是什么點(diǎn)燃生命?

邵峰

45.5億年前，剛剛成形的太陽(yáng)系一片混亂。當(dāng)時(shí)的地球頻遭系內(nèi)小行星狂轟濫炸，是一顆熾熱的行星，根本不適宜生物生存。此后的十億年間，太陽(yáng)系逐漸穩(wěn)定下來(lái)，地球表面的環(huán)境也變得越來(lái)越適宜微生物生存。今天，生命已經(jīng)遍布地球。那么，是什么導(dǎo)致了生命誕生在地球上？

生命并不神秘

科學(xué)界目前公認(rèn)的最古老的生物化石形成于35億年前，是一種類似現(xiàn)代細(xì)菌的單細(xì)胞微生物。作為生命的基本單元，細(xì)胞有三大特征：細(xì)胞膜、新陳代謝和基因。這些特征的主要成分也已經(jīng)明晰：細(xì)胞膜的主要成分是脂類;新陳代謝的實(shí)施者主要是各種酶（蛋白質(zhì)）;基因則由核苷酸鏈構(gòu)成。

史丹利·米勒和他設(shè)計(jì)的米勒實(shí)驗(yàn)。

20世紀(jì)50年代，一名叫作史丹利·米勒的科學(xué)家在甲烷、氨氣和氫氣組成的混合氣體中進(jìn)行放電實(shí)驗(yàn)，結(jié)果得到了甘氨酸和丙氨酸等氨基酸，這個(gè)實(shí)驗(yàn)也被稱為“米勒實(shí)驗(yàn)”。在他之后，另一些科學(xué)家用不同的簡(jiǎn)單化合物進(jìn)行了類似實(shí)驗(yàn)，合成了包括糖和脫氧核糖核酸等在內(nèi)的更復(fù)雜有機(jī)物。

2001年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，在蒙脫石的催化和160℃的高溫下，甲酰胺（宇宙中的一種常見有機(jī)物）能形成構(gòu)成RNA（核糖核酸）的基礎(chǔ)成分。不僅如此，甲酰胺在其他條件下還能形成氨基酸。此外，在含有紫外線、水、熱源和簡(jiǎn)單化合物的環(huán)境中，氨基氰（也是一種常見有機(jī)物）可以生成核苷酸、氨基酸和脂類的前驅(qū)物。無(wú)數(shù)實(shí)驗(yàn)告訴人們：生命并不神秘，因?yàn)闃?gòu)筑生命的“材料”在大自然中隨處可見。

哪個(gè)特征最早出現(xiàn)？

因?yàn)榧?xì)胞的三大特征十分復(fù)雜，所以許多科學(xué)家認(rèn)為三者并非同時(shí)形成。因此，肯定是最先出現(xiàn)的那個(gè)特征創(chuàng)造出了其他兩個(gè)特征。

一種早期觀點(diǎn)認(rèn)為，蛋白質(zhì)在細(xì)胞中發(fā)揮著舉足輕重的作用，因此蛋白質(zhì)很可能最先出現(xiàn)。20世紀(jì)50年代，美國(guó)生化學(xué)家福克斯發(fā)現(xiàn)，加熱氨基酸可以得到類似蛋白質(zhì)的肽鏈分子，進(jìn)而形成類似細(xì)胞的球體。這種分子可以催化某些化學(xué)反應(yīng)。他將其稱為“類蛋白質(zhì)”。然而，類蛋白質(zhì)能夠?qū)崿F(xiàn)的功能也僅限于此，并未展現(xiàn)出更多可能性。

因?yàn)榛蜇?fù)責(zé)指導(dǎo)細(xì)胞合成蛋白質(zhì)，所以基因先出現(xiàn)也是有可能的。近年來(lái)，許多科學(xué)家開始關(guān)注“RNA世界假說(shuō)”，也就是說(shuō)地球歷史上曾經(jīng)存在一個(gè)只有RNA分子的時(shí)期。和DNA一樣，RNA也能攜帶基因，并且某些RNA也具有一定的催化化學(xué)反應(yīng)的能力，這意味著最初的RNA分子或許能夠催化復(fù)制自身的化學(xué)反應(yīng)，并促使生命誕生。不過(guò)，科學(xué)家用了幾十年時(shí)間，也沒能合成這個(gè)被稱為“分子生物學(xué)之夢(mèng)”的RNA分子。

細(xì)胞膜為細(xì)胞提供穩(wěn)定的內(nèi)環(huán)境。那么，有沒有可能細(xì)胞膜最先形成？20世紀(jì)70年代，一位美國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)。在水中加入氨基氰和甘油這兩種簡(jiǎn)單化合物，并將溶液加熱至65℃，可以得到類似細(xì)胞膜磷脂層的結(jié)構(gòu)。隨后，科學(xué)家將這些物質(zhì)置于鹽水中并充分搖晃，得到了具有雙磷脂層的球形結(jié)構(gòu)——和細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)一樣。這個(gè)實(shí)驗(yàn)表明，常見化合物組合在并不苛刻的條件下可以自發(fā)形成細(xì)胞膜。但負(fù)責(zé)該實(shí)驗(yàn)的科學(xué)家也表示。細(xì)胞膜無(wú)法完成基因的工作，也無(wú)法構(gòu)成酶。因此。即便細(xì)胞膜最先形成，也無(wú)法自我復(fù)制。

