最初的生命应当是在多深的海洋诞生的？ 第1页

地球上最初的生命大概在 0 米深的海洋诞生。“可观测宇宙中最初的生命”有概率追溯到遥远的过去，看起来这题目没想谈那些。

分子钟显示地球生物的起源可能早于地球上海洋的形成。

实验显示，地球生物的自然起源依赖的化学物质的形成需要来自太阳的紫外线辐射，其所处的水环境必须在一些关键步骤中变得高度浓缩甚至完全干燥。

“生物起源于海洋”的整个理论都是陈旧而模糊的，与那之后数十年间的实验结果相悖。而且，“生物起源于陆地还是海洋”这个问题本身存在的逻辑就不完善：

• 先入为主地认定“在地球生物诞生的时候，地球上存在海洋”。
• 海洋和陆地的界限是什么，潮间带、入海口算陆地还是海洋呢。

二十世纪初，苏联生物化学家 Alexander Oparin 和英国遗传学家 J. B. S. Haldane 分别提出“原始汤”假说，认为早期地球的海水里的碳基化学物质互相反应，形成蛋白质、核酸等“生命的基础”。

1953 年，Stanley Miller 在模拟远古地球大气的气体中放电，发现产生了少量的氨基酸等有机物。

可是，蛋白质和核酸并不能在水中长期稳定地存在。细胞质是一团胶体，性质与海水截然不同。细胞生物自组织起来的环境需要水且水不能太多——陆地比海洋更适合^[1]。

• Sutherland 等成功地从磷酸盐和四种简单的碳基化学物质开始、在模拟远古地球的环境里造出两种核酸。反应过程中，化学物质高度浓缩地溶解在水中，且一些步骤需要紫外线辐射，显然无法发生在海洋里——暴露在太阳紫外线辐射下的水坑等小规模水体才能满足要求。
• 那之后，他们略微改变反应条件，产生了蛋白质和脂质的前体。

2019 年，Carell 团队搞出了能在远古地球的环境条件及简单的无机底物作用下同时产生四种RNA核苷酸的过程。该过程不需要复杂的分离和纯化，即可产生关键的生命组分：

• 相比之下，化学家尚未在模拟海水的条件下合成这些分子。

Moran Frenkel-Pinter 等证明，氨基酸在没有水的条件下可以自组织成链，地球生物使用的蛋白氨基酸比非蛋白氨基酸更容易发生这种反应。这可以帮助解答为何地球生物使用这些氨基酸来组成蛋白质。

2018 年，分子钟显示地球生物的起源可能早于地球上海洋的形成。

• 在目前的理论下，地球似乎是在 45.4 亿年前形成的，冥古宙由此开始。
• 在 45.2 亿年前，地球似乎与体积约等于火星的天体“忒伊亚”发生碰撞，飞溅出的物质有一部分形成了月球，地球从炽热的岩浆球状态逐渐冷却固化（计算表明需时1亿年）。
• 44.1 亿年前，地球上可能出现了原始海洋。这一时期的地质活动估计相当剧烈，火山喷发遍布地面、熔岩四处流动。
• 在 41 亿年前到 38 亿年前，地球可能受到了大量小行星与彗星的撞击。根据同时期的月球撞击坑推算^[2]，地球当时形成了 22000 个或更多的直径大于 20 千米的撞击坑、约 40 个直径约 1000 千米的撞击盆地、几个直径约 5000 千米的撞击盆地，地形平均每 100 年就受到显著破坏。
• 冥古宙在 38 亿年前结束，内太阳系不再有大规模撞击事件。
• 也有研究认为上述阶段的撞击规模要小一个甚至几个数量级。
• 21 世纪初，学者一般估计现存生物的最后共同祖先（LUCA）生活在距今 35 亿年前~38 亿年前，而我们发现的直接的古生物化石证据已经老到了 34.8 亿年前^[3]。
• 2017 年，科学家在加拿大魁北克的岩石中发现了 37.7 亿年前~42.8 亿年前的筒状微小纤维构造，可能是远古海底热泉喷口处生物的活动痕迹^[4]。
• 2018 年，有研究根据分子钟将最后共同祖先生活的年代设置到了 45 亿年前^[5]——这意味着 LUCA 可能在地球形成后 4 千万年时地狱般的环境里就自然形成了，比海洋的形成早九千万年。

地球生物的太空起源说仍然是学术界经常谈论的话题，人们实际上发现一些陨石可以带来大量的氨基酸等有机物，并在撞击时产生一个灼热的坑，该坑的任意边缘与水域相接就可以在坑里灌上水。

