地球生命誕生之謎:所有生命都是細菌後代

「網易科學人」深度原創欄目稿件未經授權不得轉載，一經查實追究法律責任。投稿請聯繫：[e-mail]

閱讀本文大約需要15分鐘

生命幾乎已經徵服了地球上的每寸土地。

但在地球剛剛形成時，它實際上就是沒有任何生機的石球。那麼生命到底起源自哪裡？它們最初是什麼樣子的？

細菌是所有生命的共同祖先

在人類歷史上，很多人相信「神創論」，即神明創造了生命，比如中國的女媧造人。還有許多令人覺得匪夷所思的理論。然而，這些傳說或神話都不是真的。在過去100多年間，科學家們試圖弄清楚地球上的第一個生命是如何誕生的。他們甚至嘗試在實驗室中重現「創世時刻」：從無到有憑空創造出全新的生命。儘管到目前為止，還沒有人取得成功，但我們已經取得了很大進展。如今，許多研究生命起源的科學家堅信，他們正走在正確的道路上。

生命是古老的，恐龍可能是地球上最著名的已滅絕生物，它們起源自2.5億年前，但生命可追溯到更久遠的年代。目前，世界上最古老的已知化石有35億年歷史，比最古老的恐龍還要早14倍。但是化石記錄可能進一步追溯歷史。比如2016年8月份，研究人員發現了37億年前的化石微生物。它們幾乎與地球同時誕生的，地球形成於45億年前。

如果我們假設生命是在地球上形成的，這似乎是合理的，因為我們還未在其他地方發現生命。（網易科學）那麼，生命肯定是在地球形成的最初10億年間出現的，最古老的化石已經可以證明這一點。為了縮小生命誕生的時間跨度，我們可以對生命最初的形態做出猜測。

自從19世紀以來，生物學家們已經知道，所有生物都是由細胞構成的。細胞是17世紀發現的，當時現代顯微鏡剛剛被發明。但是整整過了100多年，人們才意識到細胞是所有生命的基本組成形式。你可能覺得自己與鯰魚或霸王龍截然不同，但顯微鏡下顯示我們的細胞非常相似。植物和菌類也是如此。

到目前為止，數量最龐大的生命形式當屬微生物，它們每個個體只有1個細胞構成。細菌是最龐大的微生物群體，它們幾乎無所不在。2016年4月份，科學家們推出了新版「生命之樹」，即包括所有生命的家族樹。幾乎所有分支都是細菌。此外，生命之樹的形狀顯示，細菌也是所有生命的共同祖先。換句話說，如今地球上所有活著的生物，包括人類，都是細菌的後代。

這意味著，我們可以更精確地定義生命起源問題。只用35億年前地球上存在的材料和條件，我們肯定能製造出細胞。那麼，我們到底該如何去做呢？

第一章：第一個實驗

活力論

在大多數歷史中，沒有必要考慮生命是如何誕生的，因為答案「顯而易見」。在19世紀前，大多數人相信「活力論」。這是關於生命本質的一種唯心主義學說，它認為生物體與非生物體的區別就在於前者體內有一種特殊的生命「活力」，它控制和規定著生物的全部生命活動和特性，而不受自然規律的支配。它主張有某種特殊的非物質的因素支配生物體的活動。

當時，科學家們已經發現生命中幾種看似比較獨特的物質，比如尿素。它是在尿液中發現的，1799年被分離出來。尿素只是其中之一，當時的人們認為只有活體生物能夠產生這些化學物質，或許正是它們為生命注入了能量，讓生物變得與眾不同。

但是1828年，德國化學家弗雷德裡希·維勒(Friedrich W?hler)從普通化學物質氰酸銨中提煉出尿素，而氰酸銨顯然與活著的東西沒有任何關係。（網易科學）此後，許多科學家追隨維勒的腳步，發現生命體內的化學物質全部可從簡單的化學物質中提煉出來，而這些物質與生命沒有任何關係。

這些實驗終結了「活力論」作為科學假設的特權，但人們很難就此割捨它。對於許多人來說，生命中的化學物質「沒啥特別」就好像剝奪了生命的魔力，讓我們與純粹的機器沒什麼兩樣。為此，英國生物化學家班傑明·摩爾（Benjamin Moore）又於1913年提出「生物能源」理論，其本質上依然是「活力論」，只是改了不同的名字。

如今，「活力論」或「生物能源」理論開始出現在科幻電影中，比如某人的「生命能源」可以爆發，也可以耗盡。儘管這些讓人感覺起來很有科技範兒，但實際上其理論早已經過時。

進化論

19世紀，查爾斯·達爾文（Charles Darwin）等人提出的進化論取得巨大突破。達爾文在1859年《物種起源》中闡述了自己的理論，並解釋了擁有共同祖先的生物差異如此之大的原因。進化論認為，生命並非神明創造的，他們都是數億年前原始生物的後裔，擁有共同的祖先。

達爾文的理論在當時引發巨大爭議，因為其與《聖經》相違背。此外，達爾文的理論沒有說明生命是如何誕生的，但他曾在給朋友的私信中提及：如果有合適的水體，裡面充滿了簡單的有機化合物，並有陽光照耀。某些化合物可能互相結合，形成類似生命的物質，比如蛋白質，然後開始不斷進化，變得越來越複雜。這是個粗略的想法，但卻成為生起源的首個假設基礎。

前蘇聯生物化學家亞歷山大·歐帕林（Alexander Oparin）曾於1924年發表《生命起源》一書。他在書中假設了生命誕生的過程，與達爾文的「池塘論」不謀而合。歐帕林想像地球形成時的形態：表面極度炎熱，巖石從空中砸下，不斷對地球進行撞擊。其中，一塊半融化的巖石含有大量化學物質，包括許多基於碳的成分。

最後，地球冷卻下來，水蒸氣也凝結成液態水，第一場雨水降臨在地球上。在地球上出現海洋之前，它非常炎熱，且富含碳基化合物。現在兩件事可能發生。第一，各種化合物互相發生反應，形成許多新的化合物，有些則非常複雜。歐帕林認為，分子是生命出現的關鍵，比如糖和胺基酸等，它們都可以在地球的水中形成。

