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生命的起源|生命起源于一锅“原始汤”？

地球生命的起源米勒-尤里

地球上的生命可能起源于一锅原始汤 ， 生命的基本特征从中自发涌现 。
生命的起源|生命起源于一锅“原始汤”？
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我们是谁 ， 从哪里来 ， 是人类世世代代追问的问题 。 地球上的生命可能起源于一锅原始汤 。
2020年9月 ， 发表在《科学》杂志上的一项研究发现 ， 仅仅利用水、氮气、甲烷等6种简单的物质 ， 让它们相互发生化学反应 ， 不断迭代下去 ， 就可以产生多种催化剂 ， 它们同时又是化学反应的参与物 ， 从而形成一个自我催化、自我复制的化学循环 。
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我们从何处来？我们是谁？我们向何处去？｜Paul Gauguin
生命起源于一锅原始汤？
生命的起源一直是科学家关心的问题 。 最初的地球 ， 显然是没有生命的 。 从简单的无机物中 ， 如何孕育出复杂的生物体？
【生命的起源|生命起源于一锅“原始汤”？】早在19世纪 ， 达尔文在写给植物学家约瑟夫·胡克的信中就曾猜想 ， 或许地球生命起源于一个温暖的小池塘 。 在这个小池塘中 ， 如果氨和磷酸盐、光、热、电等条件都具备 ， 就可以形成蛋白质这样的生物大分子 。
达尔文的思想后来逐渐发展为关于生命起源的原始汤假说 。 简而言之 ， 原始汤假说认为 ， 地球上的生命起源于一锅无机物混合的原始汤：在原始地球环境下 ， 简单的无机物通过化学反应转变为有机物 ， 有机物发展为生物大分子 ， 直到出现一个最简单、最原始的细胞 ， 最终演化出地球上缤纷多彩的各类生命形态 。
1953年 ， 原始汤假说的一小部分——从无机物中产生有机物的过程被实验证实 。 这就是我们在中学课本上学过的米勒-尤里实验 。 当时 ， 化学家尤里和米勒将多种无机物（水、甲烷、氨气、氢气和一氧化碳）密封于烧瓶内 ， 然后用电极产生火花 ， 模拟原始大气电闪雷鸣的环境 ， 观察是否真的能合成有机物 。 结果惊人地发现 ， 烧瓶中产生了蛋白质的基本组成成分——氨基酸 。
这个实验极大地支持了原始汤假说 ， 但原始大气成分到底是怎样的 ， 我们并不清楚 。 科学家在考察过远古地球的气候、温度等因素后发现 ， 氨气、甲烷、氢气或许从未在同一时间段作为地球的主要气体存在过 。 在考虑到这些因素后 ， 后来的实验再也没能复制米勒-尤里实验的成功 ， 原始汤中也没有自发产生氨基酸 。
原始汤假说似乎变得岌岌可危 。 幸好 ， 来自海底热泉的研究为事情带来了转机 。
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地球上的生命可能起源于一锅原始汤 。 ｜Wired
深海热泉带来转机
上世纪70年代 ， 科学家在太平洋加拉帕戈斯裂谷看到了一幅奇异的景观：这里蒸汽腾腾 ， 烟雾缭绕 ， 虽是两千多米深的海底 ， 却烟囱林立 ， 恍若置身火山口——这便是深海热泉 。 更令人惊奇的是 ， 热泉周围是一个生机勃勃的生命世界 ， 聚集着细菌、甲壳类、 管蠕虫和章鱼等各种大小的生物 ， 种群密度堪比珊瑚礁生态 。
在光线无法穿透的黑暗深海 ， 尚且有生命出现 ， 从原始汤中形成生命 ， 似乎也颇有可能 。
到了80年代 ， 第二类热泉也映入科学家眼帘 。 不同于第一类热泉由火山和岩浆形成 ， 第二类热泉由海水渗透进岩石形成 。 缓慢的海水侵蚀使得岩石形成奇特的纹路 ， 在电子显微镜下呈现出大量微小的空腔 ， 与细胞尺寸相仿 ， 却并非细胞遗迹 。
科学家们猜测 ， 这些空腔可能是孕育生命的理想场所 ， 大自然的第一锅原始汤或许就曾盛放在这里 。 最早的生命在演化出自己的细胞结构之前 ， 寄居在大自然提供的这些天然隔离屏障中 ， 正如远古人类寄居在洞穴里一样 。
