《卷首诗》

大家是哪个？大家从哪儿来？要到哪儿去？

这是一个古老而又永恒的话题。

迄今为止，在人类所能观测到的数百亿光年的宇宙范围内，

地球是唯一的生命绿洲。

这个小小的绿色星球，好似一座富饶的岛屿，

拥有制造生命的神奇魔法，在空旷寂寥的宇宙中，

孤独而又自豪地高唱着生命之歌。

由于绝无仅有，所以弥足珍贵。

生命的诞生是机缘巧合还是预谋已久？

那个驱动有机物命的齿轮怎么样开始转动？

是大洋深处刚开始的一丝蠕动，还是池塘河边露出的一线生机？

生命起源问题，和黑洞、暗物质、暗能量与宇宙起源、意识起源，

并称为“一黑两暗三起源”，向来是科学问题上的明珠！

这是个发生在近40亿年前，绝大多数物质证据都早已湮没的问题。又是一个大家已知的世界中只发生过一次的孤立事件，

没可以总结的基础。

同时它横跨生物、化学、地理、地质、气候、海洋、宇宙学诸范围，涉及的已知和未知千头万绪。

最麻烦的是，即便有人真的进步出和事实相符合的理论，

也几乎没可能实地验证—这个实验本身就是个可能耗时千万年，

或者上亿年的局中局。

然而这丝毫没驱散各范围科学家几乎是无休无止的兴趣。

自从宗教的枷锁打破之后，科学性的生命起源假说已不下几十种，

争论不休，聚讼纷纭，辨伪存真，哪个借慧眼？

自然发生说、有生源论、生命永恒论、宇宙胚种论、化学进化论......

亿万斯年，光的世界，大道至简，万法归一。

鸿蒙开天辟地，生命缘何而起？你问我，我问哪个？

是“宠辱不惊，闲看庭前花开花落；去留无意，静观天边云卷云舒”，

还是“凭栏观日月，无语问苍穹”？

是“对长亭晚，骤雨初歇......执手相看泪眼，竟无语凝噎 ”，

还是“国难思良将，家贫思贤妻，有事钟无艳，无事夏迎春”？

“一生经过彷徨的挣扎，自信可改变将来，问哪个又能做到”

这首歌致敬了曼德拉；

“国有疑难可问哪个，强国一代有我在!”

这句话源自国科大。

只有在科学昌明、革新技术进步至今：

在显微镜开启了微观生命科学探索 ，

X射线开启了生命医学影像探索，

量子力学推进了宏观生命科学探索的年代，

大家才稍具条件发起对这个问题的攻关。

科学突飞猛进，科技自立自强；

伴随各学科的进步不断演进，不断丰富细节和淘汰伪说。

本书汇聚涓滴力量，引领你走进地球原初不毛之地，

破解生命起源哑谜，揭示万千生灵进化的非凡之旅。

有诗为证：

千流归大渊，万马踏平川。

聚澜腾细浪，高路入云端。

第一部分 为何一直讲不清“生命起源”问题：办法与意义

I

生命几乎已经征服了地球上的每寸土地。但在地球刚刚形成时，它事实上就是个没任何生机的石球。那样生命是怎么样在这个星球上诞生的？生命从何而来？又将走向哪儿？它们怎么样从无到有，从简单到复杂的？刚开始是什么样子的？这类问题一直矗立在人类最为着迷和困惑同时又尚未解决的科学难点中，多少扰动过你的心灵。

这个可大可小的问题，少数人----科学家、哲学家或者只不过一个有抬头仰望星空、低头关心根源的普通人，视之为非常重要的事绞尽脑汁去考虑，甚至耗尽毕生也不舍弃；多数人则毫不触及或者忙于俗世生活避而不谈。他们将来的大脑里，没这么宏大问题；所以理所当然丢给哲学家们去思索了，或者满不在乎的任神学家手握答案。

而于我则觉得，考虑这类问题的答案，对于理解大家自己与大家所居住的这个世界，都具备没办法估量的价值。由于真的知道过去才能了解将来，这不止是对过去的探索，也是对生命本质的深刻考虑。对于个体而言，或可以唤起童年时的好奇心而激起考虑的火花，或可以叫人在难点面前一直维持谦逊的求知态度、敬畏大自然，而拥有这种好奇心和对真理不懈追求的愿景，对科研职员或者青少年而言，无疑是非常有益处的。

达尔文曾断言：“现在关于生命起源的考虑纯粹是废话”，目前已经不再成立。达尔文所处的年代连基因是何物都还不了解，目前已经是20世纪20年代，三域生物所有RNA聚合酶的结构种类均被说明，“最后一块拼图”也终于被中国科学家补上。

但，正如《生命起源的奥秘：再评现在各家理论》指出：“大家在合成氨基酸方面的收获有目共睹，但合成蛋白质和DNA却一直失败；两者形成了强烈的对照”。虽然，科学进步至今，大家能以很大地效率在实验室借助机器合成出需要的生物大分子，在生命起源前环境里的合成实验却“一直失败”，这可能是大自然跟人类开的一个玩笑吧，以此提醒大家面对大自然、面对时间长河应当维持谦逊的姿态。

II

西方人早期谈论生命起源问题的思路可以分为两类：

要么是拿出基督教的《创世纪》，觉得“生命”起来自于空白和混沌，然后觉得是由“神”创造了“秩序”，至于哪种秩序，就是“人类”的事；

要么在早期的生命发生学中，大部分人觉得生命是自然发生，本质是突显论或自然发生论，如青蛙可以从湿土中产生，老鼠可以从腐烂物质中产生，昆虫从露水中产生，蛆从烂肉中产生等。温暖、潮湿、阳光乃至星光都常被说成是促进生命自然发生的有益原因。包含像古希腊的亚里士多德，甚至是近现代的很多哲学家、科学家，如哥白尼、培根、伽俐略、哈维、笛卡儿、歌德和谢林都不自觉的同意了“突显论”的思想。

在《物种起源》出版之前，科学家公认的模式是培根（Francis Bacon）的总结模式，即在实验的基础上很多采筹资料，然后对资料进行概要总结，得出一个简洁的结论，也就是新的常识。达尔文应用的是假说演绎法，先立假说，再去演绎，推出一些新的认识，然后去自然界探寻证据来证明这类认识，如此就验证了假说。

恩格斯在《路德维希·费尔巴哈和德国古典哲学的终结》的第二章，是如此描述的：哲学家根据他们怎么样回答这个问题而分成了两大阵营。但凡判定精神对自然界来讲是本原的，从而归根到底承认某种创世说的人（而创世说在哲学家那里，比如在黑格尔那里，总是比在基督教那里还要冗杂和荒唐得多），组成唯心主义阵营。但凡觉得自然界是本原的，则是唯物主义的各种学派。明显，神创与自然发生已经归于陈旧哲学。