第二，有些化學物質開始形成微觀結構。許多有機化合物不溶於水，比如油會漂浮於水面上。這些化合物與水接觸時可形成球形「團聚體」，厚度可達0.01釐米。如果你在顯微鏡下看這些團聚體，會發現它們的行為很像活細胞。它們會成長和改變形狀，有時候還可一分為二。它們可從周圍水中吸取化學物質，為此看似生命的化學物質可濃縮在其中。歐帕林認為，團聚體就是現代細胞的祖先。

1929年，英國生物學家霍爾丹（J. B. S. Haldane）提出類似理論。（網易科學）霍爾丹對進化論做出過巨大貢獻，將達爾文的觀點與新興遺傳學結合起來。就像歐帕林那樣，霍爾丹認為有機化合物會在水中形成。他認為原始海洋會經歷「熱稀湯」的階段，首個生命體或半生命體會形成，並被封閉在「油膜」中。

這些理論告訴我們，生物是由純粹的化學物質形成的，而非神明或「生命力量」創造的。生命在原始有機化學湯中形成的觀點，被稱為歐帕林-霍爾丹假設。這種假設是令人信服的，但卻沒有實驗證據支持它，這種情況持續了20多年，直到哈羅德·尤裡（Harold Urey）開始對生命起源發生興趣。

生命起源實驗

尤裡曾獲得1934年諾貝爾化學獎，二戰期間參加過曼哈頓計劃，為原子彈核心收集不穩定的鈾-235。尤裡還對外太空化學產生興趣，特別想知道太陽系形成時的場景。有一天，他在講課時指出，地球最初形成時，大氣層中可能根本沒有氧氣。這可能為歐帕林-霍爾丹的原始湯形成提供了理想條件，因為脆弱的化學物質在與氧氣接觸時可能被毀掉。

博士生斯坦利·米勒（Stanley Miller）聽了尤裡的課，後來提議與尤裡共同驗證這個想法。（網易科學）為此，1952年，米勒開始了最著名的生命起源實驗。實驗設置很簡單，米勒聯通了4個玻璃瓶，然後讓地球早期存在的4種化學物質在裡面循環，包括沸水、氫氣、氨以及甲烷。他對這些氣體進行反覆電擊，以模擬閃電襲擊，地球形成時這種現象可能時有發生。

米勒發現，第一天後瓶子裡的水變成了粉紅色，一周後液體變成深紅色，渾濁不堪。顯然，化學物質混合形成了新的東西。米勒分析混合物後發現，它含有2個胺基酸，分別是甘氨酸和丙氨酸。胺基酸常被稱為生命的基石，它們用於形成蛋白質，以控制我們體內的大部分生物化學過程。米勒從無到有創造了生命誕生所需的兩種最重要成分。這個實驗也被稱為米勒-尤裡實驗。

在此之後，其他科學家開始尋找憑空製造簡單生物分子的方法，解決生命起源之謎的方法似乎越來越近。然而，生命顯然遠比人類想像的更加複雜。活細胞不僅僅由化學物質組成，它們就像複雜的小機器。突然，尋找生命起源成了遠比科學家預期的更大挑戰。

第二章：偉大的發現

解密DNA

到20世紀50年代初期，科學家們已經擺脫了神創論，開始探索生命在早期地球上自發形成的可能性。感謝米勒的實驗，科學家們搞清楚了基因的構成。當時，科學家們已經發現了許多生物分子，包括糖、脂肪、蛋白質以及脫氧核糖核酸（即DNA）。今天，我們認為DNA上攜帶著基因感覺理所當然，但在20世紀50年代卻令生物學家感到震驚。蛋白質非常複雜，為此科學家們以為它們就是基因。

直到卡內基研究所的阿爾弗雷德·赫希（Alfred Hershey）和瑪莎·卻斯(Martha Chase)提出反駁證據。他們研究只含有DNA和蛋白質的病毒，發現關鍵DNA可進入細菌內部，而蛋白質卻留在外面。顯然，DNA才是真正的遺傳物質。赫希與卻斯的發現引發了瘋狂競賽，科學家們爭相解讀DNA結構及其秘密。第二年，劍橋大學的弗朗西斯·克裡克（Francis Crick）與詹姆斯·沃特森（James Watson）取得成功。解密DNA結構被稱為20世紀最偉大的科學發現之一，也重塑了尋找生命起源的方法，揭示出隱藏在活細胞內部令人難以置信的複雜性。

克裡克與沃特森意識到，DNA是雙螺旋結構，就像扭曲成螺旋的梯子，梯子的兩極由名為核苷酸的分子構成。這種結構解釋了細胞複製DNA的方式。換句話說，它解釋了父母如何複製自己的基因，並將它們傳遞給後代。更關鍵的是，雙螺旋結構可以「解壓」，從而暴露了基因代碼。基因代碼由A、T、C、G等基因鹼基構成，正常情況下，它們都被鎖定在梯子的梯階上。每個鏈被用作模本，重新創造另一個副本。

利用這種機制，自從生命誕生以來，基因就可從父母傳遞給後代。（網易科學）你的基因也來自祖先細菌，利用克裡克和沃特森發現的機制不斷複製自己。在隨後幾年中，生物化學家們開始尋找DNA上到底攜帶者哪些信息，活細胞如何使用這些信息。揭開生命最深處的秘密首次如此之近。

解密RNA

然而，發現NDA還僅僅是個開始。DNA可以告訴你細胞如何製造蛋白質，這種分子可以執行許多必要任務。沒有蛋白質，你就無法消化食物，你的心臟會停止跳動，你也無法呼吸。但是利用DNA製造蛋白質的過程是非常複雜的。對任何想要解釋生命起源的人來說，這都是個大問題，因為很難想像有什麼東西一開始就這麼複雜。

每個蛋白質實際上是胺基酸按照特定順序串成的長鏈。胺基酸的序列決定了蛋白質的三維形狀，以及它的功用。信息被編碼入DNA鹼基序列中。因此，當細胞需要特別的蛋白質時，它會讀取DNA中的相關基因，以便獲得胺基酸序列。DNA非常寶貴，因此細胞喜歡將它包起來以確保安全。這樣，它們可以複製DNA信息到另一種名為RNA的短分子上。如果DNA是圖書，RNA就是潦草書寫著關鍵信息的廢紙。RNA與DNA很相似，但前者僅有一條線。

