一位热爱天文学的地质学家眼中的生命起源

  地球上的生命诞生于大约40亿年前，即45.4亿年前我们星球形成后不久。虽然从复杂的大分子到最简单的细胞的过渡仍然不为人所知，但它们的起源带来的问题要少得多。它们的基本成分是在彗星和陨石产生的尘埃表面以及地球表面的地壳（岩石圈）中自然合成的，在那里热水与富含铁的硅酸盐接触。然而，许多陨石和彗星在大约40亿年前落到了地球上，地球表面和下面盛产富含硅（硅酸盐）和铁的矿物。

1.生命的起源：一个细胞的故事

  直到19世纪中期，生命的起源并没有带来任何问题：生命是造物主的杰作。对于无神论者或批判性的信徒来说，自发生成理论解决了这个问题：当环境合适时，生命（至少是简单的生物体）从矿物物质中自发出现。巴斯德在19世纪60年代证明，生物体的这种自发出现在自然条件下和与实验室实验相适应的过程中没有发生时，这个问题变得至关重要。一百五十年后，我们如何总结这个问题？生命首先是一个细胞的故事（见《第一批细胞的起源：工程师的观点》）。制造一个细胞在“概念上”是很容易的。这需要3个步骤，可以通过追溯时间来描述。最近的一个步骤是细胞本身的形成。这需要复杂的有机大分子，如蛋白质、核酸这类聚合物，如果可能的话，要有自动复制（拷贝或复制自己的行为）和催化特性（分子（如酶）进行化学反应的能力）。这些存在于溶液中或悬浮于水中的大分子还必须组合在一起，形成或多或少具有渗透性的膜，并联结成实体，将内部环境与外部环境隔离。在这第三步之前，还需要第二步，即通过聚合较简单但已经相当复杂的碳分子，如氨基酸、含氮碱、简单的糖，来制造这些大分子。而在这第二步之前，还需要第一步，即制造那些将要聚合的已经相当复杂的分子。因此，生命史上最古老的这一阶段包括从简单的、无处不在的分子（二氧化碳（CO₂）；水（H₂O）；氨（NH₃）；氰化氢（CNH）等）中合成氨基酸、含氮碱，这些分子含有生命的主要成分：碳（C），氢（H），氧（O）和氮（N）。

2.地球上原始生命的化石证据

  是否有任何关于生命起源的证据？要知道到哪里去找，首先要设法确定这三个阶段发生的环境、条件和时间。2016年的共识认为最古老的形态学痕迹可以追溯到35亿年前。这些是在澳大利亚或南非的沉积岩中发现的间接痕迹，表明存在细菌菌幕，也叫生物膜。以分泌粘性和保护性基质为标志的微生物群落。通常形成于水中或水介质中。生物膜可能是最早的生物群落，通常是在浅水、海洋或淡水环境中产生的钙质结构。它们既是沉积物，也是生物源（由蓝藻群体建造）。叠层石作为一种结构是没有生命的，只有建造它的蓝细菌是有生命的。叠层石在35亿年前已经存在；它们遍布各大洲。其形态与目前的同类物质相当相似（图1）（见《生物圈，一个主要的地质角色》）。细菌细胞的残留物也是可以识别的，但它们的起源仍是争论的焦点。在这些沉积岩中也含有机物，富含¹²C，即碳的轻（和主要）同位素（一种化学元素的特殊形式。同一元素的同位素因中子数目不同而不同，但它们的质子和电子数目相同。）。然而，通过酶促过程（如本森–卡尔文循环（Benson and Calvin cycle））合成有机分子，可使有机物富集¹²C的比例与在这些古老岩石中发现的相同。目前还没有已知的超过35亿年的形态学生命指标。但我们知道变质岩（在温度和压力上升后经历了矿物学转变以及结构转变的岩石）显示了¹²C的富集。我们对格陵兰岛的这些岩石有很多了解，它们可以追溯到38亿年前。在澳大利亚发现了最古老的具有这种¹²C异常的岩石（事实上是矿物）；它们可以追溯到41亿年前，这表明在那个时候已经有了生物圈。生命出现在地球上的时候，大气和海洋都没有氧气（O₂），地球仍然受到无数彗星和陨石的轰击，火山活动比今天更加丰富。正是在这样的背景下，必须发生生命起源的3个主要阶段。

