生命的起源

1、生命起源的化学进化论在1953年首先得到了一位美国学者米勒的证实，米勒描述的生命起源的事件应该是什么样子的呢？那就是在早期，地球上因为它含有大量的还原性的原始大气圈，比如说甲烷、氨气、水、氢气，还有原始的海洋。

2、在这里，细胞膜十分关键。没有细胞膜，生命就没有可以进行的场所。

3、但对持怀疑态度的人来说，尽管样本所在的岩层条件优越，但污染仍会是个大问题。藿烷类化合物在地球上四处都是，在如此长久的地球历史中，我们并不能确定这些藿烷究竟是何时以何种方式到达那里的。

4、对于这个问题，以目前的科技还不能证明生命的诞生起源于哪里，有人认为生命是起源于地球，经过时间的演变才形成了生命。而也有一些人认为是指有陨石、彗星等天外物体从太空携带进来的。

5、之所以这么说，是因为多项研究表明，生命的基本化学物质需要来自太阳的紫外线辐射才能形成，而且含水的环境必须是高度浓缩的，有时候甚至要完全干燥。在实验室开展的实验中，通过小心加热简单的碳基化学物质，把它们暴露在紫外线辐射中，并间歇性地将它们烘干，Sutherland等科学家已经能生成DNA、蛋白质和细胞的其他关键组分。化学家还无法在模拟海水的环境下合成这么多不同的生物分子。

6、这是世界上第一个生命形式，它叫LUCA。它不仅是你我的祖先，更是世界上所有生命的起源。

7、 代表论文：2-Methyhopanoidsasbiomarkersforcyanobacterialoxygenicphotosynthesis(生命的起源)。

8、但答案显然没有那么简单。很快，新的发现似乎为生命诞生提供了另一种方案。

9、生物个体在一些关键期根本就不会体现生命现象，比如受精的鸡蛋，空气中的细菌、病毒，各种种子，甚至冬眠的蛇等等。它们没有新陈代谢，没有生长发育等生命特征。(生命的起源)。

10、观察结果显示，在水中，脂肪酸能够自我组合成细胞膜，形成一种类似于装满水的气球的结构。这种结构是不稳定的。假如水中有盐或带电分子，它们就很容易瓦解。

11、但是，它们同样是生命的范畴，我们不可能叫它们为“非生命”，每种生命都有其生存的方式，它们是生命的一部分，没有它们，生命就会结束。比如进食，比如人类的交流，比如动物交媾之前的一些行为。

12、地球生命起源于哪里，是来自宇宙还是地表？这是难于在近期取得明确结论的问题。尽管化学起源说在众多假说中占有优势，但宇宙空间中的有机分子、陨石中有机分子的发现及其他许多可以表明宇宙生命物质存在的迹象，也都需要地表化学起源说作出合理的解释。

13、20世纪60年代以后，射电天文学技术的应用使科学家在宇宙空间尤其是大的星云内部及其附近发现了大量有机分子，引发了人们对宇宙生命学说的重新思考。1980年前后，英国天文学家霍伊尔等提出了新宇宙生命说的观点。他在《智慧的宇宙》一书中提出，宇宙空间不仅存在生命胚种，而且地球生命可能与宇宙智慧生物有关，进一步强调地外生物在地球生命形成中的作用。

14、 Miller,S.L.Science117,528–529(1953).

15、第三个阶段，有机的大分子演化到原始单细胞生命的过程。一个原始单细胞，外面有个膜包裹，里面有遗传物质，进行新陈代谢的交换。所以生命起源的过程可以简单地分成上述三个阶段。

16、 代表论文：Self-SplicingRNA:AutoexcisionandAutocuclizationoftheRibosomalRNAInterveningSequenceofTetrahymena

