地球上的生命可能起源於(yu) 一鍋原始湯，生命的基本特征從(cong) 中自發湧現。

作者｜劉培源 集智俱樂(le) 部主編

我們(men) 是誰，從(cong) 哪裏來，是人類世世代代追問的問題。地球上的生命可能起源於(yu) 一鍋原始湯。2020年9月，發表在《科學》雜誌上的一項研究發現，僅(jin) 僅(jin) 利用水、氮氣、甲烷等6種簡單的無機物，讓它們(men) 相互發生化學反應，不斷迭代下去，就可以產(chan) 生多種催化劑，它們(men) 同時又是化學反應的參與(yu) 物，從(cong) 而形成一個(ge) 自我催化、自我複製的化學循環。

生命起源於(yu) 一鍋原始湯？

生命的起源一直是科學家關(guan) 心的問題。最初的地球，顯然是沒有生命的。從(cong) 簡單的無機物中，如何孕育出複雜的生物體(ti) ？早在19世紀，達爾文在寫(xie) 給植物學家約瑟夫·胡克的信中就曾猜想，或許地球生命起源於(yu) 一個(ge) 溫暖的小池塘。在這個(ge) 小池塘中，如果氨和磷酸鹽、光、熱、電等條件都具備，就可以形成蛋白質這樣的生物大分子。達爾文的思想後來逐漸發展為(wei) 關(guan) 於(yu) 生命起源的原始湯假說。簡而言之，原始湯假說認為(wei) ，地球上的生命起源於(yu) 一鍋無機物混合的原始湯：在原始地球環境下，簡單的無機物通過化學反應轉變為(wei) 有機物，有機物發展為(wei) 生物大分子，直到出現一個(ge) 最簡單、最原始的細胞，最終演化出地球上繽紛多彩的各類生命形態。

1953年，原始湯假說的一小部分——從(cong) 無機物中產(chan) 生有機物的過程被實驗證實。這就是我們(men) 在中學課本上學過的米勒-尤裏實驗。當時，化學家尤裏和米勒將多種無機物（水、甲烷、氨氣、氫氣和一氧化碳）密封於(yu) 燒瓶內(nei) ，然後用電極產(chan) 生火花，模擬原始大氣電閃雷鳴的環境，觀察是否真的能合成有機物。結果驚人地發現，燒瓶中產(chan) 生了蛋白質的基本組成成分——氨基酸。這個(ge) 實驗極大地支持了原始湯假說，但原始大氣成分到底是怎樣的，我們(men) 並不清楚。科學家在考察過遠古地球的氣候、溫度等因素後發現，氨氣、甲烷、氫氣或許從(cong) 未在同一時間段作為(wei) 地球的主要氣體(ti) 存在過。在考慮到這些因素後，後來的實驗再也沒能複製米勒-尤裏實驗的成功，原始湯中也沒有自發產(chan) 生氨基酸。原始湯假說似乎變得岌岌可危。幸好，來自海底熱泉的研究為(wei) 事情帶來了轉機。地球上的生命可能起源於(yu) 一鍋原始湯。｜Wired

深海熱泉帶來轉機上世紀70年代，科學家在太平洋加拉帕戈斯裂穀看到了一幅奇異的景觀：這裏蒸汽騰騰，煙霧繚繞，雖是兩(liang) 千多米深的海底，卻煙囪林立，恍若置身火山口——這便是深海熱泉。更令人驚奇的是，熱泉周圍是一個(ge) 生機勃勃的生命世界，聚集著細菌、甲殼類、 管蠕蟲和章魚等各種大小的生物，種群密度堪比珊瑚礁生態。在光線無法穿透的黑暗深海，尚且有生命出現，從(cong) 原始湯中形成生命，似乎也頗有可能。到了80年代，第二類熱泉也映入科學家眼簾。不同於(yu) 第一類熱泉由火山和岩漿形成，第二類熱泉由海水滲透進岩石形成。緩慢的海水侵蝕使得岩石形成奇特的紋路，在電子顯微鏡下呈現出大量微小的空腔，與(yu) 細胞尺寸相仿，卻並非細胞遺跡。