最後，將RNA內的信息轉給蛋白質的過程發生在巨大的分子中，它被稱為核糖體。這個過程在每個活細胞，甚至最簡單的細菌中發生。對於需要進食和呼吸的生命來說至關重要。任何對生命起源的解釋都必須搞清楚DNA、RNA以及核糖體蛋白質之間的關係。現在看來，歐帕林與霍爾丹的想法似乎顯得過於天真，而米勒的實驗也只是探索生命誕生漫長道路的第一步。

邁出生命誕生探索第二步的人是英國化學家萊斯利·奧格爾（Leslie Orgel），在克裡克的支持下，奧格爾於1968年提出自己的理論，他認為首個地球生命沒有蛋白質或DNA，全部由RNA構成。為此，原始RNA分子應該具備多種用途，比如複製自己。生命起源自RNA產生了巨大的影響力，但也觸發了持續至今天的科學大戰。奧格爾發現了生命最關鍵的特徵之一，那就是自我複製。在某種意義上說，他不僅描繪了生命最初如何構成，還闡述了生命到底是什麼。

許多生物學家都支持奧格爾的「複製第一」理論。（網易科學）在達爾文的進化論中，創造後代的能力絕對是核心，生物「獲勝」的唯一方式就是留下大量後代。但生命的其他特徵也同樣重要，其中最明顯的就是新陳代謝，即從周圍環境中提取能量，並利用其維持生存的能力。對於許多生物學家來說，新陳代謝肯定是生命的原始特徵，複製是隨後出現的。

從20世紀60年代開始，研究生命起源的科學家分為兩大陣營：新陳代謝第一VS基因第一。與此同時，第三陣營認為容納關鍵分子的容器最為重要，也就是說，無論是新陳代謝能力還是基因，都需要細胞。這三種觀點都流傳下來，許多科學家至今爭論不休。然而20世紀80年代，驚人的發現似乎證實了奧格爾「生命起源自RNA」的理論。

第三章：尋找首個複製品

RNA酶發現

當時，科學家們認為RNA是所有生命的起源，特別是RNA具備許多DNA不具備的能力。RNA屬於單鏈分子，不像雙鏈DNA那樣僵化，而是可以摺疊成不同的形狀。類似摺紙的RNA看起來與蛋白質的行為非常相似，蛋白質也是長鏈結構，並有胺基酸而非核苷酸構成，這讓它們可以構建更精細的結構。

這是蛋白質具備驚人能力的關鍵，有些蛋白質具備加速或催化化學反應的能力，它們被稱為酶。我們的內臟中有很多酶，它們可將食物的複雜分子分解為簡單分子，比如細胞可利用的糖。沒有酶，你就無法生存。但是奧格爾對克裡克的理論存在疑問：如果RNA能像蛋白質那樣摺疊，或許它能形成酶。如果這是真的，RNA就可以成為活分子的起源，可以像DNA那樣儲存信息，像蛋白質那樣催化化學反應。

但這純粹是理論，此後10年都沒有找到任何證據。直到20世紀90年代，專注於RNA研究的美國生物化學家託馬斯·切赫（Thomas Cech）與同事研究名為Tetrahymena thermophila的單細胞生物時，發現其細胞機制中包括RNA鏈，且RNA鏈的特定部分與其他部分分離，就好像某個部分被剪刀剪下。當切赫等人移除所有可能充當分子剪刀的酶和其他分子時，RNA依然保持著這個特性。為此，他們發現了首個RNA酶，即可將自己從RNA鏈上剪下的一小段RNA。第二年，其他科學家發現第二種RNA酶，即核酶。

連續發現兩種RNA酶顯示，還有更多的RNA酶存在，從而說明生命起源自RNA十分可信。1986年，哈佛大學物理學家沃爾特·吉爾博特（Walter Gilbert）總結稱，生命起源自RNA世界。他認為，在進化的第一階段，在核苷酸湯中，許多具有催化活性能力的RNA分子開始自我組裝。（網易科學）通過切割和粘貼不同的RNA片段，RNA分子可以創造出更有用的序列。最終，它們發現製造蛋白質和蛋白質酶的方式，從而催生了我們今天看到的生命。

RNA世界假說

2000年時，RNA世界假說獲得更確鑿的證據支持。花費30年時間研究活細胞分子結構的託馬斯·施泰茨（Thomas Steitz）解開了核糖體的結構。每個活細胞都有核糖體，這種巨大的分子可從RNA中讀取指令，串聯胺基酸形成蛋白質。細胞中的核糖體構建了我們身體的大部分，而RNA才是核糖體的催化核心。這個發現非常重要，因為核糖體是生命的基礎。RNA世界假設的支持者們對此狂喜，施泰茨也因此獲得2009年諾貝爾獎。但此後，各種懷疑紛至沓來。

RNA世界假說開始就存在2個問題。RNA真的能夠自己執行所有生命功能嗎？它在早期地球上能夠形成嗎？自從吉爾博特提出RNA世界假說以後的30年間，我們依然沒有找到確鑿證據，可以證明RNA能夠做到理論上的所有事情。舉例來說，如果生命始於RNA分子，RNA必須擁有自我複製的能力。但是沒人知道RNA能自我複製，DNA也不行。它們都需要許多酶和其他分子幫忙才能複製自己。

為此，20世紀80年代末期，少數生物學家開始嘗試複製RNA，哈佛醫學院的傑克·索斯塔克（Jack Szostak）就是其中之一。切赫曾於1988年發現一種RNA酶，它可以建立10個核苷酸長度的短RNA分子。索斯塔克對切赫發現的RNA酶非常痴迷，為此他希望在實驗室中發現新酶的新特性。索斯塔克發現酶能讓反應速度提高700萬倍，RNA酶的確具有強大的能力。但這些酶依然無法複製自己。

