生命之源

生命的起源始于水

生命是如何在地球上開始起源的，一直都是科學界的一個難解之謎。雖然科學家們提出了各種各樣的假設，但都沒有絕對令人信服的證據來證明這些假說的可靠性。比較經典的一種解釋認為，生命是在地球漫長的歲月中逐步演化，從無機到有機，從低級到高級的過程，這就是“化學進化論”。

根據化學進化論的描述，地球形成之初，原本沒有生命，只存在各種無機物。通過長時間的地球演化，含有甲烷、氨、氫氣等小分子無機物的氣體在紫外線、電離輻射、雷電等能量作用下，逐步生成了有機的小分子物質，如核苷酸、氨基酸，使原始的海洋成為一種“原始湯”。

此后，“原始湯”中的這些有機小分子，經過了長時期的相互作用，在有硫、磷、金屬等土壤的適當條件下進行縮合或聚合反應，逐步形成一些簡單的有機高分子物質，如蛋白質、核酸等分子。在此之后，海洋中的蛋白質、核酸分子數量不斷增多，濃度也不斷增加，在特定的條件之下，又被分離、凝聚，并脫離原來的海洋環境，構成可與外界進行簡單物質交換的多分子體系。最后，這些多分子體系逐步演變，通過蛋白質和核酸的相互作用，最終產生了有原始新陳代謝功能并進行自我繁殖的早期生命。

打個比方，原始海洋就像一盆稀薄的熱湯，里面含有許多有機物，這些有機物不斷的相互作用，經過及其漫長的年代，逐漸形成了原始的生命，因而可以形象地把原始海洋比作是生命的搖籃，是原始生命形成的場所。當初期生命產生之后，通過不斷的演變、進化，舊物種消亡，新物種產生，這才逐漸形成了現在地球上多姿多彩的生物圈。

生命起源的化學進化論，得到美國芝加哥大學學者米勒的實驗支持。1953年，米勒在實驗室內，首先把200毫升水加入到500毫升的燒瓶中，抽出空氣。然后，模擬原始大氣成分，通入甲烷、氨氣、氫氣等混合氣體。將入口玻璃管熔化封閉，然后把燒瓶內的水煮沸，使水蒸氣驅動混合氣體在玻璃管內流動，進入容積為5升的燒瓶中，并在其中連續進行火花放電7天，模擬原始地球條件下的閃電現象，再經冷凝器冷卻后，產生的物質沉積在U型管中，結果得到20種小分子有機化合物，其中有11種氨基酸。這11種氨基酸中，有4種氨基酸——甘氨酸、丙氨酸、天門冬氨酸和谷氨酸，是天然蛋白質中所含有的。他的實驗結果轟動了科學界。

因為蛋白質是南氨基酸組成的，有了蛋白質生命的產生就指日可待了。因此，米勒的實驗所揭示的，也許就是生命從無機物起源過程中的重要一步。這個實驗還向人們展示：離開了水，生命就無從起源。

水是生命的魔法師

簡單的化學表達式H₂O掩蓋了水的一些微妙事實。而解開謎底的鑰匙，并不在于水分子的一個氧原子和兩個氫原子間的化學鍵，而在于屬于不同水分子的氫原子之間的聯系——氫鍵。氫鍵僅僅有典型化學鍵的十分之一強。在室溫條件下，水分子可以聚合在一起，也可以很容易就離散。因此，在一滴水中，水分子們不斷地聚合和離散，形成一個有序和無序并存的矛盾體。于是就形成了水的諸多反常特性：如水的沸點比一般液體的都要高，并且水難以壓縮。

所有影響水分子形態的化學鍵，歸根結底都是量子效應的產物。而氫鍵則源于一種最頑強的量子現象——零點振動。零點振動削弱了氫原子和氧原子之間的化學鍵，從而使鄰近的水分子之間更容易聯系起來。水因此成為高度黏著的液體，地球也因此充滿生命。劍橋大學的菲力克斯·弗蘭克斯教授，曾這樣巧妙地描述了零點振動的作用：把水中的氫原子用比它重的同位素氘來替代，如此所得到的化學上相同的液體，卻對大部分生命有致命的毒害。而這種液體和水唯一的不同之處，就是零點振動的能量。

