著名的哲學三問“我是誰？我從哪里來？要到哪里去？”，哲學自身永遠無法給出答案，如果有一天我們能找到答案，那給出回答的一定是科學。
這一章的主題就是“我從哪里來”，即生命的起源問題。
自從達爾文的進化論創(chuàng)立以來，科學家們一直面臨著一個終極謎題——第一個生命是怎么誕生的？在這卷壯麗的生命演化詩篇中，進化論能解釋所有后面發(fā)生的事情，唯獨無法解釋這一切是怎么開始的。
1953年，在芝加哥大學的一間實驗室中，有兩個人向這個謎題發(fā)起了沖鋒。其中一個叫米勒，他是一名研究生，還有一個是米勒的導師，諾獎得主尤里。當然，真正干活的肯定是研究生米勒嘛。他們將水（H2O）、甲烷（CH4）、氨（NH3）、氫氣（H2）與一氧化碳（CO）這五種物質(zhì)密封在無菌狀態(tài)下的玻璃管和燒瓶內(nèi)，然后將他們連結(jié)形成一個回路。
在這個精巧的裝置中，其中一個燒瓶裝著半滿的水，另一個則含有一對電極。米勒和尤里用這個裝置模擬太古時代的地球環(huán)境。他們首先將液態(tài)水加熱產(chǎn)生水蒸氣，然后將另一個燒瓶中的電極通電，產(chǎn)生電火花，這就模擬了閃電。水蒸氣經(jīng)過電極之后，又再度凝結(jié)并重回到原先裝水的燒瓶中，使實驗得以循環(huán)進行。
一周后，水竟然變成了黃綠色。他們驚喜地發(fā)現(xiàn)，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，以甘胺酸最多。而糖類、脂質(zhì)與其他一些可構(gòu)成核酸的原料也在實驗中形成了。米勒的導師尤里看到后非常興奮，他說：“我敢打賭，上帝就是這么干的”！
米勒-尤里實驗的結(jié)果一公布，就在公眾中引起了極大的反響，生物學家們也紛紛奔走相告，進化論詩篇那缺失的序章終于給找到了，“我們從哪里來”的問題終于告破了。當時的新聞報道讓人覺得，只要有人把一些化學物質(zhì)放到一個瓶子中，然后用力搖一搖，生命就會從里面爬出來一樣。
我非常理解當時人們的心情，延續(xù)了幾千年的哲學三問縈繞在人類的頭腦中，我們多么希望能夠解答其中的任何一個問題啊。所以，盡管這個實驗是如此顯而易見的簡陋，而且結(jié)論也明顯不能說明生命的起源問題，可人們還是很樂于夸大它的作用，假裝獲得了滿意的結(jié)論。
當然，過了沒多久，冷靜下來的科學家們，包括米勒自己也出來告訴那些歡喜過了頭的科普作家們，別高興得太早，我們離真相還差得遠呢。
不過，在那之后的二十多年中科學家們在研究生命起源時，目光依舊是停留在地球表面的，他們普遍認為地球原始大氣、原始海洋、還有閃電、火山、地震等等自然現(xiàn)象是生命誕生的基本條件，我們要搞清楚的無非就是這些物質(zhì)和自然現(xiàn)象之間是如何發(fā)生相互作用，最終誕生了生命。
然而，到了 1977 年，一艘深海潛艇的偶然發(fā)現(xiàn)卻徹底轉(zhuǎn)變了人們的看法。這是怎么回事呢？
話說美國有一艘傳奇潛艇叫阿爾文號。當年美國人曾經(jīng)因為加油機和一架 B-52 轟炸機相撞導致一枚氫彈沉入地中海，這可不得了，要是給恐怖分子率先打撈上來那還了得。于是，阿爾文號一戰(zhàn)成名，在 1000 多米深的海底把氫彈給撈了上來。誰知英雄阿爾文號在 1968 年由于纜繩斷裂，沉沒于 1600 米的海底，幸好那次沒載人。11 個月后才被打撈上來，重裝上陣。
就是這艘傳奇的阿爾文號，1977 年來到了著名的加拉帕戈斯群島附近的海域，深潛入將近 2500 米深的海底。在這片完全漆黑、壓力巨大的海底，科學家們發(fā)現(xiàn)，數(shù)十個丘狀體不停地噴著黑色和白色煙霧，含硫化物的熾熱液體從直徑約 15 厘米的煙囪中噴出，溫度高達 350℃，科學家們形象地把這些噴著煙霧的丘狀體統(tǒng)稱為海底“黑煙囪”。