此後，索斯塔克的學生大衛·巴特爾（David Bartel）發現名為R18的RNA酶，它可以根據現有模板在RNA鏈上增加新的核苷酸。也就是說，它不是隨機增加核苷酸，而是可精確複製RNA鏈序列。儘管這依然不屬於自我複製體，但已經十分接近。R18由189個核苷酸組成，可以添加11個核苷酸，意味著其鏈可延長6%。經過調整後，它可能會複製出與本身同樣長的核苷酸鏈。

2011年，劍橋分子生物實驗室的菲利普·霍利格爾（Philipp Holliger）創造出改良版R18，並取名tC19Z，它最多可以複製95個核苷酸序列，相當於其自身長度的48%。儘管比R18多，但依然未達到100%。隨後，美國加州斯克裡普斯研究所的傑拉德·喬伊斯（Gerald Joyce）與特雷西·林肯（Tracey Lincoln）創造出可間接複製自己的RNA酶。他們的酶可將兩小段RNA連起來創造出第二種酶，它將另外兩段RNA連起來創造出原始酶。這個過程可無限循環。但只有被給於正確的RNA鏈時，這種酶才起作用。

對於許多懷疑RNA世界假說的科學家來說，缺少可自我複製的RNA是其致命短板。RNA似乎無法承擔起啟動生命的重任。而化學家們無法憑空製造出RNA，也重創了這種假設。但RNA已經證明，它的形成非常困難。問題是糖和鹼基總是各自保持獨立，固執地不願意連接起來。

發現PNA

20世紀90年代初，生物學家們開始懷疑RNA世界假說的正確性。或許地球早期存在其他種類的分子，它們比RNA更簡單，可以在原始湯中自我組裝，並複製自己。這可能是生命誕生的初原，其後才產生了RNA、DNA以及其他分子。

1991年，哥本哈根大學的彼得·尼爾森（Peter Nielsen）提出了原始複製者的候選者，其本質上是被徹底修改的DNA。尼爾森認為其DNA中依然保持著相同的鹼基，但用聚醯胺代替糖成為分子的主體。他稱新的分子為聚醯胺核酸（或肽核酸），簡稱PNA。

自然界從未發現過PNA，但其行為很像DNA。PNA鏈甚至可取代DNA分子鏈，只要鹼基對正確即可。此外，PNA也擁有類似DNA的雙螺旋結構。米勒感到非常好奇，他對RNA世界假說深表懷疑，並認為PNA才是更可信的第一種遺傳物質。米勒重複他的經典實驗，但這次他使用了甲烷、氮、氨和水，獲得了PNA的聚醯胺主鏈。這表明，與RNA不同，PNA在地球早期很容易形成。

此後，其他化學家也提出了自己的替代核酸。2000年時，埃爾伯特·厄希恩莫瑟（Albert Eschenmoser）發現了蘇糖核酸(TNA)，它基本上可稱為DNA，只是主鏈中沒有糖。TNA鏈可以形成雙螺旋，信息科在RNA和TNA之間複製傳遞。此外，TNA還能摺疊成複雜形狀，甚至形成蛋白質。這顯示，TNA可以像RNA那樣充當酶。2005年，埃裡克·梅格斯（Eric Meggers）發現乙二醇核酸（GRA），也可以形成螺旋結構。

這些替代核酸在自然界中沒有發現過，為此如果生命誕生時用過它們，在某個時刻也拋棄了它們，進而使用RNA和DNA。這可能是真的，但依然沒有證據。到2000年左右，RNA世界假說的支持者陷入左右為難狀態。一方面，RNA酶的確存在，包括生物機制中最重要的部分核糖體。但RNA沒有複製能力，沒人能搞清楚RNA如何在原始湯中形成。替代核酸可能解決後一個問題，但它們沒有在自然界中存在的證據。

第四章：質子的力量

顯然，RNA世界假說並非完全正確。與此同時，另一種理論悄然興起，其支持者認為生命並非以RNA、DNA或任何其他基因物質開始。相反，它最初只是利用能源的機制。在生物能夠繁衍前，它必須能夠維持自我生存。首先，你必須獲得能源，從糖等富含能源的化學物質中獲取。接著，你必須利用能源製造有用的東西，比如細胞。這個利用能源的過程被稱為新陳代謝，許多科學家認為它非常重要，可能是生命需要做的第一件事。

代謝周期

那麼，這些只能新陳代謝的生物看起來什麼樣？最有影響力的假設是20世紀80年代末的德國律師袞特爾（Günter W?chtersh?user）提出的，他認為地球上的第一個生命與我們已知的任何東西都不同，它並非由細胞構成，也沒有酶、DNA或RNA。當熱水從火山中流出時，水中富含火山氣體，比如氨。當這些水流經巖石時，化學反應開始發生，特別是水中的金屬有助於簡單的有機化合物融合壯大。

轉折點是第一個代謝周期的產生。在這個過程中，一種化學物質被轉化成一系列其他化學物質，直到最終原始化學物質再次出現。整個過程中，整個系統都需要吸收能量以推動周期循環，進而啟動其他東西。這些東西形成了現代有機物，比如DNA、細胞以及大腦等。

儘管這些代謝周期聽起來不像生命，但袞特爾為其命名為「前體生物」。它們是生物的核心，因為細胞本質上就是微觀的化學處理廠，不斷將一種化學物質轉變成其他物質。代謝周期看似沒有生命，但它們卻是生命的基礎。袞特爾不斷完善自己的理論，並吸引了許多支持者。但他的設想都是理論性的，需要證據支持。幸運的是，他找到了證據。

熱液噴口

1977年，俄勒岡州立大學科學家傑克·科利斯（Jack Corliss）領導的團隊潛入到東太平洋2500米深海中，測試加拉帕戈斯熱點，那裡有高聳的巖石脊（即活火山）從海底升起。科利斯發現，這些巖石脊本質上與熱泉沒什麼區別。富含化學物質的滾燙熱水從海底冒出來，通過巖石中的孔洞噴射出來。令人感到驚奇的是，這些「熱液噴口」中竟然生存著許多奇怪的動物，包括巨大的蛤蚌、貽貝、冒貝以及管狀蠕蟲等，此外還有大量細菌。這些生物都依靠熱液噴口中的能量生存。

