生命搖籃大猜想

王也

大約在40億年前，地球上第一次出現了生命，它只是被包在某種囊中的遺傳分子，長得跟我們當今所認識到的任何生物都不像，結構甚至比細菌的細胞還要簡單?？茖W家一直在鉆研這初始的生命究竟是如何形成的，他們認為找到生命起源的地點也許是破解這個問題的關鍵。

科學家們正在探尋，除地球之外，現在宇宙中是否也存在這樣一個地方：它擁有能產生生命的關鍵元素，而且它的環境能供這些元素進行完美的化學反應。

小池塘猜想

達爾文是最早開始嘗試回答這個問題的人。1871年，他在一封信中描述了自己的猜想：有一個溫暖的小池塘，里面富含化學物質和鹽，環境中還有光、熱和電。達爾文認為在這樣的環境中，蛋白質可能會自發地形成，然后會變成更復雜的有機體。20世紀50年代，美國化學家哈羅德·尤里和斯坦利·米勒進行了著名的米勒—尤里實驗。他們建立了一個受控型密封系統，模擬地球早期大氣層環境。

他們在長頸瓶中裝上溫水來模擬當時的海洋，當水蒸氣蒸發時，會被收集在另一個燒瓶中。尤里和米勒在該實驗裝置中引入了氫氣、甲烷和氨氣，模擬早期大氣層無氧氣的狀況。然后，他們釋放電火花，來模擬閃電，進入這種混合氣體構成的無氧大氣層。最終，利用冷凝器將這些氣體冷卻成液體，收集進行分析。

實驗結果表明，在冷卻的液體中大量地存在著有機化合物，約有10%到15%的碳以有機化合物的形式存在。其中2%屬于氨基酸，以甘氨酸最多。但核酸本身，如DNA或RNA則未出現。尤里和米勒得出結論稱，有機分子形式能夠來自于無氧大氣層，同時最簡單的生命體也可能孕育在這種早期環境中。

這場實驗是20世紀最著名的實驗之一，當時在社會上造成不小的影響，不過現在我們知道，當時在這個實驗中生成的有機成分，并不足以構成生命，也意味著這場實驗不足以說明達爾文的猜想是正確的。

生命想要“無中生有”，這三大要素必不可少：遺傳密碼、新陳代謝以及膜。遺傳密碼中攜帶可以用來制造細胞的生物藍圖;新陳代謝可以為細胞提供能量，而膜可以把這些成分和反應統統包裹在里面。在現存的有機生物中，以上三個要素都是由相同的原子構成的，即碳、氫、氧、氮、磷和硫。因此生命的搖籃至少要能提供充足的基本原子，還要有能讓原子發生反應的基本條件。

海底起源猜想

當生物化學家們還在苦苦思索這些問題時，深海探險家在太平洋地區有了驚人的發現。在1979年，美國有艘潛水艇潛入了距海平面2千米深的海底，在那里發現了海底黑煙囪，它的原理和火山類似，只不過是在海底噴發。在海底黑煙囪中，人們發現了不同尋常的完整的生態系統。于是科學家猜想也許生命起源于這些海洋底部的熱泉。

頗為巧合的是，大約在兩年后，旅行者2號太空探測器發回了木衛二的照片，人們通過照片推測木衛二的冰殼下可能存在海洋。這個發現激起了人們對外星生命及其起源的興趣，也給了相信海底起源說的人信心，甚至有人認為海底熱泉既然能在地球上孕育生命，也一定能在其他星球起到相同的作用。

但后來科學家們放棄了這個猜想，因為海底黑煙囪中存在的氫含量很低，而且它的溫度太高，新生的分子難以在這樣的高溫中保持完整，如RNA中的遺傳物質會在高溫里被迅速降解。

21世紀之初，人們在大西洋中部發現了溫度較低的海底噴口，這個地方噴發堿性的海底熱泉。海水和海底礦物質在此處發生反應，生成帶有微小孔隙的巖石，以及富含氫氣的溫暖液體?？茖W家認為巖石的氣孔是早期生命出現的理想之處，尤其是堿性熱泉和酸性海水之間存在電化學梯度，能自發形成乙酰磷酸和焦磷酸鹽，這是兩種能為活細胞供能的化學分子。它們也可以為分子合成提供能量，讓溶解的二氧化碳和氫氣合成有機分子，再構建蛋白質的組成部分和RNA。

陸地起源猜想

如此看來，堿性的海底噴口似乎是生命起源的理想搖籃，只不過它也有自己的短板——過于潮濕。在地球上還沒出現生命之前，生物分子是很罕見的，如果蛋白質的組成成分被過分稀釋，那么它們就無法互相碰撞，最終形成蛋白質鏈。于是科學家猜想，或許存在一個有著干濕循環的地方，讓最原始的分子能夠碰撞出生命的火花，借此出現了陸地起源的猜想。

