宇宙自然生命简史：43 生命起源于海洋、陆地还是地外？

有这样一个已经被科学研究确认的事实：在赋予我们生命的所有化学物质中，并没有任何特殊的东西。任何生物，不论是一条金鱼，还是一颗白菜，或是一个大活人，构成它们的基础元素都是四种：碳、氢、氧、氮。再加上很少的一点点其他元素，主要是硫、磷、钙和铁。把 30 多种这样的元素组合起来形成糖、酸和其它一些最基本的化合物，理论上，仅仅是理论上，就可以创造出任何生物。正如道金斯所说，“制造生物的物质并没有任何特殊之处，生物也是一堆分子的组合，与别的任何东西没有区别。”

可是，今天的科学家们也承认，生命的诞生是令人不可思议的，完全称得上奇迹。但我们用自身的存在反复证明了这样的奇迹是完全可能的，只不过，这个奇迹到底是怎么发生的，依然是自然留给我们的最大谜题之一。在所有关于生命起源的理论中，“水”都是必不可缺的条件。达尔文认为生命起源于“小小的热水池”，但到了现代，深海热液喷口是更热门的候选者。在过去很长的一段时间，大家认为这些理论存在一个很大的障碍。科学家发现物质从单体组合成聚合体的过程中（也就是蛋白质的创造过程中），必须包含一种生物化学中所说的“脱水缩合”反应。这是指一种两个分子在缩合为一个大分子的同时失去一个水分子的化学反应。也就是说，这种反应它能发生在干燥的环境中，但不应该发生在水中，就好像让你在水中和面，你能把面粉给和成一团吗？这就是生命从水中起源遇到的最大障碍。

科学家提出了种种假说试图解决这个难题，上世纪七十年代，在美国的《分子进化期刊》上，发表过不少相关论文，其中有两篇比较重要。一篇是日本科学家赤崛四郎发表的《蛋白质在生命形成前的模型实验》，他提出了一个能绕过“脱水缩合”这道难关的“聚甘氨酸理论”来说明多肽链的形成。他认为，在原始大气中产生的甲醛与氨和氰发生反应，能生成一种名叫“氨基乙酰氰”的有机物，这种物质能够聚合，然后水解，生成聚甘氨酸，也就是多个甘氨酸聚合在一起所形成的多肽链，最后经过侧基（R）的变化能得到由各种氨基酸残基组成的蛋白质，这个假说也得到了实验的支持。另一篇是以色列科学家卡特·恰尔斯基发表的《生命出现前的氨酰腺苷酸脱水现象》，他认为，原始海洋中的氨基酸是在某些特殊的粘土上缩合成多肽的。他们在实验室内先将氨基酸与腺苷酸起反应，生成了“活化的”氨基酸，也就是“氨基酰腺苷酸”，它在某些片层状粘土如蒙托土上，就能缩合成长短不一的多肽链。也就是说，恰尔斯基认为海洋中的生命物质并不是在海洋中形成的，而是在陆地上形成后，被雨水或者河流带入了海洋。这种观点也被称为生命的陆地起源说。

不过，现代的生物化学研究发现，只要有外部的能量输入，确实存在可以在水中完成的脱水缩合反应，这个谜题被部分消解了。但并没有完全消解，关键问题出在了细胞膜上，科学家们认为海洋中的水太多了，生命必须的分子在那里散开的太快，快到来不及相互作用，快到无法形成细胞膜和原始的新陈代谢途径。因此，陆地起源说依然受到不少科学家的青睐。

