生命起源的基本条件是什么？
要论及生命起源这桩宇宙中最深邃、最迷人的谜题，我们得把思绪拉回到地球尚在混沌之中、岩浆翻滚的远古时代。那时的地球，与我们今天所见的碧海蓝天、青山绿树截然不同，而是在一场极其漫长、极其复杂的地质化学演化过程中，孕育出了最初的生命火种。要让这一切成为可能，有几个基本条件是必不可少的，它们环环相扣，缺一不可。
首先，我们需要一个合适的化学组成。生命的基石是复杂的有机分子，这些分子最终会组合成更复杂的结构，例如蛋白质、核酸（DNA和RNA）以及脂质。那么，这些“建筑材料”从何而来？早期地球的大气层成分与现在大相径庭，很可能富含甲烷（CH₄）、氨（NH₃）、水蒸气（H₂O）和氢气（H₂），甚至可能还有一些二氧化碳（CO₂）和氮气（N₂）。与现代富含氧气的大气不同，这种“还原性”的大气环境，在能量的驱动下，更容易促成简单无机物转化为复杂有机物的过程。想想那些火山爆发喷出的气体，或者早期地球上可能存在的含碳、含氮的矿物，它们都提供了构成生命的元素。
说到能量，这是生命活动最直接的驱动力。如果没有持续不断的能量来源，即使有再好的化学原料，也只能是静止的物质，无法开启生命的舞蹈。在生命起源的早期，能量的形式多种多样。最显而易见的，便是来自太阳的辐射。虽然早期地球的大气层可能更厚，对紫外线的过滤作用较弱，但强烈的紫外线照射无疑为化学反应提供了重要的能量。除此之外，闪电也是一个强大的能量来源，闪电穿过富含各种气体的原始大气层，就像一个天然的反应器，能够合成氨基酸等有机小分子。再者，别忘了地球内部的能量。地壳活动频繁，火山喷发、海底热泉喷涌，这些都能释放出大量的热能，并且是热化学反应的重要推动力。尤其是海底热泉，它们不仅提供了化学物质，还提供了一个相对封闭、能量充沛的环境，使得有机分子得以在那里积累和反应，而不至于轻易地被稀释或破坏。
当然，光有化学原料和能量还不够，还需要一个介质来容纳和促进反应的发生。生命活动的舞台，就是液态水。水的神奇之处在于它极佳的溶解性，能够容纳大量的化学物质，让它们在三维空间中自由移动、相互碰撞、发生反应。同时，水也具备适中的极性，能够与许多有机分子形成氢键，稳定它们的结构，并参与到许多生化反应中。更重要的是，水的相变（冰、液、气）也可能在生命起源过程中扮演了重要角色，比如在潮汐区域，水分子的蒸发和凝结可能浓缩了有机物，促进了反应。想想看，生命至今仍然离不开水，即便是在最干旱的沙漠，我们也能找到依赖微量水源生存的生命，这足以证明水的不可或缺。
除了上述几个关键要素，时间的漫长也是生命起源的必要条件。生命从简单的有机分子演化到能够自我复制、自我维持的细胞，这个过程绝非一日之功，而是经过了数亿年甚至更长的时间。在这个漫长的时间尺度里，微小的化学变化得以累积，复杂的分子结构得以形成，并且在一次次偶然的碰壁与结合中，逐渐筛选出那些更稳定、更有利于自我复制的模式。这就好比在一间堆满零件的房间里，随机地碰撞这些零件，虽然一开始可能混乱不堪，但随着时间的推移，某些特定的组合可能会偶然地“成功”地组合起来，并重复这个组合过程。
最后，我们不得不提到一个可能听起来有些虚无缥缈但至关重要的因素：偶然性与选择性。生命起源并非是一个设计好的蓝图，更像是一个概率事件。在原始地球的众多化学反应中，绝大多数都走向了死胡同，但总有那么几个特殊的反应路径，能够在能量和物质的驱动下，产生出具有某种“生命萌芽”特性的分子，比如能够自我复制的核酸分子，或者能够催化其他反应的蛋白质前体。一旦这些具有自我复制或催化能力的分子出现，它们就会在有利的环境下，通过某种形式的“自然选择”，被保留下来，并得到放大。这种选择并非有意识的行为，而是物质自身属性在特定环境下的必然结果。那些能够更有效地利用资源、更稳定地存在、更有效地复制自己的分子，就更有可能在后继的演化中占据优势。
综上所述，生命起源并非单一因素的作用，而是地球早期多种条件共同作用的结果：丰富的化学原料，持续的能量输入（太阳辐射、闪电、地热），液态水作为反应介质，漫长的时间尺度，以及不可或缺的偶然性与选择性。正是这些因素在恰当的时间、恰当的地点交织在一起，才最终谱写了地球生命诞生的壮丽序曲。这不仅仅是化学的奇迹，更是宇宙演化进程中一个令人惊叹的章节。