理論方法、實驗技術以及計算機技術的發展，使得科學家們可以在詳盡地研究水是如何通過量子效應，與DNA、蛋白質、細胞相互作用的。研究的結果總是令人感到不可思議。時下流行的觀點認為，生命的秘密可以用不同種類的基因，以及它們所編碼組成的蛋白質來破解。然而新的研究成果挑戰了這一過于簡單的假設：如果沒有水分子的直接參與，蛋白質或者基因不可能完成任何最基本的功能。正如弗蘭克斯所說的那樣：沒有水，一切只是化學物質；有了水，化學物質成為生命。

蛋白質的研究為這一結論提供了有力的證據。蛋白質分子按照DNA的指令由氨基酸鏈聯結而成，它們具有一系列對于生命體至關重要的功能，比如，驅趕外來的入侵者、催化反應和構建新細胞。它們精確的操作不僅依賴于自身的物理形狀，也依賴于水分子的一項重要功能：確保氨基酸向著正確的方向卷起。

生命在“水深火熱”中產生

米勒試驗證明了無機物質可以在原始大氣環境中通過簡單的化學反應生成有機單分子，但這還僅僅只是生命演化歷程中最初的一步。氨基酸、嘌呤、嘧啶、糖等有機單分子還必須通過縮聚反應才能生成蛋白質、核酸等生物大分子。在原始地球環境中，火山充當了縮聚反應的催化劑。

因為生命的大爆發時期恰好和氣候、地質突變的時間相對應，科學家們推斷：在水火碰撞的極端條件下產生的化學反應，可能催化了生命的產生。在生命爆發之前，是一個大冰期時代，使得一些生命要素被“冰封”，只有在火山及熱水附近才有相對活躍的生命形態，不過它們只是孤立的存在，彼此之間不存在交流，因為寒冷冰封阻礙了他們的交流。

我們知道，熱泉中含有大量的一氧化碳、硫化氫和硫化金屬礦物，特別是黃鐵礦物和硫，一方面硫化鐵和硫，有新陳代謝的出現。硫化鐵是一種非常重要的催化劑，很多化學反應在它的表面或者說在它的晶體骨架里，進行得非常的順利，一些重要化合物已在熱泉中被發現。

新陳代謝的途徑可能跟熱泉中的黃鐵礦和硫，以及它們的聚合物有一定的關系。另一方面，遺傳物質脫氧核糖核酸、核糖核酸的出現，與硫化酯和硫的化學過程有著非常密切的關系。而脫氧核糖核酸還可以直接用核糖核酸脫氧演變而來。由此看來，地球上的生命也許就產生在距今38億年到40億年間這些充滿硫磺味的熱水池或者軟泥之中。

科學家就這一生命進化的模型在大方向上達成了共識，但是在某些具體環節上尚有許多謎團，因為找到的化石都只是突變后的結果，中間的過程只是推斷。不過，專家們相信這樣的邏輯：生命進化沒有固定路線，地球的變化決定了生命的變化，現存的各種生物包括人類能夠被保留，有賴于一種偶然機會的出現。

迄今為止，我們把生命起源可以描述成這種樣子：在40億年前的地球上，由無機分子合成的有機小分子，它聚集在熱泉口，或者火山口附近的熱水中，通過聚合反應，形成了生物的大分子。這些大分子進行自我復制，自我選擇，進而通過分子的自我組織，并自我復制和變異，從而形成核酸和活性蛋白質。同時，分隔結構同步產生。最后，在基因控制下的代謝反應為基因的復制和蛋白質的合成提供能量。這樣，一個南生物膜包裹著的、具有能自我復制能力的原始細胞，就在地球上產生了。