2017 年 9 月号的《科学美国人》杂志也刊登了一篇支持生命起源于陆地的文章。文章由新南威尔士大学生物、地球与环境科学学院天体生物学中心的主任马丁·J·范克拉嫩东克，加利福尼亚大学圣克鲁斯分校生物分子工程系的戴维·迪默，新南威尔士大学澳大利亚天体生物学中心的博士生塔拉·乔基奇共同撰写。他们共同认为，在古老地球的火山附近有着大量的热泉和间歇泉形成的水池，这类水池干湿交替、不断循环，它的热量可以催化各种化学反应，干旱期可供简单分子聚合成为复杂分子，湿润期则可以让这些聚合物四处流动，在这之后的干旱期又能把聚合物困于细小的孔隙中，让它们相互作用，甚至在脂肪酸构成的囊泡中进一步浓缩——而脂肪酸囊泡正是细胞膜的原型。关于这篇文章的详细解读和他们所提出的证据在我的收费专辑《环球科学有故事》中有详细的解读，有兴趣的听众不妨订阅收听。

我们必须要知道，到目前为止，生命起源的陆地热泉说和深海黑烟囱说都还只是处在有待验证阶段的两种科学假说。科学有一个最大的特征就是它是可以自我完善，自我纠错的。所有的假说，只要你有了初步的证据，自洽的逻辑论证，都可以登上历史的舞台，但这些理论必须使用全世界的科学家都能看得懂的语言，我这里所说的语言当然不是中文、英文这种语法语言，而是说有些理论宣称只能用中文，并且只能了解了中国古代的传统文化后才能理解，那么这种理论就不是我所说的全世界的科学家都能看得懂的理论，这样的理论也永远不可能得到科学共同体的认可。那么科学又是如何自我纠错的呢？靠的就是同行评议和证据为王这两种精神，你所提出的任何证据都必须是同行在独立研究的情况下能复现的。

两种生命起源的理论最终谁能胜出，现在还很难说。海底烟囱假说不仅没有消亡，反而进展不断。美国航空航天局喷气动力实验室的生物化学家麦克•拉塞尔（Mike Russell）将“阿尔文”最初有关黑烟囱的发现发展为一个更漂亮的模型。根据他的想法，在海底烟囱岩石上的微小孔洞中形成的矿物薄膜，可以把喷出的碱性液体与酸性更强的海水隔离开来。这将制造出相差数个PH值的酸性梯度，就像家用氨水和橙汁的酸碱度差异一样。

这种梯度是一种可供利用的能量，如今的细菌在细胞里制造ATP的方式与此如出一辙。海底烟囱还有另一种能量来源，就是氢气和二氧化碳等溶解在热液中的气体。拉塞尔和同事提出，当古老海水中的二氧化碳和氢气相混合时，电子从氢气向二氧化碳转移，可以合成更复杂的有机物。在他们看来，矿物薄膜构成的囊泡与细胞相似，而PH值梯度和氢气所提供的能量最终能演化为最早生命所需的原始代谢途径。

现在看来，陆地热泉说和深海烟囱说都有深远的影响。除了指导人类进一步探索地球生命起源外，它们也为我们去太阳系中的其他行星及卫星寻找生命指出了不同的道路。如果深海烟囱说是对的，那么土卫二和木卫二等卫星上的冰冻海洋就是值得关注的对象，但如果陆地热泉假说是对的，那么卫星的冰冻海洋就不太可能有生命。而生命就可能在火星诞生，毕竟火星上有过广布的火山，也有水，两者相加即可构成热泉。2008 年，美国航空航天局的“勇气”号火星车的确在火星的哥伦比亚山发现了 36.5 亿年前的热泉沉积物。

生命起源就像由很多块图案拼成的拼图，每块该放在哪里，我们如今还了解得不够。以陆地起源说为例，我们还不知道的是，什么原因让某些元素在不同的池洼里富集？地热区域如何随时间演化？在合成或降解有机分子时，不同的化学物质是如何相互作用的？对于生命出现之前的那些温暖小水洼中的化学过程，我们还需要设计更成熟的实验，来研究复杂的有机分子是怎样形成的，以及当它们包裹于薄膜中时，又是怎样相互作用和结合的。

无论是在陆地还是海洋，物理和化学定律都为这个拼图游戏提供了有用的框架，最新的地质和化学发现也在为这块拼图添砖加瓦。但是，只有把更多图块放到正确的位置，我们才能看到生命起源的清晰图景。令人欣慰的是，科学已经帮我们找到了通往答案的道路。

