地球上的生物是从哪里来的？

地球上的生命，这是一个宏大而又充满神秘感的问题，也是人类一直以来孜孜不倦探索的终极奥秘之一。要讲清楚这个问题，咱们得把时间拨回到地球形成之初，那时候的地球可和现在截然不同。

混沌初开：地球的诞生与早期环境

想象一下，大约45亿年前，地球还是一颗年轻、炽热的星球，被熔岩和火山灰笼罩。宇宙中漂浮着大量的尘埃、气体和各种小天体，它们在引力的作用下聚集、碰撞，最终形成了太阳系，而我们这颗蓝色的星球也由此诞生。

刚形成的地球，其环境与现在我们熟悉的温室截然不同。它没有稳定的地壳，到处是活跃的火山喷发，释放出大量的气体，比如水蒸气、二氧化碳、氨、甲烷等等。大气层稀薄，而且富含这些火山气体，氧气几乎为零。地球表面被炙热的熔岩覆盖，但随着时间的推移，温度逐渐下降，水蒸气开始凝结，形成了最早的海洋。这是一个充满能量、化学反应异常活跃的时代，就像一个巨大的化学实验室。

生命的种子：有机物的形成

那么，在这片原始的海洋和活跃的大气中，生命的种子是如何萌发的呢？主流的科学观点认为，生命起源于一系列复杂的化学反应，这个过程被称为“化学进化”。

1. 无机物到简单有机物： 地球早期的能量来源非常丰富，除了火山活动，还有强烈的紫外线辐射（因为当时还没有臭氧层来阻挡）以及频繁的闪电。这些高能的能量能够打破大气中简单无机分子的化学键，促使它们重新组合，形成更复杂的有机小分子，比如氨基酸（蛋白质的基本组成单位）、核苷酸（构成DNA和RNA的基石）、脂肪酸（构成细胞膜的材料）等等。

著名的“米勒尤里实验”就模拟了地球早期的环境，通过在密闭的装置中混合水蒸气、甲烷、氨和氢气，并施加电火花（模拟闪电），成功地合成出了多种氨基酸。这在很大程度上支持了在地球早期条件下，生命所需的有机小分子是可以自然产生的。

2. 简单有机物到复杂有机物： 这些在海洋中形成的有机小分子，就像是砌墙的砖块。它们需要在能量的驱动下进一步连接，形成更长的链状分子，比如蛋白质（由氨基酸构成）和核酸（如RNA和DNA，由核苷酸构成）。这些复杂有机物的形成，可能发生在一些特定的环境中，比如：
浅海的潮汐池或海岸： 这里的水会蒸发，浓缩有机物，方便它们进行化学反应。
深海的热液喷口： 海底的火山活动会释放出富含化学物质的热水，这些喷口周围的环境提供了稳定的能量和化学物质，为有机物的合成和聚合提供了理想的场所。科学家们认为深海热液喷口是生命起源的一个非常重要的潜在场所。
粘土矿物表面： 粘土矿物具有吸附能力，可以将有机分子聚集在表面，充当催化剂，促进反应的发生。

关键一步：从化学物质到生命

有了构成生命的基本“积木”，接下来就是如何将它们组织起来，形成具有自我复制能力和新陈代谢能力的原始生命体。这是生命起源中最艰难、也是最关键的一步。

1. 核酸的崛起——RNA世界假说： 现在的生命以DNA作为遗传信息的载体，以蛋白质作为执行功能的工具。然而，DNA的复制需要蛋白质的帮助，而蛋白质的合成又依赖于DNA的指令。这似乎是个鸡生蛋、蛋生鸡的难题。

科学家提出了“RNA世界假说”。RNA（核糖核酸）与DNA类似，也能携带遗传信息，但它比DNA更简单，而且有些RNA分子（称为“核酶”）本身就具有催化化学反应的能力，就像蛋白质一样。因此，很有可能在生命的早期，RNA既是遗传物质，也承担了催化生命活动的功能，形成了一个“RNA世界”。后来，DNA才逐渐取代RNA成为主要的遗传物质，而蛋白质则分担了大部分催化功能。

2. 细胞膜的形成——生命的边界： 要成为一个独立的生命体，就需要一个将内部化学环境与外部环境隔离开来的边界。脂肪酸在水中可以自发形成一层薄膜，类似于我们今天细胞的细胞膜。当RNA分子和蛋白质等被包裹在这个脂肪膜中时，就形成了一个原始的“原细胞”或“前细胞”。这个原始的细胞拥有了一个相对稳定的内部环境，可以进行更复杂的化学反应，并开始尝试自我复制。

3. 自我复制与进化： 一旦具备了自我复制的能力，生命就真正诞生了。这些原始的自我复制体，就像自然选择的第一个候选者。在复杂的化学环境中，那些复制得更快、更稳定的原细胞，或者拥有更好复制能力的遗传物质（比如更稳定的RNA链），就更有可能生存下来并繁衍后代。这个过程，就是生命的早期进化。它们不断地在能量和物质的消耗与再生中进行着“竞争”，那些最“适应”的变异得以保留和传播。