首先，我们需要一个合适的化学组成。生命的基石是复杂的有机分子，这些分子最终会组合成更复杂的结构，例如蛋白质、核酸（DNA和RNA）以及脂质。那么，这些“建筑材料”从何而来？早期地球的大气层成分与现在大相径庭，很可能富含甲烷（CH₄）、氨（NH₃）、水蒸气（H₂O）和氢气（H₂），甚至可能还有一些二氧化碳（CO₂）和氮气（N₂）。与现代富含氧气的大气不同，这种“还原性”的大气环境，在能量的驱动下，更容易促成简单无机物转化为复杂有机物的过程。想想那些火山爆发喷出的气体，或者早期地球上可能存在的含碳、含氮的矿物，它们都提供了构成生命的元素。
说到能量，这是生命活动最直接的驱动力。如果没有持续不断的能量来源，即使有再好的化学原料，也只能是静止的物质，无法开启生命的舞蹈。在生命起源的早期，能量的形式多种多样。最显而易见的，便是来自太阳的辐射。虽然早期地球的大气层可能更厚，对紫外线的过滤作用较弱，但强烈的紫外线照射无疑为化学反应提供了重要的能量。除此之外，闪电也是一个强大的能量来源，闪电穿过富含各种气体的原始大气层，就像一个天然的反应器，能够合成氨基酸等有机小分子。再者，别忘了地球内部的能量。地壳活动频繁，火山喷发、海底热泉喷涌，这些都能释放出大量的热能，并且是热化学反应的重要推动力。尤其是海底热泉，它们不仅提供了化学物质，还提供了一个相对封闭、能量充沛的环境，使得有机分子得以在那里积累和反应，而不至于轻易地被稀释或破坏。
当然，光有化学原料和能量还不够，还需要一个介质来容纳和促进反应的发生。生命活动的舞台，就是液态水。水的神奇之处在于它极佳的溶解性，能够容纳大量的化学物质，让它们在三维空间中自由移动、相互碰撞、发生反应。同时，水也具备适中的极性，能够与许多有机分子形成氢键，稳定它们的结构，并参与到许多生化反应中。更重要的是，水的相变（冰、液、气）也可能在生命起源过程中扮演了重要角色，比如在潮汐区域，水分子的蒸发和凝结可能浓缩了有机物，促进了反应。想想看，生命至今仍然离不开水，即便是在最干旱的沙漠，我们也能找到依赖微量水源生存的生命，这足以证明水的不可或缺。
除了上述几个关键要素，时间的漫长也是生命起源的必要条件。生命从简单的有机分子演化到能够自我复制、自我维持的细胞，这个过程绝非一日之功，而是经过了数亿年甚至更长的时间。在这个漫长的时间尺度里，微小的化学变化得以累积，复杂的分子结构得以形成，并且在一次次偶然的碰壁与结合中，逐渐筛选出那些更稳定、更有利于自我复制的模式。这就好比在一间堆满零件的房间里，随机地碰撞这些零件，虽然一开始可能混乱不堪，但随着时间的推移，某些特定的组合可能会偶然地“成功”地组合起来，并重复这个组合过程。
最后，我们不得不提到一个可能听起来有些虚无缥缈但至关重要的因素：偶然性与选择性。生命起源并非是一个设计好的蓝图，更像是一个概率事件。在原始地球的众多化学反应中，绝大多数都走向了死胡同，但总有那么几个特殊的反应路径，能够在能量和物质的驱动下，产生出具有某种“生命萌芽”特性的分子，比如能够自我复制的核酸分子，或者能够催化其他反应的蛋白质前体。一旦这些具有自我复制或催化能力的分子出现，它们就会在有利的环境下，通过某种形式的“自然选择”，被保留下来，并得到放大。这种选择并非有意识的行为，而是物质自身属性在特定环境下的必然结果。那些能够更有效地利用资源、更稳定地存在、更有效地复制自己的分子，就更有可能在后继的演化中占据优势。
综上所述，生命起源并非单一因素的作用，而是地球早期多种条件共同作用的结果：丰富的化学原料，持续的能量输入（太阳辐射、闪电、地热），液态水作为反应介质，漫长的时间尺度，以及不可或缺的偶然性与选择性。正是这些因素在恰当的时间、恰当的地点交织在一起，才最终谱写了地球生命诞生的壮丽序曲。这不仅仅是化学的奇迹，更是宇宙演化进程中一个令人惊叹的章节。
网友意见
