生命之源

生命的起源始于水

生命是如何在地球上開(kāi)始起源的，一直都是科學(xué)界的一個(gè)難解之謎。雖然科學(xué)家們提出了各種各樣的假設(shè)，但都沒(méi)有絕對(duì)令人信服的證據(jù)來(lái)證明這些假說(shuō)的可靠性。比較經(jīng)典的一種解釋認(rèn)為，生命是在地球漫長(zhǎng)的歲月中逐步演化，從無(wú)機(jī)到有機(jī)，從低級(jí)到高級(jí)的過(guò)程，這就是“化學(xué)進(jìn)化論”。

根據(jù)化學(xué)進(jìn)化論的描述，地球形成之初，原本沒(méi)有生命，只存在各種無(wú)機(jī)物。通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的地球演化，含有甲烷、氨、氫氣等小分子無(wú)機(jī)物的氣體在紫外線(xiàn)、電離輻射、雷電等能量作用下，逐步生成了有機(jī)的小分子物質(zhì)，如核苷酸、氨基酸，使原始的海洋成為一種“原始湯”。

此后，“原始湯”中的這些有機(jī)小分子，經(jīng)過(guò)了長(zhǎng)時(shí)期的相互作用，在有硫、磷、金屬等土壤的適當(dāng)條件下進(jìn)行縮合或聚合反應(yīng)，逐步形成一些簡(jiǎn)單的有機(jī)高分子物質(zhì)，如蛋白質(zhì)、核酸等分子。在此之后，海洋中的蛋白質(zhì)、核酸分子數(shù)量不斷增多，濃度也不斷增加，在特定的條件之下，又被分離、凝聚，并脫離原來(lái)的海洋環(huán)境，構(gòu)成可與外界進(jìn)行簡(jiǎn)單物質(zhì)交換的多分子體系。最后，這些多分子體系逐步演變，通過(guò)蛋白質(zhì)和核酸的相互作用，最終產(chǎn)生了有原始新陳代謝功能并進(jìn)行自我繁殖的早期生命。

打個(gè)比方，原始海洋就像一盆稀薄的熱湯，里面含有許多有機(jī)物，這些有機(jī)物不斷的相互作用，經(jīng)過(guò)及其漫長(zhǎng)的年代，逐漸形成了原始的生命，因而可以形象地把原始海洋比作是生命的搖籃，是原始生命形成的場(chǎng)所。當(dāng)初期生命產(chǎn)生之后，通過(guò)不斷的演變、進(jìn)化，舊物種消亡，新物種產(chǎn)生，這才逐漸形成了現(xiàn)在地球上多姿多彩的生物圈。

生命起源的化學(xué)進(jìn)化論，得到美國(guó)芝加哥大學(xué)學(xué)者米勒的實(shí)驗(yàn)支持。1953年，米勒在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，首先把200毫升水加入到500毫升的燒瓶中，抽出空氣。然后，模擬原始大氣成分，通入甲烷、氨氣、氫氣等混合氣體。將入口玻璃管熔化封閉，然后把燒瓶?jī)?nèi)的水煮沸，使水蒸氣驅(qū)動(dòng)混合氣體在玻璃管內(nèi)流動(dòng)，進(jìn)入容積為5升的燒瓶中，并在其中連續(xù)進(jìn)行火花放電7天，模擬原始地球條件下的閃電現(xiàn)象，再經(jīng)冷凝器冷卻后，產(chǎn)生的物質(zhì)沉積在U型管中，結(jié)果得到20種小分子有機(jī)化合物，其中有11種氨基酸。這11種氨基酸中，有4種氨基酸——甘氨酸、丙氨酸、天門(mén)冬氨酸和谷氨酸，是天然蛋白質(zhì)中所含有的。他的實(shí)驗(yàn)結(jié)果轟動(dòng)了科學(xué)界。

