为什么可以通过细胞外液是盐溶液判断生命起源于海洋？
你这个问题很有意思，它触及了我们理解生命本质的深层逻辑。为什么细胞外液是盐溶液，能让我们如此确信生命起源于海洋？这不是一个简单的巧合，而是生命演化过程中留下的深刻烙印，就像一块刻在基因里的“历史教科书”。
我们先从根本上理解“细胞外液”和“生命”这两个概念。
细胞外液：生命的“内部环境”
生命的基本单位是细胞。细胞不是孤立存在的，它需要一个稳定的“内部环境”来维持正常的生理活动。这个“内部环境”就是细胞外液。你可以想象成，细胞就像一座小小的城市，而细胞外液就是环绕着这座城市的河流、水道、甚至是周边的大气。所有细胞的物质交换、信号传递、能量供应，都要通过这个“外部世界”来完成。
为什么细胞外液中的“盐”如此关键？
这里的“盐”并非我们日常食用的食盐（氯化钠），而是指溶解在水中的各种无机盐类，也就是电解质。这些电解质，比如钠离子（Na⁺）、钾离子（K⁺）、氯离子（Cl⁻）、钙离子（Ca²⁺）等等，在细胞外液中以一定的比例和浓度存在。
那么，这些盐离子到底有什么作用，能让它们成为我们推测生命起源的线索呢？
1. 维持细胞形态和渗透压平衡： 细胞膜就像一道有选择性的屏障，它控制着物质进出细胞。细胞外液的盐浓度，尤其是氯化钠的浓度，直接影响着细胞内外的渗透压。如果细胞外液的盐浓度太高，水会从细胞内流出，细胞就会萎缩。反之，如果浓度太低，水会大量涌入，细胞就会胀破。生命需要一个相对恒定的内部环境，这就需要细胞外液的渗透压能够维持细胞的正常形态和功能。
2. 参与细胞信号传导和代谢： 很多关键的生理过程都离不开这些离子。
钠离子和钾离子 是构成动作电位的基础，这对于神经细胞和肌肉细胞的兴奋至关重要，它们负责传递信号和产生运动。
钙离子 不仅是骨骼和牙齿的组成部分，更是细胞内信号传递的“信使”，参与肌肉收缩、血液凝固、神经递质释放等多种过程。
镁离子 是很多酶的辅因子，在能量代谢中扮演着重要角色。
3. 维持细胞膜的电势差： 细胞膜内外离子的分布不均，会产生电势差，这对于维持细胞的极化状态、能量产生（如ATP合成）以及许多离子通道的功能至关重要。
海洋，天然的“盐溶液”
现在，我们把目光投向生命的诞生地——海洋。早期的地球，是一个充满火山活动、地质变迁的活跃时期。海洋作为地球上最大的水体，吸收了地壳岩石风化产生的各种矿物质，其中就包括大量的盐类。
想象一下，在那个还没有生命的蛮荒时代，原始的海洋就是一个天然的、巨大的“盐溶液”。
为什么“恰好”是海洋的盐溶液？
关键就在于“比例”。
地球上的陆地岩石，特别是构成地壳的硅酸盐岩石，风化后会释放出钠、钾、氯、镁、钙等离子。这些离子被雨水冲刷，最终汇入河流，流向海洋。因此，海洋的盐分成分，在很大程度上是地球岩石风化产物的集合。
而有趣的是，我们今天发现的绝大多数高等生物（包括人类）的细胞外液，其盐分组成和浓度，特别是氯化钠的浓度，与海洋水的成分惊人地相似！
这其中的逻辑链条是这样的：
1. 生命起源于海洋： 这是目前最主流的科学假说。生命最初可能在原始海洋的温暖水体中，在各种化学物质的催化下，通过复杂的化学反应逐渐演化而来。
2. 细胞诞生，并适应海洋环境： 当最早的原始生命体（如原始细胞）出现时，它们就处于海洋这个“盐溶液”的环境中。为了在这样的环境中生存和繁衍，它们的细胞膜和内部机制必须能够适应并利用这种环境。
3. 细胞外液的“海洋化”： 细胞需要维持内部环境的稳定，而它身处的外部环境就是海洋。因此，细胞会自然而然地发展出一种机制，使得其细胞外液的盐分组成和浓度，能够与海洋环境保持一种动态的平衡。这是一种“被动适应”和“主动维持”的结合。
4. 遗传和演化： 这种适应海洋环境的细胞结构和生理功能，通过遗传物质（DNA）一代代传递下去。即使后来生命从海洋走向陆地，它们也需要保留这种“海洋”的内部环境，因为这是它们祖先赖以生存的基础。
从海洋到陆地：生命的“内部海洋”
当生命开始从海洋走向陆地时，它们面临了一个巨大的挑战：陆地环境没有海洋那么丰富的盐溶液。但是，生命并没有改变它数亿年形成的“海洋化”的细胞外液。