令人震驚的是，在這樣一個似乎是生命禁區(qū)的地方，卻發(fā)現(xiàn)了生命。
2 年后的 1979 年，阿爾文號載著很多生物學家再次回到這里，對海底黑煙囪做了一次全面的考察，這次考察刷新了人類對生命的認知。在這樣的一個極端環(huán)境中，卻存在著一個完整的生物群落，從細菌到各種蠕蟲，再到各種蝦兵蟹將，那是應有盡有。
這些生物不需要氧氣，他們的能量來源是海底火山口的熱量以及各種硫化物。他們發(fā)現(xiàn)的嗜熱細菌能夠在 350 攝氏度的高溫海水中存活。這次發(fā)現(xiàn)真是徹底刷新了人們過去對生命的認知啊。
進一步的科學研究表明，海底黑煙囪的這種環(huán)境與地球早期的環(huán)境類似。于是，科學家們就提出了原始生命起源于海底黑煙囪的理論，而第一批誕生的生命——我們?nèi)祟愖钤缱钤绲淖嫦取褪鞘葻嵛⑸铩Ｑ刂@個方向，科學家們又找到了一些很重要的證據(jù)，例如
于是，在這樣的背景下，生命起源于海底黑煙囪的假說就越來越流行了，可以說，這也是目前在科學界接受度最高的一種生命起源假說。
它甚至影響了我們探索外星生命的方向，如果這個假說成立，那么在太陽系中的木衛(wèi)二（歐羅巴）和土衛(wèi)二（恩科拉多斯）這兩顆衛(wèi)星冰封的海底，就有可能存在生命。為了驗證這個推測，美國宇航局正在耗費巨資推動歐羅巴和恩科拉多斯的進一步探測計劃。
總體來說，不管生命是起源于海洋淺層，還是起源于海底黑煙囪，都是起源于海洋，這也是科學界最普遍的觀點，在全世界任何一個自然博物館，講解人員都會告訴觀眾們一個生命從海洋爬上陸地的故事。
然而這個觀點卻面臨著一個最大的問題，那就是：海洋里面的水太多了，生命必須的分子在那里散開得太快，快到來不及相互作用，快到無法形成細胞膜和原始的新陳代謝途徑。
最近這幾年，有一些學者就提出了一種完全不同的假說。他們認為，陸地上的水池才是更好的生命搖籃。
在古老地球的火山附近有著大量的熱泉和間歇泉形成的水池，這類水池干濕交替、不斷循環(huán)，它的熱量可以催化各種化學反應，干旱期可供簡單分子聚合成為復雜分子，濕潤期則可以讓這些聚合物四處流動，在這之后的干旱期又能把聚合物困于細小的孔隙中，讓它們相互作用，甚至在脂肪酸構(gòu)成的囊泡中進一步濃縮——而脂肪酸囊泡正是細胞膜的原型。
可以說，這是一個完全不同于生命海洋起源說的理論。對于同一種現(xiàn)象，有不同的科學解釋，這在科學的發(fā)展史上太常見了。但科學有一個最大的特點，就是看證據(jù)，決定一個理論命運的不是哪個權(quán)威的支持，也不是某種意識形態(tài)的支持，而是證據(jù)。誰的證據(jù)更多更好，誰就能最終勝出。我們來看看陸地起源說都有一些什么樣的證據(jù)。
戴維·迪默早在十多年前就已經(jīng)冒出了生命起源于陸地的想法。他是這樣想的：
為了驗證這個想法，迪默帶著團隊前往了俄羅斯遠東地區(qū)勘察加半島上的一座活火山，這座火山的名字叫穆特洛夫斯基火山（由于俄羅斯人取的名字都太長、太難念，我后面就簡稱為穆特火山）。
這個地方熱泉和間歇泉密布，人跡罕至，是他們認為最接近地球 40 億年前環(huán)境的地方。迪默隨身帶了一瓶白色的粉末，粉末里包含 4 種氨基酸、4 種堿基，以及磷酸鹽、甘油和一種脂類。他們認為這些就是在地球的前生命時代能夠找到的原料。迪默把這瓶混合物倒入一個翻滾的熱泉泉眼。沒過幾分鐘，泉眼邊上就出現(xiàn)了一圈白沫。這些泡沫包含無數(shù)氣泡，每個氣泡里都包裹著原始湯中的化合物。