因?yàn)榈鞍踪|(zhì)是南氨基酸組成的，有了蛋白質(zhì)生命的產(chǎn)生就指日可待了。因此，米勒的實(shí)驗(yàn)所揭示的，也許就是生命從無(wú)機(jī)物起源過(guò)程中的重要一步。這個(gè)實(shí)驗(yàn)還向人們展示：離開(kāi)了水，生命就無(wú)從起源。

水是生命的魔法師

簡(jiǎn)單的化學(xué)表達(dá)式H₂O掩蓋了水的一些微妙事實(shí)。而解開(kāi)謎底的鑰匙，并不在于水分子的一個(gè)氧原子和兩個(gè)氫原子間的化學(xué)鍵，而在于屬于不同水分子的氫原子之間的聯(lián)系——?dú)滏I。氫鍵僅僅有典型化學(xué)鍵的十分之一強(qiáng)。在室溫條件下，水分子可以聚合在一起，也可以很容易就離散。因此，在一滴水中，水分子們不斷地聚合和離散，形成一個(gè)有序和無(wú)序并存的矛盾體。于是就形成了水的諸多反常特性：如水的沸點(diǎn)比一般液體的都要高，并且水難以壓縮。

所有影響水分子形態(tài)的化學(xué)鍵，歸根結(jié)底都是量子效應(yīng)的產(chǎn)物。而氫鍵則源于一種最頑強(qiáng)的量子現(xiàn)象——零點(diǎn)振動(dòng)。零點(diǎn)振動(dòng)削弱了氫原子和氧原子之間的化學(xué)鍵，從而使鄰近的水分子之間更容易聯(lián)系起來(lái)。水因此成為高度黏著的液體，地球也因此充滿(mǎn)生命。劍橋大學(xué)的菲力克斯·弗蘭克斯教授，曾這樣巧妙地描述了零點(diǎn)振動(dòng)的作用：把水中的氫原子用比它重的同位素氘來(lái)替代，如此所得到的化學(xué)上相同的液體，卻對(duì)大部分生命有致命的毒害。而這種液體和水唯一的不同之處，就是零點(diǎn)振動(dòng)的能量。

理論方法、實(shí)驗(yàn)技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使得科學(xué)家們可以在詳盡地研究水是如何通過(guò)量子效應(yīng)，與DNA、蛋白質(zhì)、細(xì)胞相互作用的。研究的結(jié)果總是令人感到不可思議。時(shí)下流行的觀點(diǎn)認(rèn)為，生命的秘密可以用不同種類(lèi)的基因，以及它們所編碼組成的蛋白質(zhì)來(lái)破解。然而新的研究成果挑戰(zhàn)了這一過(guò)于簡(jiǎn)單的假設(shè)：如果沒(méi)有水分子的直接參與，蛋白質(zhì)或者基因不可能完成任何最基本的功能。正如弗蘭克斯所說(shuō)的那樣：沒(méi)有水，一切只是化學(xué)物質(zhì)；有了水，化學(xué)物質(zhì)成為生命。

蛋白質(zhì)的研究為這一結(jié)論提供了有力的證據(jù)。蛋白質(zhì)分子按照DNA的指令由氨基酸鏈聯(lián)結(jié)而成，它們具有一系列對(duì)于生命體至關(guān)重要的功能，比如，驅(qū)趕外來(lái)的入侵者、催化反應(yīng)和構(gòu)建新細(xì)胞。它們精確的操作不僅依賴(lài)于自身的物理形狀，也依賴(lài)于水分子的一項(xiàng)重要功能：確保氨基酸向著正確的方向卷起。

生命在“水深火熱”中產(chǎn)生

米勒試驗(yàn)證明了無(wú)機(jī)物質(zhì)可以在原始大氣環(huán)境中通過(guò)簡(jiǎn)單的化學(xué)反應(yīng)生成有機(jī)單分子，但這還僅僅只是生命演化歷程中最初的一步。氨基酸、嘌呤、嘧啶、糖等有機(jī)單分子還必須通過(guò)縮聚反應(yīng)才能生成蛋白質(zhì)、核酸等生物大分子。在原始地球環(huán)境中，火山充當(dāng)了縮聚反應(yīng)的催化劑。

