问题

可自我复制的有机体可能会有共同的起源吗?

回答
这个问题很有意思,触及到了生命起源的根本。要回答“可自我复制的有机体是否可能拥有共同的起源”,我们可以从几个层面来深入探讨。

首先,我们需要明确“自我复制的有机体”和“共同的起源”这两个概念。

自我复制的有机体,简而言之,就是那些能够利用周围物质和能量,创造出与自身结构相似的后代的生命形式。在地球上,我们知道的就是基于DNA或RNA的生物,它们通过精确的复制过程来传递遗传信息。但从理论上讲,自我复制并不一定局限于我们所见的这种分子机制。

共同的起源,意味着所有这些自我复制的有机体,都源自于同一个最初的、能够自我复制的实体或系统。

那么,它们之间有没有联系呢?

逻辑上的推论:

从逻辑上讲,如果存在多个独立产生的、能够自我复制的有机体,并且它们彼此之间没有任何联系,那么它们就没有共同的起源。但是,在我们目前对生命和物理定律的认知下,这种“独立产生”的可能性有多大呢?

考虑一下生命所需的几个基本要素:

化学物质: 需要构成生命基础的分子,比如碳、氢、氧、氮等,以及它们能形成复杂有机物的能力。
能量来源: 生命活动需要持续的能量输入,比如太阳能、化学能等。
一个能够存储和复制信息的机制: 这是自我复制的核心,需要某种能够承载指令并且能够精确复制这些指令的载体。
一个隔离的“容器”或环境: 能够将这些复杂系统与外界环境区分开,维持其内部的稳定性和自主性。

设想一下,在某个特定的早期地球环境(或者任何适合生命诞生的环境中),这些要素恰好以某种方式组合在一起,形成了一个能够自我复制的系统。这个系统一旦形成,它就会开始自我复制。

“复制”的本质:

自我复制的强大之处在于,它会倾向于“复制”出和自己相似的后代。如果最初的自我复制实体在复制过程中发生了一些微小的变化(也就是突变),那么这些变化会传递给下一代。如果这些变化是有利的,能够提高复制的效率或生存能力,那么拥有这些变化的后代就会在竞争中脱颖而出,成为主流。

如果存在多个独立的起源,会怎样?

假设生命在早期地球上出现了不止一次,而且这几次起源是完全独立的,互不影响。这意味着,可能存在多个完全不同的、能够自我复制的生命系统。

它们会遵循相同的基本规律吗? 理论上,如果它们是在相同的物理和化学环境下产生的,它们最终可能会演化出相似的“解决问题”的方式。例如,如果某种化学反应是产生能量最有效的方式,那么多个生命系统都可能依赖这种反应。
它们会使用相同的“遗传密码”吗? 这是最关键的一点。如果我们发现所有能够自我复制的有机体,都使用一套相似的分子机制来存储和传递遗传信息(例如,都依赖DNA或RNA,都使用相同的核苷酸组成,都使用相同的遗传密码来编码蛋白质),那么这就极有可能指向一个共同的起源。想象一下,如果所有你看到的会走路的生物,都只有两条腿、两只胳膊,并且能用相同的语言交流,你很难不怀疑它们是从同一个祖先那里发展来的。

地球生命的情况:

就我们目前所知的地球生命而言,情况非常明确。所有已知的生命形式,从最简单的细菌到最复杂的鲸鱼,都共享同一个核心的分子机制:

DNA作为遗传物质: 绝大多数生命使用DNA来存储遗传信息。
RNA作为信息传递和催化者: RNA在基因表达和许多关键生化反应中起着至关重要的作用。
蛋白质作为执行者: 蛋白质根据DNA的指令合成,执行生命活动中的各种功能。
相同的遗传密码: 尽管存在一些细微的变体,但大部分生物使用的遗传密码(将DNA序列翻译成蛋白质氨基酸序列的规则)是普遍相同的。
相同的基本生化反应: 许多基本的代谢途径,如糖酵解,在几乎所有生命形式中都是保守的。

这些高度的相似性,尤其是遗传信息的存储和传递方式,是地球生命具有共同起源的最有力证据。如果生命曾独立起源过多次,那么我们极有可能观察到更多样化的遗传载体、编码方式,甚至截然不同的生化基础。

“一次性”的起源还是“渐进式”的起源?