17、其他研究指向了另一个元素：光。光可能也是生命起源的一个关键部分。这是麻省总医院的合成生物学家JackSzostak的团队得出的一个结论，该团队研究的是“原细胞”(protocell)，这种简易版细胞只含有少量化学物质，但可以自己生长、竞争、复制。如果这些原细胞暴露在与陆地相似的条件下，就会表现出与生命更相似的行为。Adamala参与的一项研究发现，原细胞能利用来自光的能量，以简单的繁殖形式分裂无独有偶，目前也就职于MRC分子生物学实验室的ClaudiaBonfio和她的同事在2017年证明了紫外线辐射能促进铁硫簇的合成而这对许多蛋白质都至关重要，包括电子传递链中的蛋白质，电子传递链能通过驱使能量储存分子ATP的合成，帮助为所有活细胞供能。铁硫簇遇到水就会断开，但Bonfio的团队发现，如果这些铁硫簇被3-12个氨基酸长的简单多肽包裹，它们就会更加稳定。 

18、 代表科学家：PeterLonsdale etal. 

19、有机物是生命诞生的重要因素。关于原始地球上有机物的诞生方式，著名的“米勒实验”显示：紫外线或雷电等带来的巨大能量可能促使大气中的无机物小分子形成有机物小分子。此外，也有人认为是撞击地球的小型天体(陨石)带来了有机物。

20、就是因为有了这三要素，地球诞生之初的数亿年里，发生了地震、火山爆发、连续不断的下雨等自然现象，让地球上的无机物，转变成了有机物，这也是地球上的低级体的生命之源。

21、如果Sutherland的这类实验确实能指明生命是如何在地球上出现的，它们也有助于探索生命在宇宙其他地方的起源。

22、“这种干湿循环无处不在，”如今就职于加州大学圣克鲁兹分校的Deamer说，“就和雨水从湿润的岩石上蒸发一样简单。”但是当它们应用到脂质一类的生物化学物质上时，他说，就会发生神奇的事。

23、这个大致相同的现象最有意义，最值得我们注意。因为这说明它多少有一点与上一代不一样的特点，这种与上一代不一样的特点叫变异。

24、目前主流的科学认为：生命诞生于海洋的火山口附近，在海洋的火山口附近有大量的化学物质因为温度高剧烈的循环，在这个过程中可能形成能够通过自身和外界交换能量的分子，最后产生生命。

25、    而保持抵达地球的宇宙射线“既不多，也不缺”这个条件的，则是宇宙磁场。

26、Deamer则主张另一种假说：火山温泉。在今年的一项研究中，他和同事BruceDamer提出，脂质可能在温泉中形成原细胞这和他早前实验的结果一致。温泉边缘发生的干湿循环可能促进了RNA等核酸的形成和复制。

27、在不久之后，一些关键的线索出现了。1978年，SidneyAltman首次发现RNA在一种催化反应中是必需的。1982年，Thomas Cech首次证明RNA分子本身可以起到催化作用。Cech把一个未经处理的RNA分子放入没有蛋白质的试管中后，它开始了自我剪接。也就是说，RNA分子可以将自身切成碎片，并将遗传上重要的RNA片段重新连接在一起。目前，已知的RNA酶(也叫核酶)已有百种。Altman和Cech也因此被授予1989年诺贝尔化学奖。

28、到目前为止，天文学家在星际云中共发现了100多种分子，而且银河系中心附近的星云中，还发现了最简单的氨基酸——甘氨酸。

29、Catling说，最好的情况是“毅力号”在火星沉积层中发现复杂的碳基分子，比如脂质或蛋白质，或是它们降解后的残留物。他还希望能看到干湿循环的证据，比如湖泊多次干涸又重新注满所形成的碳酸盐层。他推测“火星上的生命没怎么演化”，因为我们还没有看到这方面的任何明显证据，比如清晰的化石或富含碳的黑色页岩。“我们找的东西很简单，只要能显示前生命特征就行，并不需要是真正的细胞。”

30、Russell不赞同Sutherland的实验方法。他说：“他在做的都是些令人眼花缭乱的化学实验。”对Russell来说，这些都是不相关的。因为现代微生物是用完全不同的化学过程来生成RNA一类的物质。他认为肯定是这些过程先出现，而不是这些物质先出现。“生命会挑选非常特别的分子。但你不能从现成的分子中挑选，你必须从头生成那些分子，那才是生命的过程。”