3.生命起源的三个阶段

3.1.从有机大分子形成细胞

  地质学家并不具备理解第三步的最佳条件：即从聚合物和其他有机大分子制造细胞。这个步骤没有留下化石记录。它只与化学家和生物化学家的工作有关，而这些工作在2016年还远远没有完成。自20世纪初以来，实验（以及最近的建模）指出了可能的路径，并提出了可能发生的情况：将聚合物组成膜，将膜转化为球状物，存在既具有催化特性、又具有进行还原反应（基于电子在一个氧化（失去一个电子）的分子和另一个被还原（获得一个电子）的分子之间转移的化学反应。）的能力和传输其复制所需信息的能力的RNA（核糖核酸，是由一连串的核糖核苷酸（腺嘌呤、胞嘧啶、鸟嘌呤、尿嘧啶）组成的分子，在细胞内发挥许多功能。）。

3.2.通过聚合制造有机大分子

  地质学家更关心生命起源的第二阶段：即通过较简单的有机单体（如氨基酸、含氮碱）的聚合来制造这些大分子。事实上，这种聚合在很大程度上得益于催化剂，而地质学提供了这类催化剂：它们是硫化物，如黄铁矿（FeS₂）和层状硅酸盐（或片状硅酸盐，是由四面体层堆积而成的硅酸盐组的矿物。）。主要的是粘土和蛇纹石。这些矿物的表面具有吸附如氨基酸等单体的特性，使其集中并大大促进其聚合。硫化物在火山地区很常见，而粘土和蛇纹石在水与硅酸盐岩石，特别是构成岩石圈（地球的表面部分，由两个叠加的陆地层组成：地壳（海洋或大陆）和刚性的上地幔。它在海洋下的厚度为60至70公里，在大陆下为100公里。）的玄武岩（来自快速冷却的岩浆的深色火山岩。）和脉石（超基性的岩浆岩，构成了地球上层地幔的主要部分。）接触时很丰富。因此，如果我们有一个“富含”氨基酸分子和其他有机分子的水介质（有时被称为“原始汤”），层状硅酸盐和/或硫化物，这些步骤2和3就可以“自发地”产生原始细胞（细胞原型，初级细胞），继而成为第一个生物体。

3.3.制造“生命的分子”

  氨基酸、含氮碱和其他单体（复杂分子的基本成分。因此，氨基酸形成蛋白质，碳水化合物形成复合糖，核苷酸形成核酸）（有时被称为“生命的基本砌块”）的哪个（些）来源，是发展复杂聚合物如蛋白质、核酸和其他大分子的重要第一步？研究地球和太阳系的科学家们在这第一步的起源上提出了三种机制，三种彼此不兼容的起源。

  大气起源。第一个起源说（按时间顺序）是在1953年提出的：源自米勒的著名实验[1]。当时，人们认为大约40亿年前的地球大气主要由甲烷（CH₄）、氨（NH₃）、氢（H₂）和水（H₂O）组成。外部能量供应（放电、紫外线光子等）足以产生更复杂的分子，如氨基酸（参见《生命出现的时候：40亿年前地球海洋的化学》）。但现在人们认为，地球的原始大气不包括H₂，其碳主要是以CO₂而不是CH₄的形式存在。有了这样的大气层，合成物就不一样了，放电和紫外线几乎只形成过度氧化的化合物。因此，米勒的实验与地球无关。然而，不能排除在特定地点，例如在富含火山化合物的大气中，这种合成是可能的。这方面的研究仍在继续。

  外星起源。彗星和陨石是生命分子起源的第二个可能来源（图2）。自1864年普雷德（Pride）（Tarn et Garonne）陨石的坠落以来，我们知道一些陨石（碳质球粒陨石）被认为是太阳系最原始的陨石（它们的基本成分非常接近于太阳的成分）。它们的特点是含有丰富的碳、水和挥发性气体（特别是稀有气体）。含有这些著名的“生命的基本砌块”。在20世纪60年代被证明，这些有机分子是陨石所固有的，并不是来自陆地上的污染，这与普雷德陨石一落地就被提及（甚至被援引）的情况相反。一吨这类陨石含有60克的氨基酸，相当于一个鸡蛋的质量，以及1.3克的含氮碱。