关于共同起源,还有一种更精细的说法。它不一定意味着一个“瞬间”的、完美的自我复制实体就凭空出现。更可能的情况是,这是一个渐进的过程。

先有“原生命”: 在生命出现之前,可能存在一些能够进行化学反应、从环境中获取能量,并且能够“复制”某些分子或结构的“原生命”系统。它们可能还没有我们今天所说的DNA,可能只是简单的化学链或分子集合,但它们具备了一定的“复制”能力,能够对抗熵增。
竞争与演化: 这些“原生命”系统在竞争环境中,可能会演化出更有效的复制机制。那些能够更精确、更快速地复制自己,或者能够更好地利用资源的系统,更有可能生存和繁衍。
RNA世界假说: 一个流行的观点是“RNA世界”假说,认为在DNA蛋白质系统出现之前,RNA可能既是遗传信息的载体,又是酶(催化化学反应),同时还可能具备一定的自我复制能力。如果这个假说成立,那么地球上所有生命都可能源自于某个最初的、能够自我复制的RNA分子。

那么,从“可能”到“几乎确定”:

回到最初的问题:可自我复制的有机体可能会有共同的起源吗?

从科学的角度来看,基于我们对地球生命的观察和对生命起源过程的推断,答案倾向于 “是的,在特定环境下,它们很可能拥有共同的起源。”

原因如下:

1. 效率和稳定性的选择: 在众多的化学反应和分子组合中,只有那些能够有效地存储和复制信息、稳定存在并能持续获取能量的系统,才有可能在漫长的地质年代中被筛选和保留下来。这种“筛选”过程,无论起源有多少次,都倾向于选择那些“更擅长复制”的模式。
2. 共享的“语言”: 如果生命起源发生在同一个星球的同一个时期,它们很可能会“碰巧”使用相似的化学物质和物理规则。而一旦出现一个成功的、能够自我复制的“模板”,其他潜在的起源就很可能被这个成功的模板所“取代”或“吸收”。比如,如果一个DNAlike的系统比其他任何的复制系统都更稳定、更有效率,那么它就可能成为后来一切生命形式的基础。
3. 不可避免的“交流”: 即使是理论上独立的起源,在一个有限的环境(如地球)中,也很难保证它们之间完全没有物质或信息的“交流”。如果一个更成功的生命系统出现,它可能会通过消耗其他原始系统的资源,或者甚至捕食、融合其他原始系统,从而逐渐占据主导地位。

总结来说:

虽然理论上存在生命独立起源多次的可能性,但考虑到生命的自我复制特性、对物理化学条件的依赖以及潜在的竞争和演化压力,特别是在一个相对封闭的环境(如地球)中,最能自我复制、最稳定的系统往往会占据主导。地球上所有已知生命的高度同源性,尤其是遗传信息的分子机制,有力地支持了所有这些可自我复制的有机体都可能源自一个共同的、最初的自我复制实体或系统的观点。这个最初的实体,就像生命的“第一颗种子”,播撒了地球上所有生命的可能性。

当然,科学的魅力在于它的开放性。如果我们未来在其他星球上发现了生命,而它们的自我复制机制与地球生命完全不同,那将是一个令人振奋的发现,也可能意味着生命可以在非常不同的“模板”下独立演化。但就目前我们所拥有的证据而言,地球上的生命,它们确确实实像是同一位“祖先”繁衍出的无数子孙。

网友意见

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将朊毒体那种类似结晶的过程视为“可自我复制的有机体”的话,准入门槛太低了,将会纳入各个时代不断出现的简单分子,绝对不可能追溯到一个共同的起源。

