最初的生命应当是在多深的海洋诞生的？
最初的生命，究竟是在怎样的深邃蔚蓝中悄然萌芽？这个问题，总是带着一丝古老而神秘的诱惑，让人不禁想要拨开那层层叠叠的时光迷雾，去窥探那生命的最初模样。
我们今天所理解的生命，无论是简单的细菌，还是复杂的动植物，都离不开水。而地球的早期，与现在也大不相同。那时候，火山活动异常频繁，天空常常被火山灰笼罩，大气成分也与如今天壤之别，可能富含甲烷、氨气、二氧化碳等。而那时的海洋，也不再是我们现在看到的温和的蓝色，更像是一个充满能量、不断变化的“化学汤”。
那么，最初的生命，会选择在哪里安家落户呢？
浅海的可能性：阳光与风暴的交响曲
一种流行的观点认为，生命可能诞生在相对较浅的海洋区域。为什么这么说呢？
能量来源： 早期地球，阳光是主要的能量来源之一。浅海能够更有效地接收到阳光的照射，这对于进行光合作用的生物（即使是极其原始的）来说至关重要。想想看，如果生命需要通过光能来驱动其内部的化学反应，那么阳光直射的浅水区自然是得天独厚的选择。
物质交换： 浅海区域，由于离地表更近，更容易与大气中的物质发生交换。例如，雷电产生的能量可以电离大气中的分子，形成一些有机物，这些有机物随着雨水落入浅海，为生命的诞生提供了“原材料”。
潮汐和蒸发： 浅水区更容易受到潮汐的影响，水体的涨落可能会将一些化学物质带到岸边，在阳光照射下蒸发，再被海水重新溶解。这种反复的干湿交替，被认为是促使简单有机分子聚合形成更复杂结构的有利条件。一些科学家设想，在潮池或泻湖这样的地方，生命的雏形可能就在这样的循环中孕育。
风暴的搅动： 早期地球的风暴可能比现在更为剧烈。强烈的风暴可以搅动浅层海水，将深层被火山活动释放出来的矿物质和化学物质带到地表，同时也为海水与大气提供了更充分的接触机会，促进了化学反应的发生。
深海的静谧：火山的热能与化学的温床
然而，将目光投向深邃的海洋，我们同样能发现许多吸引人的理由：
保护伞： 早期地球，虽然大气稀薄，但对紫外线的屏蔽能力远不如现在。强烈的紫外线对于脆弱的生命分子来说，无疑是致命的。深海，可以提供天然的屏障，将生命分子隐藏在强大的水层之下，免受紫外线的直接摧残。
地热的驱动： 在深海的海底，存在着大量的火山活动，形成了我们所说的“海底热泉”。这些热泉喷涌出富含硫化物、甲烷、氨等化学物质的高温海水，为生命提供了丰富的能量和化学“燃料”。
“深海热泉假说”： 这是一个非常有影响力的学说。它认为，生命的诞生可能发生在海底热泉附近。这里的化学梯度巨大，高温和高压环境，以及热泉喷出的化学物质，可以催化原始有机物的形成和聚合，甚至形成原始的细胞结构。想象一下，在漆黑一片的海底，只有热泉冒着泡，释放着生命所需的“锅炉”能量，各种化学反应在此上演，最终孕育出第一个微小的生命体，这是多么一幅令人震撼的画面。
稳定环境： 相较于可能饱受风暴侵袭的浅海，深海的环境更为稳定，温度变化相对较小，也不受地表剧烈事件的影响。这种相对稳定的环境，或许更有利于复杂有机分子的累积和结构的稳定。
那么，究竟是哪里？
科学界并没有一个确切的答案，两种观点都有其合理的依据，甚至可能存在多种途径。
或许，生命并不是诞生在一个单一的“地点”，而是在地球早期海洋的不同区域，以不同的方式，经历了漫长而复杂的演化过程。
初始的化学反应可能发生在某个受保护的浅水区，或者深海热泉附近。
有机分子的聚合可能在潮汐池的干湿交替中完成，也可能在海底热泉的化学梯度中进行。
原始细胞的出现，则需要一个能够维持内部环境相对独立并进行自我复制的场所，这可能是在黏土矿物的表面，也可能是在脂质囊泡的内部。
可以说，最初的生命，就像一个刚刚睁开眼睛的婴儿，它需要在最合适的环境中，获得最基础的“滋养”和“保护”。这个环境，可能就是早期地球那广阔而充满活力的海洋，无论是阳光普照的浅滩，还是黑暗寂静的海渊，都可能隐藏着它最初的足迹。
我们所能做的，就是继续深入研究，通过模拟实验、地质勘探、天体生物学等多种手段，一点一点地拼凑出那段最古老、最辉煌的生命诞生史。而那最初的生命，在多深的海洋中诞生，也终将随着我们探索的深入，逐渐揭开它神秘的面纱。
我们今天所理解的生命，无论是简单的细菌，还是复杂的动植物，都离不开水。而地球的早期，与现在也大不相同。那时候，火山活动异常频繁，天空常常被火山灰笼罩，大气成分也与如今天壤之别，可能富含甲烷、氨气、二氧化碳等。而那时的海洋，也不再是我们现在看到的温和的蓝色，更像是一个充满能量、不断变化的“化学汤”。
那么，最初的生命，会选择在哪里安家落户呢？
浅海的可能性：阳光与风暴的交响曲
一种流行的观点认为，生命可能诞生在相对较浅的海洋区域。为什么这么说呢？
能量来源： 早期地球，阳光是主要的能量来源之一。浅海能够更有效地接收到阳光的照射，这对于进行光合作用的生物（即使是极其原始的）来说至关重要。想想看，如果生命需要通过光能来驱动其内部的化学反应，那么阳光直射的浅水区自然是得天独厚的选择。