這個描述短短幾百字，就把生命起源的過程描述出來了。但它有四個無法逾越的鴻溝：一個是自我選擇，因為組成生物大分子或者核糖核酸、脫氧核糖核酸，都是非常有限的幾種分子。在無機條件下，或者在閃電情況下、或者在熱水中，它形成很多這樣的分子，這些分子怎么能自我選擇，能合成脫氧核糖核酸、核糖核酸，能把其他的大分子拋棄掉?第二個是自我復制，脫氧核糖核酸、核糖核酸自己能夠復制，能夠為下一代遺傳下去，這個過程我們也并不知道。第三個是分隔結構，比如細胞膜或者細胞內部的膜結構，是怎么形成的?像磷脂、精細的生物結構怎么形成的?我們也并不是很清楚。另外是一個新陳代謝的問題，這個過程我們并沒有解決。但不管怎么樣，這種熱泉中生命起源假說，確實有很多有利證據的支持。

海底黑煙囪及相關生物群體的發現是近30年來全球海洋科學取得的最重要的科學成就之一。1979年，“阿爾文號”載人深海潛水器在東太平洋海底1650～2610米深的熔巖上發現了數十個冒著黑煙的“黑煙囪”。方圓幾百米的范圍里，數十個高大的柱狀物的頂部噴發著滾滾黑煙，使“阿爾文號”猶如置身于一個由煙囪組成的海底重工業基地。科學家們經過考察證實，海底“黑煙囪”的形成與海底火山運動有關。從“黑煙囪”中噴出的“黑煙”，其實就是海底火山口噴出的金屬硫化物，而“黑煙囪”則是由金屬硫化物不斷沉積而成。

比發現“黑煙囪”更令科學家吃驚的是，在海底黑煙囪周圍高溫、高壓、黑暗、缺氧、含硫等極端環境中，生活著特殊的深海生物群落。它們的初級生產者嗜熱細菌和古細菌，在基因組序列上最接近地球上原始的祖先，生活環境也與生命起源時地球上的高溫、缺氧環境非常類似。地球歷史早期熱液系統曾經在地球表面廣泛分布，因而嗜熱微生物有著廣泛的生存空間。通過對生命起源必須具備的物質條件、環境條件、能量條件、安全條件等方面考慮，現代海底黑煙囪周同的水熱環境是探索生命起源的理想場所。

研究者認為，海底黑煙囪附近的環境不僅可以為生命的出現以及其后的生命延續提供所需的能量和物質，而且還可以避免地外物體撞擊地球時所造成的有害影響，因此海底黑煙囪生態系統是孕育生命的理想場所。但另一些學者認為，生命可能是從地球表面產生，隨后就蔓延到海底黑煙囪周圍。以后的撞擊毀滅了地球表面所有的生命，只有隱藏在海底黑煙囪附近的生物得以保存下來并繁衍后代。因此，這些海底黑煙囪附近的生物雖然不是地球上最早出現的，但卻是現存所有生物的共同祖先。

但是我們應該明白，距離揭開生命起源這一亙古之謎，還有一段遙遠的科學歷程。從無機物到有機物，到有機化合物，到有機生命體的演化，同時還具有很多的偶然性。并不是有了這種環境，有了這種形成條件，它就能夠產生生命。有人曾經比喻說，這些無機物好像一個垃圾堆里面什么都有，塑料瓶子、廢棄金屬、油……而生命，一個單細胞，就像一輛精美的奔馳車，在一陣臺風過后，這些垃圾組裝成了一個奔馳車。因此我們可以想象，這個生命起源的過程非常艱難。

帶水彗星撞出來了生命?

如果說生命是宇宙之中一個普遍的現象的話，除了地球之外的其他天體上，是否也有類似于地球早期的這樣的環境呢?如果有的話，也許能為研究生命起源打開新的窗戶。

其實，在生命起源問題上，長期以來有兩大對立學派：一派認為生命是從外星球移植到地球上來的；另一派認為生命是地球自身的產物。兩派各持己見，爭論紛紛，莫衷一是。近年，國際學術界對地球生命起源的討論又熱鬧起來。最時髦的一種理論認為，是來自太空的攜帶有水和其它有機分子的彗星和小行星撞擊地球后，才使地球產生了生命。

生命起源的重要物質是水，而不少彗星含有很多冰塊。冰塊在很冷的地方，就跟石頭一樣硬。如果它不小心跑到太陽附近，太陽把它蒸發，冰塊升華成水蒸氣，繞在彗星旁邊，太陽輻射一吹，就拉出一個氣體長長的尾巴，這就是彗星的長尾巴。

