沒有水，生命就無法生存，但是水可以分解 DNA和其它關鍵分子。所以，早期的細胞是如何解決水悖論的呢？
2023年2月18日， NASA宇宙飛船將穿越火星大氣層，點燃反推力火箭，降落在火星表面，釋放六輪巡航飛彈「毅力號」。假如一切進展順利，該任務將在傑澤羅隕石坑(Jezero Crater)著陸，火星赤道附近一處約45公裡寬的裂口可能曾經是液態水湖泊。
當地球人為「堅持不懈」而歡呼時， John Sutherland將會在一旁冷靜地觀察。蘇瑟蘭是英國核磁共振成像中心分子生物學實驗室的生物化學家，也是遊說 NASA訪問傑澤羅隕石坑的科學家之一，傑澤羅隕石坑符合他對生命起源的設想——不管是火星還是地球。
生活可能源於一些古老的撞擊事件之後形成的陸地水域，例如加拿大曼尼古根湖撞擊坑。原始碼： Planet Observer/通用 Images Group/Getty
登陸點的選擇也反映了觀念的轉變：一些分子是如何通過一系列的化學反應而變成生物細胞的？儘管許多科學家一直在猜測這些先驅細胞來自海洋，但最近的研究表明，生命的關鍵分子和關鍵過程只能發生在像傑澤羅隕石坑這樣的地方，即水流匯合形成的相對較淺的水域。
這是因為多項研究表明，基本的生命化學成分需要太陽的紫外線照射才能形成，而水分含量必須很高，有時還得完全乾燥。通過仔細加熱簡單的碳基化學物質，將其暴露在紫外線下，間歇地將其乾燥，像 Sutherland這樣的科學家已經能夠製造出 DNA、蛋白質以及細胞的其他關鍵成分。在模擬海水的環境中，化學家也不能合成那麼多不同的生物分子。
新興的證據使得許多研究人員放棄了生命起源於海洋的假設，轉而關注陸地環境，尤其是乾旱和潮溼地區。這一觀點的轉變並非毫無爭議，但支持大地起源理論的科學家認為，這一假設解決了一個長期存在的矛盾：儘管水是生命形成的關鍵，但它也可以摧毀生命的核心部分。
華盛頓大學的行星科學家 DavidCatling認為，在地表形成湖泊的可能性很大，他說：「在過去15年中，已經有大量的研究支持這一方向。
原湯
儘管沒有關於生命定義的統一標準，但大多數研究人員都認為，生命的構成離不開多種成分，其中之一是攜帶 DNA、 RNA等信息的分子；此外，還必須有一套複製這些分子指令的方法，但是，複製過程可以不完美，允許錯誤出現，播下進化變化的種子。而且，早期的生物肯定有辦法實現自我餵養和維持，也許是利用某些蛋白酶。最終，一些東西可以把這些不同的部分結合在一起，使其與周圍環境無關。
探尋生命起源的實驗研究始於上個世紀50年代，當時很多研究者都認為，生命起源於海洋，來自一個叫做原始湯(primordial soup)的碳基化學物質。
這一觀點是由蘇聯生物化學家亞歷克斯德爾·奧帕林和英國遺傳學家赫爾丹尼於20世紀20年代分別提出的。他們都把年輕的地球比作一個巨大的化學工廠，裡面有許多以碳為基礎的化學品溶解在早期的海水中。奧帕林推測以後會形成更多複雜的粒子，最終形成碳水化合物和蛋白質——他稱之為「生命的基礎」。
芝加哥大學的年輕研究員 StanleyMiller在1953年描述了一項實驗，該實驗被認為是證明了這一假設，現在也廣為人知。為了模擬海洋，他使用了一種玻璃燒瓶裝水，另一種則使用了甲烷、氨氣和氫氣來模擬早期大氣。他用管子把這些燒瓶連接起來，用電極模擬閃電。經過數天的加熱和電擊，足夠產生最簡單的胺基酸——甘氨酸，也是蛋白質的必要成分。這項試驗使許多研究者相信生命起源于洋面附近。
StanleyMiller在20世紀50年代進行的實驗中，用簡單的成分製造了胺基酸。資源： Bettmann/Getty