迪默就想：如果這些氣泡在水池邊上干涸掉，它們里面那些挨在一起的物質(zhì)會結(jié)合成聚合物嗎？這個階段可能為產(chǎn)生第一個生命打下基石嗎？
迪默回到自己的實驗室，和同事們一起把簡單的核苷酸和脂類相混合，以檢驗自己的想法。他們模仿穆特火山的熱泉條件，讓這些混合物處于類似的溫度和酸度下，經(jīng)歷干濕循環(huán)。
盡管它們還不是生命，卻也明顯是通往生命的重要一步了。
迪默的實驗只用了幾個干濕循環(huán)，得到的是相對來說較簡單的分子。他的同事戴默認為，更多的干濕循環(huán)會為這些“原細胞”帶來另一個生物的關(guān)鍵特征：適者生存。
戴默猜想，每一輪干旱都會讓囊泡的脂類薄膜破開，讓囊泡內(nèi)外的聚合物和營養(yǎng)物質(zhì)相混合。一旦重新被水浸潤，脂類薄膜又會閉合，把成分不同的聚合物混合物封裹在里面。每一組混合物都代表一場自然實驗。
原細胞越復雜，生存下來的幾率就越大。那些適應性更強的原細胞會存活下來，并把它們的整套聚合物傳給下一代，從此攀上進化的階梯。這個模型就像是一種化學計算機，它“啟動”了生命的功能，而一切的開端則是以聚合物形式隨機寫就的“程序”。
2015 年的某一天，一個偶然的機遇，讓戴默又給這個模型增加了一個階段。有一天戴默在沙漠中穿行，偶然發(fā)現(xiàn)在巖壁上有一些干巴巴的棕色微生物層，出于好奇，他往上面澆了點兒水，沒想到，它們竟然重返生機，變成了綠色的凝膠狀物質(zhì)。
戴默意識到，如果在干濕循環(huán)里插一個半濕潤狀態(tài)，那么在這種狀態(tài)下存活的原細胞就會擠作一團，成為與微生物凝膠相似的膠體，聚合物和營養(yǎng)分子也會穿越脂類薄膜，進行混合和交換。而這個由相互協(xié)作的原細胞們組成的群落更容易找到幫助自己生存的最佳分子。
喬基奇是澳大利亞天體生物學中心的女博士，范克拉嫩東克則是資深的地質(zhì)學家。2014 年 6 月，他們共同來到澳大利亞西北部一個叫做皮爾巴拉的偏遠地區(qū)。在那里，有一片古老的沉積巖層，有 34.8 億年的歷史，被稱為得雷瑟組。
在這層巖石中，有一些橙白相間皺褶的巖石叫硅華，是地表火山口間歇泉的產(chǎn)物。他們發(fā)現(xiàn)，這些石頭里存在氣泡，是氣體陷入黏稠的膜中形成的，而這些膜很可能就是由遠古的類似細菌那樣的微生物制造的。
這些發(fā)現(xiàn)表明，那里很可能發(fā)生過之前介紹過的三階段循環(huán)。 他們在 2017 年 5 月的 《自然通訊》雜志上發(fā)表了這些證據(jù)。他們認為，既然德雷瑟曾經(jīng)被地熱系統(tǒng)所主宰，地表曾密布熱泉，那么顯然它也曾擁有生命起源所需要的許多關(guān)鍵成分和有組織的結(jié)構(gòu)。
循環(huán)流動的熱液為它提供了能源，這些熱液富含氫，由地下的巖漿加熱。巖石中有大量硼，這種元素是合成核糖的關(guān)鍵成分，而核糖對 RNA 這樣的核酸來說必不可少。
德雷瑟也有磷酸鹽，這些成分是從下層巖石中溶解出來，通過酸性的地下熱水輸送上來的。磷酸鹽是核酸的重要成分，也被所有生命以 ATP 形式加以利用。這個 ATP 就是三磷酸腺苷，是細胞內(nèi)提供能量的分子。熱液噴口和火山湖蒸發(fā)留下的沉積物中更匯集了鋅元素和鎂元素，所有已知生物門類的細胞原生質(zhì)中都有多種酶含有這兩種成分。
最后，德雷瑟還有粘土礦物，它的層狀結(jié)構(gòu), 帶有電荷，可以在制造有機分子時起到催化劑的作用。