31、Frenkel-Pinter也不同意喷口假说，因为她研究的分子在这些条件下活不了多久。“这些原肽的形成条件与热液喷口的相容性不高。”他说。

32、化学起源学说认为：原始地球的温度很高，地面环境与现在完全不同：天空中赤日炎炎、电闪雷鸣，地面上火山喷发、熔岩横流；从火山中喷出的气体，如水蒸气、氨、甲烷等构成了原始的大气层，与现在的大气成分明显不同的是原始大气中没有游离的氧。

33、    但为何“缺了又不行”呢?这要从整个地球生命的起源和演化去讲。近年来，人们在太空中发现了越来越多的复杂有机分子。

34、第二个阶段，从有机小分子物质生成生物大分子物质。这一过程是在原始海洋中发生的，即氨基酸、核苷酸等有机小分子物质，经过长期积累，相互作用，在适当条件下(如黏土的吸附作用)，通过缩合作用或聚合作用形成了原始的蛋白质分子和核酸分子。

35、生命是以繁殖为目的，以自发熵变为具体方式的进化和适应过程。(生命体当然是要降低自身的熵值，但这不总是成功的：有时因为自身稳态被破坏，比如衰老；有时因为无法完全抵抗外界的高熵压力。熵变主要应该是面向代谢及调节代谢的过程：物质的，能量的，信息的)。

36、这些证据有可能指向，在生命早期很有可能是一个RNA世界。那时，RNA是唯一的编码分子，它们随后在自我复制中进化出了更为稳定DNA分子，并让生命迈入了蛋白质世界。但这段故事的细节目前仍然很模糊，毕竟生命分子很难留下动植物那样的化石线索。现在，还有许多研究都在追寻这种从RNA到DNA的变化是如何产生的，并希望找到最古老蛋白质的线索。

37、 Rajamani,S.etal.Orig.LifeEvol.Biosph.38,57–74(2008).

38、本文由施普林格·自然上海办公室负责翻译。中文内容仅供参考，一切内容以英文原版为准。欢迎转发至朋友圈，如需转载，请邮件China@nature.com。未经授权的翻译是侵权行为，版权方将保留追究法律责任的权利。

39、据说，目前世界上最长的族谱是中国的《展氏族谱》，记录了至今90代人2700多年的家族传承！比孔子家谱还要早160多年。

40、经过一个星期左右的连续实验，结果居然在试验中制造出了作为原始生命起源的“氨基酸”。生物进化大致分为两大系统。一是把氨基酸作为有机液进行化学合成进而又进行光合作用，进化出细菌的系统;二是进化出具有大型真核细胞的动物或植物的系统。虽然我们无法亲近雷电，但是如果它对地球生命的起源做出了贡献，我们就不能不对其产生敬畏之情。

41、doi: 1038/d41586-020-03461-4

42、第一个阶段，从无机物到有机小分子的过程。如一氧化碳、二氧化碳、水、氢气、氨气、甲烷等，这些东西合成为有机小分子，像氨基酸、嘌呤、核苷酸、高能化合物等物质。因为生命的起源是从无机界到有机界，这个过程无论在什么地方，如海底、热泉，或者太空中，都是必不可少的。

43、任何一种生物对所处环境的适应总是相对的。同种个体由于遗传和表型上的差异，对环境的适应也总是存在程度上的差别。只要存在这种差别，哪怕是很轻微的，自然选择就会发生作用，推动群体向更适应环境的方向进化。

44、地球上最早的生命体就是诞生在海洋里，是原核单细胞构成的生物，也就是原核生物。 是地球上第一种诞生于35亿年前，在原始的海洋中，就是蓝藻也叫蓝细菌、蓝绿藻，也是单细胞生物，也可以说是地球上最早的生命起源。 在之后的数亿年中。

