冯翼惟象，何以识之？
明明暗暗，惟时何为？
阴阳三合，何本何化？
圜则九重，孰营度之？
惟兹何功，孰初作之？
斡维焉系，天极焉加？
八柱何当，东南何亏？
九天之际，安放安属？
隅隈多有，谁知其数？
天何所沓？十二焉分？
日月安属？列星安陈？
出自汤谷，次于蒙汜。
自明及晦，所行几里？
夜光何德，死则又育？
厥利维何，而顾菟在腹？
女岐无合，夫焉取九子？
……
【翻译】：
在那个无形无象的混沌之初，是谁把这个情形告诉了后代？
天地尚未成形这个事，又从哪里得以考证呢？
明暗不分混沌一片，谁能够在黑暗中探索世界？
大气一团迷蒙无物，凭什么将它识别认清？
日夜混沌交错，时间如何安排出来的呢？
阴阳参合而生万物，何为本源何为演变？
传说青天浩渺共有九重，是谁曾去环绕量度？
如此规模巨大的工程，是谁开始把它建造？
斗柄的轴绳系在何处？天极遥远延伸到何方？
八个擎天之柱撑在哪里？大地为何低陷东南？
九天之末，究竟在哪里依傍相连？
边边相交隅角众多，有谁能统计周全？
天在哪里与地交会？十二区域怎样划分？
日月归属哪里？众星又如何陈列？
太阳早上从汤谷出来，夜晚在蒙汜栖息。
从天亮直到天黑，所走之路究竟几里？
月亮何德何能，竟然能够死后再重生？
玉兔在月亮腹中对月亮有什么好处？
神女岐并没有丈夫，为何会有九个儿子？
……（凡171问，后面略，都挺开天目的）
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