作為一個與生命起源地條件相似的研究對象，德雷瑟最令人興奮的地方恐怕就在于它的多樣性。因為在生命起源這個科學領(lǐng)域，多樣性就是生命的佐料。德雷瑟現(xiàn)在確實只剩又干又硬的石頭了，但在早期，像它這樣布滿溫泉的地熱區(qū)卻擁有成百上千個池洼，每個水池的 PH 值和水溫都略有差異，每個水池里的離子和其他化學成分都千差萬別。
在這些地熱區(qū)中，化學反應極為復雜，因為它們同時具備三個活躍的反應界面，
地熱區(qū)不同地點的溫度也不盡相同。把所有這些因素都考慮進來，于是每天都會上演無數(shù)輪的干濕循環(huán)，就像黃石公園著名的老忠實泉。在這種情況下，不停變化的池水化學成分，異常活躍的反應界面，間歇泉來回噴濺以致池水中的化合物反復交換，更何況它的地下還有一個四通八達的縫隙網(wǎng)絡(luò)。
簡單計算一下可知，有 100 個熱泉的地區(qū)，復雜的環(huán)境條件下，每年可以產(chǎn)生 100 萬種組合，甚至更多！
每個溫暖的小水洼都變成了一個“創(chuàng)新之池”，每個都是一片試驗田。在水洼中，能適應環(huán)境的分子組合會快速涌現(xiàn)、成功生長并自我復制；不適應的分子組合則會被踢出局，沒法更進一步。在“裝配”出第一版生命前，很可能已經(jīng)有無數(shù)的分子組合出現(xiàn)并被淘汰了，而這個過程一般來說需要耗費幾億年的時光。
但是，從概率上來說，生命可能在僅僅 1000 萬年內(nèi)就產(chǎn)生了。這個過程的第一步開始于 40 多億年前，那時地殼才剛剛穩(wěn)定下來，火山活動頻繁的陸地星羅棋布于海洋之中。
我們必須要知道，到目前為止，陸地熱泉說和深海黑煙囪說都還只是處在有待驗證階段的兩種科學假說。
科學有一個最大的特征就是它可以自我完善自我糾錯。所有的假說，只要你有了初步的證據(jù)和自洽的邏輯論證，都可以登上歷史的舞臺，但這些理論必須使用全世界的科學家都能看得懂的語言。
我這里所說的語言當然不是中文、英文這種語法語言，而是說有些理論宣稱只能用中文，并且只能了解了中國古代的傳統(tǒng)文化后才能理解，那么這種理論就不是我所說的全世界的科學家都能看得懂的理論，這樣的理論也永遠不可能得到科學共同體的認可。
那么科學又是如何自我糾錯的呢？
靠的就是同行評議和證據(jù)為王這兩種精神，你所提出的任何證據(jù)都必須是同行在獨立研究的情況下能復現(xiàn)的。
兩種生命起源的理論最終誰能勝出，現(xiàn)在還很難說。海底煙囪假說不僅沒有消亡，反而進展不斷。美國航空航天局噴氣動力實驗室的生物化學家麥克·拉塞爾（Mike Russell）將“阿爾文”最初有關(guān)黑煙囪的發(fā)現(xiàn)發(fā)展為一個更漂亮的模型。
根據(jù)他的想法，在海底煙囪巖石上的微小孔洞中形成的礦物薄膜，可以把噴出的堿性液體與酸性更強的海水隔離開來。這將制造出相差數(shù)個 PH 值的酸性梯度，就像家用氨水和橙汁的酸堿度差異一樣。
這種梯度是一種可供利用的能量，如今的細菌在細胞里制造 ATP 的方式與此如出一轍。海底煙囪還有另一種能量來源，就是氫氣和二氧化碳等溶解在熱液中的氣體。
拉塞爾和同事提出，當古老海水中的二氧化碳和氫氣相混合時，電子從氫氣向二氧化碳轉(zhuǎn)移，可以合成更復雜的有機物。在他們看來，礦物薄膜構(gòu)成的囊泡與細胞相似，而PH值梯度和氫氣所提供的能量最終能演化為最早生命所需的原始代謝途徑。
現(xiàn)在看來，陸地熱泉說和深海煙囪說都有深遠的影響。除了指導人類進一步探索地球生命的起源外，它們也為我們?nèi)ヌ栂抵械钠渌行羌靶l(wèi)星尋找生命指出了不同的道路。