45、大约在66亿年前，银河系内发生过一次大爆炸，其碎片和散漫物质经过长时间的凝集，大约在46亿年前形成了太阳系。作为太阳系一员的地球也在46亿年前形成了。冰冷的星云物质释放出大量的引力势能，再转化为动能、热能，致使温度升高，加上地球内部元素的放射性热能也发生增温作用，故初期的地球呈熔融状态。高温的地球在旋转过程中其中的物质发生分异，重的元素下沉到中心凝聚为地核，较轻的物质构成地幔和地壳，逐渐出现了圈层结构。这个过程经过了漫长的时间，大约在38亿年前出现原始地壳，这个时间与多数月球表面的岩石年龄一致。生命的起源与演化是和宇宙的起源与演化密切相关的生命的构成元素如碳、氢、氧、氮、磷、硫等是来自“大爆炸”后元素的演化。资料表明前生物阶段的化学演化并不局限于地球，在宇宙空间中广泛地存在着化学演化的产物。在星际演化中，某些生物单分子，如氨基酸、嘌呤、嘧啶等可能形成于星际尘埃或凝聚的星云中，接着在行星表面的一定条件下产生了象多肽、多聚核苷酸等生物高分子。通过若干前生物演化的过渡形式最终在地球上形成了最原始的生物系统，即具有原始细胞结构的生命。至此，生物学的演化开始，直到今天地球上产生了无数复杂的生命形式。

46、与此同时，许多研究人员也表达了对Russell的热液喷口说的质疑，指出其缺少实验依据。

47、令人惊奇的是，经过几个星期后，米勒实验器皿中的液体就开始显得浑浊。他发现液体中生成了多种复杂的分子，其中包括在构成生命体中起到关键作用的氨基酸分子(Amino-Acids)。

48、曾经一个美国的科学家米勒就做过这样一个实验，他将氢气，氨气，水蒸气放入一个没有空气下的玻璃仪器中，然后通电。模拟原始地球环境。最后竟然产生了氨基酸等有机物。因此很多科学家都接受这种生命起源说法。

49、Sutherland更倾向于陨石撞击坑，这个坑受到太阳和撞击残余能量的加热，多条水流从斜坡面流下，最终在坑底汇合。这可能是个复杂的3D环境，有矿物表面作为催化剂，碳基化学物质可能经历了水解和太阳烘干的循环。“你可以相对自信地说，这必须发生在地表，而不是在海洋中或地壳下10公里的地方。”Sutherland说，“然后我们还需要磷酸盐、铁。铁-镍陨石很容易提供这些物质。”撞击理论还有一大优势：陨石撞击震动了大气，产生了氰化物，Sutherland说。

50、阿波罗17号在绕月轨道上拍摄的地升景象。地球是宇宙中目前唯一已知存在生命的天体。NASA

51、华盛顿大学的行星科学家DavidCatling认为，地表上湖泊水潭的可能性很大，“过去15年里有大量研究都支持这个方向。”

52、又称“自生论”或“无生源论”，认为生物可以随时由非生物产生，或者由另一些截然不同的物体产生。如中国古代所谓“肉腐出虫，鱼枯生蠹”。

53、 Bonfio,C.etal.NatureChem.9,1229–1234(2017).

54、在生命起源的研究中有太多不确定性，因此类似的争论比比皆是，它们虽然看起来激烈，甚至针锋相对，但也总是很有趣，总能带来新的发现。

55、支持这种观点的一些关键证据出现在2009年。已知组成RNA的核苷酸有四种，当时，Sutherland宣布他和他的团队成功制造出了其中两种他们从磷酸盐和四种简单的碳基化学物质开始，包括氨基氰。整个过程中，这些化学物质都溶解在水里，但它们是高度浓缩的，关键步骤也需要紫外线辐射。这种反应无法发生在海洋深处——只能发生在暴露于阳光下的小水潭或溪流中，因为那里可以让化学物质高度浓缩，他说。

