有這樣一個(gè)已經(jīng)被科學(xué)研究確認(rèn)的事實(shí)：在賦予我們生命的所有化學(xué)物質(zhì)中，并沒(méi)有任何特殊的東西。任何生物，不論是一條金魚(yú)，還是一顆白菜，或是一個(gè)大活人，構(gòu)成它們的基礎(chǔ)元素都是四種：碳、氫、氧、氮。再加上很少的一點(diǎn)點(diǎn)其他元素，主要是硫、磷、鈣和鐵。把 30 多種這樣的元素組合起來(lái)形成糖、酸和其它一些最基本的化合物，理論上，僅僅是理論上，就可以創(chuàng)造出任何生物。正如道金斯所說(shuō)，“制造生物的物質(zhì)并沒(méi)有任何特殊之處，生物也是一堆分子的組合，與別的任何東西沒(méi)有區(qū)別。”
可是，今天的科學(xué)家們也承認(rèn)，生命的誕生是令人不可思議的，完全稱(chēng)得上奇跡。但我們用自身的存在反復(fù)證明了這樣的奇跡是完全可能的，只不過(guò)，這個(gè)奇跡到底是怎么發(fā)生的，依然是自然留給我們的最大謎題之一。在所有關(guān)于生命起源的理論中，“水”都是必不可缺的條件。達(dá)爾文認(rèn)為生命起源于“小小的熱水池”，但到了現(xiàn)代，深海熱液噴口是更熱門(mén)的候選者。在過(guò)去很長(zhǎng)的一段時(shí)間，大家認(rèn)為這些理論存在一個(gè)很大的障礙?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)物質(zhì)從單體組合成聚合體的過(guò)程中（也就是蛋白質(zhì)的創(chuàng)造過(guò)程中），必須包含一種生物化學(xué)中所說(shuō)的“脫水縮合”反應(yīng)。這是指一種兩個(gè)分子在縮合為一個(gè)大分子的同時(shí)失去一個(gè)水分子的化學(xué)反應(yīng)。也就是說(shuō)，這種反應(yīng)它能發(fā)生在干燥的環(huán)境中，但不應(yīng)該發(fā)生在水中，就好像讓你在水中和面，你能把面粉給和成一團(tuán)嗎？這就是生命從水中起源遇到的最大障礙。
科學(xué)家提出了種種假說(shuō)試圖解決這個(gè)難題，上世紀(jì)七十年代，在美國(guó)的《分子進(jìn)化期刊》上，發(fā)表過(guò)不少相關(guān)論文，其中有兩篇比較重要。一篇是日本科學(xué)家赤崛四郎發(fā)表的《蛋白質(zhì)在生命形成前的模型實(shí)驗(yàn)》，他提出了一個(gè)能繞過(guò)“脫水縮合”這道難關(guān)的“聚甘氨酸理論”來(lái)說(shuō)明多肽鏈的形成。他認(rèn)為，在原始大氣中產(chǎn)生的甲醛與氨和氰發(fā)生反應(yīng)，能生成一種名叫“氨基乙酰氰”的有機(jī)物，這種物質(zhì)能夠聚合，然后水解，生成聚甘氨酸，也就是多個(gè)甘氨酸聚合在一起所形成的多肽鏈，最后經(jīng)過(guò)側(cè)基（R）的變化能得到由各種氨基酸殘基組成的蛋白質(zhì)，這個(gè)假說(shuō)也得到了實(shí)驗(yàn)的支持。另一篇是以色列科學(xué)家卡特·恰爾斯基發(fā)表的《生命出現(xiàn)前的氨酰腺苷酸脫水現(xiàn)象》，他認(rèn)為，原始海洋中的氨基酸是在某些特殊的粘土上縮合成多肽的。他們?cè)趯?shí)驗(yàn)室內(nèi)先將氨基酸與腺苷酸起反應(yīng)，生成了“活化的”氨基酸，也就是“氨基酰腺苷酸”，它在某些片層狀粘土如蒙托土上，就能縮合成長(zhǎng)短不一的多肽鏈。也就是說(shuō)，恰爾斯基認(rèn)為海洋中的生命物質(zhì)并不是在海洋中形成的，而是在陸地上形成后，被雨水或者河流帶入了海洋。這種觀點(diǎn)也被稱(chēng)為生命的陸地起源說(shuō)。