• 研究人员从当地时间 1969 年 9 月 28 日坠落在澳大利亚的默奇森陨石中找到了 70 种以上的氨基酸，既有常见的甘氨酸、丙氨酸、谷氨酸之类，也有不寻常的异缬胺酸、柳氨酸之类，有些取代基有 9 个碳原子，还有二羧基、二氨基等不同的官能团^[6]。2020 年 1 月发表的一项研究估计该陨石夹带的碳化硅颗粒有 70 亿年的历史^[7]。

• 科学家对在南极发现的陨石进行的更多研究显示，富含碳的陨石坠落时的高温可能驱动化学反应产生大量的氨基酸。

推测的 LUCA 体内的生化反应大多可以在现代深海热泉找到，那不代表它那个年代存在深海热泉。而且要注意 LUCA 不需要是地球上最早的生命，只是“更早的非病毒生命的遗传信息并未以传入 LUCA 以外的方式留存到现在”。病毒可能在 LUCA 出现之前就存在并已经广泛演化。

代谢相关的某些化学反应循环可能比自我复制分子更早出现^[8][9]，一些金属矿物可以在热液喷口条件下固定二氧化碳和氢气^[10]。在 LUCA 诞生之前，地球上的化学反应和物理变化产生的原始区室可能已经在支持多样化的、能经历自然选择的化学反应^[11]。

• 磷脂可以在水中不经酶催化自然形成^[12]。
• 湍流似乎可以帮助降低生命在水中自然诞生的难度^[13]。
• 在实验室内制造的无膜液滴显示出类似生命的行为^[14]。
• 在实验室内实现了无需核糖体的单核苷酸翻译^[15]。
• 温度对模拟代谢网络的规模影响有限，生命诞生所允许的温度范围可能比过去估计的更宽广^[16]。

参考

1. ^ Marshall M. How the first life on Earth survived its biggest threat - water. Nature. 2020 Dec;588(7837):210-213. doi: 10.1038/d41586-020-03461-4. PMID: 33299201.
2. ^ 月球面对地球的一面的大部分大型盆地，如危海、宁静海、晴朗海、肥沃海和风暴海，也是在这一时期撞击形成的
3. ^ https://www.liebertpub.com/doi/10.1089/ast.2013.1030
4. ^ http://eprints.whiterose.ac.uk/112179/1/ppnature21377_Dodd_for%20Symplectic.pdf
5. ^ http://palaeo.gly.bris.ac.uk/donoghue/PDFs/2018/Betts_et_al_2018.pdf
6. ^ https://dx.doi.org/10.1073%2Fpnas.0912157107
7. ^ https://doi.org/10.1073%2Fpnas.1904573117
8. ^ M. Preiner et al., The future of origin of life research: Bridging decades-old divisions. Life (Basel) 10, 13–36 (2020).
9. ^ Stubbs, R.T., Yadav, M., Krishnamurthy, R. et al. A plausible metal-free ancestral analogue of the Krebs cycle composed entirely of α-ketoacids. Nat. Chem. 12, 1016–1022 (2020). https://doi.org/10.1038/s41557-020-00560-7
10. ^ Preiner, M., Igarashi, K., Muchowska, K.B. et al. A hydrogen-dependent geochemical analogue of primordial carbon and energy metabolism. Nat Ecol Evol 4, 534–542 (2020). https://doi.org/10.1038/s41559-020-1125-6
11. ^ Jia, T.Z.; Caudan, M.; Mamajanov, I. Origin of Species before Origin of Life: The Role of Speciation in Chemical Evolution. Life 2021, 11, 154. https://doi.org/10.3390/life11020154
12. ^ Liu, L., Zou, Y., Bhattacharya, A. et al. Enzyme-free synthesis of natural phospholipids in water. Nat. Chem. 12, 1029–1034 (2020). https://doi.org/10.1038/s41557-020-00559-0
13. ^ Krieger, M.S., Sinai, S. & Nowak, M.A. Turbulent coherent structures and early life below the Kolmogorov scale. Nat Commun 11, 2192 (2020). https://doi.org/10.1038/s41467-020-15780-1
14. ^ Nakashima, K.K., van Haren, M.H.I., André, A.A.M. et al. Active coacervate droplets are protocells that grow and resist Ostwald ripening. Nat Commun 12, 3819 (2021). https://doi.org/10.1038/s41467-021-24111-x
15. ^ https://www.nature.com/articles/s41557-021-00749-4
16. ^ Chu X-Y, Chen S-M, Zhao K-W, Tian T, Gao J, Zhang H-Y. Plausibility of Early Life in a Relatively Wide Temperature Range: Clues from Simulated Metabolic Network Expansion. Life. 2021; 11(8):738. https://doi.org/10.3390/life11080738