因?yàn)樯拇蟊l(fā)時(shí)期恰好和氣候、地質(zhì)突變的時(shí)間相對(duì)應(yīng)，科學(xué)家們推斷：在水火碰撞的極端條件下產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)，可能催化了生命的產(chǎn)生。在生命爆發(fā)之前，是一個(gè)大冰期時(shí)代，使得一些生命要素被“冰封”，只有在火山及熱水附近才有相對(duì)活躍的生命形態(tài)，不過(guò)它們只是孤立的存在，彼此之間不存在交流，因?yàn)楹浔庾璧K了他們的交流。

我們知道，熱泉中含有大量的一氧化碳、硫化氫和硫化金屬礦物，特別是黃鐵礦物和硫，一方面硫化鐵和硫，有新陳代謝的出現(xiàn)。硫化鐵是一種非常重要的催化劑，很多化學(xué)反應(yīng)在它的表面或者說(shuō)在它的晶體骨架里，進(jìn)行得非常的順利，一些重要化合物已在熱泉中被發(fā)現(xiàn)。

新陳代謝的途徑可能跟熱泉中的黃鐵礦和硫，以及它們的聚合物有一定的關(guān)系。另一方面，遺傳物質(zhì)脫氧核糖核酸、核糖核酸的出現(xiàn)，與硫化酯和硫的化學(xué)過(guò)程有著非常密切的關(guān)系。而脫氧核糖核酸還可以直接用核糖核酸脫氧演變而來(lái)。由此看來(lái)，地球上的生命也許就產(chǎn)生在距今38億年到40億年間這些充滿(mǎn)硫磺味的熱水池或者軟泥之中。

科學(xué)家就這一生命進(jìn)化的模型在大方向上達(dá)成了共識(shí)，但是在某些具體環(huán)節(jié)上尚有許多謎團(tuán)，因?yàn)檎业降幕贾皇峭蛔兒蟮慕Y(jié)果，中間的過(guò)程只是推斷。不過(guò)，專(zhuān)家們相信這樣的邏輯：生命進(jìn)化沒(méi)有固定路線(xiàn)，地球的變化決定了生命的變化，現(xiàn)存的各種生物包括人類(lèi)能夠被保留，有賴(lài)于一種偶然機(jī)會(huì)的出現(xiàn)。

迄今為止，我們把生命起源可以描述成這種樣子：在40億年前的地球上，由無(wú)機(jī)分子合成的有機(jī)小分子，它聚集在熱泉口，或者火山口附近的熱水中，通過(guò)聚合反應(yīng)，形成了生物的大分子。這些大分子進(jìn)行自我復(fù)制，自我選擇，進(jìn)而通過(guò)分子的自我組織，并自我復(fù)制和變異，從而形成核酸和活性蛋白質(zhì)。同時(shí)，分隔結(jié)構(gòu)同步產(chǎn)生。最后，在基因控制下的代謝反應(yīng)為基因的復(fù)制和蛋白質(zhì)的合成提供能量。這樣，一個(gè)南生物膜包裹著的、具有能自我復(fù)制能力的原始細(xì)胞，就在地球上產(chǎn)生了。