地球生命起源于环境中随机发生的化学反应产生的、具有自我制造能力的分子，其对应的条件是远古地球那地狱般的自然环境：
灼热的原始大气、到处横流的滚烫液体、冒烟的石头、密集的天体撞击、暴风雨、缺少遮挡的太阳辐射和宇宙线。
在这种环境里，化学反应是每时每刻都在自然发生的。
- 你可以再给上述分子和环境条件的物理化学性质找原因，追溯到可观测宇宙的自然诞生[1]，但一般来说没有这个必要。
- 我们还没有观测到确凿的外星生命，但按照道金斯的生命定义“生命是自然选择塑造的信息”，人类已经创造了一些非碳基生命[2]，它们对应的条件可以说是人类设置的规则，也可以归结为人类的存在、回归到地球生命的起源条件中。
- 假定型生物化学已经考察了和地球碳基生命不一样的化学物质自然演化出生命的可能性，但目前还没有实际发现或创造那样的生物。
“从无机物产生有机物”的过程非常普通，在人类的实验室里模拟的远古地球环境中几乎瞬间就完成了，例如：
- 氢氰酸：在天体撞击和雷电活动中，大气内的含碳化合物和含氮化合物可以反应生成CN自由基和激发态一氧化碳，进而形成氢氰酸[3]。早已有一些研究显示氢氰酸可以作为地球生命起源过程中氨基酸·核酸·脂质的前体之一[4]，在这方面的探索还发现了氢氰酸缩合产生有机化合物的新途径。在后期重轰炸阶段的地球表面很可能形成了大量的氢氰酸与甲酰胺。
- 火山活动：溶解有火山气体（一氧化碳、二氧化碳、氨、硫化氢等）的100摄氏度的高压水喷到具有催化性的金属化合物（例如硫化铁、硫化镍）上面，发生化学反应合成有机分子；
- RNA自组装[5]：在溶解着大量有机分子的海水或淡水温泉里，RNA片段进行自组装；
- 天体撞击[6]：太阳系里十分常见的含有铁、镍、碳的球粒陨石撞击早期地球的水域，产生的高温高压在铁与镍的催化下让碳、氮和水反应，合成出氨基酸、脂肪酸等有机分子；
- 太空飞来[7]：在太阳辐射和宇宙射线作用下形成于小行星上的有机分子随着陨石坠落到地球上。
- 现在未知的生物化学反应：2017年，研究人员从美国加利福尼亚2处地方的蛇纹岩化反应涌出水里检出了多种微生物，其中79种的基因组已经被解析。它们是细菌但ATP合成酶基因与古菌相同，一部分物种没有ATP合成酶基因，核糖体构造与已知细菌不同，这之中还有一部分物种也没有糖酵解酶基因，其能量获取途径不明，也许和体表覆盖的纳米级橄榄石/蛇纹岩有关。
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[8]。
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。
在实际的远古地球上，反应物的量和条件是在逐渐改变的，生命需要的有机物会经过一些反应形成并积累下来，例如：
在硼酸的参与下，核糖通过如上的formose反应生成并积累下来。
2009年，Matthew W. Powner等人成功找到了从原始有机物到U、C两种碱基核苷的化学反应过程；2016年，Carell团队破解了从原始有机物到A、G两种碱基核苷的化学反应过程；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：
1993年，哈佛大学的科学家在实验室里创造出能执行RNA聚合酶功能的RNA。从那以来，人类制造出的这种RNA的性能不断改善，2016年David P. Horning和Gerald F. Joyce发现的24-3聚合酶几乎能复制任何RNA链并将其扩增万倍。
蛋白质同样可以自然形成并在计算机模拟中自组织成链[9]。
2014年，美国雪城大学和加利福尼亚大学的研究人员发现，自然形成的肽类可以通过自组装产生催化剂[10]。他们的论文描述了如何设计了七种肽类，让这些肽类分子自组装成淀粉样蛋白进而催化酯类水解。
蛋白质自我复制：
2018年，苏黎世联邦理工学院的研究人员实验证明，短链淀粉样蛋白结构可以指导氨基酸去构建更多的淀粉样蛋白[11]。该团队设计了一系列肽序列来代替DNA引物链，将它们与氨基酸和一些起辅助作用的化学物质混合起来。比较这些混合物与没有此种引物的对照组，可以明确证实短肽作为引物的功能。