56、 藿烷类化合物在稳定细胞膜方面具有重要作用。|图片来源：Wikicommons

57、新出现的证据让许多研究人员抛弃了生命起源于海洋的假说，反而开始关注陆地环境，特别是那些干湿交替的区域。这种观点的转变并非没有异议，但支持陆地起源说的科学家认为，这种假说解决了一个长期存在的悖论：虽然水是生命形成的关键，但水也能破坏生命的核心成分。

58、原始大气在高温、紫外线以及雷电等自然条件的长期作用下，形成了许多简单的有机物，随着地球温度的逐渐降低，原始大气中的水蒸气凝结成雨降落到地面上，这些有机物随着雨水进入湖泊和河流，最终汇集到原始的海洋中。

59、米勒选择了四种简单的分子作为原料：H2O、CHNH3和H2(即水、甲烷、氨气和氢气)。这些分子结构都非常简单，是地球早期的大气组成成分。米勒在其中一个烧瓶中加热水，水蒸汽顺着导管进入另一个玻璃球器皿中，并在那里和其他三种气体分子混合。米勒认为闪电很可能提供了起源化学反应所需要的能量。他在玻璃球器皿中不断地制造电火花，模拟地球大气中的闪电。

60、 代表科学家：RogerE.Summons etal. 

61、这种变异的特性如果能够适应环境而生存，它就会一代又一代地把这种变异的特性加强并成为新个体所固有的特征。生物体不断地变异，不断地遗传，年长月久，周而复始，具有新特征的新个体也就不断地出现，使生物体不断地由简单变复杂，构成了生物体的系统演化。

62、Frenkel-Pinter团队之前的研究(6)证明了干燥能让氨基酸自发地连接起来。今年，该团队的后续研究发现他们的原蛋白能与RNA相互作用，使两者在水中更加稳定实际上，水相当于一种选择压力：只有能在水中活下来的分子结合物才能继续发展，因为其他的都被摧毁了。

63、但如今有许多科学家指出，这种假说存在一个根本性问题：构成生命的基础分子会在水中分解。因为无论是蛋白质还是DNA和RNA这类核酸，它们的连接都很脆弱。蛋白质由氨基酸链组成，核酸由核苷酸链组成。如果将这些链放入水中，水会攻击并最终破坏这些连接。在碳化学中，“水就是敌人，必须严格回避，”已故生物化学家RobertShapiro在他1986年的《起源》(Origins)一书中写道。这本书就批判了原始海洋论的假说

64、这个假说实际上把生命起源的问题推到了无边无际的宇宙中去了，同时这个假说对于“宇宙中的生命又是怎样起源”的问题，仍是无法解释的。

65、迄今为止，这个生命起源问题存在多种臆测和假说，争议不断，是现代自然科学正在努力解决的重大课题。

66、20世纪60年代，苏格兰格拉斯哥大学的化学家凯恩斯史密斯在化学起源说的基础上，提出了新的起源说——泥土说，认为生命是由颗粒细小的具有特殊结构的泥土产生的。最近，美国宇航局的科学家们也发现了普通泥土中含有的能量可使无机物合成有机物，甚至可以合成生命必需的基础有机物质。这个发现无疑是对泥土说的有力支持，也解释了像氨基酸这样的生命小分子合成蛋白质这样的生命高分子时的脱水问题。应该说，这种学说比化学起源说的观点进了一大步。

67、在过去的半个多世纪里，有关生命起源的研究蓬勃发展。但科学的进程从来不是直线发展的，其中有一些关键发现突破了我们的认知，也有一些发现颠覆了以往的观点，但它们的共同之处在于，它们都让我们越来越靠近生命的开端。

68、为此，本人“地外天使”只能将最新的突破性研究成果，用简单图表来说明一下生命的起源从哪里来与开始和形成的基本演化框架。植物形成的基本框架是：海洋中衍生的单细胞群体→单细胞聚集同体共生形成的多细胞初级生物体→海洋中的原生物→静态环境生存的原生物→自养光合作用形成的叶绿体和功能完善→藻类初植物→简单植物→草类植物→花类植物→种子类植物→现代大型植物。

