生命的起源|关于生命起源的4项著名研究，我们离最终答案还很远
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十几年前 ， Jim Carrey主演过一部喜剧电影《冒牌天神》（Bruce Almighty） 。 在剧中 ， 不停抱怨命运不公的主角布鲁斯突然被允许做一天无所不能的“上帝” ， 负责管理整个世界的运行 。 很快 ， 布鲁斯就被写着所有人愿望的便利贴淹没了 。
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图片来源：《冒牌天神》
不得不说 ， 布鲁斯在剧中领到的这个任务可能只算得上是“上帝简单模式” 。 如果想要给布鲁斯一些真正的考验 ， 不如把他的任务推回到生命起源的阶段 ， 毕竟生命的那些最初时刻才是最神秘、最吸引人的 。 （当然 ， 电影也可能就成了一部科幻片 。 ）
虽然电影和故事只是一种虚构和畅想 。 但不可否认 ， 生命的起源和早期进化一直是现代科学中最受关注的大问题之一 。 想要了解生命的起源 ， 必须找到许多问题的答案 ， 从生命起源的天体物理和行星背景 ， 到前生命化学越来越复杂的发展 ， 到第一批细胞的组装 ， 再到达尔文进化论中的进化以及后来越来越复杂的生命形式的出现 。
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生命起源和早期进化的大致“时间轴”（横轴时间单位：十亿年） 。 | 图片设计：雯雯子；参考来源：《进化》
目前 ， 我们已经对生命起源和早期进化的大致时间轴有了一定了解 。 主流学说认为 ， 地球被认为在大约45亿年前形成 ， 而生命很有可能起源于地球最后的主要增长阶段（约40亿年前）和最早的已知化学化石形成（约38亿年前）之间的2亿年中 。
在过去的半个多世纪里 ， 有关生命起源的研究蓬勃发展 。 但科学的进程从来不是直线发展的 ， 其中有一些关键发现突破了我们的认知 ， 也有一些发现颠覆了以往的观点 ， 但它们的共同之处在于 ， 它们都让我们越来越靠近生命的开端 。
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时间：1953年
代表论文：A Production of Amino Acids Under Possible Primitive Earth Conditions
代表科学家：Stanley L. Milleret al.
可以这么说 ， 现代对生命起源的研究始于1953年 。 那一年 ， 诺贝尔化学奖得主、化学家Harold Urey的博士生Stanley L. Miller进行了迄今为止最著名的生物发生实验 ， 改变了人们对前生命合成的看法 。
生物发生的第一步 ， 首先需要大量“零件” ， 这是最容易理解的一步 。 这些零件包括氨基酸、脂类、糖等等分子 。 Miller设计了一个简洁的仪器来模拟早期地球环境 。 沸水代表着冥古宙的海洋 ， 简单的气体混合物模拟着地球原始的大气 ， 电火花则模拟了闪电 。 在这种条件下 ， 仅仅几天后 ， 密封仪器中无色的水就变了颜色 ， 其中开始含有许多复杂的有机分子混合物 。 原本透明的玻璃变得污迹斑斑 ， 沾满了粘稠的黑色有机污泥 。
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Miller-Urey实验装置简单示意图 。 | 图片来源：Wikicommons
Miller对这些化合物进行了分析 ， 发现其中含有丰富的氨基酸等物质 。 随后 ， 科学家在相似的条件中创造了一系列有机分子 ， 这些实验确凿地表明 ， 早期地球一定富含着生命的基本分子 。 这类实验成功建立起了一种范式 ， 将生命的起源追溯到这样一种“原始汤”中 ， 仿佛就是达尔文笔下的那个“温暖的小池塘” 。
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时间：1977年
代表论文：Clustering of Suspension-Feeding Macrobenthos Near Abyssal Hydrothermal Vents at Oceanic Spreading Centers
代表科学家：Peter Lonsdaleet al.
事实上 ， 一些科学家认为 ， 1953年的实验在某种程度上来说是“过于成功” ， 以至于不少专家曾一度认为 ， 生命起源之谜已经基本被解开了 。 米勒的影响力一直很大 ， 许多“米勒派”的科学家相信 ， 闪电带来了“原始汤” ， 生命就是从这样的环境中诞生 。
但答案显然没有那么简单 。 很快 ， 新的发现似乎为生命诞生提供了另一种方案 。
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全球海底热液活动区的大致分布图 。 | 图片来源：Wikicommons
20世纪七八十年代 ， 科学家在不见天日的深海海底 ， 发现了充满生命的“黑烟囱”生态系统 。 这里富含矿物质的流体与炽热的火山地壳相互作用 ， 形成喷口 。 这些喷口喷出的热流接触冰冷的海水时 ， 会产生矿物沉淀 ， 就好像冒着黑烟的大烟囱 。 在化学能的推动下 ， 生命在这种不见阳光、远离地球表面的地方蓬勃发展 。
【生命的起源|关于生命起源的4项著名研究，我们离最终答案还很远】现在我们已经知道 ， 这些“烟囱”广泛地分布在海底 ， 喷口附近的生态系统丰富多彩 。 人们也越来越意识到 ， 在各种极端环境中 ， 无论在酸性的池塘 ， 还是沸腾的火山附近 ， 或是冰冻的极地岩层中 ， 生命比我们想象的更顽强和丰富 ， 许多微生物甚至依赖来自矿物的微弱化学能就可以生存 。 一些科学家因此提出 ， 为什么一定要假设生命就诞生于“温暖的小池塘”呢？事实上 ， 生命的“零件”散落在宇宙的各个角落 。
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时间：1982年
代表论文：Self-Splicing RNA: Autoexcision and Autocuclization of the Ribosomal RNA Intervening Sequence of Tetrahymena
代表科学家：Thomas Cechet al.