而在近现代，则出现了一系列新的生命起源假说。在陈阅增第四版的《普通生物学》中则写了两类比较有代表性的有关原始生命的假说：

其一是“蛋白质起源说”：即“奥巴林”（亚历山大·伊万诺维奇·奥巴林（Oparin，Alexander Ivanovich））和“福克斯”分别提出“团聚体学说”和“微球体学说”。奥巴林将多肽、核酸、多糖、磷脂的溶液摇晃混合后，发目前胶体溶液中的大分子凝聚形成直径约1-500微米的团聚体小滴。这个团聚体小滴在奥巴林看来是有代谢的特质，由于其能从周围介质中吸取不一样的物质，然后还出芽分裂效果的团聚体小滴，所以，奥巴林觉得这就是一种生命起源讲解方法。

但这显然有非常大问题！由于这很大可能是一种物理或化学特质，而绝不是代谢，由于代谢指向的是具备“供能”性质的糖类、脂肪等，你绝不可以说它是生命。而“福克斯”的微球体学说，则是将“类蛋白”和“核酸”加热浓缩，最后形成了直径约为1-2微米的胶质小体，有双层膜，这种微球体可以选择性吸收胶质中的类蛋白而成长和繁殖，这就体现出某种生命特点，但这其实和奥巴林的团聚体学说本质没太大差别；

其二是“核酸起源说”：此理论觉得“RNA”是地球上最早出现的第一批基因和酶，并非DNA和蛋白质，而且推断混合的核苷酸单体可“自发”结合成短链RNA。短链RNA作为第一基因以自己编码的信息为模板，短链RNA又自带“催化性生物机能”进行自我复制，即RNA是第一个作为具备“催化性生物机能”和能作为基因载体的分子，被叫做“RNA世界假说”。对于核酸起源说，觉得RNA既能作为基因载体，又能作为酶，这显然在某种程度上是有道理的，说是最早的生命也可以，但最早的RNA是怎么样一步一步进步而来？

所以，在陈阅增第三版的《普通生物学》中，“生命起源”其实并没完全说了解，更多是拿来主义的借用了西人的研究成就。而要真的说清生命的由来需要要说清分子的演进过程，与生物演化的中轴，毕竟“生命起源”是夹在两者之间，没横跨分子与生物的底层原理，就不可能真的说了解“生命的由来”。

III

【最近，美国斯克利普斯研究所证明了二酰胺磷酸盐（DAP），可通过化学反应将脱氧核糖核苷构建编织成原始DNA链。有关研究成就发表于《德国应用化学》。】

这一发现指出“DNA和RNA”可能是类似化学反应的一同产物。即是说，第一批自我复制的分子作为地球上第一种生命形式，可能是两者的混合物。而质疑“RNA世界”假说，部分缘由是RNA分子太“黏”，它善于吸引并黏附其他单独的RNA结构单元，形成镜像链，这个新链的每一个结构单元都与原始模板链的结构单元互补。假如新链可以脱离模板链，并通过相同的过程开始模板化其他新链，那样它就能达成构成生命的自我复制。但它们却不善于与这类链离别。所以，在早期无解链酶的世界里，是非常难让RNA链分开的，证明RNA世界假说本身也不肯定绝对正确。

然后是，在罗斯（(英)罗斯(Rose, S.)）·著的《大脑的将来》中写道：“生命是涉及碳、氢、氧、氮构成的化合物之间的相互转化和相互用途，与和钠、钾、氯、硫、磷等离子和重金属等反应，然后基于原始地球充满氮气、甲烷和二氧化碳更合适还原而非氧化的环境，与随着原始地球猛烈的雷鸣电闪等恶劣环境，最后使得这类基本的元素化合物渐渐生成“有机分子”，从糖类、氨基酸、核苷酸到蛋白质、脂肪、RNA、DNA等生物大分子的有机物稀汤。”

而后，“罗斯”直接就觉得生命的开始居然是来自于脂或油，是油滴中聚集了有机物与钠离子和钾离子，从而构成最原始的原核细胞。这种说法其本质就是觉得“初始细胞”来自于“随机组合”，这就等于一阵大风，将废品站的铜铁铝吹成了目前登机站台下的一架驾簇新的飞机，或者让一只猴子掌握盲打之后，打出了莎士比亚的《罗密欧与朱丽叶》，生命不可能有如此环境去大把大量的浪浪费时间机。

IV

科学研究的一般规律是，把自然规则研究了解透彻，然后应用到实验室生产出人类的福利，即从大自然到实验室，一种对规律的应用；而在用进化理论试图形解析决“起源”的问题上，既然是从无到有，实验室就不可以借用已找到的规律，而是要生产出一套规律去套用到大自然上，这是跟一般科学研究的办法是不一样的，这是还原论的困境。

科学性的生命起源假说有不下几十种，伴随各学科的进步不断演进，不断丰富细节和淘汰伪说，但归根结底从办法上来讲只分为两类，一类是正向的还原法，即不断搜集地球生命初始年代遗留下来的蛛丝马迹，包含化石、碳痕迹、同位素异常等等，不断试图还原当时的大方、海洋或者地质化学条件，试图通过模拟的实验，一点点验证生命起源的经历。这是传统的办法，它搜集和整理了很多的证据和数据，特别在年代测定方面进步了不少高明的技术，获得了不少成就。到现在为止，最早的生命活动残迹可以上溯到38亿年之前，是由极其古老的岩石中碳同位素扰动间接证明的（生命是已知唯一改变碳同位素比率的自然过程）。

另一类是反向的反演法。最早的生命虽然早已死亡，但它们的后代充满地球生物圈。这类后代类型极其冗杂，但它们在分子生物和生物化学的层面具备让人惊奇的共性。这除去让科学研究者愈加坚定了“生命同源”的信心以外，还提供了一个新的思路：共性即共祖特点。共性越多的生物，它们的亲缘关系越近。越常见的共性，越大概是生命在遗传树“根部”的特质。绝对常见的生物共性，几乎肯定是生物起源时的特质。跟传统的还原法正好相反（还原法是苦于证据太少太不完整），现代的生理学和基因科学为反演法提供了大量的各种生物遗传信息。整个生物圈的数码化遗传信息：基因组都是证据，只看研究者怎么样去挖掘和解析。难在怎么样穿透近40亿年生物分化、变异和灭绝导致的数据迷雾。假如大家能反推出刚开始的生物是哪种特质，则怎么样起源的问题就解决了大半。由于在生物学中，“你是什么”基本就表述了“环境如何造就了你”。反演法的研究最喜欢的一个术语就是LUCA（Last Universal Common Ancestor）：“最后的一同祖先”。它是一个概念在逻辑上的生物，是现存所有生物的一同祖先。（之所以说最后，是由于不排除它之前更早的分支已灭绝且未留下后代）

虽然生命起源问题是个很难索解的问题，无人可以目睹生命形成的过程，科学家研究的成就应该说都还只不过假说、理论，不是绝对的事实，正如霍金提出的宇宙大爆炸理论（Big Bang theory），不管科学如何进步，假如这一理论是正确的，它本身意味着大家只能了解大爆炸发生未来的事情，大爆炸之前的状况只能是推理和想象，猜测便指明了没办法得到百分之百的证明（不管有没事物存在或存在啥事物）。