科學家們(men) 猜測，這些空腔可能是孕育生命的理想場所，大自然的第一鍋原始湯或許就曾盛放在這裏。最早的生命在演化出自己的細胞結構之前，寄居在大自然提供的這些天然隔離屏障中，正如遠古人類寄居在洞穴裏一樣。這些空腔的壁上富含硫鐵礦，天然具有很強的催化能力，催化其中的生命物質自我複製。而遺傳(chuan) 物質的複製是生命複製的核心，正是它讓一個(ge) 細胞發展為(wei) 一團細胞，讓一棵樹蔓延出整片樹林，讓一對鳥繁衍出整個(ge) 島嶼的鳥。

深海熱泉周圍是生機勃勃的生命世界。｜維基百科

生命起源的“雞生蛋”問題，或許無需糾結自然固然有自己的道路，在原始湯中成功孕育出能夠自我複製的生命。可是，人類似乎難以窺見其智慧。我們(men) 不得不苦苦思索，米勒-尤裏實驗斷掉的鏈條要如何連上，無機物究竟是怎樣產(chan) 生出生物大分子，並獲得自我複製的能力的？進入20世紀，網絡科學迅速興(xing) 起，給人們(men) 帶來啟發。正如連接是網絡的本質一樣，科學家們(men) 猜測，在從(cong) 原始湯孕育出生命的過程中，關(guan) 鍵的未必是幾種特定分子，也可能是一批相互作用的不同分子。不同分子相互作用，從(cong) 中湧現出生命的基本特征——自我複製。

2020年《科學》雜誌上的論文為(wei) 這種猜想提供了證據。研究者使用化學算法軟件，僅(jin) 僅(jin) 以水、氮氣、硫化氫、氨氣、氰化氫、甲烷這‍6種簡單物質作為(wei) 起始反應物，讓它們(men) 相互反應，產(chan) 生的新物質接著繼續參與(yu) 反應，一代代持續下去，形成一個(ge) 龐大的化學網絡，其中包含數萬(wan) 種分子，有許多是生物體(ti) 內(nei) 存在的有機物。他們(men) 在分析後驚人地發現，在這個(ge) 網絡中，竟然會(hui) 產(chan) 生多種催化劑。它們(men) 既是催化劑，也是化學反應的參與(yu) 物，讓化學反應越來越快，積累的物質越來越多。也就是說，從(cong) 簡單的無機物開始，就可以自發形成自我催化、自我複製的化學循環——這正是生命的自我複製能力的根基。

研究還發現，除了催化劑，反應產(chan) 物中還有表麵活性劑。這是一類可以讓目標溶液表麵張力顯著下降的物質，可以改變浸潤性、幫助增溶、乳化、起泡等。我們(men) 常見的洗滌劑，主要成分就是表麵活性劑。

你可能一時想不到表麵活性劑和生命有什麽(me) 聯係，事實上，細胞膜的主要功能成分就是表麵活性劑。這層表麵活性劑可能幫助形成生命和周遭環境之間最原始的邊界，加速個(ge) 體(ti) 細胞生命的形成。

模擬實驗讓我們(men) 看到，幾種簡單無機物相互反應，不斷迭代，就可以產(chan) 生具備自我催化、自我複製能力的生物大分子，以及表麵活性劑這道生命屏障。這也啟發我們(men) ，或許根本無需糾結生命起源領域的一個(ge) “雞生蛋”問題：具有自我複製能力的DNA和具有催化功能的蛋白質，到底誰先產(chan) 生？情況可能是，一切都在原始湯中自發湧現。雖然相關(guan) 研究還相當初步，卻無疑讓我們(men) 窺見了生命起源的一道亮光。非生命和生命的界線，一開始可能並沒有那麽(me) 清晰。

如今生機勃勃的生命世界，都是從(cong) 無機物分子組成的一鍋原始湯中產(chan) 生。下一次當我們(men) 漫步沙灘上，看到散落的石頭、貝殼，看到水草、魚群，砂礫和空氣，你會(hui) 不會(hui) 覺得，那些非生命的物質，也都和我們(men) 更親(qin) 近了一些。


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