這個(gè)描述短短幾百字，就把生命起源的過(guò)程描述出來(lái)了。但它有四個(gè)無(wú)法逾越的鴻溝：一個(gè)是自我選擇，因?yàn)榻M成生物大分子或者核糖核酸、脫氧核糖核酸，都是非常有限的幾種分子。在無(wú)機(jī)條件下，或者在閃電情況下、或者在熱水中，它形成很多這樣的分子，這些分子怎么能自我選擇，能合成脫氧核糖核酸、核糖核酸，能把其他的大分子拋棄掉?第二個(gè)是自我復(fù)制，脫氧核糖核酸、核糖核酸自己能夠復(fù)制，能夠?yàn)橄乱淮z傳下去，這個(gè)過(guò)程我們也并不知道。第三個(gè)是分隔結(jié)構(gòu)，比如細(xì)胞膜或者細(xì)胞內(nèi)部的膜結(jié)構(gòu)，是怎么形成的?像磷脂、精細(xì)的生物結(jié)構(gòu)怎么形成的?我們也并不是很清楚。另外是一個(gè)新陳代謝的問(wèn)題，這個(gè)過(guò)程我們并沒(méi)有解決。但不管怎么樣，這種熱泉中生命起源假說(shuō)，確實(shí)有很多有利證據(jù)的支持。

海底黑煙囪及相關(guān)生物群體的發(fā)現(xiàn)是近30年來(lái)全球海洋科學(xué)取得的最重要的科學(xué)成就之一。1979年，“阿爾文號(hào)”載人深海潛水器在東太平洋海底1650～2610米深的熔巖上發(fā)現(xiàn)了數(shù)十個(gè)冒著黑煙的“黑煙囪”。方圓幾百米的范圍里，數(shù)十個(gè)高大的柱狀物的頂部噴發(fā)著滾滾黑煙，使“阿爾文號(hào)”猶如置身于一個(gè)由煙囪組成的海底重工業(yè)基地。科學(xué)家們經(jīng)過(guò)考察證實(shí)，海底“黑煙囪”的形成與海底火山運(yùn)動(dòng)有關(guān)。從“黑煙囪”中噴出的“黑煙”，其實(shí)就是海底火山口噴出的金屬硫化物，而“黑煙囪”則是由金屬硫化物不斷沉積而成。

比發(fā)現(xiàn)“黑煙囪”更令科學(xué)家吃驚的是，在海底黑煙囪周?chē)邷亍⒏邏骸⒑诎怠⑷毖酢⒑虻葮O端環(huán)境中，生活著特殊的深海生物群落。它們的初級(jí)生產(chǎn)者嗜熱細(xì)菌和古細(xì)菌，在基因組序列上最接近地球上原始的祖先，生活環(huán)境也與生命起源時(shí)地球上的高溫、缺氧環(huán)境非常類(lèi)似。地球歷史早期熱液系統(tǒng)曾經(jīng)在地球表面廣泛分布，因而嗜熱微生物有著廣泛的生存空間。通過(guò)對(duì)生命起源必須具備的物質(zhì)條件、環(huán)境條件、能量條件、安全條件等方面考慮，現(xiàn)代海底黑煙囪周同的水熱環(huán)境是探索生命起源的理想場(chǎng)所。

研究者認(rèn)為，海底黑煙囪附近的環(huán)境不僅可以為生命的出現(xiàn)以及其后的生命延續(xù)提供所需的能量和物質(zhì)，而且還可以避免地外物體撞擊地球時(shí)所造成的有害影響，因此海底黑煙囪生態(tài)系統(tǒng)是孕育生命的理想場(chǎng)所。但另一些學(xué)者認(rèn)為，生命可能是從地球表面產(chǎn)生，隨后就蔓延到海底黑煙囪周?chē)Ｒ院蟮淖矒魵缌说厍虮砻嫠械纳挥须[藏在海底黑煙囪附近的生物得以保存下來(lái)并繁衍后代。因此，這些海底黑煙囪附近的生物雖然不是地球上最早出現(xiàn)的，但卻是現(xiàn)存所有生物的共同祖先。

但是我們應(yīng)該明白，距離揭開(kāi)生命起源這一亙古之謎，還有一段遙遠(yuǎn)的科學(xué)歷程。從無(wú)機(jī)物到有機(jī)物，到有機(jī)化合物，到有機(jī)生命體的演化，同時(shí)還具有很多的偶然性。并不是有了這種環(huán)境，有了這種形成條件，它就能夠產(chǎn)生生命。有人曾經(jīng)比喻說(shuō)，這些無(wú)機(jī)物好像一個(gè)垃圾堆里面什么都有，塑料瓶子、廢棄金屬、油……而生命，一個(gè)單細(xì)胞，就像一輛精美的奔馳車(chē)，在一陣臺(tái)風(fēng)過(guò)后，這些垃圾組裝成了一個(gè)奔馳車(chē)。因此我們可以想象，這個(gè)生命起源的過(guò)程非常艱難。

帶水彗星撞出來(lái)了生命?