1981年，科利斯提出假設，40多億年前的地球早期也存在類似的熱液噴口，它們就是生命最早誕生的地方。他認為，這些熱液噴口可能含有各種化學物質，每個噴口實際上都是某種原始湯。當熱水從巖石中流出時，熱量與壓力會促使簡單的有機化合物融合為更複雜的化合物，比如胺基酸、核苷酸以及糖等。（網易科學）在接近水溫不太熱的海水處，這些化合物開始串成鏈，形成碳水化合物、蛋白質以及類似DNA的核苷酸。隨著這些熱水不斷冷卻，分子就會形成簡單的細胞。

但米勒認為熱液噴口溫度太高，極端高溫可以促使胺基酸等化學物質形成，但也會毀掉它們。糖等關鍵成分最多也僅會存在數秒時間。此外，這些簡單的分子不太可能串成鏈狀，因為周圍的水會立即讓它們分解。但邁克·拉塞爾（Mike Russell）支持科利斯的假設，認為熱液噴口是袞特爾假設「前體生物」誕生的最理想環境，這促使拉塞爾提出了一個被廣泛接受的生命起源理論。

發現質子

20世紀80年代，拉塞爾發現了古熱液噴口的化石證據，它的溫度在150攝氏度以下，生命分子可以比米勒假設的存在時間更長。此外，這些冷卻的噴口中含有許多奇怪的東西，比如直徑1毫米的黃鐵礦管道。黃鐵礦主要由鐵和硫組成，可以形成氣泡。拉塞爾認為，第一個複雜的有機分子就是在簡單的硫鐵礦結構中形成的。

拉塞爾將自己的設想與袞特爾和科利斯的假設相結合，他認為深海中的熱液噴口足以幫助形成黃鐵礦結構，並將「前體生物」包裹其中。如果拉塞爾的設想是對的，生命應該起源自海底，新陳代謝也會首先出現。此外，他還嘗試解釋了最初誕生的生命如何獲得能量。換言之，他提出了新陳代謝原理。

此後，生物化學家彼得·米切爾（Peter Mitchell）終於搞清楚了生物如何從食物中獲得能量，也就是我們如何維持生存。米切爾知道，所有細胞都將能量儲存在相同的分子中，即三磷酸腺苷（ATP）。它由腺苷和三個磷酸基組成。添加第三個磷酸基需要耗費許多能量，然後能量被鎖定在ATP中。當細胞需要能量時，ATP就會斷裂分解變成二磷酸腺苷（ADP），釋放出儲存的能量。

米切爾想要知道細胞最初如何製造ATP，如何將足夠能量存入ADP，以便於吸附第三個磷酸基？米切爾此前已經知道，酶可讓ATP留在細胞膜上。他假設，細胞會泵出名為質子的帶電粒子穿過膜。因此，膜的一面擁有大量質子，而另一面幾乎沒有。質子會嘗試回穿，以保持兩邊質子數量平衡。但它們唯一能穿過的就是酶，這種質子流給了酶製造ATP的能量。

現在我們知道，米切爾確定的過程正是地球上所有生物所依賴的。它正發生在我們的細胞中，就像DNA那樣，它也是生命的基礎。此外，米切爾還提出質子梯度的概念，所有細胞都需要質子梯度儲存能量。現代細胞可通過泵出質子穿過膜產生梯度，但這包含複雜的分子機制，它不可能是突然出現的。為此，拉塞爾又提出新的理論，即生命肯定是在存在自然質子梯度的地方形成的，比如熱液噴口。

但是這種噴口應該非常特別。因為地球剛剛形成時，海水還是酸性的，酸水中漂浮著大量質子。要想產生質子梯度，噴口中湧出的水中所含質子必須非常少，而且必須呈鹼性。（網易科學）科利斯提出的熱液噴口不合適，不僅因為它們太熱，還因為它們時酸性的。直到2000年事，華盛頓大學的黛博拉·凱利（Deborah Kelley）發現了第一批鹼性噴口。

迷失之城

在大西洋海底一處山嶺上，凱利發現了許多熱液噴口，她稱之為「迷失之城」。它們與科利斯的發現不同，這些噴口中流出的水溫僅在40到75度之間，呈輕度鹼性。富含碳酸鹽礦物的水聚集成陡峭的白色「煙囪」從海底噴出，裡面含有大量微生物。這些鹼性熱液噴口為拉塞爾的理論提供了完美支持，他認為「迷失之城」這樣的噴口就是生命誕生之地。

但作為地質學家，凱利不太了解生物細胞，因此也無法讓她的理論更有說服力。為此，拉塞爾與美國生物學家威廉·馬丁（William Martin）合作，利用凱利的設想改進自己早期的理論。他認為鹼性熱液噴口附近的巖石孔洞中積滿了水，這些小口袋就像細胞。每個口袋中都含有必須的化學物質，包括黃鐵礦等。與噴口中出現的自然質子梯度相結合，它們就成了新陳代謝開始的理想之地。當生命從熱水中獲得化學能後，就可以製造RNA等分子。最終，生命創造出自己的膜，成為真正的細胞，並從巖石口袋逃到海水中。

這種理論現在被視為生命起源最可信的假說之一。2016年7月份，馬丁發布名為「最後共同祖先（LUCA）」的研究報告，為其提供進一步支持。報告中稱，這種生物出現在數十億年前，現在所有生命都是它的後裔。我們現在還未找到LUCA存在的直接化石證據，但通過研究今天的微生物，我們可以猜測它們的行為與外貌特徵。

馬丁檢查了1930種現代微生物的DNA，並確認了它們共有的355個基因。由此顯示，這些基因可能都是代代傳下來的，所有微生物都擁有共同的祖先。此外，LUCA似乎已經適應了甲烷等化學物質的存在，這暗示它可能誕生於類似活火山的環境中，比如熱液噴口。儘管如此，RNA世界假設支持者認為，熱液噴口理論存在2個問題，第一個問題可能已被解決，而第二個問題更致命。

第一個問題是，拉塞爾與馬丁的假設沒有任何實驗證據支持。儘管他們提出了生命誕生的過程，但在實驗室中卻沒有複製過。支持「複製第一」理論的人，不斷提供新的實驗數據，但支持「代謝第一」的人卻沒有。但馬丁的同事尼克·拉尼（Nick Lane）已經建造「生命起源反應堆」，模擬鹼性熱液噴口進行試驗，希望觀察到代謝周期，甚至是RNA之類的分子。