不過(guò)，現(xiàn)代的生物化學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，只要有外部的能量輸入，確實(shí)存在可以在水中完成的脫水縮合反應(yīng)，這個(gè)謎題被部分消解了。但并沒(méi)有完全消解，關(guān)鍵問(wèn)題出在了細(xì)胞膜上，科學(xué)家們認(rèn)為海洋中的水太多了，生命必須的分子在那里散開(kāi)的太快，快到來(lái)不及相互作用，快到無(wú)法形成細(xì)胞膜和原始的新陳代謝途徑。因此，陸地起源說(shuō)依然受到不少科學(xué)家的青睞。
2017 年 9 月號(hào)的《科學(xué)美國(guó)人》雜志也刊登了一篇支持生命起源于陸地的文章。文章由新南威爾士大學(xué)生物、地球與環(huán)境科學(xué)學(xué)院天體生物學(xué)中心的主任馬丁·J·范克拉嫩東克，加利福尼亞大學(xué)圣克魯斯分校生物分子工程系的戴維·迪默，新南威爾士大學(xué)澳大利亞天體生物學(xué)中心的博士生塔拉·喬基奇共同撰寫(xiě)。他們共同認(rèn)為，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(lèi)水池干濕交替、不斷循環(huán)，它的熱量可以催化各種化學(xué)反應(yīng)，干旱期可供簡(jiǎn)單分子聚合成為復(fù)雜分子，濕潤(rùn)期則可以讓這些聚合物四處流動(dòng)，在這之后的干旱期又能把聚合物困于細(xì)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(jìn)一步濃縮——而脂肪酸囊泡正是細(xì)胞膜的原型。關(guān)于這篇文章的詳細(xì)解讀和他們所提出的證據(jù)在我的收費(fèi)專(zhuān)輯《環(huán)球科學(xué)有故事》中有詳細(xì)的解讀，有興趣的聽(tīng)眾不妨訂閱收聽(tīng)。
我們必須要知道，到目前為止，生命起源的陸地?zé)崛f(shuō)和深海黑煙囪說(shuō)都還只是處在有待驗(yàn)證階段的兩種科學(xué)假說(shuō)。科學(xué)有一個(gè)最大的特征就是它是可以自我完善，自我糾錯(cuò)的。所有的假說(shuō)，只要你有了初步的證據(jù)，自洽的邏輯論證，都可以登上歷史的舞臺(tái)，但這些理論必須使用全世界的科學(xué)家都能看得懂的語(yǔ)言，我這里所說(shuō)的語(yǔ)言當(dāng)然不是中文、英文這種語(yǔ)法語(yǔ)言，而是說(shuō)有些理論宣稱(chēng)只能用中文，并且只能了解了中國(guó)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(shuō)的全世界的科學(xué)家都能看得懂的理論，這樣的理論也永遠(yuǎn)不可能得到科學(xué)共同體的認(rèn)可。那么科學(xué)又是如何自我糾錯(cuò)的呢？靠的就是同行評(píng)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(dú)立研究的情況下能復(fù)現(xiàn)的。
兩種生命起源的理論最終誰(shuí)能勝出，現(xiàn)在還很難說(shuō)。海底煙囪假說(shuō)不僅沒(méi)有消亡，反而進(jìn)展不斷。美國(guó)航空航天局噴氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室的生物化學(xué)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(gè)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(qiáng)的海水隔離開(kāi)來(lái)。這將制造出相差數(shù)個(gè)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(xì)菌在細(xì)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(lái)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(dāng)古老海水中的二氧化碳和氫氣相混合時(shí)，電子從氫氣向二氧化碳轉(zhuǎn)移，可以合成更復(fù)雜的有機(jī)物。