所以，我们这些陆地生物，比如你我，即使已经离开了海洋，我们的身体内部仍然在小心翼翼地维持着一个近似于原始海洋的“内部盐溶液”环境。我们的血液、淋巴液，都富含钠、钾、氯等离子，它们的浓度和比例，依然在提示着我们那遥远的海洋祖先。
打个比方：
想象一下，你出生在一个美丽的、气候宜人的热带雨林里。你的身体，你的基因，都“设计”成了最适合生活在雨林中的样子。后来，你因为某些原因搬到了沙漠。你不可能瞬间改变你身体里所有的生理机制，你只能带着你“雨林基因”的身体，在沙漠里想办法维持你“内部的雨林环境”，比如依靠饮水、穿着透气的衣服等等。
生命也是如此。它在海洋里“设计”好了自己的细胞外液，然后带着这个“设计”来到了陆地。
所以，通过分析细胞外液的盐溶液成分，特别是其与海洋水的相似性，我们可以推断出：
生命在早期就与海洋环境紧密相连。
细胞外液的组成是生命适应早期海洋环境的直接结果。
这种“海洋化”的内部环境，是生命演化过程中传承下来的一个重要特征，即使脱离海洋，这个痕迹依然清晰可见。
这就像我们考古学家通过挖掘出的古代陶器碎片，就能推测出当时人们的生活习惯和文化水平一样，细胞外液的“盐分密码”，为我们解锁了生命起源于海洋的壮丽篇章。它不仅是化学物质的存在，更是生命亿万年演化史的生动写照。
我们先从根本上理解“细胞外液”和“生命”这两个概念。
细胞外液：生命的“内部环境”
生命的基本单位是细胞。细胞不是孤立存在的，它需要一个稳定的“内部环境”来维持正常的生理活动。这个“内部环境”就是细胞外液。你可以想象成，细胞就像一座小小的城市，而细胞外液就是环绕着这座城市的河流、水道、甚至是周边的大气。所有细胞的物质交换、信号传递、能量供应，都要通过这个“外部世界”来完成。
为什么细胞外液中的“盐”如此关键？
这里的“盐”并非我们日常食用的食盐（氯化钠），而是指溶解在水中的各种无机盐类，也就是电解质。这些电解质，比如钠离子（Na⁺）、钾离子（K⁺）、氯离子（Cl⁻）、钙离子（Ca²⁺）等等，在细胞外液中以一定的比例和浓度存在。
那么，这些盐离子到底有什么作用，能让它们成为我们推测生命起源的线索呢？
1. 维持细胞形态和渗透压平衡： 细胞膜就像一道有选择性的屏障，它控制着物质进出细胞。细胞外液的盐浓度，尤其是氯化钠的浓度，直接影响着细胞内外的渗透压。如果细胞外液的盐浓度太高，水会从细胞内流出，细胞就会萎缩。反之，如果浓度太低，水会大量涌入，细胞就会胀破。生命需要一个相对恒定的内部环境，这就需要细胞外液的渗透压能够维持细胞的正常形态和功能。
2. 参与细胞信号传导和代谢： 很多关键的生理过程都离不开这些离子。
钠离子和钾离子 是构成动作电位的基础，这对于神经细胞和肌肉细胞的兴奋至关重要，它们负责传递信号和产生运动。
钙离子 不仅是骨骼和牙齿的组成部分，更是细胞内信号传递的“信使”，参与肌肉收缩、血液凝固、神经递质释放等多种过程。
镁离子 是很多酶的辅因子，在能量代谢中扮演着重要角色。
3. 维持细胞膜的电势差： 细胞膜内外离子的分布不均，会产生电势差，这对于维持细胞的极化状态、能量产生（如ATP合成）以及许多离子通道的功能至关重要。
海洋，天然的“盐溶液”
现在，我们把目光投向生命的诞生地——海洋。早期的地球，是一个充满火山活动、地质变迁的活跃时期。海洋作为地球上最大的水体，吸收了地壳岩石风化产生的各种矿物质，其中就包括大量的盐类。
想象一下，在那个还没有生命的蛮荒时代，原始的海洋就是一个天然的、巨大的“盐溶液”。
为什么“恰好”是海洋的盐溶液？
关键就在于“比例”。
地球上的陆地岩石，特别是构成地壳的硅酸盐岩石，风化后会释放出钠、钾、氯、镁、钙等离子。这些离子被雨水冲刷，最终汇入河流，流向海洋。因此，海洋的盐分成分，在很大程度上是地球岩石风化产物的集合。
而有趣的是，我们今天发现的绝大多数高等生物（包括人类）的细胞外液，其盐分组成和浓度，特别是氯化钠的浓度，与海洋水的成分惊人地相似！
这其中的逻辑链条是这样的：
1. 生命起源于海洋： 这是目前最主流的科学假说。生命最初可能在原始海洋的温暖水体中，在各种化学物质的催化下，通过复杂的化学反应逐渐演化而来。
2. 细胞诞生，并适应海洋环境： 当最早的原始生命体（如原始细胞）出现时，它们就处于海洋这个“盐溶液”的环境中。为了在这样的环境中生存和繁衍，它们的细胞膜和内部机制必须能够适应并利用这种环境。