第二個問題是，這些噴口都位於深海中。正如米勒指出的那樣，如果沒有酶的幫助，RNA和蛋白質等長鏈分子無法在水中形成。對於許多研究人員來說，這是個無可辯駁的事實，因為所有這些化學分子與水不相容。但在過去10年間，第三種方法脫穎而出，並帶動一系列非凡的實驗，即憑空創造出完整細胞。

第五章：如何創造細胞

地球上的所有生物都由細胞組成，每個細胞基本上是個軟球，有個牢固的外壁或膜保護。細胞中的某種成分將生命所需各種成分結合起來。如果細胞外壁被撕裂，內部物質就會流出來，細胞就會死亡。細胞外壁同樣重要，有些生命起源科學技術認為，它可能是首先出現的東西。他們認為「基因第一」和「代謝第一」理論都是錯誤的，反而提出「區隔第一」的假設。

區隔第一

義大利科學家皮埃爾·路易吉·路易斯（Pier Luigi Luisi）就是代表人物。他的推理很簡單，但卻無可辯駁。除非你先有一個容器可容納所有分子，否則在化學物質泛濫的環境中，怎麼可能確保RNA自我複製和新陳代謝？如果你接受這種說法，那麼生命誕生只有一種方式。在地球早期，少數原材料物質必須形成粗細胞或原細胞(protocell)。這個挑戰促使科學家在實驗室中創造出簡單的活細胞。

路易斯重新研究歐帕林的假設，後者曾認為特定化學物質形成名為「團聚體」的氣泡，其核心中包含著其他物質。他認為，這些團聚體就是最初的原細胞。任何脂肪或油性物質都會在水中形成氣泡或膜，這些化學物質被統稱為脂類，它們形成生命的理論被稱為「脂類世界」。

但是僅形成氣泡還不夠，這些氣泡必須保持穩定，且能夠分裂形成「子氣泡」。它們還需要某些能控制物質進出的能力，畢竟它們還沒有現代細胞用於實現這些功能的蛋白質。儘管提出了理論，但路易斯卻未能提供令人信服的實驗證據。1994年，路易斯提出首個原細胞可能含有RNA，而且這個RNA肯定能在原細胞內進行複製。這是個大膽的假設，意味著他拋棄了純粹的「區隔第一」理論。

路易斯認為，細胞擁有外壁，但內部沒有基因，它無法做任何事。它可能分裂為子細胞，但無法遺傳有關自己的任何信息。要想含有更多基因，它必須進化，變得更為複雜。（網易科學）這個理論很快獲得索斯塔克的支持，儘管後者支持RNA世界假說。索斯塔克說：「我們最終意識到，生命誕生需要兩個第一，而細胞既有基因體系又有區隔體系。」路易斯與索斯塔克認為，通過將能夠複製的RNA放在簡單的脂肪氣泡中，他們可憑空創造簡單的活細胞。

索斯塔克決定對這個理論進行試驗，2年後取得巨大成功。他們對囊泡進行試驗，它呈球形團塊，外部擁有2層脂肪酸，內部則是液態。為了找到加速創造囊泡的方法，他們決定向其中添加名為蒙脫土的黏土顆粒。這讓囊泡形成加速了100倍，黏土表面充當催化劑，就像酶那樣。此外，囊泡可吸收蒙脫土粒子和黏土表面的RNA鏈，這些原細胞現在有了基因和催化劑。

神奇的黏土

添加蒙脫土的決定並非心血來潮。數十年的研究顯示，蒙脫土可能對生命誕生非常重要。蒙脫土就是常見的黏土，當火山灰分解後就會形成。由於地球早期有很多火山，蒙脫土非常豐富。1986年，化學家詹姆斯·弗裡斯（James Ferris）證明，蒙脫土可充當催化劑，幫助有機分子形成。他還發現蒙脫土可加速小RNA的形成。弗裡斯由此推測，這種看似普通的黏土可能是生命的起源之地。

索斯塔克也利用蒙脫土幫助製造原細胞。1年後，他發現原細胞可自行生長。隨著越來越多RNA分子被包裹進原細胞，外壁變得越來越緊，原細胞好像要爆裂開似的。為了應對這種情況，原細胞會吸收更多脂肪酸，將它們補充到外壁中，讓其膨脹到更大體型，以緩解內部膨脹。

更重要的是，原細胞還從其他包含較少RNA的原細胞處獲得脂肪酸，導致其他原細胞縮小。這意味著，原細胞之間存在競爭，獲得更多RNA者獲勝。（網易科學）這顯示，某種令人印象深刻的事情發生了。如果原細胞可以成長，或許它們也能分裂。索斯塔克的原細胞能自我複製嗎？最初，索斯塔克證明原細胞可以分裂。可以通過擠壓原細胞的孔洞，將裡面的物質擠出來，後者形成子原細胞。但是這種方法也存在缺陷，因為原細胞會在這個過程中損失很多信息。

還有很多方法可幫助囊泡分裂，比如強大的水流可形成巨大力量，可以強迫囊泡分開。2009年，索斯塔克發現解決方法，創造出更為複雜的原細胞，就像圓蔥那樣的多層結構。儘管聽起來十分複雜，實際上這種原細胞製造很簡單。

通過餵食更多脂肪酸，原細胞會長大變形，延伸成類似繩子的長鏈。當原細胞足夠長時，只需很小的力量就可讓它分裂成數十個子細胞。每個子細胞都含有來自母體原細胞的RNA，且很少有RNA丟失。此外，原細胞可以重複這個過程，子細胞長大後，也會自我分裂。

索斯塔克還發現許多方法可促使原細胞分裂，這方面的問題似乎已經解決。但原細胞的能力依然不夠。為了證明自己創造了地球上的首個生命，肖斯塔克需要原細胞中的RNA能夠複製自己。（網易科學）這並不容易，因為經過數十年嘗試，依然沒人能製造出能自我複製的RNA。為此，索斯塔克重新了解奧格爾的RNA世界假說，並在其中發現了珍貴的線索。