69、生命是如何起源的？这是个非常大非常大的问题。大部分科学家相信，生命的基础构件在距今大约35亿年前首次聚合在一起，在偶然的碰撞中，首个原始细胞出现了，地球生命出现了。

70、同时哺乳动物的大脑大小开始跟别的生物并没有什么显著的区别，但是根据地下发现的化石可以发现，它们的脑容量普遍而稳定的处于一种增长的过程。

71、17世纪中叶，意大利医生雷迪用实验的方法，发现了苍蝇等生物并不是自然生成的，而是由亲代产卵所生，从而否定了自生论，建立了生源论，认为一切生物皆来自同类生物。但自生论者仍坚持原来的观点，认为苍蝇虽不能自然产生，但微生物等简单生物可以自然发生。直到1864年，法国化学家、微生物学家巴斯德的著名无菌浸液实验和鹅颈瓶实验成果问世，证实了微生物也不能自然产生的观点以后，才彻底否定了自生论，确立了生源论。但是，地球上最初的生命来自何方呢？这个问题使人联想起鸡和蛋相争的那个老掉牙的笑话。自生论与生源论同样是一个先有鸡后有蛋还是先有蛋后有鸡的问题。

72、创造论否认一切的事物是自然形成的说法。它认为哪怕是正在呼吸的空气，也是需要被创造才得以产生。比如基督教的上帝，PM的阿尔修斯。目前人类正在面临各种自然资源枯竭,生态平衡被破坏而带来的各种灾难的情况下，对大自然的驾驭更是感到无能为力。人类无能为力的时候，还能做什么呢？唯有依靠神。这不是愚昧，而是人的本能就是这样。在《圣经》上说，“起初，神创造天地。”。

73、第二个阶段，从有机小分子到有机大分子形成的过程。有机大分子像蛋白质、多糖、核酸，因为蛋白质是组成生命体的主要物质，还有多糖、糖类都是组成很多细胞的骨架、细胞壁的主要成分，还有核酸，这是遗传物质。所以这个过程也是不可或缺的。

74、创造论认为世界万物都是由神所创造。比如上帝、阿尔修斯。在《圣经》上说，“起初，神创造天地。

75、米勒实验还将模拟环境改换成了太空。NASA的研究人员曾经选取了和米勒一样的原料：水、氨气、氢气和甲烷，而将闪电替换成紫外线照射。实验中，这些原料以冰混合物的形式存在，正如很多彗星和小行星上的情景。紫外线照射是为了模拟新生恒星周围的空间环境。在经过一段时间的照射之后，冰混合物表面也形成了复杂有机分子构成液滴。研究人员虽然未在液滴中发现氨基酸或蛋白质，但这样的实验至少证明了化学-生命演化的某些步骤是可以在太空中实现的。

76、https://www.pnas.org/content/early/2019/08/06/1900275116

77、十几年前，JimCarrey主演过一部喜剧电影《冒牌天神》(BruceAlmighty)。在剧中，不停抱怨命运不公的主角布鲁斯突然被允许做一天无所不能的“上帝”，负责管理整个世界的运行。很快，布鲁斯就被写着所有人愿望的便利贴淹没了。

78、 doNascimentoVieira,A.,Kleinermanns,K.,Martin,W.F.&Preiner,M.FEBSLett.594,2717–2733(2020).

79、1953年，美国芝加哥大学的研究生斯坦利·米勒通过放电实验，成功制造了有机物质。引人关注的是，他在实验中模拟出了以水、甲烷、氨、氢为主要成分的原始地球环境，然后将雷电当作能量来源进行实验。

80、资料表明，前期生物阶段的化学演化并不局限于地球，在宇宙空间中广泛存在着化学演化和产物，如氨基酸、嘌呤等形成于星际尘埃或者星云之中，接着在行星表明的一定条件下产生了像多肽、多聚核苷酸等生物高分子。最终在地球上演化成了最原始的生物系统，即具有原始细胞结构的生命。