3. 细胞外液的“海洋化”： 细胞需要维持内部环境的稳定，而它身处的外部环境就是海洋。因此，细胞会自然而然地发展出一种机制，使得其细胞外液的盐分组成和浓度，能够与海洋环境保持一种动态的平衡。这是一种“被动适应”和“主动维持”的结合。
4. 遗传和演化： 这种适应海洋环境的细胞结构和生理功能，通过遗传物质（DNA）一代代传递下去。即使后来生命从海洋走向陆地，它们也需要保留这种“海洋”的内部环境，因为这是它们祖先赖以生存的基础。
从海洋到陆地：生命的“内部海洋”
当生命开始从海洋走向陆地时，它们面临了一个巨大的挑战：陆地环境没有海洋那么丰富的盐溶液。但是，生命并没有改变它数亿年形成的“海洋化”的细胞外液。
所以，我们这些陆地生物，比如你我，即使已经离开了海洋，我们的身体内部仍然在小心翼翼地维持着一个近似于原始海洋的“内部盐溶液”环境。我们的血液、淋巴液，都富含钠、钾、氯等离子，它们的浓度和比例，依然在提示着我们那遥远的海洋祖先。
打个比方：
想象一下，你出生在一个美丽的、气候宜人的热带雨林里。你的身体，你的基因，都“设计”成了最适合生活在雨林中的样子。后来，你因为某些原因搬到了沙漠。你不可能瞬间改变你身体里所有的生理机制，你只能带着你“雨林基因”的身体，在沙漠里想办法维持你“内部的雨林环境”，比如依靠饮水、穿着透气的衣服等等。
生命也是如此。它在海洋里“设计”好了自己的细胞外液，然后带着这个“设计”来到了陆地。
所以，通过分析细胞外液的盐溶液成分，特别是其与海洋水的相似性，我们可以推断出：
生命在早期就与海洋环境紧密相连。
细胞外液的组成是生命适应早期海洋环境的直接结果。
这种“海洋化”的内部环境，是生命演化过程中传承下来的一个重要特征，即使脱离海洋，这个痕迹依然清晰可见。
这就像我们考古学家通过挖掘出的古代陶器碎片，就能推测出当时人们的生活习惯和文化水平一样，细胞外液的“盐分密码”，为我们解锁了生命起源于海洋的壮丽篇章。它不仅是化学物质的存在，更是生命亿万年演化史的生动写照。
网友意见
大抵就是某些编者喜欢这个假说，没什么依据。
“地球生物起源于海洋”是高中生物书里的一枚陈年未爆弹：
- 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。
- 这意味着如果你相信地球生物是自然起源的，那么起源的过程不可能全都发生在海洋里。
- 分子钟显示地球生物的起源可能早于地球上海洋的形成。
书的编者或许是太过疲惫，不慎追尾了走成华大道救火的车，于是就一直没有更新。
“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。这意味着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。
地球生物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）。
参考
- ^ 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.
- ^ 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
- ^ https://www.liebertpub.com/doi/10.1089/ast.2013.1030
- ^ http://eprints.whiterose.ac.uk/112179/1/ppnature21377_Dodd_for%20Symplectic.pdf
- ^ http://palaeo.gly.bris.ac.uk/donoghue/PDFs/2018/Betts_et_al_2018.pdf
- ^ https://dx.doi.org/10.1073%2Fpnas.0912157107
- ^ https://doi.org/10.1073%2Fpnas.1904573117
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