陸地起源說認為，生命開始于有著周期性干涸的環境中，脫水作用在合成有機分子時扮演著重要的角色。每當一個蛋白質的組成成分被添加進蛋白質鏈中時，會釋放出一個水分子。眾所周知，酶是活細胞的催化劑。在生命的初期，酶還沒有出現，只能依靠干燥的環境擔任脫水的作用。

科學家們認為在火山島上的淡水池比在深海噴口附近更容易形成脂肪膜。在海洋中，溶解的鈣和鎂離子會妨礙脂肪酸聚集在一起形成連續的膜;但是在淡水中，脂質可以輕易聚集，就像水油混合時，油會輕易和水分離，出現很明顯的邊界一樣。

為了證明這個猜想，科研人員從美國黃石國家森林和加州拉森國家公園的溫泉中采集樣品，再讓這些樣品經歷干濕循環。他們發現，如果他們將這些樣品脫水然后再補充水分，其中類似RNA的分子就會被包裹在脂肪膜中，就像原始細胞膜能包裹遺傳物質一樣。

有的科研人員認為，比起火山水池，地熱田似乎是更理想的環境，因為它更干燥。地熱田是指用來釋放地熱蒸汽的熱巖石。科研人員認為，這里的化學反應更接近于我們自己細胞內部的化學反應，因為地熱蒸汽富含能孕育生命的重要元素。通過控制蒸汽濃度，小水滴的形成可以為生成RNA創造理想的環境。

要生成RNA，首先要制造核糖，也就是RNA中的R。創造R的原子可能早已存在在大氣中，不過沒有外力的幫助，這些原子不會自發變成我們需要的核糖。這時候硼酸鹽礦物可以成為有效的助力，它能引導原子合成更多的核糖，而且還能鞏固核糖的結構，以免它們分崩離析。因此，有科研人員認為沙漠才是生命的搖籃，因為巖石中有著豐富的硼酸鹽礦物質，偶爾還會有雨水濾出。

冰上起源猜想

上述的所有環境都有一個共同點，就是熱量。我們知道，溫暖的環境可以幫助推動化學反應，有些科研人員偏要反其道而行之，他們認為生命可能起源于冰塊。當水結冰時，溶解在水中的所有物質都會被脫水，并濃縮成鹽水。這些鹽水被困在冰的狹窄裂縫中，進而形成聚合物鏈，低溫還能幫助生物分子保持結構穩定，讓它們得以繼續生長。

為了證明這個大膽的猜想，有科研人員將溶液中的成分與金屬離子凍在一起，嘗試制造RNA鏈。他們使用環境中常見的離子，幫助促進催化反應。

實驗發現，反復的凍融循環有助于酶的生成，酶能催化化學反應產生更多的RNA鏈。這非常符合我們最初對生命起源的期待。可見，冰似乎是一種有效媒介，它可以促進生物分子轉換，使分子變成一個可以自我繁殖的系統。

遺憾的是，上述猜想都面臨了同一個問題，它們無法對新陳代謝如何參與生命進程作出解釋，這導致了所有猜想都無法回答一個關鍵問題，即早期生命的三大要素：遺傳物質、新陳代謝和膜是怎樣共同作用的。

火山口湖猜想

所有人都曾認為，我們在研究生命起源時需要拆分所有元素，再逐一研究。之前大多數研究人員的研究重點，要么在遺傳物質中，要么在新陳代謝上。如今，薩瑟蘭的團隊正在探究一種新的猜想，認為可能生命起源是“一蹴而就”的，并開始尋找可以讓所有元素一起發生反應的化學物質。

薩瑟蘭把眼光投向了隕石坑。在40億年前，隕石撞擊地球是很常見的。這些來自外太空的巖石帶來了氰化氫，其中包含了有機分子的三大重要成分：碳、氮、氫。如果積聚的氰化氫在水和紫外線光的作用下變熱，也許可以形成一整套前驅分子，這些分子可以直接用來合成RNA、蛋白質和脂質。不過這個猜想也有一個問題，就是沒有生命把劇毒的氰化物作為碳或者氮的來源。

那么，生命起源的搖籃究竟是濕的、干的還是冷的呢？其實所有的猜想并不是相互排斥的。比如在薩瑟蘭的隕石猜想中，至少需要一個干濕循環過程和硫化氫的參與，這兩者都可以在陸地起源猜想和海洋起源猜想中尋找幫助。當一顆巨大的隕石撞擊地球時，會使地殼裂開。這時如果在隕石坑中有水池，它可以通過地殼裂縫滲透下去，到地球內部足夠深的位置時，又會被再次加熱再向上冒泡。年輕的地球大陸上有很多火山口湖泊，它們有一些是由隕石撞擊后形成的，這些湖泊的邊界還會結冰，就像冬天的美國黃石公園的景致。在邊緣的冰和附近陸地的堿性熱泉噴口里，我們可以找到RNA中的酶以及新陳代謝作用。這樣看來，說不定火山口熱液湖就是我們一直在苦苦尋覓的生命起源的搖籃。