但是，現在有很多科學家指出了這個假設的根本問題：構成生命的基本分子將在水中分解。不管是蛋白質還是 DNA或 RNA這樣的核酸，它們都容易受到攻擊。蛋白包含胺基酸鏈，核酸包含核苷酸鏈。假如把這些鏈子放進水中，水就會破壞並最終破壞連接。「水是碳化學的敵人，必須嚴格避開，」已故生物化學家 Robert Shapiro在他1986年的著作《起源》中寫道。本書是對原始海洋論假設的批判。
那就是水的自相矛盾。現在，細胞通過限制體內水分的自由流動來解決這個問題，美國明尼蘇達大學的合成生物學家 Kate Adamala說。因此，人們對細胞質(細胞內物質)的印象常常是錯誤的。《課本》告訴我們，細胞質是一個可以裝進任何東西的袋子，所有的東西都在裡面遊動，但事實並非如此，細胞內所有的物質都是由膠質而不是水袋有序地組成。
很多研究者認為，如果有機體對水有控制權，它的含義就很明顯了。在陸地上，斷斷續續有水的地方，很可能就形成了生命。
大地起源
2009年就出現了支持這一觀點的重要證據。當 Sutherland宣布他和他的小組已經成功地製造出了兩個 RNA時，已經知道有四種核苷酸構成了 RNA。首先是磷酸鹽，其次是四種簡單的碳基化學物質，包括氨基氰。這些化學物質在整個過程中都溶解在水中，但是他們是高度濃縮的，關鍵步驟還需要紫外線照射。他說，這一反應不能在海洋深處發生，只能在陽光照射下的小池塘或小溪裡發生，因為那裡允許化學物質高度濃縮。
此後， Sutherland的研究小組證明，同樣的起子化學物質，只要通過細微的差別處理，就可以製造出蛋白質和脂肪前體。該小組認為，如果含氰化鹽的水在陽光下乾燥，這些化學反應也可能發生，留下一層乾燥的氰化物，這些氰化物可能再次被地熱活動加熱。去年， Sutherland的研究小組利用太陽光的能量和一些高度濃縮的類似化學物質，製造出了 DNA的組成單元——這在以前被認為是不可能的。
MoranFrenkel-Pinter是NSF-美國 NASA化學進化中心的一名生物化學家，她和她的同事擴展了這種方法。去年，他們的研究表明，在完全乾燥時，胺基酸會自發地連接起來，形成一條類似蛋白質的鏈。與其它胺基酸相比，這種反應在現代蛋白質中的20種胺基酸中更容易發生。也就是說斷斷續續的乾燥或者能夠幫助解釋為什麼只有極少數的胺基酸被用於數以千計的生命可能。Frenkel-Pinter說：「我們發現他們選擇了今天的胺基酸。」
乾濕潤
斷斷續續的乾燥也有助於這些組成單元組裝到更複雜的，類似生命的結構中。
DavidDeamer和 Gail Barchfeld, Deamer彼時在加州大學戴維斯分校工作，他們在1982年發表了這方面的一個經典實驗。他們的目的是研究脂類(另一類長鏈分子)如何自我組織形成包裹細胞的膜。首先，他們製造了一個囊泡：兩個脂肪層包住核心的水泡。然後，研究人員將這些泡泡烘乾，使油脂重新組織成多層結構，就像一疊煎餅。先前漂浮在水中的 DNA鏈在脂質層中被捕獲。研究者再加水後，囊泡又形成了，這一次囊泡裡還有 DNA。這個步驟形成了簡單的細胞。
在生命起源的場景中有一個假設，生命來自海底噴發鹼水的噴口，這類似於大西洋上的「失去的城市」(Lost City)結構。原始碼： D. Kelley and M. Elend/通用公司
現在，加州大學聖克魯茲分校的 Deamer說：「乾濕循環無處不在，就像雨水從潮溼巖石上蒸發一樣簡單。」但他說，當他們被用在脂類生化物質上時，神奇的事情就發生了。
