關於生命起源的4項著名研究

十幾年前，Jim Carrey主演過一部喜劇電影《冒牌天神》（Bruce Almighty）。在劇中，不停抱怨命運不公的主角布魯斯突然被允許做一天無所不能的「上帝」，負責管理整個世界的運行。很快，布魯斯就被寫著所有人願望的便利貼淹沒了。

圖片來源：《冒牌天神》

不得不說，布魯斯在劇中領到的這個任務可能只算得上是「上帝簡單模式」。如果想要給布魯斯一些真正的考驗，不如把他的任務推回到生命起源的階段，畢竟生命的那些最初時刻才是最神秘、最吸引人的。（當然，電影也可能就成了一部科幻片。）

雖然電影和故事只是一種虛構和暢想。但不可否認，生命的起源和早期進化一直是現代科學中最受關注的大問題之一。想要了解生命的起源，必須找到許多問題的答案，從生命起源的天體物理和行星背景，到前生命化學越來越複雜的發展，到第一批細胞的組裝，再到達爾文進化論中的進化以及後來越來越複雜的生命形式的出現。

生命起源和早期進化的大致「時間軸」（橫軸時間單位：十億年）。| 圖片設計：雯雯子；參考來源：《進化》

目前，我們已經對生命起源和早期進化的大致時間軸有了一定了解。主流學說認為，地球被認為在大約45億年前形成，而生命很有可能起源於地球最後的主要增長階段（約40億年前）和最早的已知化學化石形成（約38億年前）之間的2億年中。

在過去的半個多世紀裡，有關生命起源的研究蓬勃發展。但科學的進程從來不是直線發展的，其中有一些關鍵發現突破了我們的認知，也有一些發現顛覆了以往的觀點，但它們的共同之處在於，它們都讓我們越來越靠近生命的開端。

時間：1953年

代表論文：A Production of Amino Acids Under Possible Primitive Earth Conditions

代表科學家：Stanley L. Miller et al.

可以這麼說，現代對生命起源的研究始於1953年。那一年，諾貝爾化學獎得主、化學家Harold Urey的博士生Stanley L. Miller進行了迄今為止最著名的生物發生實驗，改變了人們對前生命合成的看法。

生物發生的第一步，首先需要大量「零件」，這是最容易理解的一步。這些零件包括胺基酸、脂類、糖等等分子。Miller設計了一個簡潔的儀器來模擬早期地球環境。沸水代表著冥古宙的海洋，簡單的氣體混合物模擬著地球原始的大氣，電火花則模擬了閃電。在這種條件下，僅僅幾天後，密封儀器中無色的水就變了顏色，其中開始含有許多複雜的有機分子混合物。原本透明的玻璃變得汙跡斑斑，沾滿了粘稠的黑色有機汙泥。

Miller-Urey實驗裝置簡單示意圖。| 圖片來源：Wikicommons

Miller對這些化合物進行了分析，發現其中含有豐富的胺基酸等物質。隨後，科學家在相似的條件中創造了一系列有機分子，這些實驗確鑿地表明，早期地球一定富含著生命的基本分子。這類實驗成功建立起了一種範式，將生命的起源追溯到這樣一種「原始湯」中，仿佛就是達爾文筆下的那個「溫暖的小池塘」。

時間：1977年

代表論文：Clustering of Suspension-Feeding Macrobenthos Near Abyssal Hydrothermal Vents at Oceanic Spreading Centers

代表科學家：Peter Lonsdale et al.

事實上，一些科學家認為，1953年的實驗在某種程度上來說是「過於成功」，以至於不少專家曾一度認為，生命起源之謎已經基本被解開了。米勒的影響力一直很大，許多「米勒派」的科學家相信，閃電帶來了「原始湯」，生命就是從這樣的環境中誕生。

但答案顯然沒有那麼簡單。很快，新的發現似乎為生命誕生提供了另一種方案。

全球海底熱液活動區的大致分布圖。| 圖片來源：Wikicommons

20世紀七八十年代，科學家在不見天日的深海海底，發現了充滿生命的「黑煙囪」生態系統。這裡富含礦物質的流體與熾熱的火山地殼相互作用，形成噴口。這些噴口噴出的熱流接觸冰冷的海水時，會產生礦物沉澱，就好像冒著黑煙的大煙囪。在化學能的推動下，生命在這種不見陽光、遠離地球表面的地方蓬勃發展。

現在我們已經知道，這些「煙囪」廣泛地分布在海底，噴口附近的生態系統豐富多彩。人們也越來越意識到，在各種極端環境中，無論在酸性的池塘，還是沸騰的火山附近，或是冰凍的極地巖層中，生命比我們想像的更頑強和豐富，許多微生物甚至依賴來自礦物的微弱化學能就可以生存。一些科學家因此提出，為什麼一定要假設生命就誕生於「溫暖的小池塘」呢？事實上，生命的「零件」散落在宇宙的各個角落。

時間：1982年

代表論文：Self-Splicing RNA: Autoexcision and Autocuclization of the Ribosomal RNA Intervening Sequence of Tetrahymena

代表科學家：Thomas Cech et al.