在他們看來(lái)，礦物薄膜構(gòu)成的囊泡與細(xì)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(lái)，陸地?zé)崛f(shuō)和深海煙囪說(shuō)都有深遠(yuǎn)的影響。除了指導(dǎo)人類(lèi)進(jìn)一步探索地球生命起源外，它們也為我們?nèi)ヌ?yáng)系中的其他行星及衛(wèi)星尋找生命指出了不同的道路。如果深海煙囪說(shuō)是對(duì)的，那么土衛(wèi)二和木衛(wèi)二等衛(wèi)星上的冰凍海洋就是值得關(guān)注的對(duì)象，但如果陸地?zé)崛僬f(shuō)是對(duì)的，那么衛(wèi)星的冰凍海洋就不太可能有生命。而生命就可能在火星誕生，畢竟火星上有過(guò)廣布的火山，也有水，兩者相加即可構(gòu)成熱泉。2008 年，美國(guó)航空航天局的“勇氣”號(hào)火星車(chē)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。
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。以陸地起源說(shuō)為例，我們還不知道的是，什么原因讓某些元素在不同的池洼里富集？地?zé)釁^(qū)域如何隨時(shí)間演化？在合成或降解有機(jī)分子時(shí)，不同的化學(xué)物質(zhì)是如何相互作用的？對(duì)于生命出現(xiàn)之前的那些溫暖小水洼中的化學(xué)過(guò)程，我們還需要設(shè)計(jì)更成熟的實(shí)驗(yàn)，來(lái)研究復(fù)雜的有機(jī)分子是怎樣形成的，以及當(dāng)它們包裹于薄膜中時(shí)，又是怎樣相互作用和結(jié)合的。
無(wú)論是在陸地還是海洋，物理和化學(xué)定律都為這個(gè)拼圖游戲提供了有用的框架，最新的地質(zhì)和化學(xué)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(xué)已經(jīng)幫我們找到了通往答案的道路。
最近幾十年來(lái)，給地球科學(xué)家?guī)?lái)最大震驚的一個(gè)發(fā)現(xiàn)是：生命在地球上誕生得極早。在上世紀(jì)五十年代，人們還認(rèn)為生命誕生于 6 億年前。只有一些極為敢想的人認(rèn)為生命的誕生可以追溯到 25 億年前。
但是，1996 年的《自然》雜志中有一篇報(bào)道稱(chēng)，在采自格陵蘭 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(dòng)，這些巖石的年齡約 38 億年。但這個(gè)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(zhēng)議。
2017 年的 3 月份，《自然》雜志再次刊登了一篇論文，標(biāo)題就是《地球上最古老的熱液滲出物沉淀的早期生命證據(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。
兩位倫敦大學(xué)學(xué)院的研究者宣稱(chēng)，他們?cè)诩幽么蟮目笨耸〉囊惶帋r石帶發(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(xì)小的絲狀體、細(xì)小的管狀物、礦物顆粒還有條狀物，他們的實(shí)際直徑大概只有頭發(fā)絲的二分之一到十分之一。