V

但大家终将不该畏难，不可以畏而不前。人类的创造力是无穷无尽的，以无穷无尽的创造力面对无穷无尽的科学和艺术难点，大家会创造出崭新的考虑框架和理论逻辑。大家不断扩大这研究的“办法库”，这类办法来源却不限于：

考古生物学与生命起源的化石证据；

在南非的巴伯顿绿岩带，科学家们发现了约34.2亿年前的微化石，这类微化石是由特殊种类的甲烷循环微生物组成的，这是迄今为止发现的最古老的生物化石之一。这类微化石的发现不只为大家提供了知道生命刚开始是怎么样开始的线索，也表明生命起源的时间很古老，早于地球上的很多其他生命形式。

其次，对现代生命形式的基因和细胞结构的研究也为大家提供了关于生命起源的要紧线索。比如，科学家们通过对细胞的研究发现，细胞核是真核生物细胞中的要紧结构之一，它可以储存遗传信息并指导蛋白质的合成。而这种细胞结构的出现，可以追溯到大约20亿年前的一种原始真核生物。

除此之外，生物分子的化学结构也是支持生命起源理论的要紧证据之一。比如，核酸和蛋白质是构成生命的基本分子，它们具备复杂的化学结构和功能。通过对这类分子的化学结构进行研究，大家好了解它们的演化经历和可能的由来。比如，研究表明，核酸和蛋白质可能是从更简单的化合物中演化而来的，这类化合物可能在早期地球的化学环境中形成。

b.实验室模拟生命起源的化学过程；

实验室模拟生命起源的化学过程可以被理解为一种在实验室环境中模拟和重现早期地球条件下生命起源的化学演化过程。这个过程主要基于对原始地球大方和环境的模拟，并通过实验验证生命从无机小分子物质到有机小分子物质，再进一步到更复杂的有机分子物质的演化过程。

这个模拟过程主要包含以下几个步骤：

创建模拟原始地球的条件：在实验室中，科学家们会模拟早期地球的条件，包含温度、重压、酸碱度、水含量等。除此之外，他们还会模拟原始地球的“还原性大方”，如氢气、氨气、甲烷和水蒸汽等。

模拟地球的化学反应：在模拟的原始地球条件下，科学家们会开始模拟地球早期的化学反应过程。这类反应包含但不限于水合、脱氢、加氢、脱氧、加氧等。

测试和记录反应产物：通过特定的测试方法，如光谱剖析和色谱剖析等，科学家们可以测试反应后的物质，并记录下它们的类型和数目。

剖析并讲解结果：依据测试结果，科学家们可以剖析并讲解这类产物是怎么样形成的，与它们与原始地球条件的关系。

在这个过程中，科学家们的主要目的是理解早期地球的化学环境怎么样促进从无机小分子到有机小分子，再到更复杂的有机分子物质的转变。除此之外，他们还试图理解这类早期反应是怎么样影响地球的生命起源和演化的。

实验室模拟生命起源的化学过程是一个高度专业化的研究范围，需要专门的常识和技能。尽管这个范围的研究仍然有很多未解的问题，但它已经为大家提供了很多关于地球生命起源的新考虑与研究。

c.计算机模拟、仿真与生命起源的数据；

计算机模拟在生命科学研究中的应用与进展主要表目前以下几个方面：

分子模拟与生物大分子：借助计算机模拟技术，科学家们可以研究生物大分子的结构和行为，如蛋白质和核酸等。这种技术可以帮助科学家们理解生物大分子的稳定性和动态性，从而加深对生物学过程的理解。比如，分子动力学模拟技术可以模拟蛋白质在不同环境下的构象变化，探索其稳定性和功能。

生物模拟与仿真：计算机科学可以用于生物模拟与仿真，即借用计算机模拟和重现生物系统的行为和特点。科学家们可以用计算机模拟来研究生物系统的复杂性和动态性，从而更好地理解生物学过程。生物仿真则是指将生物系统的模型嵌入到计算机程序中，通过模拟真实生物系统的行为，帮助科学家们预测和研究各种生物过程和现象，比如药物用途、疾病模拟等。

生物数据剖析：伴随生物学研究的不断进步，产生的生物数据量也愈加大。计算机科学在生命科学中的另一个要紧应用范围是生物数据剖析。通过计算机算法和数据挖掘技术，科学家可以从很多的生物数据中提取有用的信息和模式，这类信息可以用于研究生物进化、疾病诊断和治疗等方面。

计算机科学的应用为生命科学研究提供了新的视角和办法，不只加快了科学研究的进程，更为生物医学研究和应用提供了更多的可能性。

d.复杂性涌现与地球生命算法（后面章节会有涉及）；

e.向不同学派与争议看法学习。

关于生命起源的其他学说还有化学起源论、异源传递论、智能设计论等等。

化学起源论：这个起源论指出生命最早的形式可能源于地球上的化学反应和自组装，如蛋白质和核酸，因为它们可以在无机物条件下耐受变异和复制。这个看法是现在科学界较为同意的学说之一，但科学家们仍在不断探索和验证这个看法。

异源传递论：这个起源论觉得生命可能源于宇宙中的其他星球，如随行的微生物或其他化学物质。这类微生物或化学物质通过陨石、彗星撞击等自然过程到达地球，并在适合的条件下繁衍和演化。这个看法也是现在科学界正在研究的范围之一，但仍需要更多的证据来证明它的可行性。

智能设计论：这个起源论觉得生命的由来源于先有智慧的设计者。这种起源论一般被归类为“创造论”，其觉得生命的存在不是自然演化或偶然性的结果，而是有意识、有目的地创造的。这个看法没被广泛同意，主如果由于缺少科学证据来支持它的正确性。总的来讲，关于生命起源的研究仍在进行中，尚没明确的答案。不一样的学派和看法都有其优势和弊端和证据支持，科学家们仍在不断探索和验证这类看法，以更好地讲解生命的由来和演化，大家可以在不同学派与争议看法学习，积累适当的思想成分。

f.还有一种比较与众不同的研究办法：LUCA模型的打造。这是从能量生物学的角度入手。由于与能量代谢有关的基因，正是所有生物中最古老，变异最慢，共性最大也最重要的基因。生物学家们讨论和试图描述LUCA的时候，不是关注它长什么样子，有多大个头，而是关注它实行何种氧化还原反应，有什么代谢酶，生活在哪种地理和化学环境。这已经完全是一种崭新的体系了。

VI

生命起源的意义及对人类意识的启示是广泛而深远的。

第一，生命起源本身是科学研究的一个要紧范围。生命起源的奥秘是自然界的一大未解之谜，知道生命起源能够帮助大家更好地理解生命的本质和规律，为生物医学、遗传学、进化论等学科提供要紧的理论基础。通过对地球最早生命形式的研究，大家不只能更深入地理解自己的由来，也能更广泛地洞悉宇宙中生命的本质和可能性。目前，尽管科学家们已经获得了显著进展，如揭示了生命基本组成部分的合成渠道，提出了RNA世界假说，与在实验室里模拟早期地球环境，但生命起源的完整画卷仍有待进一步揭晓。