如果說(shuō)生命是宇宙之中一個(gè)普遍的現(xiàn)象的話(huà)，除了地球之外的其他天體上，是否也有類(lèi)似于地球早期的這樣的環(huán)境呢?如果有的話(huà)，也許能為研究生命起源打開(kāi)新的窗戶(hù)。

其實(shí)，在生命起源問(wèn)題上，長(zhǎng)期以來(lái)有兩大對(duì)立學(xué)派：一派認(rèn)為生命是從外星球移植到地球上來(lái)的；另一派認(rèn)為生命是地球自身的產(chǎn)物。兩派各持己見(jiàn)，爭(zhēng)論紛紛，莫衷一是。近年，國(guó)際學(xué)術(shù)界對(duì)地球生命起源的討論又熱鬧起來(lái)。最時(shí)髦的一種理論認(rèn)為，是來(lái)自太空的攜帶有水和其它有機(jī)分子的彗星和小行星撞擊地球后，才使地球產(chǎn)生了生命。

生命起源的重要物質(zhì)是水，而不少彗星含有很多冰塊。冰塊在很冷的地方，就跟石頭一樣硬。如果它不小心跑到太陽(yáng)附近，太陽(yáng)把它蒸發(fā)，冰塊升華成水蒸氣，繞在彗星旁邊，太陽(yáng)輻射一吹，就拉出一個(gè)氣體長(zhǎng)長(zhǎng)的尾巴，這就是彗星的長(zhǎng)尾巴。

科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)了一顆被稱(chēng)為利內(nèi)亞爾的冰塊彗星。據(jù)推測(cè)，這顆彗星含水33億千克，如果澆灑在地球上，可形成一個(gè)大湖泊。實(shí)驗(yàn)證明，數(shù)十億年前，在離木星不遠(yuǎn)處形成的彗星含有的水和地球上海洋里的水是一樣的。而利內(nèi)亞爾彗星正是在離木星軌道不遠(yuǎn)的地方誕生的。天文學(xué)家認(rèn)為，在太陽(yáng)系剛形成時(shí)，可能有不少類(lèi)似于利內(nèi)亞爾的彗星墜落到地球上。它們落到地球上時(shí)像是雪球，而不是像小行星撞擊地球。因此，這種撞擊是軟撞擊，受到破壞的只是大氣層的上層，而且撞擊時(shí)釋放出來(lái)的有機(jī)分子沒(méi)有受到損害，這樣就為地球上的生命演化提供了條件。

“生命之源”曾漫布火星

火星有著跟地球類(lèi)似的經(jīng)歷，火星的物質(zhì)成分跟地球非常近似，它的軌道也跟地球非常近似，那么火星上是不是有生命呢?關(guān)鍵是要看火星上是否有生命之源——水。