这些空腔的壁上富含硫铁矿 ， 天然具有很强的催化能力 ， 催化其中的生命物质自我复制 。 而遗传物质的复制是生命复制的核心 ， 正是它让一个细胞发展为一团细胞 ， 让一棵树蔓延出整片树林 ， 让一对鸟繁衍出整个岛屿的鸟 。
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深海热泉周围是生机勃勃的生命世界 。 ｜维基百科
生命起源的“鸡生蛋”问题 ， 或许无需纠结
自然固然有自己的道路 ， 在原始汤中成功孕育出能够自我复制的生命 。 可是 ， 人类似乎难以窥见其智慧 。 我们不得不苦苦思索 ， 米勒-尤里实验断掉的链条要如何连上 ， 无机物究竟是怎样产生出生物大分子 ， 并获得自我复制的能力的？
进入20世纪 ， 网络科学迅速兴起 ， 给人们带来启发 。 正如连接是网络的本质一样 ， 科学家们猜测 ， 在从原始汤孕育出生命的过程中 ， 关键的未必是几种特定分子 ， 也可能是一批相互作用的不同分子 。 不同分子相互作用 ， 从中涌现出生命的基本特征——自我复制 。
2020年《科学》杂志上的论文为这种猜想提供了证据 。 研究者使用化学算法软件 ， 仅仅以水、氮气、硫化氢、氨气、氰化氢、甲烷这?6种简单物质作为起始反应物 ， 让它们相互反应 ， 产生的新物质接着继续参与反应 ， 一代代持续下去 ， 形成一个庞大的化学网络 ， 其中包含数万种分子 ， 有许多是生物体内存在的有机物 。
他们在分析后惊人地发现 ， 在这个网络中 ， 竟然会产生多种催化剂 。 它们既是催化剂 ， 也是化学反应的参与物 ， 让化学反应越来越快 ， 积累的物质越来越多 。 也就是说 ， 从简单的无机物开始 ， 就可以自发形成自我催化、自我复制的化学循环——这正是生命的自我复制能力的根基 。
研究还发现 ， 除了催化剂 ， 反应产物中还有表面活性剂 。 这是一类可以让目标溶液表面张力显著下降的物质 ， 可以改变浸润性、帮助增溶、乳化、起泡等 。 我们常见的洗涤剂 ， 主要成分就是表面活性剂 。
你可能一时想不到表面活性剂和生命有什么联系 ， 事实上 ， 细胞膜的主要功能成分就是表面活性剂 。 这层表面活性剂可能帮助形成生命和周遭环境之间最原始的边界 ， 加速个体细胞生命的形成 。
模拟实验让我们看到 ， 几种简单无机物相互反应 ， 不断迭代 ， 就可以产生具备自我催化、自我复制能力的生物大分子 ， 以及表面活性剂这道生命屏障 。 这也启发我们 ， 或许根本无需纠结生命起源领域的一个“鸡生蛋”问题：具有自我复制能力的DNA和具有催化功能的蛋白质 ， 到底谁先产生？情况可能是 ， 一切都在原始汤中自发涌现 。
虽然相关研究还相当初步 ， 却无疑让我们窥见了生命起源的一道亮光 。
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非生命和生命的边界原本模糊不清 。 ｜Kent Foster / Science Source
非生命和生命的界线 ， 一开始可能并没有那么清晰 。 如今生机勃勃的生命世界 ， 都是从无机物分子组成的一锅原始汤中产生 。
下一次当我们漫步沙滩上 ， 看到散落的石头、贝壳 ， 看到水草、鱼群 ， 砂砾和空气 ， 你会不会觉得 ， 那些非生命的物质 ， 也都和我们更亲近了一些？
参考资料
[1] Wolos A, Grzybowski B A, el al. Synthetic connectivity, emergence, and self-regeneration in the network of prebiotic chemistry[J].Science ,2020, 369(6511):eaaw1955
[2] Miller S L. A production of amino acids under possible primitive earth conditions[J]. Science, 1953, 117(3046): 528-529.
[3] 尼克·莱恩 科学出版社《生命的跃升：40亿年演化史上的十大发明》
来源：十点科学
编辑：C&C


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