第二，生命起源对人类意识的形成和进步有着要紧的启示用途。从生命起源的角度来看，人类意识并不是是独立于物质世界的神秘现象，而是物质世界演化和进步的产物。在这个过程中，自然界的进化机制发挥了要紧用途，而人类的意识也是这个机制的一部分。还有，地球外生命的可能性也是一个激动人心的研究范围，它不只挑战着大家对生命概念的理解，也会为大家提供关于生命多样性和适应性的新视角。

除此之外，生命起源的意义和目的对人类也有着要紧的启示用途。人类作为自然界中的一员，需要认识到自己的价值和使命，同时也要意识到自己对自然界的影响和责任。在面对环境变化、生态破坏、气候变化等全球性问题时，人类需要承担起更多的责任和义务，将来的研究将继续探索这类问题，包含更深入地研究地球最古老的化石记录，进一步实验模拟早期地球环境，与探索太阳系内外可能存在生命的环境，学习保护和改变地球生态系统，以确保人类和地球的可持续进步。

最后，生命起源的研究也为人类探索未知世界提供了要紧的工具和办法。探索生命的由来，是一项挑战巨大但意义深远的科学征途。生命起源的研究充满了未解之谜。通过研究生命起源，大家可以更好地知道自然界的规律和机制，探索新的科学范围和未知的范围。尤其是在分子生物学、地球科学和天文学等范围，通过探索和研究可以为人类提供新的技术和方法，推进科学的进步和进步。伴随科技的快速进步和进步，大家对生命起源之谜的理解势必愈加深刻。

总之，生命起源的探索不止是对过去的追溯，也是对将来的展望。它不断挑战着大家的常识疆域，引导大家在自然界和宇宙的广阔舞台上，继续探寻关于生命最根本问题的答案。

第二章 生命的地理起源（反推，七大可能地）

生命起源的问题，向来是生物学中的皇冠，同时也是Mission Impossible。这是一个发生在近40亿年前，绝大多数物质证据都早已湮没的问题。又是一个大家已知的世界中只发生过一次的孤立事件，没可以总结的基础。同时它横跨生物、化学、地理、地质、气候、海洋、宇宙学诸范围，涉及的已知和未知千头万绪。最麻烦的是，即便有人真的进步出和事实相符合的理论，也几乎没可能验证—这个实验本身非常可能耗时千万年，或者上亿年。然而这丝毫没驱散各范围科学家对这个问题无休止的兴趣。

第一，这种兴趣被生命起来自于哪儿点燃。大约在40亿年前，地球上首次出现了生命，它只不过被包在某种囊中的遗传分子，长得跟大家当今所认识到的任何生物都不像，结构甚至比细菌的细胞还要简单。科学家一直在钻研这初始的生命到底是怎么样形成的，不一样的地址代表着不一样的能量形式，不一样的能量形式影响着不一样的架构和场景，所以找到生命起源的地址或许是破解生命起源问题的重要。

大家一直设想，甲烷菌产生于甲烷多的地方，硝化细菌，产生于硝化物多的地方。硫化菌产生于硫磺多的地方，以此类推，不一而足，他们都有原产地，都有着土著特点。那样到底在地球的什么地方，藏这如此一个地方：它拥有能产生生命的重要元素，而且它的环境能供这类元素进行完美的化学反应。

i小池塘猜想

达尔文是最早开始尝试回答这个问题的人。1871年，他在一封信中描述了我们的猜想：有一个温暖的小池塘，里面富含化学物质和盐，环境中还有光、热和电。达尔文认 为在这种环境中，蛋白质或许会自发地形成，然后会变成更复杂的有机体。20世纪50年代，美国化学家哈罗德·尤里和斯坦利·米勒进行了著名的米勒—尤里实验。他们打造了一个受控型密封系统，模拟地球早期大方层环境。

他们在长颈瓶中装上温水来模拟当时的海洋，当水蒸气蒸发时，会被采集在另一个烧瓶中。尤里和米勒在该实验装置中引入了氢气、甲烷和氨气，模拟早期大方层无氧气的情况。然后，他们释放电火花，来模拟闪电，进入这种混合气体构成的无氧大方层。最后，借助冷凝器将这类气体冷却成液体，采集进行剖析。

实验结果表明，在冷却的液体中很多地存在着有机化合物，约有10%到15%的碳以有机化合物的形式存在。其中2%是氨基酸，以甘氨酸最多。但核酸本身，如DNA或RNA则未出现。尤里和米勒得出结论称，有机分子形式可以源于无氧大方层，同时最简单的生命体也会孕育在这种早期环境中。

这场实验是20世纪最著名的实验之一，当时在社会上导致不小的影响，不过目前大家了解，当时在这个实验中生成的有机成分，并不足以构成生命，也意味着这场实验不足以说明达尔文的猜想是正确的。

生命想要“无中生有”，这三大要点必不可少：遗传密码、新陈代谢与膜。遗传密码中携带可以用来制造细胞的生物蓝图；新陈代谢可以为细胞提供能量，而膜可以把这类成分和反应统统包裹在里面。在现存的有机生物中，以上三个要点都是由相同的原子构成的，即碳、氢、氧、氮、磷和硫。因此生命的摇篮至少要能提供充足的基本原子，还要有能让原子发生反应的基本条件。

ii海底起源猜想

当生物化学家们还在苦苦思索这类问题时，深海探险家在太平洋区域有了惊人的发现。在1979年，美国有艘潜水艇潜入了距海平面2千米深的海底，在那里发现了海底黑烟囱，它的原理和火山类似，只是在海底喷发。在海底黑烟囱中，大家发现了不同一般的完整的生态系统。于是科学家猜想或许生命起来自于这类海洋底部的热泉。

颇为巧合的是，大约在两年后，旅游者2号太空探测器发回了木卫二的照片，大家通过照片推断木卫二的冰壳下可能存在海洋。这个发现激起了大家对外星生命及其起源的兴趣，也给了相信海底起源说的人信心，甚至有人觉得海底热泉既然能在地球上孕育生命，也肯定能在其他星球起到相同有哪些用途。

但后来科学家们舍弃了这个猜想，由于海底黑烟囱中存在的氢含量非常低，而且它的温度太高，新生的分子很难在这种高温中维持完整，如RNA中的遗传物质会在高温里被飞速降解。

21世纪之初，大家在大西洋中部发现了温度较低的海底喷口，这个地方喷发碱性的海底热泉。海水和海底矿物质在此处发生反应，生成带有微小孔隙的岩石，与富含氢气的温暖液体。科学家觉得岩石的气孔是早期生命出现的理想之处，特别是碱性热泉和酸性海水之间存在电化学梯度，能自发形成乙酰磷酸和焦磷酸盐，这是两种能为活细胞供能的化学分子。它们也可以为分子合成提供能量，让溶解的二氧化碳和氢气合成有机分子，再构建蛋白质的组成部分和RNA。

iii 陆地起源猜想

这样看来，碱性的海底喷口好像是生命起源的理想摇篮，只是它也有我们的弱点——过于潮湿。在地球上还没有出现生命之前，生物分子是非常罕见的，假如蛋白质的组成成分被过分稀释，那样它们就没办法互相碰撞，最后形成蛋白质链。于是科学家猜想，可能存在一个有着干湿循环的地方，让最原始的分子可以碰撞出生命的火花，借此出现了陆地起源的猜想。