科學家還發現了一顆被稱為利內亞爾的冰塊彗星。據推測，這顆彗星含水33億千克，如果澆灑在地球上，可形成一個大湖泊。實驗證明，數十億年前，在離木星不遠處形成的彗星含有的水和地球上海洋里的水是一樣的。而利內亞爾彗星正是在離木星軌道不遠的地方誕生的。天文學家認為，在太陽系剛形成時，可能有不少類似于利內亞爾的彗星墜落到地球上。它們落到地球上時像是雪球，而不是像小行星撞擊地球。因此，這種撞擊是軟撞擊，受到破壞的只是大氣層的上層，而且撞擊時釋放出來的有機分子沒有受到損害，這樣就為地球上的生命演化提供了條件。

“生命之源”曾漫布火星

火星有著跟地球類似的經歷，火星的物質成分跟地球非常近似，它的軌道也跟地球非常近似，那么火星上是不是有生命呢?關鍵是要看火星上是否有生命之源——水。

關于火星上是否存在過水，科學界進行過無休止的爭論。1957年美國的海盜號探測器發回地球的信息表明，火星上沒有生命，沒有液態水的存在，它是一個荒蕪干涸的紅色星球。但是人類并沒有氣餒，20世紀90年代，美國宇航局加大了對火星的探測力度，通過火星探測者、火星拓荒者號探測器和哈勃望遠鏡得到的圖片研究，火星上過去很可能有過液態水的存在。一些航天資料顯示，火星上有類似于像我們發生大洪水山前的沖積扇的構造，還有像地球上干涸的河床樣的河道，以及水侵蝕巖石的痕跡。科學家在火星上相似礦物集中的地方還發現了一個峽谷，名為馬力內尼斯峽谷。這個峽谷比美國大峽谷還要大。令人興奮的是，圖像顯示它是被流水沖出來的。試想一下，沖出這么大的峽谷，需要多大的水，又需要多長的時間?所以，科學家認為火星上曾經水資源豐富，而且持續時間還比較長!

據華盛頓大學地球與行星科學專家雷·阿維德松介紹，通過對歐洲宇航局的火星軌道飛行器送回來的數據研究分析，發現梅迪亞尼平原上厚達300米的巖石是在水中形成的。研究還發現，該平原表面曾經有很長一段時間里河流遍布，萬里之內皆為平湖或淺灘。而這種情形與我們的地球十分相似，這里孕育生命不足為奇。

隨著美國宇航局火星探測器“機遇”號飛落火星，火星上曾經有水也隨之蓋棺定論。美國宇航局的科學家們在“機遇”號撞擊的彈坑中和其他礦藏中發現了黃鉀鐵礬。這是一種只有在有水的情況下才能形成的物質。科學家對此進行了這樣一番解釋：幾十億年前，礦石在一片水世界中慢慢生成。后來水不斷蒸發，千溝萬壑逐漸干涸，這些礦藏就暴露在了地表上。

2006年9月27日，火星探測器“機遇”號到達火星“維多利亞”坑邊緣，發回第一批展現這個碗狀坑底部和坑壁的照片。科學家對于展現眼前的坑內沙丘和齒狀坑邊發出陣陣驚嘆。圖片顯示，“維多利亞”坑壁邊緣多處呈現厚重巖石結構，坑底有清晰的波紋狀沙丘群，從坑口到坑底的斜坡上，還有數條下行沙道。科學家一直想知道，坑壁的巖石層是否形成于湖泊。這點對于確定火星是否曾經存在生命具有重要意義。

生命的起源是一個非常復雜的科學之謎，它涉及到天文、地質、理化、生物等各個方面的知識，站在我們今天的地球上來追溯距現在46億年以前的歷史，難度肯定很大。以上介紹的是為大家所公認的生命起源化學進化過程的假說和推測。直到今天，人們對生命起源這一古老而嶄新的問題仍然在繼續研究和探索之中，特別是近年來圍繞著原始大氣成分、生命起源于何處等問題又有了新的看法和爭論，實事求是的科學爭論對于深化認識是非常有益的。我們相信這個千古之謎總有一天會揭開。