2008年， Deamer和他的團隊將核苷酸和脂類與水混合，使之經歷幹、溼循環。在脂類形成層狀結構時，核苷酸連接成 RNA狀鏈，沒有額外的幫助，反應就無法在水中進行。
還有一些研究指出另一個因素：光線。光明也許也是生命起源的重要組成部分。麻省總醫院的合成生物學家 JackSzostak的研究小組得出了這個結論，他們研究的是「原始細胞」(protocell)，這個簡單的細胞只包含少量的化學物質，但是能夠自我生長，競爭，複製。假如這些原始細胞暴露在與陸地相似的環境中，它們的行為將會與生命更為相似。阿達馬拉參與的一項研究發現，原細胞可以利用來自光的能量來進行簡單的複製分裂。ClaudiaBonfio目前也是 MRC分子生物學實驗室的無獨有偶，她和她的同事們在2017年證明了紫外線輻射可以促進鐵硫簇的合成，這對於許多蛋白質來說是至關重要的，其中包括電子傳遞鏈，它可以通過驅動能量儲存分子 ATP的合成來為所有活細胞提供能量。鐵硫簇遇到水後會斷裂，但是 Bonfio的研究小組發現這些鐵硫簇被包裹在3-12個胺基酸長肽中時會更穩定。
喝水，但不能過量
這種研究使有關生命起源於明亮的淺海表面的理論更加令人信服。然而，究竟需要多少水，以及水在生命起源的哪個階段起到了作用，仍然是一個有爭議的問題。
Frenkel-Pinter和 Deamer都認為乾濕循環是非常重要的。乾燥的環境為像蛋白質和 RNA這樣的鏈狀分子的形成創造了條件。
但僅僅是 RNA和其他分子的形成並不構成生命。同時也需要形成一個自我維持的動力系統。弗倫克爾-皮因特認為，水的破壞力量可能就是其中之一。在進化過程中，當獵物變得越來越快，或者為了抵抗捕食者而分泌毒素時，原始的生物分子可能會通過進化來抵抗水的化學攻擊，甚至充分利用水的反應能力。
這項研究是在紐西蘭羅託魯瓦附近「地獄之門」溫泉進行的，研究人員讓來自熱液池的樣品經歷乾濕循環，乾濕循環促進化學反應，形成類似 RNA的分子。資源：Westend61/Getty
弗倫克爾-皮因特小組之前的研究證明，乾燥可以使胺基酸自髮結合。這一年，研究小組的後續研究發現，它們的蛋白質可以和 RNA發生作用，使得它們在水中更加穩定。事實上，水相當於一個選擇壓力：只有那些能在水中生存的分子複合物才能繼續發育，因為其它的都會被破壞。
這個理論認為，每當溼循環出現時，較弱或不能與他者結合以保護自己的分子就會被破壞。今年， Bonfio和她的研究小組試圖將簡單脂肪酸轉化為與現代細胞膜相似的複雜脂質，從而證明了這一點。該小組製備了脂類混合物，發現簡單的脂類會被水破壞，而較大較複雜的脂類會聚集在一起。在一定的時間內，這些脂類的數量將足以形成膜。換句話說，可能存在一個水分含量：不多到生物分子被過快地破壞，也不少到沒有任何變化發生。
溫暖的小池塘
這些過程都發生在什麼地方呢？在這一問題上，該地區存在代溝。很多高級研究人員都有自己堅信的理論，而年輕研究人員願意相信，這是個未知數。
Frenkel-Pinter說，開放海洋理論是不成立的，因為化學品無法被濃縮。Bonfio表示同意：「這的確是個問題。
另一種從20世紀80年代就備受推崇的海洋學理論是由地質學家 Michael Russell提出的，他之前是美國加州噴氣推進實驗室的獨立研究員。魯塞爾認為，生命起源於海底熱液噴口，海底地質結構滲出了熱鹼水。熱開水碰到巖石後就產生化學能，化學能首先驅動簡單的代謝循環，然後就開始形成和利用 RNA這類化學物質。
魯塞爾不同意 Sutherland的實驗性方法。對於 Russell，他說：「他正在做一些令人眼花繚亂的化學實驗。」