陆地起源说觉得，生命开始于有着周期性干涸的环境中，脱水用途在合成有机分子时饰演着要紧的角色。每当一个蛋白质的组成成分被添加进蛋白质链中时，会释放出一个水分子。大家都知道，酶是活细胞的催化剂。在生命的初期，酶还没出现，只可以靠干燥的环境担任脱水有哪些用途。

科学家们觉得在火山岛上的淡水池比在深海喷口附近更容易形成脂肪膜。在海洋中，溶解的钙和镁离子会妨碍脂肪酸聚集在一块形成连续的膜；但在淡水中，脂质可以随便聚集，就像水油混合时，油会随便和水离别，出现非常明显的边界一样。

为了证明这个猜想，科研职员从美国黄石国家森林和加州拉森国家公园的温泉中采集样品，再让这类样品历程干湿循环。他们发现，假如他们将这类样品脱水然后再补充水分，其中类似RNA的分子就会被包裹在脂肪膜中，就像原始细胞膜能包裹遗传物质一样。

有些科研职员觉得，比失火山水池，地热田好像是更理想的环境，由于它更干燥。地热田是指用来释放地热蒸汽的热岩石。科研职员觉得，这里的化学反应更接近于大家自己细胞内部的化学反应，由于地热蒸汽富含能孕育生命的要紧元素。通过控制蒸汽浓度，小水滴的形成可以为生成RNA创造理想的环境。

要生成RNA，第一要制造核糖，也就是RNA中的R。创造R的原子可能早已存在在大方中，不过没外力的帮忙，这类原子不会自发变成大家需要的核糖。这个时候硼酸盐矿物可以成为有效的帮助，它能引导原子合成更多的核糖，而且还能巩固核糖的结构，以免它们分崩离析。因此，有科研职员觉得沙漠才是生命的摇篮，由于岩石中有着丰富的硼酸盐矿物质，偶尔还会有雨水滤出。

Iv冰上起源猜想

上述的所有环境都有一个一同点，就是热量。大家了解，温暖的环境可以帮助推进化学反应，有的科研职员偏要反其道而行之，他们觉得生命可能起来自于冰块。当水结冰时，溶解在水中的所有物质都会被脱水，并浓缩成盐水。这类盐水被困在冰的狭窄裂缝中，进而形成聚合物链，低温还能帮助生物分子维持结构稳定，让它们得以继续成长。

为了证明这个大胆的猜想，有科研职员将溶液中的成分与金属离子冻在一块，尝试制造RNA链。他们用环境中容易见到的离子，帮助促进催化反应。

实验发现，反复的冻融循环能够帮助酶的生成，酶能催化化学反应产生更多的RNA链。这很符合大家刚开始对生命起源的期待。可见，冰好像是一种有效媒介，它可以促进生物分子转换，使分子变成一个可以自我繁殖的系统。

遗憾的是，上述猜想都面临了同一个问题，它们没办法对新陈代谢怎么样参与生命进程作出讲解，这致使了所有猜想都没办法回答一个重要问题，即早期生命的三大要点：遗传物质、新陈代谢和膜是如何一同用途的。

V 火山口湖猜想

所有人都曾觉得，大家在研究生命起源时需要拆分所有元素，再逐一研究。之前大部分研究职员的研究重点，要么在遗传物质中，要么在新陈代谢上。现在，萨瑟兰的团队正在探究一种新的猜想，觉得可能生命起源是“一蹴而就”的，并开始探寻可以让所有元素一块发生反应的化学物质。

萨瑟兰把眼光投向了陨石坑。在40亿年前，陨石撞击地球是非常容易见到的。这类来自外太空的岩石带来了氰化氢，其中包括了有机分子的三大要紧成分：碳、氮、氢。假如积聚的氰化氢在水和紫外线光有哪些用途下变热，或许可以形成一整套前驱分子，这类分子可以直接用来合成RNA、蛋白质和脂质。不过这个猜想也有一个问题，就是没生命把剧毒的氰化物作为碳或者氮的来源。

那样，生命起源的摇篮到底是湿的、干的还是冷的呢？其实所有些猜想并非相互排斥的。譬如在萨瑟兰的陨石猜想中，至少需要一个干湿循环过程和硫化氢的参与，这两者都可以在陆地起源猜想和海洋起源猜想中探寻帮助。当一颗巨大的陨石撞击地球时，会使地壳裂开。

这个时候假如在陨石坑中有水池，它可以通过地壳裂缝渗透下去，到地球内部足够深的地方时，又会被第三加热再向上冒泡。年轻的地球国内上有不少火山口湖泊，它们有一些是由陨石撞击后形成的，这类湖泊的边界还会结冰，就像冬季的美国黄石公园的景致。在边缘的冰和附近陆地的碱性热泉喷口里，大家可以找到RNA中的酶与新陈代谢用途。

陨石坑本来就是一个复杂的环境，陨石坑表面的矿物可以充当催化剂，有机物小分子或许会交替溶解在水中并在阳光下干燥。铁镍陨石比较容易形成生命起源需要磷酸盐和铁。而且陨石坑还有一个优势：陨石撞击会冲击大方，产生氰化物，形成生命起源的原始有机分子。

地球早期生命演化之旅

vi 生命到底起来自于什么地方

生命到底起来自于什么地方，恐怕科学家只可以靠理论的推断，伴随地球生态系统的复杂化，人类没办法模拟出四十多亿年前的那个朴素的地球，只能通过盲人摸象的方法拼凑出生命出现的种种可能，形成一条可行的证据链。

虽然大家喜欢灵光一闪的故事， 喜欢那些能改变世界的重大发现，但更多的时候科学是一种深耕，需要依赖科学家小心翼翼地剔除那些失败的假设，直到真相显露。比如，生命不是起来自于海洋，而是经过不少年后，最后被水淹没成了海洋。

现在为止，科学界常见承认的原初生物留下的遗迹主要有两个，即原初的RNA世界和细胞内的还原环境。

在现代的细胞中，绝大部分化学反应是由蛋白质来催化的，但蛋白质自己的合成，却仍然要由RNA来催化。组成蛋白质的肽链是在核糖体（ribosome）中合成的，其中的蛋白质亚基只起结构和调节有哪些用途，真的把氨基酸连到肽链上，使肽链延长的，是其中的RNA分子。RNA既可以催化自己的形成，也可以把氨基酸连到小RNA分子上（即后来的转移RNA，tRNA），再把如此带“标记”的氨基酸连接到不断伸长的肽链上。RNA中核苷酸的序列，像DNA中的脱氧核苷酸序列一样，也可以用来储存信息，即为蛋白质分子中的氨基酸序列编码。就是细胞“剪接”RNA以除去内含子（intron）的剪接体（splicesome），也是由可以自我剪接的第II型内含子（RNA）演变而来的。这类事实都说明，刚开始的生命是RNA的世界，蛋白质是后来才进步出来的。