在細(xì)胞的三大特征中。哪個(gè)特征最先出現(xiàn)？

三者可能同時(shí)出現(xiàn)

在尋找“原始生命物質(zhì)”的過(guò)程中不斷受挫，讓一些科學(xué)家開始反思：細(xì)胞就如同汽車，兩者都是有機(jī)的整體，但汽車底盤不會(huì)自動(dòng)形成輪胎和發(fā)動(dòng)機(jī)，因此，細(xì)胞中的一種物質(zhì)創(chuàng)造其他物質(zhì)的可能性應(yīng)該也不大。

因?yàn)榧?xì)胞的三大特征都可以通過(guò)簡(jiǎn)單的碳基化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)，所以一些科學(xué)家大膽提出：生命誕生之初就集齊了細(xì)胞形成所需的所有要素。這種觀點(diǎn)被稱為“同時(shí)生成論”。在脂類、RNA和蛋白質(zhì)共同存在的情況下，三者能夠互相配合，保持彼此穩(wěn)定：脂類形成的細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)有助于RNA和蛋白質(zhì)形成，并幫助RNA復(fù)制，RNA則負(fù)責(zé)保持細(xì)胞膜的穩(wěn)定。三者如果同時(shí)形成，生命會(huì)有更大概率存活下來(lái)。

誕生于實(shí)驗(yàn)室的“始細(xì)胞”。

最初的生命可能誕生自火山附近的地?zé)岢亍?/p>

2003年.美國(guó)科學(xué)家用脂類搭建出了多個(gè)始細(xì)胞，其內(nèi)部能夠包裹RNA分子。在蒙脫石分子的幫助下，這些始細(xì)胞的形成速度非?？?，而蒙脫石本身也會(huì)和RNA分子一起被包裹在始細(xì)胞中。包含RNA越多的始細(xì)胞長(zhǎng)得越大，這些始細(xì)胞之間存在競(jìng)爭(zhēng)。不僅如此。這些始細(xì)胞還能自我復(fù)制RNA，并分裂形成后代。這表明細(xì)胞的生長(zhǎng)和復(fù)制可以依靠簡(jiǎn)單的化學(xué)物理反應(yīng)進(jìn)行。

“同時(shí)生成論”唯一無(wú)法解釋的是新陳代謝。新陳代謝不像其他兩個(gè)特征可以有簡(jiǎn)化版本，而是必須包含完整的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。現(xiàn)代生物的新陳代謝由大量蛋白酶精準(zhǔn)調(diào)控，第一個(gè)細(xì)胞不可能具備這樣復(fù)雜的調(diào)控系統(tǒng)。不過(guò)，近年來(lái)科學(xué)家開始尋找如何不依靠蛋白質(zhì)完成新陳代謝。研究表明，新陳代謝的許多重要化學(xué)反應(yīng)可以在鐵等金屬元素（往往還有硫元素參與）的幫助下完成。這無(wú)疑是個(gè)振奮人心的消息，因?yàn)榈貧じ缓F元素。

如果“同時(shí)生成論”是正確的，那么我們就能大致描繪出地球生命搖籃的環(huán)境。目前始細(xì)胞研究中涉及的大部分反應(yīng)都需要紫外線參與，一些關(guān)鍵的反應(yīng)步驟需要干燥條件。這表明，要讓生命自發(fā)形成，首先要有固體礦物表面，最好還能有蒙脫石等黏土礦物，然后需要日照來(lái)提供一定量的紫外線輻射。環(huán)境溫度不能太低，否則水無(wú)法周期性蒸發(fā)，也就無(wú)法形成干燥條件。一些支持“同時(shí)生成論”的科學(xué)家認(rèn)為，生命最初形成于化合物豐富的池塘中，比如有小溪流經(jīng)的隕石坑，或位于火山區(qū)域的溫暖的地?zé)岢亍?/p>

雖然“同時(shí)生成論”得到了許多科學(xué)家的支持，但依然有許多問題有待解答。也許，生命起源的真相遠(yuǎn)比我們想象的更復(fù)雜。

隕石補(bǔ)充生命原料

構(gòu)成生命的三大基礎(chǔ)物質(zhì)一核苷酸、蛋白質(zhì)和脂類互相之間差異巨大，因此不少科學(xué)家認(rèn)為，三者不可能同時(shí)生成于同一個(gè)環(huán)境中。不過(guò)，隕石可能為生命最初誕生的“原始湯”中補(bǔ)充了必要的生命原料。

2012年發(fā)現(xiàn)于南極地表的“明日香12236”隕石（簡(jiǎn)稱12236）形成于至少45億年前的某次小行星相互撞擊事件?？茖W(xué)家在12236樣本內(nèi)部發(fā)現(xiàn)了包括甘氨酸、丙氨酸、絲氨酸和谷氨酸在內(nèi)的多種氨基酸，其含量甚至是之前一塊名為“巴黎”的隕石氨基酸含量的2倍。

科學(xué)家猜測(cè)，12236的母體小行星為氨基酸的合成提供了完美條件。12236的母體小行星中含有的放射性元素在衰變過(guò)程中釋放的熱量融化了小行星上的一些冰，導(dǎo)致適量水滲入小行星內(nèi)部?？茖W(xué)家相信，12236很可能來(lái)自一顆小行星溫度較低的外層區(qū)域，這里的溫度和水分剛好符合氯基酸形成所需的條件。