關(guān)于火星上是否存在過(guò)水，科學(xué)界進(jìn)行過(guò)無(wú)休止的爭(zhēng)論。1957年美國(guó)的海盜號(hào)探測(cè)器發(fā)回地球的信息表明，火星上沒(méi)有生命，沒(méi)有液態(tài)水的存在，它是一個(gè)荒蕪干涸的紅色星球。但是人類(lèi)并沒(méi)有氣餒，20世紀(jì)90年代，美國(guó)宇航局加大了對(duì)火星的探測(cè)力度，通過(guò)火星探測(cè)者、火星拓荒者號(hào)探測(cè)器和哈勃望遠(yuǎn)鏡得到的圖片研究，火星上過(guò)去很可能有過(guò)液態(tài)水的存在。一些航天資料顯示，火星上有類(lèi)似于像我們發(fā)生大洪水山前的沖積扇的構(gòu)造，還有像地球上干涸的河床樣的河道，以及水侵蝕巖石的痕跡。科學(xué)家在火星上相似礦物集中的地方還發(fā)現(xiàn)了一個(gè)峽谷，名為馬力內(nèi)尼斯峽谷。這個(gè)峽谷比美國(guó)大峽谷還要大。令人興奮的是，圖像顯示它是被流水沖出來(lái)的。試想一下，沖出這么大的峽谷，需要多大的水，又需要多長(zhǎng)的時(shí)間?所以，科學(xué)家認(rèn)為火星上曾經(jīng)水資源豐富，而且持續(xù)時(shí)間還比較長(zhǎng)!

據(jù)華盛頓大學(xué)地球與行星科學(xué)專(zhuān)家雷·阿維德松介紹，通過(guò)對(duì)歐洲宇航局的火星軌道飛行器送回來(lái)的數(shù)據(jù)研究分析，發(fā)現(xiàn)梅迪亞尼平原上厚達(dá)300米的巖石是在水中形成的。研究還發(fā)現(xiàn)，該平原表面曾經(jīng)有很長(zhǎng)一段時(shí)間里河流遍布，萬(wàn)里之內(nèi)皆為平湖或淺灘。而這種情形與我們的地球十分相似，這里孕育生命不足為奇。

隨著美國(guó)宇航局火星探測(cè)器“機(jī)遇”號(hào)飛落火星，火星上曾經(jīng)有水也隨之蓋棺定論。美國(guó)宇航局的科學(xué)家們?cè)凇皺C(jī)遇”號(hào)撞擊的彈坑中和其他礦藏中發(fā)現(xiàn)了黃鉀鐵礬。這是一種只有在有水的情況下才能形成的物質(zhì)。科學(xué)家對(duì)此進(jìn)行了這樣一番解釋?zhuān)簬资畠|年前，礦石在一片水世界中慢慢生成。后來(lái)水不斷蒸發(fā)，千溝萬(wàn)壑逐漸干涸，這些礦藏就暴露在了地表上。

2006年9月27日，火星探測(cè)器“機(jī)遇”號(hào)到達(dá)火星“維多利亞”坑邊緣，發(fā)回第一批展現(xiàn)這個(gè)碗狀坑底部和坑壁的照片。科學(xué)家對(duì)于展現(xiàn)眼前的坑內(nèi)沙丘和齒狀坑邊發(fā)出陣陣驚嘆。圖片顯示，“維多利亞”坑壁邊緣多處呈現(xiàn)厚重巖石結(jié)構(gòu)，坑底有清晰的波紋狀沙丘群，從坑口到坑底的斜坡上，還有數(shù)條下行沙道。科學(xué)家一直想知道，坑壁的巖石層是否形成于湖泊。這點(diǎn)對(duì)于確定火星是否曾經(jīng)存在生命具有重要意義。

生命的起源是一個(gè)非常復(fù)雜的科學(xué)之謎，它涉及到天文、地質(zhì)、理化、生物等各個(gè)方面的知識(shí)，站在我們今天的地球上來(lái)追溯距現(xiàn)在46億年以前的歷史，難度肯定很大。以上介紹的是為大家所公認(rèn)的生命起源化學(xué)進(jìn)化過(guò)程的假說(shuō)和推測(cè)。直到今天，人們對(duì)生命起源這一古老而嶄新的問(wèn)題仍然在繼續(xù)研究和探索之中，特別是近年來(lái)圍繞著原始大氣成分、生命起源于何處等問(wèn)題又有了新的看法和爭(zhēng)論，實(shí)事求是的科學(xué)爭(zhēng)論對(duì)于深化認(rèn)識(shí)是非常有益的。我們相信這個(gè)千古之謎總有一天會(huì)揭開(kāi)。