在原初生命形成时，大方中还没氧气，而主要由中性气体（如氮气）和还原性气体（如氢气、氨和硫化氢）组成。在此环境中形成的细胞，内部是高度还原的。在这种环境下形成的蛋白质，尤其是其中的酶，也只能在还原环境中才能最好地工作。这种情形一旦形成，就很难改变。大方中的氧气出目前大约22-24亿年前，从此大多数生物的环境转变为氧化性的。为了维持细胞内的还原环境，细胞内常见含有还原性分子如谷胱甘肽（glutathione，浓度大约5 mM），它使得蛋白质分子中的半胱氨酸残基的侧链维持在还原状况，即不形成二硫键（两个巯基-SH 被氧化过程连成-S-S-键）。后来变为叶绿体的原核生物蓝细菌（cyanobacteria）和后来变为线粒体的原核生物a-变形菌（a-proteobacteria）就已经可以合成谷胱甘肽，说明生物非常早就进步出对抗环境中氧化状况的能力。在动物体内，在分子中形成二硫键的蛋白或者是分泌到细胞外的，比如抗体分子和胰岛素，或者主要部分坐落于细胞膜表面的（也即在细胞外），比如胰岛素受体。植物用谷胱甘肽-抗坏血酸循环（glutathione-ascorbate cycle）来消灭细胞内的活性氧物质，保持细胞内的还原状况。目前很多在试管内进行的酶反应，都需要加入还原性的分子如巯基乙醇或二硫苏糖醇（Dithiothreitol，DTT），使反应体系维持在还原状况，使酶可以正常地工作，而不受大方中氧气的影响。

这两大遗迹都有很多事实为依据，而反对的建议基本没，可以觉得是被常见承认的。问题是，细胞内钾高钠低的情况也是原初生命留下的另一大遗迹吗？

vii 原初生物形成时可能的水环境

钾高钠低的情况存在于所有生物的细胞中，而和地球上几乎所有些液態水中钠和钾的相对浓度相反。无论是河水、湖水还是海水，所含的钠都大大多于钾。比如海水中钠的浓度就是钾的47倍（钠470 mM，钾10 mM），河水中含盐量随河流不同，但大体上钠的浓度是钾的10倍（钠大约0.4 mM，钾大约0.04 mM）。这说明细胞内钾高钠低的情况不是生物在演化过程中“适应”这类水体的结果，而更可能是原初生命形成时环境中的水溶液组成的遗迹。

假如检查一下地壳中钾和钠的含量，发现它们其实差不多:钠为2.8%，而钾为2.6%。之所以河水中钠的含量远高于钾，是由于在岩石风化过程中，钾离子比钠离子更难被释出。比如长石（feldspar，花岗岩的组成成分之一）中的钾就非常难溶出。河水入海之后，伴随水分的蒸发，盐的浓度也渐渐提升，但海水的含盐量也不会一直增加下去而变得愈加咸。浅滩处盐结晶出来又被埋藏，形成盐矿；风将很多海水微滴带到陆地，都是降低海水含盐量的方法。另一种除盐的方法是海水通过地壳裂缝与深处高温岩石的相互用途，形成云母（mica）等新的矿物，同时把海水中的金属离子带走。这个过程叫做“反风化”（reverse weathering），是海水中的盐被带走的一个要紧方法。据估计，通过这类除盐机制，海水中的盐分在过去的至少15亿年中并没显著增加。而在反风化过程中，钾比钠更容易被除去，这也使得海水中钠的含量远高于钾。其余的离子，比如钙离子、镁离子、氯离子等，被“反风化”过程除去的情形也不同，因此海水并非“浓缩的河水”，但在钠高钾低这一点上，海水和河水是一样的。在有35亿年历史的，坐落于澳大利亚西部的皮尔巴拉地块（Pilbara Craton）的岩石中，发现了包藏下来的远古海水，其钠离子的浓度高达1 M，大约是目前海水钠浓度的两倍以上。虽然这不肯定代表35亿年前海水的平均含盐量，但也说明远古时期的液体水中就有高浓度的钠离子，生命是不太可能在这种海水中诞生的。假如说原初生命是在高钾低钠的溶液中产生的，如此的水溶液在哪儿呢？

为知道释原初生命产生时水环境钾高钠低的情况，科学家们提出了两种可能性。一种是比35亿年更远古的地壳。如此的地壳在地球上因为板块运动已经很难找到，但却保留在月球上。其岩石富含钾和磷，叫做KREEP岩石，代表“富含钾（K），稀土元素（Rear Earth Element）和磷（P）”的岩石。因为月球是大约45亿年前一个火星大小的星球和地球相撞形成的，当时的地球应该和月球有一样的地壳，也就是地球早期的地壳非常可能也是由KREEP岩石组成的。那时地球的地壳中还没花岗石（granite），即便在40亿年前，花岗石也非常罕见。假如液态水在KREEP那样的岩石上形成，风化过程就应该提供一个富含钾和磷的水环境，十分有益于生命的形成。

另一个可能性是俄裔美国科学家库宁（Eugene V Koonin，1956-）提出的，即热泉蒸汽冷凝所形成的水。钾离子因为比钠离子大得多，很容易被蒸发的水分子“夹带”，进入蒸汽中。如此蒸汽在冷凝将来，就会形成钾高钠低的水。这个假说也得到了实地观测的证实。比如在乎大利的Larderello热泉冷凝水中，钾离子的浓度就是钠离子浓度的32倍。在美国加州的一处热泉，冷凝水中钾离子的浓度居然是钠离子浓度的75倍！在现在的地球上，如此的热泉为数不多，由于地壳在几十亿年前就大部冷却。但在地球形成的早期，地壳尚未充分冷却的状况下，应该是不少的。

在现代的热泉中，硫化氢会飞速地被大方中的氧气所氧化，生成硫酸，使得现代热泉冷凝水的酸度极高（pH可以低至0），不合适生物形成。但在地球早期的大方中，游离氧还没有，硫化氢不会被氧化为硫酸，生物也就可能在这种冷凝水中形成。

热泉冷凝水更不是高钾低钠水的唯一来源。因为氯化钠在水中的溶解度几乎和温度无关（比如20摄氏度时为每升35.9克，60摄氏度时为每升37.1克），而氯化钾在水中的溶解度却伴随温度升高而升高（比如在20摄氏度时为每升34.2克，和氯化钠差不多，而在60摄氏度时为45.8克，明显超越氯化钠的溶解度），假如一部分海水被隔绝出来，在太阳底下蒸发，在温度较高（比如60摄氏度）时，氯化钠第一饱和，结晶出来。因为氯化钾达到饱和发生在氯化钠之后，所以氯化钠结晶上面的水就会富含氯化钾。这类水假如因为自然是什么原因流到其它的地方，也会含有较高的钾和较低的钠。这类事实都说明，地球早期出现钾高钠低的水是可能的。