最近几十年来，给地球科学家带来最大震惊的一个发现是：生命在地球上诞生得极早。在上世纪五十年代，人们还认为生命诞生于 6 亿年前。只有一些极为敢想的人认为生命的诞生可以追溯到 25 亿年前。

但是，1996 年的《自然》杂志中有一篇报道称，在采自格陵兰 Akilia 岛的岩石中发现了生命的证据，这些岩石的同位素分析显示了某些神秘微生物的代谢活动，这些岩石的年龄约 38 亿年。但这个只能算是间接证据，并不是直接证据，所以还是有一些争议。

2017 年的 3 月份，《自然》杂志再次刊登了一篇论文，标题就是《地球上最古老的热液渗出物沉淀的早期生命证据》，这是目前我可以查到的最新鲜的一篇有关地球最古老生命的，刊登在核心期刊上的论文，而且这篇论文已经被维基百科上的众多有关生命起源的词条所引用。

两位伦敦大学学院的研究者宣称，他们在加拿大的魁北克省的一处岩石带发现了 37.7 亿年前至 42.8 亿年前形成的微生物化石。这些微生物化石从照片上看，就是一些细小的丝状体、细小的管状物、矿物颗粒还有条状物，他们的实际直径大概只有头发丝的二分之一到十分之一。

这大大震惊了科学界，生命似乎进化得太快了点。实际上有一些专家认为生命得到过某种助力，很可能是极大的助力。这种早期生命可能来自太空的观点由来已久，某段时期甚至相当突出。早在 1871 年，开尔文勋爵就曾在英国科学促进会的一次学术会议上提出过这种可能性。他提出“生命的种子很有可能是由陨石带到地球上来的。”人们本来一直把这种想法看成是挺另类的观点，但是，1969 年 9 月的一个星期天改变了人们的看法。那天，成千上万的澳大利亚人惊讶地目睹了一次天象奇观，有一个大火球从天而降，自东向西划过天际，伴随着剧烈的音爆声。在它身后留下了一些奇怪的气味，有些人闻着像酒精的气味，也有些人描述说很难闻。

这个火球最后在默奇森上空爆炸。默奇森位于墨尔本以北的古尔本峡谷，是一个只有 600 人口的小镇。陨石的碎块像雨点一样落下来，有几块的重量超过了 5 千克。幸运的是，没有人受伤。这颗默奇森陨石是一种罕见的“碳质球粒陨石”。小镇上的居民纷纷开始收集陨石碎块，一共收集了大约 90 千克。这颗陨石到来的时机非常好，就在不到 2 个月前，阿波罗 11 号飞船成功地从月球返回地球，并带回来一袋子的月岩。因此，这段时间，全世界的实验室都在强烈渴望着各种天外来石。

默奇森陨石被证实年龄已有 45 亿年。神奇的是，在陨石中发现了 74 种氨基酸，其中有 8 种与地球上早期的蛋白质成分一致。到了 2001 年末，此时距陨石坠落已经 30 多年了，加州的埃姆斯研究中心宣布，在莫默森陨石中还存在着一种多羟基化合物，这是一种糖类，在地球上从未被发现过。

1969 年之后，又有几块碳质球粒陨石坠入地球。其中有一块是在 2000 年坠入加拿大的塔吉什湖附近，北美大部分地区的人都目睹了那次天象。这些陨石都证实了一点，宇宙中其实富含有机化合物。现在认为，哈雷彗星中有 25% 是有机分子。如果有足够多的这类彗星坠入到一颗合适的星球，比如地球这样的星球，那么一切生命所需的基础元素就全有了。