奧格爾在20世紀70年代和80年代研究如何複製RNA鏈。從本質上說，這可能非常簡單。利用鬆散的核苷酸組成單鏈RNA，然後將其與其他單鏈RNA互補。舉例來說，CGC鏈可與GCG鏈互補。如果你重複這個過程2次，就可以得到原始CGC鏈的副本。奧格爾發現，在特定情況下，RNA鏈無需酶的幫助就可以自我複製，這相當於最早的生命複製其基因。

到1987年，奧格爾已經可以利用14個核苷酸的RNA鏈，創造與其互補的RNA鏈。他沒有嘗試創造更長的RNA鏈，但這已經足夠為索斯塔克提供靈感。索斯塔克與其學生卡達茲娜·亞達馬拉（Katarzyna Adamala）試圖在原細胞中重複這個過程。他們發現，這種反應需要鎂的幫助，可是鎂會毀掉原細胞。但他們找到更簡單方法，利用所有活細胞中都有的檸檬酸鹽。

索斯塔克將檸檬酸鹽附著在鎂上以保護原細胞，同時支持模板複製。換言之，他們實現了路易斯1994年提出的假設，在脂肪酸囊泡中對RNA進行複製。經過10多年研究，索斯塔克等人創造出了擁有自己基因的原細胞，它同時可從外界吸收有用的分子。這種原細胞可成長和分裂，甚至互相競爭。RNA可以在內部複製。無論從哪個角度來看，它們都與生命驚人的相似。

此外，這種原細胞具有驚人的恢復性，能在100度高溫中存活。在促使更多人相信，原細胞與最早的生命十分相似。最初，這些生命需要忍受流星不斷撞擊帶來的酷熱。索斯塔克沒有專注於研究「複製第一」或「區隔第一」理論，而是找到兩者同時發生的方法。這也激發科學家們利用統一方法尋找生命起源，即嘗試創造出生命所需的所有功能，這種「一切第一」的假設積累了豐富的證據，可以解決現有理論的所有問題。

第六章：偉大的統一

2009年，RNA世界假說的支持者遇到一個巨大挑戰，他們無法在地球早期環境中製造出核苷酸，也就是RNA的構建塊。這讓人們懷疑，最早的生命或許並非基於RNA誕生的。自從20世紀80年代，約翰·蘇瑟蘭德（John Sutherland）就開始思考這個問題。幸運的是，蘇瑟蘭德找到了替代方案，並提出有關生命起源的新理論，即生命的所有關鍵成分都是同時形成的。

細胞整體誕生

每個RNA核苷酸都是由糖、鹼基以及磷酸形成的。但想要吸引糖和鹼基加入其中，幾乎是不可能的，分子會產生錯誤的形狀。為此，蘇瑟蘭德嘗試完全不同的物質。最終，他的團隊看中了5個簡單的分子，包括不同的糖和氨基氰。蘇瑟蘭德等人將這些化學物質進行一系列反應，最終得到4個RNA核苷酸中的2個，它們沒有獨立的糖或鹼基。

許多人將蘇瑟蘭德的發現視為RNA世界假說的延伸，但他自己不這樣看。RNA世界假說認為，最早的生物由RNA控制生命的所有功能。但蘇瑟蘭德認為，RNA的確參與了許多反應，但它並非終極目標。蘇瑟蘭德的目標是憑空創造能夠自我組裝的完整細胞。他的第一個線索就是核苷酸合成過程中1個奇怪細節，最初看似偶然出現的。

蘇瑟蘭德實驗的最後一步，是將磷酸結合到核苷酸上。但他發現最好從一開始就將磷酸混合其中，因為這會加速早期反應。蘇瑟蘭德認為，這種混亂是好事。混合磷酸後會讓環境變得更複雜，也可促使所有生命成分同時產生。在地球早期，肯定有數十種乃至數百種化學物質漂浮在一起。 這些混合物中的確應該含有生物分子，但還有大量其他非生物化合物。

蘇瑟蘭德認為米勒的設置過於混亂，會導致好的化學物質在混合物中消失。為此，他試圖找到「金髮姑娘化學物質」，即混合物需要足夠複雜，包括所有生命所需化合物，然後緊密結合起來。換言之，40多億年前，地球上有個池塘，安靜了無數年後才出現合適的化學物質混合物。然後可能在幾分鐘內，首個細胞就會誕生。

這就像中世紀的鍊金術那樣神奇，但蘇瑟蘭德有確鑿證據。自從2009年以來，他已經用同樣的化學物質製造出2種RNA核苷酸，它們還可製造許多生命分子。下一步就是製造更多RNA核苷酸，但他還沒有實現這個目標。2010年，蘇瑟蘭德創造出關係密切的分子，它們可能轉變成核苷酸。2013年，他又創造出胺基酸的前體。這次，他添加了氰化銅以催化反應。2015年，他用類似方法製造出脂類前體，這些分子會構成細胞壁。

如果蘇瑟蘭德的發現是對的，那麼我們過去40多年對生命起源的研究就都錯了。自從細胞的複雜性被解開以來，科學家們始終致力於這樣的假設，即第一個細胞肯定是逐漸構建完善的。比如奧格爾認為首先出現RNA，然後慢慢添加其他生命成分。但蘇瑟蘭德認為，最好的方式就是所有生命成分同時形成。這種理論的挑戰在於，同時製造各種成分過於複雜。

索斯塔克現在懷疑，大多數製造生命分子、或在細胞內組裝它們的嘗試之所以會失敗，可能源於共同的原因，那就是這些實驗「太乾淨了」。科學家們只使用少量他們感興趣的化學物質，而排除了其他地球早期可能存在的物質。但蘇瑟蘭德的實驗顯示，通過添加更多化學物質，可以產生更複雜的現象。

2005年，索斯塔克親自實驗這個想法。他試圖讓原細胞成為RNA酶的宿主。這種酶需要鎂，但後者可能毀掉原細胞的膜。對此，索斯塔克的解決方法很簡單，不用純脂肪酸製作囊泡，而是用不同物質構建。這些新的、不夠純的囊泡可以對抗鎂的影響，這意味著它們可以擔任RNA酶的宿主。此外，索斯塔克宣稱，他的第一個基因可能也接受了這種混亂。