早期形成的细胞膜是不健全的，非常可能是由脂肪酸和脂肪醇，而不是磷脂组成的，也就是组成早期细胞膜的脂类分子只有一根碳氢“尾巴”，而不像磷脂分子有两条脂肪酸“尾巴”。这种“单尾巴”的生物膜对于各种离子，甚至像核苷酸那样的巨大离子，都是通透的，证据是由脂肪酸组成的膜可以让外加的核苷酸进入由膜包裹的囊泡内，聚合成为核酸，但核酸如此的大分子却不可以穿过膜，到囊泡的外面。因此在原初细胞中，各种离子的组成，包含钠离子和钾离子的组成，应该是和环境水溶液平衡的。原初细胞中的化学反应也就是在如此富含钾的环境中形成并且不断优化，在这种环境条件下形成的化学反应也就依靠于钾，而不是依靠于钠。假如可以证明细胞最原始蛋白的功能确实需要钾，而无需钠，就可以为原初生命在钾高钠低的环境中形成的学说提供强有力的证据。

viii 最原始的蛋白质需要钾以实行它们的功能

要证明最原始的蛋白需要钾，第一要找出这类蛋白。为此，Koonin及其同事检查了存在于所有生物的蛋白质，将如此的蛋白质看作是最原始的蛋白。只存在于某些生物，而没有于其他生物的蛋白则被觉得是较后出现的（即生物发生分化后在其中一些生物中出现的）。

如此的蛋白开始比较多，但伴随全部基因组（genome）被测定的生物愈加多，原始蛋白的数目也不断降低（由于只须有新测定的某种生物不含有其中的一些蛋白，这类蛋白就会从名单中剔除），最后稳定在60个左右。这60个左右的蛋白就被觉得是生物最古老的蛋白。

检查这类蛋白的功能，发现它们多数与蛋白质的合成，即转译（translation）过程有关，再有就是和DNA有关的酶。这也是可以理解的，由于蛋白合成和DNA信息的读取和修复是生物最基本的生命活动。在这类蛋白中，有若干需要钾离子以达成其功能，但没一种蛋白需要钠离子，钠离子的存在甚至会干扰其功能。这是原初生命在高钾低钠环境中生成的最强有力的证据。

比如在需要钾离子的蛋白中，有一类是是所谓的“P-环鸟苷三磷酸酶”（P-loop GTPase），包含转译延长因子EF-Tu（elongation factor thermounstable）和EF-G（elongation factor G）。这类蛋白含有一个专门的天冬氨酸残基用来结合钾离子。这两种蛋白的活性都被钠离子所抑制。

核糖体中真的把氨基酸加到肽链上的酶，肽转移酶（peptidyl transferase）不是蛋白质，而是核糖体中的RNA（ribosomal RNA，rRNA，这是原初生物第一个遗迹，即RNA世界的证据）。假如在试管中除去1价阳离子，肽转移酶就不再有活性。把不一样的1价阳离子分别加进反应系统，就会发现使肽转移酶活性恢复的1价阳离子的能力从高到低的顺序是：铵离子（NH4+） 铷离子（Rb+） 钾离子（K+） 铯离子（Cs+），而钠离子（Na+）和锂离子（Li+）没用途。

因此，合成蛋白质的核糖体需要钾离子才能正常工作，而无需钠离子。在用体外系统来进行蛋白合成时，一般用的是兔的网织紅細胞裂解物（rabbit reticulocyte lysate），所需要的阳离子的最后浓度是0.5 mM醋酸镁和79 mM 醋酸钾，而没氯化钠（依据Promega生物企业的反应系统）。

核糖体合成肽链后，有的还需要伴侣蛋白的帮忙才能折叠成为正常的三维结构。其中的伴侣蛋白GroEL也是60个最原始的蛋白之一。它和蛋白GroES一块帮助肽链折叠。其活性受镁离子的帮忙，但绝对依靠钾离子。铵离子和铷离子可以部分取代钾离子有哪些用途，但锂离子、钠离子和铯离子没用途。GroEL和GroES都是原核生物的蛋白质，在真核生物中，对应的蛋白质分别是热休克蛋白Hsp60和Hsp10，它们也需要钾离子。这说明从原核生物到真核生物，这类古老的伴侣蛋白和它们的后继物都需要钾离子才能正常工作。

细菌的RecA蛋白、古菌的RadA蛋白、和真核生物的Rad5蛋白都是修复DNA双链断裂的蛋白质，是最古老的60种蛋白。它们的活性除去需要镁离子外，还需要钾离子，而钠离子没用途。

CDP-二甘油酯合成酶（CDP-diglyceride synthase）是合成磷脂的要紧酶之一，是60个最古老的蛋白质。它的活性也依靠钾离子，而其活性被钠离子所抑制。

除去为蛋白质的功能所需，钾离子也对细胞膜的形成有利。实验证明，在离子浓度增加到一定量时，细胞膜会沉淀出来。在没二价离子（比如镁离子和锰离子）的状况下开始使细胞膜沉淀出来的钠离子浓度（0.4 M）远比钾离子（大于1 M）低。即便在二价离子存在的状况下，使细胞膜凝聚的钠离子浓度仍然比钾离子低，也就是细胞膜在钾离子的环境中更稳定，更容易存在于溶液中。在日常大家也有如此的经验：钾肥皂是液态的，而钠肥皂是固态的。

所有这类事实都表明，生物一些最古老的蛋白质（与核糖体RNA）的活性需要钾离子。钠离子不只不可以使这类蛋白进入工作状况，在有的状况下还抑制它们的活性。钾离子也有益于细胞膜的生成。这类都是原初生物在高钾低钠的环境中形成最好的证明。这也是为何地球上的生物在形成并演化几十亿年之后的今天，细胞仍然要维持内部钾高钠低的环境，尽管细胞外的环境几乎全是钠高钾低的。

IX 生命诞生于陆地

现代生物用纯DNA携带它们的基因，但纯DNA刚开始可能并没有。它们可能是RNA核苷酸与DNA核苷酸的混合体。哈佛大学医学院教授索斯塔克证明，这种混合体可以构成“镶嵌”分子，其外貌和行为都非常像RNA。这类RNA与DNA混合链甚至可折叠。这表明，最早的生物是不是能制造纯RNA或纯DNA都无关紧要，它们可以用混合版的RNA，甚至混有TNA或PNA的核苷酸。这不是RNA世界，而是“大杂烩世界”。

这类研究显示，制造最早的细胞好像并不太困难。细胞的确拥有复杂的机制，但事实证明，它们可以吸收任何东西保持自己存活，虽然这依旧不怎么样。这种粗细胞好像不太可能在地球早期存活下来。但当时没太多角逐，也没具备威胁性的掠食者，为此从多方面来看，它的存活环境比目前容易得多。但苏瑟兰德和索斯塔克的理论也存在缺点，第一种生物一定拥有某种新陈代谢机制。