蛋白质可以指导DNA合成：
Rev1 DNA聚合酶可以以自身为模板在复制链上加一个胞嘧啶，不管有没有鸟嘌呤。Rev1/Polζ复合物通过直接参与DSB修复和TLS通路来保持基因组稳定。这其实就是科幻小说谈了几十年的“纳米机器人修复受损DNA”，只不过可控性远低于预期。这是第一次发现蛋白质可以作为合成DNA的模板。
朊毒体没有改变其它蛋白质的分子序列，虽然也经常被视为中心法则的例外，但并不那么严峻。目前一般不将朊毒体视为生物，以免造成生物的概念过于泛滥[12]。也有一些学者认为生物和非生物本就没有严格界限。
DNA与RNA结构相似，能形成杂交双链。2018年Angad P. Metha等人[13]构建并表征了一种含有DNA-RNA杂交基因组的大肠杆菌菌株，其基因组中40~50%是RNA。这种大肠杆菌的存活说明DNA-RNA杂交链并不致死。
磷二酰胺能将脱氧核苷连接成DNA链，且脱氧核苷中的碱基（A、T、C、G）排列不一样时连接的效果更好。这进一步解释了早期地球上DNA链的产生过程，支持早期DNA-RNA杂交链复制[14]。
综上，地球生物可以在远古地球上以天然形成的RNA和蛋白质为基础自发地产生，并允许其中部分物种逐步将遗传物质从RNA替换为DNA。该过程可能花费至少四千万年到八亿年，但早在这一切都没有办的时候，那团自我复制有机物可能就算是生物了——生物与非生物没有严格的界限。
参考
- ^ 有个悖论，物质都不能凭空出现，那最初宇宙是怎么诞生的？奇点之前呢？ - 群星闪耀的回答 - 知乎 https://www.zhihu.com/question/434863404/answer/1651035200
- ^ 如果人类把已知的世界概念融汇到一个电脑程序里，任由其发展，能不能自由演化出生命力？ - 赵泠的回答 - 知乎 https://www.zhihu.com/question/442470186/answer/1715504348
- ^ https://www.nature.com/articles/s41598-017-06489-1
- ^ https://doi.org/10.1007%2F1-4020-2522-X_8
- ^ https://cshperspectives.cshlp.org/content/4/7/a006742.long
- ^ https://www.nature.com/articles/ngeo383
- ^ http://www.pnas.org/lookup/doi/10.1073/pnas.1907169116
- ^ Synthetic connectivity, emergence, and self-regeneration in the network of prebiotic chemistry DOI: 10.1126/science.aaw1955
- ^ https://www.pnas.org/content/114/36/E7460.full
- ^ https://doi.org/10.1038/nchem.1894
- ^ https://doi.org/10.1038/s41467-017-02742-3
- ^ 朊毒体的行为和结晶、热带风暴之类太过接近
- ^ Mehta A P , Yiyang W , Reed S A , et al. Bacterial Genome Containing Chimeric DNA–RNA Sequences[J]. Journal of the American Chemical Society, 2018:jacs.8b07046.
- ^ doi:10.1002/anie.202015910
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