這大大震驚了科學(xué)界，生命似乎進(jìn)化得太快了點(diǎn)。實(shí)際上有一些專(zhuān)家認(rèn)為生命得到過(guò)某種助力，很可能是極大的助力。這種早期生命可能來(lái)自太空的觀點(diǎn)由來(lái)已久，某段時(shí)期甚至相當(dāng)突出。早在 1871 年，開(kāi)爾文勛爵就曾在英國(guó)科學(xué)促進(jìn)會(huì)的一次學(xué)術(shù)會(huì)議上提出過(guò)這種可能性。他提出“生命的種子很有可能是由隕石帶到地球上來(lái)的。”人們本來(lái)一直把這種想法看成是挺另類(lèi)的觀點(diǎn)，但是，1969 年 9 月的一個(gè)星期天改變了人們的看法。那天，成千上萬(wàn)的澳大利亞人驚訝地目睹了一次天象奇觀，有一個(gè)大火球從天而降，自東向西劃過(guò)天際，伴隨著劇烈的音爆聲。在它身后留下了一些奇怪的氣味，有些人聞著像酒精的氣味，也有些人描述說(shuō)很難聞。
這個(gè)火球最后在默奇森上空爆炸。默奇森位于墨爾本以北的古爾本峽谷，是一個(gè)只有 600 人口的小鎮(zhèn)。隕石的碎塊像雨點(diǎn)一樣落下來(lái)，有幾塊的重量超過(guò)了 5 千克。幸運(yùn)的是，沒(méi)有人受傷。這顆默奇森隕石是一種罕見(jiàn)的“碳質(zhì)球粒隕石”。小鎮(zhèn)上的居民紛紛開(kāi)始收集隕石碎塊，一共收集了大約 90 千克。這顆隕石到來(lái)的時(shí)機(jī)非常好，就在不到 2 個(gè)月前，阿波羅 11 號(hào)飛船成功地從月球返回地球，并帶回來(lái)一袋子的月巖。因此，這段時(shí)間，全世界的實(shí)驗(yàn)室都在強(qiáng)烈渴望著各種天外來(lái)石。
默奇森隕石被證實(shí)年齡已有 45 億年。神奇的是，在隕石中發(fā)現(xiàn)了 74 種氨基酸，其中有 8 種與地球上早期的蛋白質(zhì)成分一致。到了 2001 年末，此時(shí)距隕石墜落已經(jīng) 30 多年了，加州的埃姆斯研究中心宣布，在莫默森隕石中還存在著一種多羥基化合物，這是一種糖類(lèi)，在地球上從未被發(fā)現(xiàn)過(guò)。
1969 年之后，又有幾塊碳質(zhì)球粒隕石墜入地球。其中有一塊是在 2000 年墜入加拿大的塔吉什湖附近，北美大部分地區(qū)的人都目睹了那次天象。這些隕石都證實(shí)了一點(diǎn)，宇宙中其實(shí)富含有機(jī)化合物。現(xiàn)在認(rèn)為，哈雷彗星中有 25% 是有機(jī)分子。如果有足夠多的這類(lèi)彗星墜入到一顆合適的星球，比如地球這樣的星球，那么一切生命所需的基礎(chǔ)元素就全有了。
這種生命源自天外的理論也被稱(chēng)為“宇宙胚種說(shuō)”。但是，我們仔細(xì)想一下，就會(huì)發(fā)現(xiàn)，這個(gè)理論其實(shí)并沒(méi)有回答生命的起源問(wèn)題，只不過(guò)把責(zé)任推給了別處而已，我們可以繼續(xù)追問(wèn)，隕石上的生命又是如何發(fā)生的呢？“宇宙胚種說(shuō)”在科學(xué)界只能算是一個(gè)很不受重視的邊緣假說(shuō)，最重要的原因是缺乏證據(jù)，科學(xué)最看重的是證據(jù)而不是推測(cè)。也有一些知名的科學(xué)家喜歡這個(gè)假說(shuō)，例如DNA結(jié)構(gòu)的兩個(gè)發(fā)現(xiàn)者之一的克里克（Francis Crick）和他的同事奧格爾（Leslie Orgel）就寫(xiě)文章說(shuō)：“聰明的外星人故意把生命的種子播撒在了地球上”。還有那個(gè)著名的天文學(xué)家霍伊爾和他的同事認(rèn)為外太空不但給地球帶來(lái)了生命，還帶來(lái)了流感和豚鼠疫，但是，他們的這個(gè)觀點(diǎn)不但沒(méi)有增強(qiáng)宇宙胚種說(shuō)的說(shuō)服力，反而起到了反作用，因?yàn)樯瘜W(xué)家很容易駁斥它，要證明流感和鼠疫來(lái)自于太空，顯然比要證明一些原始生命的孢子來(lái)自于太空要更加困難的多。