这种生命源自天外的理论也被称为“宇宙胚种说”。但是，我们仔细想一下，就会发现，这个理论其实并没有回答生命的起源问题，只不过把责任推给了别处而已，我们可以继续追问，陨石上的生命又是如何发生的呢？“宇宙胚种说”在科学界只能算是一个很不受重视的边缘假说，最重要的原因是缺乏证据，科学最看重的是证据而不是推测。也有一些知名的科学家喜欢这个假说，例如DNA结构的两个发现者之一的克里克（Francis Crick）和他的同事奥格尔（Leslie Orgel）就写文章说：“聪明的外星人故意把生命的种子播撒在了地球上”。还有那个著名的天文学家霍伊尔和他的同事认为外太空不但给地球带来了生命，还带来了流感和豚鼠疫，但是，他们的这个观点不但没有增强宇宙胚种说的说服力，反而起到了反作用，因为生化学家很容易驳斥它，要证明流感和鼠疫来自于太空，显然比要证明一些原始生命的孢子来自于太空要更加困难的多。

讲到这里我想插一句题外话，我平时收到的留言或者私信提问，最多的一种格式是这样的：请问汪老师，balabala，您认为我说的这个有可能吗？遇到这种格式的问题，是我最怕的问题，为什么呢？因为要否定“可能性”简直从逻辑上来说是不可能的，即便是违反我们已知的物理法则，我也不太敢直接回答说“不可能”，因为这一句回答往往会陷入无法脱身的哲学思辨中了，谁都可以反驳说你凭啥说人类已知的物理法则就是终极真理了。所以，在网络上，我一般都不轻易回答这类格式的问题。我更希望大家的提问格式是，我的这种假说与已知的科学理论有矛盾吗？这样我就容易回答的多，因为我只需要陈述一个客观事实，不需要带有主观判断了。在网络上还好办一点，我只要假装看不见即可。最难受的是在线下的演讲会上，有人提这样的问题，我总是会头大。一般来说，如果是小朋友，我会出于保护他的好奇心的角度，回答他“你的想法很好，很有趣，我想，这也不是不可能的，但是还需要做更多的研究，设法用科学的方法去证明它”，如果是成人，我会根据实际情况回答说“我觉得这是有可能的，但需要证据”或者说“你的这个想法并不违背已知的物理法则”，或者说“你的这个假想可不可能我不知道，我只知道违背了已知的物理法则”。

现在，大多数生物学家是这么认为的：无论是什么促使了生命的发生，在整个地球漫长的历史中，都只发生了一次，那是生物学史上最不同寻常的事件，很可能也是所有我们已知的事情中最重要的一件。这世上所有活着的生物，植物也好，动物也好，全都始于同样的一种原始抽动。在难以想象的遥远的过去，某一个创世时刻，有一小团化学物质躁动了一下，于是，就有了生命。它吸收了一点儿营养，轻轻地搏动了几下，存在了极为短暂的一会儿。这种事情很可能已经不止发生了一次，但这次有一点儿小小的不同，同时发生了另外一件极不寻常的事情：它把自己劈开，一分为二，生出了另外一个自己。一小段基因物质从一个活体传向了另外一个活体，从此再也没有停下来，不断地传了下去。这是创造世间所有生命的一刻，在生物学上被称为“大诞生”。

实际上，我们每个人都是同一种基因戏法的结果，这种戏法一代又一代地传递了差不多40亿年。不论你走到世界的何处，也无论你看到的是动物、植物、虫子还是任何不知名的东西，只要是活的，它们使用的就是同一部遗传词典，用的同一种编码。所有的生命本质都一样。因此，我们才有了转基因的可能。不同生物的基因可以互相转来转去的，把动物的基因转到植物中，或者反过来都已经不是什么新鲜的事情了。糖尿病人赖以生存的胰岛素，现在最常见的一种制造方法就是将人体的一个基因片段转入到大肠杆菌中，于是，大肠杆菌就会开始制造胰岛素，虽然这些胰岛素对它们来说毫无作用。所以，从基因的角度来说，这些片段分不出彼此。我们与细菌都是同一个起源，这从基因的角度看过去，是证据确凿的，没有必要再去纠结缺失的化石证据。

往期

长按识别二维码，收听更多