第一批真正意义上的生命

随着时间的推移，这些原始的生命体逐渐变得更加复杂和稳定。它们学会了利用环境中的能量来维持自身，并不断地进行着遗传物质的复制和变异。大约在35亿年前，地球上已经出现了最早的原核生物，比如细菌和古菌。这些生命体非常简单，没有细胞核，DNA也分散在细胞质中。它们可能是利用化学能生存的化能自养生物，也可能是利用早期海洋中存在的有机物作为能量来源的异养生物。

经过漫长的演化，大约在25亿年前，出现了一种至关重要的生命形式——蓝藻（一种细菌）。它们进化出了光合作用的能力，能够利用阳光、水和二氧化碳来制造有机物，并释放出氧气。

这看似微小的变化，却彻底改变了地球的面貌。蓝藻在光合作用中释放的氧气，逐渐积累在大气中，开启了地球历史上的大氧化事件。氧气的出现，对于当时绝大多数不适应氧气的厌氧生物来说是致命的毒药，但对于那些能够利用氧气的新生代生物来说，却提供了更高效的能量来源。

走向多样化的生命

氧气的积累也催生了更加复杂生命的出现：

真核生物的诞生： 大约在18亿年前，一种更复杂的细胞结构——真核细胞出现了。真核细胞拥有细胞核，遗传物质DNA被包裹在核膜中，还有各种膜状细胞器，比如线粒体和叶绿体。现在的动物、植物、真菌和藻类都属于真核生物。真核生物的出现被认为是生命演化史上的一个里程碑，因为它为细胞内更复杂的分工和功能的实现奠定了基础。一种流行的理论认为，真核细胞的出现与一种称为“内共生理论”有关，即早期的真核细胞吞噬了其他细菌（比如能进行光合作用的蓝藻和能进行呼吸作用的细菌），这些被吞噬的细菌最终演变成了线粒体和叶绿体。
多细胞生命的崛起： 在真核生物出现之后，经过数十亿年的演化，细胞开始学会协同合作，形成多细胞的生物体。从简单的群体生活，到高度分化的组织和器官，生命的形式变得越来越复杂。
生命大爆发： 大约在5.4亿年前，地球上发生了一次被称为“寒武纪生命大爆发”的事件，在相对短暂的地质时期内，地球上出现了各种各样、形态迥异的复杂多细胞生物，包括我们今天所知的许多动物门类的早期代表。

总结

所以，地球上的生命，并不是突然凭空出现的，而是一个漫长、复杂且充满偶然性的化学进化和生物进化过程。

1. 无机物在早期地球恶劣但充满能量的环境下，通过化学反应生成了构成生命基础的有机小分子（氨基酸、核苷酸等）。
2. 这些小分子在特定环境下聚合形成更复杂的有机大分子（蛋白质、核酸）。
3. RNA世界假说解释了遗传物质和催化功能如何首次结合。
4. 细胞膜的形成，将生命活动限定在一个独立的边界内，诞生了原始的前细胞。
5. 具有自我复制能力的原始生命（最可能是细菌和古菌）在自然选择的驱动下不断演化。
6. 光合作用的出现，改变了地球大气成分，为更复杂生命的出现铺平了道路。
7. 真核细胞和多细胞生物的演化，最终造就了我们今天看到的多姿多彩的生命世界。

这是一个从无到有、由简到繁、不断学习和适应的伟大旅程。当然，关于生命起源的具体细节，尤其是那个从化学物质到第一个真正自我复制体的“黑箱”，科学家们仍在不断地探索和研究之中，未来也许还会有更令人惊喜的发现。但总的来说，生命是地球早期化学和物理规律共同作用下，自然而然产生的惊人结果。

网友意见

目前看来，地球生物是在地球上自然发生的化学反应的产物。

地球生物的太空起源说仍然是学术界经常谈论的话题，地球生物起源使用的许多分子可能在小行星上由太阳照射驱动形成并掉到地球。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、催化一些反应进行。

• 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^[1]。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^[2]。

• 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。

当然，地球生物还可能是真空涨落涌现的，还可能是某地外势力创造的，还可能是在模拟地球的计算机里预设的，诸如此类。你可以随便选一种自己喜欢的说法。

前生物化学和早期大分子的自我制造可以参照：生命起源的基本条件是什么？

蛋白质和核酸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^[3]。

• 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。

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。

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^[4]，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^[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]——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。

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. ^ https://dx.doi.org/10.1073%2Fpnas.0912157107
2. ^ https://doi.org/10.1073%2Fpnas.1904573117
3. ^ 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.
4. ^ 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
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. ^ 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

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