講到這里我想插一句題外話，我平時(shí)收到的留言或者私信提問(wèn)，最多的一種格式是這樣的：請(qǐng)問(wèn)汪老師，balabala，您認(rèn)為我說(shuō)的這個(gè)有可能嗎？遇到這種格式的問(wèn)題，是我最怕的問(wèn)題，為什么呢？因?yàn)橐穸ā翱赡苄浴焙?jiǎn)直從邏輯上來(lái)說(shuō)是不可能的，即便是違反我們已知的物理法則，我也不太敢直接回答說(shuō)“不可能”，因?yàn)檫@一句回答往往會(huì)陷入無(wú)法脫身的哲學(xué)思辨中了，誰(shuí)都可以反駁說(shuō)你憑啥說(shuō)人類(lèi)已知的物理法則就是終極真理了。所以，在網(wǎng)絡(luò)上，我一般都不輕易回答這類(lèi)格式的問(wèn)題。我更希望大家的提問(wèn)格式是，我的這種假說(shuō)與已知的科學(xué)理論有矛盾嗎？這樣我就容易回答的多，因?yàn)槲抑恍枰愂鲆粋€(gè)客觀事實(shí)，不需要帶有主觀判斷了。在網(wǎng)絡(luò)上還好辦一點(diǎn)，我只要假裝看不見(jiàn)即可。最難受的是在線下的演講會(huì)上，有人提這樣的問(wèn)題，我總是會(huì)頭大。一般來(lái)說(shuō)，如果是小朋友，我會(huì)出于保護(hù)他的好奇心的角度，回答他“你的想法很好，很有趣，我想，這也不是不可能的，但是還需要做更多的研究，設(shè)法用科學(xué)的方法去證明它”，如果是成人，我會(huì)根據(jù)實(shí)際情況回答說(shuō)“我覺(jué)得這是有可能的，但需要證據(jù)”或者說(shuō)“你的這個(gè)想法并不違背已知的物理法則”，或者說(shuō)“你的這個(gè)假想可不可能我不知道，我只知道違背了已知的物理法則”。
現(xiàn)在，大多數(shù)生物學(xué)家是這么認(rèn)為的：無(wú)論是什么促使了生命的發(fā)生，在整個(gè)地球漫長(zhǎng)的歷史中，都只發(fā)生了一次，那是生物學(xué)史上最不同尋常的事件，很可能也是所有我們已知的事情中最重要的一件。這世上所有活著的生物，植物也好，動(dòng)物也好，全都始于同樣的一種原始抽動(dòng)。在難以想象的遙遠(yuǎn)的過(guò)去，某一個(gè)創(chuàng)世時(shí)刻，有一小團(tuán)化學(xué)物質(zhì)躁動(dòng)了一下，于是，就有了生命。它吸收了一點(diǎn)兒營(yíng)養(yǎng)，輕輕地搏動(dòng)了幾下，存在了極為短暫的一會(huì)兒。這種事情很可能已經(jīng)不止發(fā)生了一次，但這次有一點(diǎn)兒小小的不同，同時(shí)發(fā)生了另外一件極不尋常的事情：它把自己劈開(kāi)，一分為二，生出了另外一個(gè)自己。一小段基因物質(zhì)從一個(gè)活體傳向了另外一個(gè)活體，從此再也沒(méi)有停下來(lái)，不斷地傳了下去。這是創(chuàng)造世間所有生命的一刻，在生物學(xué)上被稱(chēng)為“大誕生”。
實(shí)際上，我們每個(gè)人都是同一種基因戲法的結(jié)果，這種戲法一代又一代地傳遞了差不多40億年。不論你走到世界的何處，也無(wú)論你看到的是動(dòng)物、植物、蟲(chóng)子還是任何不知名的東西，只要是活的，它們使用的就是同一部遺傳詞典，用的同一種編碼。所有的生命本質(zhì)都一樣。因此，我們才有了轉(zhuǎn)基因的可能。不同生物的基因可以互相轉(zhuǎn)來(lái)轉(zhuǎn)去的，把動(dòng)物的基因轉(zhuǎn)到植物中，或者反過(guò)來(lái)都已經(jīng)不是什么新鮮的事情了。糖尿病人賴(lài)以生存的胰島素，現(xiàn)在最常見(jiàn)的一種制造方法就是將人體的一個(gè)基因片段轉(zhuǎn)入到大腸桿菌中，于是，大腸桿菌就會(huì)開(kāi)始制造胰島素，雖然這些胰島素對(duì)它們來(lái)說(shuō)毫無(wú)作用。所以，從基因的角度來(lái)說(shuō)，這些片段分不出彼此。我們與細(xì)菌都是同一個(gè)起源，這從基因的角度看過(guò)去，是證據(jù)確鑿的，沒(méi)有必要再去糾結(jié)缺失的化石證據(jù)。
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