在对生命早期演化的研究中 ， 长期以来隐藏着一个“先有鸡还是先有蛋”的问题 。
现如今 ， 所有细胞生物都在使用DNA作为遗传物质 ， DNA携带的遗传信息能构造出蛋白质 ， 从而实现生物的功能 。 DNA编码着合成蛋白质的信息 ， 而DNA的复制又需要蛋白质的催化——那么 ， 哪个先出现的？在生命的早期 ， 是如何发展出这样复杂而完整的闭环的呢？
20世纪60年代 ， Francis Crick提出了一种可能的猜想 ， 其中的关键就是RNA 。 在生命早期 ， RNA可能同时作为信息的载体和催化剂 。 这样的猜想不无道理 ， RNA与DNA很相似 ， 它们同样可以承载遗传信息 ， 但结构比DNA更简单 ， 似乎带着更多“原始”的影子 。
在不久之后 ， 一些关键的线索出现了 。 1978年 ， Sidney Altman首次发现RNA在一种催化反应中是必需的 。 1982年 ， ThomasCech首次证明RNA分子本身可以起到催化作用 。 Cech把一个未经处理的RNA分子放入没有蛋白质的试管中后 ， 它开始了自我剪接 。 也就是说 ， RNA分子可以将自身切成碎片 ， 并将遗传上重要的RNA片段重新连接在一起 。 目前 ， 已知的RNA酶（也叫核酶）已有百种 。 Altman和Cech也因此被授予1989年诺贝尔化学奖 。
这些证据有可能指向 ， 在生命早期很有可能是一个RNA世界 。 那时 ， RNA是唯一的编码分子 ， 它们随后在自我复制中进化出了更为稳定DNA分子 ， 并让生命迈入了蛋白质世界 。 但这段故事的细节目前仍然很模糊 ， 毕竟生命分子很难留下动植物那样的化石线索 。 现在 ， 还有许多研究都在追寻这种从RNA到DNA的变化是如何产生的 ， 并希望找到最古老蛋白质的线索 。
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时间：1999年
代表论文：2-Methyhopanoids as biomarkers for cyanobacterial oxygenic photosynthesis
代表科学家：Roger E. Summonset al.
在探索生命起源的研究中 ， 还有一些化合物被作为“分子标记” 。 比如 ， 如果某一类化合物在活细胞之外很少出现 ， 而在特定岩层中找到了它们的踪迹 ， 就可以被看作是一种有说服力的生命证据 。
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藿烷类化合物在稳定细胞膜方面具有重要作用 。 | 图片来源：Wikicommons
藿烷类化合物（Hopanoids）就属于这样一类有机物 。 每个藿烷都有一个独特的骨架 ， 藿烷类化合物在稳定保护性的细胞膜方面发挥着重要作用 ， 这类物质可能是所有分子生物标记物中最具说服力的之一 。
1999年 ， RogerSummons和团队在西澳大利亚25亿年前的黑色页岩中发现了藿烷分子变体 。 这里的岩石几乎没有受到过热量的改变 ， 也没有受到地表生物或者地下水的污染 ， 因此有可能让古老的生物分子保留下来 。 这些被称为2-甲基藿烷（2-Methyhopanoid）的分子只在光合蓝藻中被发现 ， 而蓝藻是古地球上最主要的氧气制造者 。
Summons认为 ， 地球上的光合作用在25亿年前就开始了 。 这个年代与当时已知的氧气的增加是一致的 。 这项研究也为古生物学开辟了新的道路 ， 科学家可以在保存下来的分子碎片中寻找光合作用的起源 。
但对持怀疑态度的人来说 ， 尽管样本所在的岩层条件优越 ， 但污染仍会是个大问题 。 藿烷类化合物在地球上四处都是 ， 在如此长久的地球历史中 ， 我们并不能确定这些藿烷究竟是何时以何种方式到达那里的 。
在生命起源的研究中有太多不确定性 ， 因此类似的争论比比皆是 ， 它们虽然看起来激烈 ， 甚至针锋相对 ， 但也总是很有趣 ， 总能带来新的发现 。
生命的起源只是第一步 ， 非生命系统产生原始的生命形式 ， 随后演化出成生物个体 ， 并最终在地球上步入自然选择驱动的进化和多样化的轨道 。 这个过程经历了数十亿年 ， 相关的研究自然也不是几篇论文就能囊括 。 也许有一天 ， 我们或许能用一个更完整、更可靠的故事 ， 最终回答生命起源的问题 。 但这个答案中的每一个字、每一句话的背后 ， 一定都包含了无数的争论、推翻与重建 。
参考来源：
N. H. 巴顿等 ， 《进化》 ， 科学出版社 ， 2010年4月
Robert M. Hazen,The Story of Earth, Penguin Books, 2012
https://www.americanscientist.org/article/the-origin-of-life
https://www.simonsfoundation.org/life-sciences/origins-of-life/simons-collaboration-on-the-origins-of-life/critical-questions-concerning-the-origins-of-life/
https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/1989/press-release/
封面来源：Moyan Brenn/Flickr
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