前生命化学的挑战是从少数原始底物中追踪生命关键组成部分的合成过程。2020年9月,一支研究团队报告了一种正向合成算法,可在一般公认条件下从水、氮气、氨、甲烷、氢氰酸等底物开始生成完整的前生命化学反应网络,包含已报道的和先前未确定的通往生物靶标的途径、非生物分子的合理合成。其中一些反应是研究人员实验验证的[1]

该网络表现出3种形式的非凡化学反应:
-网络中的分子可充当下游反应类型的催化剂;
-形成功能化学系统,包括自我制造循环;
-产生与生物分化的原始形式有关的表面活性剂。

该研究显示,亚氨基二乙酸之类相当简单的分子就可以开始反复的自我制造

按照题目的标准,这就是人类拿无机物现场制造出了“可自我复制的有机体”,从而证伪“共同起源”——这还没动用“人类拿无机物合成核酸然后合成病毒之类”呢。

地球生命的太空起源说仍然是学术界经常谈论的话题,地球生命也不必都是在同一个时代起源的,现代地球的水域、地下仍然可能在进行有机大分子的自我制造,只是这个过程本就极度缓慢、难以和现代生物制造的有机大分子区分、很容易和现代生物的身体结合到一起去(例如被细菌摄入体内)。

如果不管病毒、类病毒、拟病毒、缺损干扰RNA、朊毒体之类非细胞结构的东西,将门槛设在“细胞生物”上面,现有的生物理论仍然反对“所有细胞生物均由同一个最早的可自我复制的有机大分子演化而来”。演化生物学会具体谈论的最古老的地球生命是“最后共同祖先”Last Universal Common Ancestor,简称LUCA,这是演化生物学上假定存在的生物,LUCA存在的证据和不存在的证据都是有的,谈论其存在和不存在的文章都可以发到nature上[2][3]即便LUCA存在,其也不是地球上最古老的生物,但地球上更古老的生物的遗传因子只有水平转移到了LUCA的基因组内,才能传递下来——这不包括病毒,有证据显示病毒早于LUCA出现,且在LUCA出现之前就经历了广泛的演化[4]

21世纪初,学者一般估计最后共同祖先生活在距今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[5]。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[6]。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[7]

  • 在目前的理论下,地球自45.4亿年前形成,冥古宙开始。在45.2亿年前,地球受到体积约等于火星的天体造成的撞击,形成了月球,并从炽热的岩浆球状态逐渐冷却固化(计算表明需时1亿年[8])。44.1亿年前出现原始海洋。这一时期地质活动剧烈,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[9],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数量要少一个甚至几个数量级。

无论如何,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。在这样的情况下,“地球上第一个生命体”可能是本质上无从判定的,在远古地球上可能同时出现多处生命现象。

“第一个”还有额外的问题:生物个体的认定标准也是非常模糊的[10]

参考

  1. ^ Synthetic connectivity, emergence, and self-regeneration in the network of prebiotic chemistry DOI: 10.1126/science.aaw1955
  2. ^支持它存在的研究 https://www.nature.com/articles/nature09014
  3. ^反对它存在的研究 https://www.nature.com/articles/nature09482
  4. ^ https://doi.org/10.1038%2Fs41579-020-0408-x
  5. ^ https://www.liebertpub.com/doi/10.1089/ast.2013.1030
  6. ^ http://eprints.whiterose.ac.uk/112179/1/ppnature21377_Dodd_for%20Symplectic.pdf
  7. ^ http://palaeo.gly.bris.ac.uk/donoghue/PDFs/2018/Betts_et_al_2018.pdf
  8. ^ 这意味着你很难去考察最后共同祖先之前的有机大分子的实态
  9. ^ 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
  10. ^ 2020年的发展可以参照此处 寻找最小的生命单元:生物的“个体”如何定义? - 神经现实的文章 - 知乎 https://zhuanlan.zhihu.com/p/259342352

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