  通过光谱分析，可以在彗星的尾部检测到简单的有机分子。乔托（Giotto）探测器（1986年）和罗塞塔·菲莱（Rosetta-Philae）任务（2014-2016年）的就地分析证实了彗星中有机分子的存在。菲莱着陆器无法对67P-CG彗星（被称为丘尤穆夫·杰拉西门科（Churyumov-Gerasimenko），或简称Churi）的尘埃进行分析，这是很遗憾的事情。但是仅仅通过分析从这些尘埃中逸出的挥发性化合物，菲莱就发现了16种含碳分子，其中一些是氨基酸合成的前体（参见《如何研究彗星的有机分子》）。2006年，美国星尘号（Stardust）探测器带回地球的一个彗星颗粒中含有甘氨酸，这是一种最简单的氨基酸。由于罗塞塔（Rosetta）探测器上安装的罗西娜（Rosina）仪器，在Tchouri彗星的尾部也发现了Wisteria。当陨石或彗星碎片和尘埃到达地球时，大部分会因穿越大气层而被烧毁；然而，相当一部分会完整地到达地表。根据目前的陨石流和过去的陨石流（从月球研究中推断），以及这些物体的有机碳含量，我们估计有10¹⁵至10¹⁶公斤的有机分子在45亿至40亿年前到达地球而没有被破坏。这些地外有机分子被认为可以追溯到太阳系的起源时期。太阳系前星云的外部尘埃（那些聚集成彗星和碳质球粒陨石的尘埃）一定富含水构成的冰和其他小分子（CO、CO₂、CH₄、NH₃、CH₃O等）。而当这样的冰的混合物被紫外线光子或宇宙射线照射时，就会形成更复杂的分子，包括我们著名的基本砌块。

  地质学起源。洋底和/或大陆的底部土壤是有机分子形式的生命起源的第三个可能来源。我们知道如何在合适的催化剂存在下，在高温或中温下利用H₂和CO₂制造有机分子。

  CO₂ + 4H₂ → CH₄（和其他更复杂的分子）+ 2 H₂O（费歇尔-托罗普施（Fischer-Tropsch）反应）

  在NH₃（氨）或HCN（氰化氢）存在的情况下，可以合成氨基酸和含氮碱基（斯特雷克（Strecker）反应）。然而，当不太冷的水（T≥80℃）与含有Fe²⁺形式的铁的硅酸盐（橄榄石、辉石等）接触时，会发生一种反应，其类型可以用以下反应式来概括：

  橄榄石+H₂O → 蛇纹石+青铜矿+磁铁矿+H₂

  因此，只要水（海水、地下水等）与热橄榄岩等富含橄榄石的岩石接触，就可以合成H₂（图3）。这一反应产生磁铁矿（Fe₃O₄）和蛇纹石。然而，磁铁矿是一种催化剂，可以促进费歇尔-托罗普施（Fischer-Tropsch）反应。此外，氢氧镁石（Mg(OH)₂）保持的碱性环境促进了斯特雷克（Strecker）反应。而事实证明，蛇纹石是一种非常好的有机单体聚合的催化剂。因此，这些水与热橄榄石接触的地点具有生命出现的“一切条件”：典型的氨基酸单体，以及使其聚合的催化剂。其他两种假设的机制（由陨石或彗星带来的单体，或在大气中合成，然后落到地面上）需要另一个条件：就是它们已经到达了一个富含层状硅酸盐的地理区域。但是，并不缺乏层状硅酸盐的存在。

4.生命起源的结论和展望

  所有上述情况都强烈表明，生命的起源是一种自发的现象，是“相当容易”实现的，因为它不需要任何特殊的条件；生命在地球上出现的“速度”加强了这种印象。显然，“容易”和“快速”这两个词必须从地质学角度来理解。“快速”是指生命出现的时间不到4亿年，或不到地球历史的8%。而“容易”必须理解为，当一个难题“快速”完成时，它就是“容易”的。所有这些也表明，只要有液态水、陨石和彗星降临和/或水与橄榄石或辉石接触，就可能出现生命。这样的地点在太阳系中并不缺乏，特别是火星、欧罗巴（木卫二）、恩克拉多斯（土卫二），更不用说无数的太阳系外行星。未来的研究将告诉我们到底发生了什么！至于火星、欧罗巴和恩克拉多斯，“只是”去现场看看的时间问题，因为从地球上使用空间探测器就可以到达。对于太阳系外的行星，在可预见的未来无法就地进行研究，只能通过对其大气和表面的光谱研究来实现。尽管在2016年仍然在我们的仪器探索能力之外，但最容易的探索途径之一就是在一个系外行星的大气层中寻找高氧化性（如O₂）和高还原性（如CH₄）化合物的光谱线的共存。这种共存将证明这个大气层中存在着强烈的化学不平衡。因为生命是这种化学不平衡的一个巨大的成因!

 

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参考资料和说明

[1]Miller SL & Urey HC (1959) Organic Compound Synthesis on the Primitive Earth, Science, 130, pp. 245-251.

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译者：吴云冬            编审： 张海洋           责任编辑：胡玉娇