大雜燴世界

現代生物使用純DNA攜帶它們的基因，但純DNA最初可能並不存在。它們可能是RNA核苷酸與DNA核苷酸的混合體。2012年，索斯塔克證明，這種混合體可以構成「鑲嵌」分子，其外貌和行為都很像RNA。這些RNA與DNA混合鏈甚至可摺疊。這表明，最早的生物是否能製造純RNA或純DNA都不重要，它們可以使用混合版的RNA，甚至混有TNA或PNA的核苷酸。這不是RNA世界，而是「大雜燴世界」。

這些研究顯示，製造最早的細胞似乎並不太困難。細胞的確擁有複雜的機制，但事實證明，它們可以吸收任何東西維持自身生存，雖然這依然不是很好。這種粗細胞似乎不太可能在地球早期生存下來。但當時沒有太多競爭，也沒有具有威脅性的掠食者，為此從多方面來看，它的生存環境比現在容易得多。

但是蘇瑟蘭德和索斯塔克的理論也存在缺陷，第一種生物肯定擁有某種新陳代謝機制。從一開始，生命就必須獲得能源，否則它無法生存。即使馬丁和拉塞爾有關生命起源於深海熱液噴口的理論存在錯誤，但其部分元素肯定是正確的，比如金屬對生命起源非常重要。

在自然界，許多酶的核心處都有金屬原子，這通常是酶的活躍部分，分子的其他部分基本屬於支持結構。第一個生命沒有這些複雜的酶，為此它們很可能是用「裸金屬」作為催化劑。這樣看來，熱液噴口變得更加重要。如果你看到現代新陳代謝，看起來真的很像鐵簇。它與生命誕生於噴口中或附近的理論不謀而合，因為這裡富含鐵和硫。

如果蘇瑟蘭德或索斯塔克的理論正確，噴口理論就證明是個錯誤，生命不可能起源於深海。蘇瑟蘭德說，我們發現的化學物質十分依賴紫外線，而紫外線的唯一來源就是太陽，為此其反應只會發生在有陽光照射的地方，這就排除了深海噴口理論。索斯塔克也認為，深海並非生命溫床。但這些問題不能完全駁斥熱液噴口理論，或許噴口位於淺水中，那裡有陽光，氰化物也可接觸到。

生命誕生於陸地？

阿爾緬(Armen Mulkidjanian)則提出新的假設，生命或許起源於陸地，比如火山口中的池塘中。無論細胞屬於哪種生物，它們都含有許多磷酸、鉀以及其他金屬，但很少有鈉。如今，細胞可能通過泵出或泵進機制實現這個目標，但第一個細胞可能無法做到，因為它們不具備這種必要機制。阿爾緬認為，第一個細胞肯定形成於與現代細胞擁有相同化學物質混合物的地方。這立即就排除了海洋，因為細胞中所含磷鉀比例遠高於海洋，但鈉卻更少。

而活火山附近發現的地熱池塘卻更為理想，這些池塘中擁有細胞中發現的所有金屬物。索斯塔克還認為，地熱活躍區的淺湖或地表池塘也很理想，比如黃石公園火山區的那種熱液噴口。蘇瑟蘭德的化學物理論在此也可有很好的解釋。溫泉中有合適的化學物質，水位波動會導致某些地方乾涸，還有來自太陽的大量紫外線。索斯塔克認為，這些池塘同樣適合他的原細胞誕生。

在諸多爭論中，薩瑟蘭德又提出了第三個可能，即隕石撞擊坑。在地球形成的最初5億年中，地球經常受到流行撞擊，而中等撞擊就可以創造類似阿爾緬形容的池塘。首先隕石多是金屬構成的，隕石坑中往往富含金屬，比如鐵和硫等。更重要的是，隕石撞擊會融化地殼，導致低熱活動和熱水流出。

蘇瑟蘭德假設，溪流沿著隕石坑斜坡流下，濾掉巖石中的氰基化學物質，上面還有紫外線照射。這些溪流中的化學物質稍有不同，為此也會發生不同的反應，這有助於整體有機化學物質誕生。最後，溪流流入隕石坑底部的池塘，這裡所有片段融合起來，形成了首個原細胞。

現在，有關生命起源的各種爭論還在持續，分歧依然在化學物質和原細胞身上。如果任何假設中缺少關鍵化學物質或存在可能毀掉原細胞的物質，它肯定會被排除在外。

這意味著，我們在歷史上首次開始全面地解釋生命起源問題。到目前為止，蘇瑟蘭德與索斯塔克的「一切第一」理論只提供了粗略的敘述，但其卻擁有過去數十年的實驗支持。這種理論吸收了每種生命起源假設中值得信服的細節，嘗試利用最好的地方，同時解決其所遇到的問題。舉例來說，它並非反對拉塞爾的熱液噴口理論，而是儘可能提煉其有意義的研究。

我們不太可能確定40多億年前到底發生了什麼。即使你能製造出反應堆，製作出大量大腸桿菌，但你依然無法確定生命就是那樣誕生的。我們能做的就是賦予所有證據相應的故事，這也意味著我們正接近人類史上最大的分歧，即生命到底如何誕生？

達爾文《物種起源》發表之前死去的人，肯定不知道人類的起源，因為他們對進化一無所知。但是現在的所有人，幾乎都知道我們與其他動物之間的關係。同樣，俄羅斯太空人尤裡·加加林（Yuri Gagarin）首次繞地飛行後，所有人都將可以前往其他世界旅行。即使我們自己從未去過，太空旅行已經成為現實。這些事實以微妙的方式改變了我們的世界觀，讓我們變得更聰明。進化教我們珍視其他生物，因為它們是我們的兄弟姐妹。太空旅行讓我們可以去看看遙遠的世界，並了解其獨特性和脆弱性。

坦率地說，知道自己來自哪裡，知道最初的祖先什麼樣，這些知識將改變我們。從純科學角度來看，它告訴我們生命如何在宇宙中誕生，在哪裡能找到它們。它還會告訴我們許多有關生命本質的東西。

本文來源：網易科技報導 責任編輯：王真_NT5228