物质交换： 浅海区域，由于离地表更近，更容易与大气中的物质发生交换。例如，雷电产生的能量可以电离大气中的分子，形成一些有机物，这些有机物随着雨水落入浅海，为生命的诞生提供了“原材料”。
潮汐和蒸发： 浅水区更容易受到潮汐的影响，水体的涨落可能会将一些化学物质带到岸边，在阳光照射下蒸发，再被海水重新溶解。这种反复的干湿交替，被认为是促使简单有机分子聚合形成更复杂结构的有利条件。一些科学家设想，在潮池或泻湖这样的地方，生命的雏形可能就在这样的循环中孕育。
风暴的搅动： 早期地球的风暴可能比现在更为剧烈。强烈的风暴可以搅动浅层海水，将深层被火山活动释放出来的矿物质和化学物质带到地表，同时也为海水与大气提供了更充分的接触机会，促进了化学反应的发生。
深海的静谧：火山的热能与化学的温床
然而，将目光投向深邃的海洋，我们同样能发现许多吸引人的理由：
保护伞： 早期地球，虽然大气稀薄，但对紫外线的屏蔽能力远不如现在。强烈的紫外线对于脆弱的生命分子来说，无疑是致命的。深海，可以提供天然的屏障，将生命分子隐藏在强大的水层之下，免受紫外线的直接摧残。
地热的驱动： 在深海的海底，存在着大量的火山活动，形成了我们所说的“海底热泉”。这些热泉喷涌出富含硫化物、甲烷、氨等化学物质的高温海水，为生命提供了丰富的能量和化学“燃料”。
“深海热泉假说”： 这是一个非常有影响力的学说。它认为，生命的诞生可能发生在海底热泉附近。这里的化学梯度巨大，高温和高压环境，以及热泉喷出的化学物质，可以催化原始有机物的形成和聚合，甚至形成原始的细胞结构。想象一下，在漆黑一片的海底，只有热泉冒着泡，释放着生命所需的“锅炉”能量，各种化学反应在此上演，最终孕育出第一个微小的生命体，这是多么一幅令人震撼的画面。
稳定环境： 相较于可能饱受风暴侵袭的浅海，深海的环境更为稳定，温度变化相对较小，也不受地表剧烈事件的影响。这种相对稳定的环境，或许更有利于复杂有机分子的累积和结构的稳定。
那么，究竟是哪里？
科学界并没有一个确切的答案，两种观点都有其合理的依据，甚至可能存在多种途径。
或许，生命并不是诞生在一个单一的“地点”，而是在地球早期海洋的不同区域，以不同的方式，经历了漫长而复杂的演化过程。
初始的化学反应可能发生在某个受保护的浅水区，或者深海热泉附近。
有机分子的聚合可能在潮汐池的干湿交替中完成，也可能在海底热泉的化学梯度中进行。
原始细胞的出现，则需要一个能够维持内部环境相对独立并进行自我复制的场所，这可能是在黏土矿物的表面，也可能是在脂质囊泡的内部。
可以说，最初的生命，就像一个刚刚睁开眼睛的婴儿，它需要在最合适的环境中，获得最基础的“滋养”和“保护”。这个环境，可能就是早期地球那广阔而充满活力的海洋，无论是阳光普照的浅滩，还是黑暗寂静的海渊，都可能隐藏着它最初的足迹。
我们所能做的，就是继续深入研究，通过模拟实验、地质勘探、天体生物学等多种手段，一点一点地拼凑出那段最古老、最辉煌的生命诞生史。而那最初的生命，在多深的海洋中诞生，也终将随着我们探索的深入，逐渐揭开它神秘的面纱。
网友意见
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
- ^ 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
- ^ M. Preiner et al., The future of origin of life research: Bridging decades-old divisions. Life (Basel) 10, 13–36 (2020).
- ^ 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
- ^ 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
- ^ 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
- ^ 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
- ^ 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
- ^ 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
- ^ https://www.nature.com/articles/s41557-021-00749-4
- ^ 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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