在對生命早期演化的研究中，長期以來隱藏著一個「先有雞還是先有蛋」的問題。

現如今，所有細胞生物都在使用DNA作為遺傳物質，DNA攜帶的遺傳信息能構造出蛋白質，從而實現生物的功能。DNA編碼著合成蛋白質的信息，而DNA的複製又需要蛋白質的催化——那麼，哪個先出現的？在生命的早期，是如何發展出這樣複雜而完整的閉環的呢？

20世紀60年代，Francis Crick提出了一種可能的猜想，其中的關鍵就是RNA。在生命早期，RNA可能同時作為信息的載體和催化劑。這樣的猜想不無道理，RNA與DNA很相似，它們同樣可以承載遺傳信息，但結構比DNA更簡單，似乎帶著更多「原始」的影子。

在不久之後，一些關鍵的線索出現了。1978年，Sidney Altman首次發現RNA在一種催化反應中是必需的。1982年，Thomas Cech首次證明RNA分子本身可以起到催化作用。Cech把一個未經處理的RNA分子放入沒有蛋白質的試管中後，它開始了自我剪接。也就是說，RNA分子可以將自身切成碎片，並將遺傳上重要的RNA片段重新連接在一起。目前，已知的RNA酶（也叫核酶）已有百種。Altman和Cech也因此被授予1989年諾貝爾化學獎。

這些證據有可能指向，在生命早期很有可能是一個RNA世界。那時，RNA是唯一的編碼分子，它們隨後在自我複製中進化出了更為穩定DNA分子，並讓生命邁入了蛋白質世界。但這段故事的細節目前仍然很模糊，畢竟生命分子很難留下動植物那樣的化石線索。現在，還有許多研究都在追尋這種從RNA到DNA的變化是如何產生的，並希望找到最古老蛋白質的線索。

時間：1999年

代表論文：2-Methyhopanoids as biomarkers for cyanobacterial oxygenic photosynthesis

代表科學家：Roger E. Summons et al.

在探索生命起源的研究中，還有一些化合物被作為「分子標記」。比如，如果某一類化合物在活細胞之外很少出現，而在特定巖層中找到了它們的蹤跡，就可以被看作是一種有說服力的生命證據。

藿烷類化合物在穩定細胞膜方面具有重要作用。| 圖片來源：Wikicommons

藿烷類化合物（Hopanoids）就屬於這樣一類有機物。每個藿烷都有一個獨特的骨架，藿烷類化合物在穩定保護性的細胞膜方面發揮著重要作用，這類物質可能是所有分子生物標記物中最具說服力的之一。

1999年，Roger Summons和團隊在西澳大利亞25億年前的黑色頁巖中發現了藿烷分子變體。這裡的巖石几乎沒有受到過熱量的改變，也沒有受到地表生物或者地下水的汙染，因此有可能讓古老的生物分子保留下來。這些被稱為2-甲基藿烷（2-Methyhopanoid）的分子只在光合藍藻中被發現，而藍藻是古地球上最主要的氧氣製造者。

Summons認為，地球上的光合作用在25億年前就開始了。這個年代與當時已知的氧氣的增加是一致的。這項研究也為古生物學開闢了新的道路，科學家可以在保存下來的分子碎片中尋找光合作用的起源。

但對持懷疑態度的人來說，儘管樣本所在的巖層條件優越，但汙染仍會是個大問題。藿烷類化合物在地球上四處都是，在如此長久的地球歷史中，我們並不能確定這些藿烷究竟是何時以何種方式到達那裡的。

在生命起源的研究中有太多不確定性，因此類似的爭論比比皆是，它們雖然看起來激烈，甚至針鋒相對，但也總是很有趣，總能帶來新的發現。

生命的起源只是第一步，非生命系統產生原始的生命形式，隨後演化出成生物個體，並最終在地球上步入自然選擇驅動的進化和多樣化的軌道。這個過程經歷了數十億年，相關的研究自然也不是幾篇論文就能囊括。也許有一天，我們或許能用一個更完整、更可靠的故事，最終回答生命起源的問題。但這個答案中的每一個字、每一句話的背後，一定都包含了無數的爭論、推翻與重建。

參考來源：

N. H. 巴頓等，《進化》，科學出版社，2010年4月

Robert M. Hazen, The Story of Earth, Penguin Books, 2012

https://www.americanscientist.org/article/the-origin-of-life

https://www.simonsfoundation.org/life-sciences/origins-of-life/simons-collaboration-on-the-origins-of-life/critical-questions-concerning-the-origins-of-life/

https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/1989/press-release/