2008 年，美國航空航天局的“勇氣”號火星車的確在火星的哥倫比亞山發(fā)現(xiàn)了 36.5 億年前的熱泉沉積物。這與我們的德雷瑟熱泉差不多古老，而德雷瑟非常好地保存了關(guān)于地球早期生命的證據(jù)。
對于深海煙囪假說和陸地熱泉假說，要判定孰是孰非還有很長的一段路要走。生命起源就像由很多塊圖案拼成的拼圖，每塊該放在哪里，我們?nèi)缃襁€了解得不夠。以德雷瑟為例，我們還不知道的是：
對于生命出現(xiàn)之前的那些溫暖小水洼中的化學過程，我們還需要設(shè)計更成熟的實驗，來研究復雜的有機分子是怎樣形成的，以及當它們包裹于薄膜中時，又是怎樣相互作用和結(jié)合的。
無論是在陸地還是海洋，物理和化學定律都為這個拼圖游戲提供了有用的框架，而我們這一章中講到的地質(zhì)和化學發(fā)現(xiàn)也在為這塊拼圖添磚加瓦。但是，只有把更多圖塊放到正確的位置，我們才能看到生命起源的清晰圖景。
令人欣慰的是，科學已經(jīng)幫我們找到了通往答案的道路。
最后，我們來談一下這個問題：地球上最古老的生命是誕生于地球的哪個年齡。這個問題一直在被刷新答案。如果你在網(wǎng)上搜索的話，會找到各種版本的答案。其中最流行的一個答案是 38 億年。
這個答案的出處是 1996 年的《自然》雜志，一篇報道稱，在采自格陵蘭亞開利亞（Akilia）島的巖石中發(fā)現(xiàn)了生命的證據(jù)，這些巖石的同位素分析顯示了某些神秘微生物的代謝活動，這些巖石的年齡約 38 億年。
但這個只能算是間接證據(jù)，并不是直接證據(jù)，所以還是有一些爭議。
就在 2017 年 3 月，《自然》雜志再次刊登了一篇論文，標題就是《地球上最古老的熱液滲出物沉淀早期生命的證據(jù)》，這是目前我可以查到的最新鮮的一篇有關(guān)地球最古老生命的、刊登在核心期刊上的論文，而且這篇論文已經(jīng)被維基百科上的眾多有關(guān)生命起源的詞條所引用。
但奇怪的是，這篇論文似乎沒有引起中文世界的廣泛關(guān)注，我還是在用英文檢索到了這篇論文后，再用其中的關(guān)鍵詞搜索，才搜到了幾篇零星的中文報道。
兩位倫敦大學學院的研究者宣稱，他們在加拿大的魁北克省的納沃基達克綠石帶（這個地名的原名是印第安語，我在請教了一位生活在加拿大的朋友后，自己音譯的，因為確實沒有標準的中文譯名）發(fā)現(xiàn)了 37.7 億年前至 42.8 億年前形成的微生物化石。
這些微生物化石從照片上看，就是一些細小的絲狀體、細小的管狀物、礦物顆粒和條狀物，它們的實際直徑大概只有頭發(fā)絲的二分之一到十分之一。兩位研究者認為，這些結(jié)構(gòu)能夠證明發(fā)現(xiàn)的絲狀物曾有生命痕跡。因為在迄今為止的科學發(fā)現(xiàn)中，只有生物結(jié)構(gòu)才能解釋他們觀察到的組合物，磷灰石、碳酸鹽和石墨碳應當是從變質(zhì)和氧化的生物質(zhì)礦物中產(chǎn)生的。
這個發(fā)現(xiàn)是生命起源于深海黑煙囪的一個證據(jù)，因為這些巖石來自于深海熱液泉的沉積巖。論文的一位作者在接受路透社采訪時說：
“地球約在 45 億年前形成，海洋在約 44 億年前出現(xiàn)，如果微生物化石能夠證明誕生于 42.8 億年前，就提示了生命在海洋形成后隨即出現(xiàn)的可能。”
生命到底起源于陸地還是海洋，現(xiàn)在下結(jié)論還為時過早，或許是在陸地和海洋同時起源呢？
古老的哲學三問仍然會長期縈繞在人類的頭腦中。我相信，只要科學精神不死，人類終有一天能找到全部的答案。
全文完
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