从刚开始，生命就需要获得能源，不然它没办法存活。即便马丁和拉塞尔有关生命起来自于深海热液喷口的理论存在错误，但其部分元素一定是正确的，譬如金属对生命起源尤为重要。在自然界，很多酶的核心处都有金属原子，这一般是酶的活跃部分，分子的其他部分基本是支持结构。第一个生命没这类复杂的酶，为此它们非常可能是用“裸金属”作为催化剂。如此看来，热液喷口变得愈加要紧。假如你看到现代新陈代谢，看着真的非常像铁簇。它与生命诞生于喷口中或附近的理论不谋而合，由于这里富含铁和硫。假如苏瑟兰德或索斯塔克的理论正确，喷口理论就证明是个错误，生命不可能起来自于深海。苏瑟兰德说，大家发现的化学物质十分依靠紫外线，而紫外线的唯一来源就是太阳，为此其反应只能发生在有阳光照射的地方，这就排除去深海喷口理论。索斯塔克也觉得，深海并不是生命温床。但这类问题不可以完全驳斥热液喷口理论，可能喷口坐落于浅水中，那里有阳光，氰化物也可接触到。

阿尔缅(Armen Mulkidjanian)则提出新的假设，生命可能起来自于陆地，譬如火山口中的池塘中。无论细胞是哪种生物，它们都含有很多磷酸、钾与其他金属，但极少有钠。现在，细胞可能通过泵出或泵进机制达成这个目的，但第一个细胞可能没办法做到，由于它们不拥有这种必要机制。阿尔缅觉得，第一个细胞一定形成于与现代细胞拥有相同化学物质混合物的地方。这立即就排除去海洋，由于细胞中所含磷钾比率远高于海洋，但钠却更少。而活火山附近发现的地热池塘却更为理想，这类池塘中拥有细胞中发现的所有金属物。索斯塔克还觉得，地热活跃区的浅湖或地表池塘也非常理想，譬如黄石公园火山区的那种热液喷口。苏瑟兰德的化学习物理论在此也可有非常不错的讲解。温泉中有适合的化学物质，水位波动会致使某些地方干涸，还有来自太阳的很多紫外线。索斯塔克觉得，这类池塘同样合适他的原细胞诞生。

X 早期生命的第一个代谢酶推断存活环境

2020年，罗格斯大学的研究职员发现了人体一种蛋白质结构的由来，这种蛋白质结构在人体内负责新陈代谢，这类简单的分子为地球的早期生命提供了能量，并且还可以充当化学信号，研究发表在《美国国家科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences)杂志上，可预测35亿到25亿年前最早的蛋白质是什么样子。

像一个千变万化的谜一样，科学家们追溯了酶(蛋白质)从古老过去到目前的进化过程。解决这个谜需要两块缺失的碎片，没它们，地球上的生命就不可能存在。通过构建一个由它们在新陈代谢中有哪些用途连接起来的互联网，这个团队发现了这类缺失的部分。

该研究的合著者、罗格斯大学罗伯特·伍德·约翰逊医学院(Rutgers Robert Wood Johnson Medical School)生物化学和分子生物学教授、高级生物技术和医学中心(Center for Advanced Biotechnology and Medicine)常驻教员维卡斯·南达(Vikas Nanda)说:“大家对地球生命的由来知之甚少。这项研究可以让大家跨越时间，对最早的代谢蛋白提出假设，大家的预测将在实验室中进行测试，以更好地知道地球生命的由来，并且启发生命在其他地方起源的可能方法。大家正在实验室里打造蛋白质模型，并测试它们是不是能引发对早期生命新陈代谢过程至关要紧的反应。”

在美国国家航空航天局的资助下，由罗格斯大学领导的一个名为ENIGMA(Evolution of Nanomachines in Geospheres and Microbial Ancestors)的科学家团队正在通过美国国家航空航天局天体生物学计划的成员身份进行这项研究。ENIGMA项目试图揭示最简单的蛋白质在生命早期阶段的催化用途。

资深作者、ENIGMA首席研究员和罗格斯大学新伯朗士威校区杰出教授、环境生物物理学、分子生态学实验室负责人保罗·G·法尔(Paul G. Falkowski)说:“大家觉得生命是从很小的基石进化而来的，并且像乐高积木套装那样，进步出细胞和像大家一样更复杂的生物体。大家觉得大家已经找到了生命的‘积木’——正是这类‘乐高积木’最后致使了细胞、动物和植物的进化。”

罗格斯大学研究小组着重研究了两种蛋白质折叠，它们可能是早期新陈代谢的第一个结构。这两种蛋白质折叠分别是铁氧还蛋白折叠(ferredoxin fold)和“罗斯曼”折叠(Rossmann fold)，前者与铁硫化合物结合，后者与核苷酸(DNA和RNA的基石)结合。这就是生命进化过程谜题中缺失的两个部分。

从最早产生的蛋白折叠中大家可以看到，最早的生命代谢是在富含铁和硫的环境中产生的，铁氧还蛋白是含有铁原子和无机硫化物，具备电子传递体用途的小分子蛋白质，它存在于现代蛋白质当中，并且穿梭在细胞周围的电子里以促进新陈代谢。电子会在固体、液体和气体中流动，为生命系统提供动力。

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所谓折叠模式，就是它们包纳反应物的结构，具备特异性，一种折叠模式可能只对应着少量的化合物。“罗斯曼”折叠是与核苷酸(DNA和RNA的基石)结的结构，证明最早产生的蛋白质只干两件事情，催化铁-硫产生能量，硫化合价减少被还原，铁化合价升高被氧化，即便被氧化成亚铁离子，也能产生两个自由电子，助推生命反应。

而富含铁硫矿的地方，只能在火山口、陨石坑或者铁硫矿床探寻。

第三章 生命起源比大家想象的要早

现在，地球仍然是宇宙中已知唯一拥有生命的地方。地球的生物圈延伸到地表以下至少19公里，并延伸到大方中至少包含土壤、热液喷口和岩石 ，甚至在南极冰层以下800米处。包含海洋最深处，直到海底以下几公里的岩石。研究显示，可以在任何地方发现微生物，它们很适应条件，无论在哪儿存活。在某些测试条件下，已经察看到生命形式可以在外层空间的真空中存活。

在地球上过去生活过的所有生命形式中，超越50亿即估计约超越99％的品种已灭绝。地球现在物种数目的估计数在1000万至1400万之间，其中大约120万被记录，而超越86％的数据仍未描述。 研究表明，地球上的生命可能来自太空尘埃或陨石所携带的生物物质。地球上发现的最古老的陨石碎片大约有45.4亿年的历史。研究表明，地壳在行星形成后大约1亿年就凝固了，并且行星飞速获得了海洋和大方层 ，这可能已经可以保持生命。

依据化石记录，目前常见觉得地球形成于45.4亿年前，在1.3亿年后，也就是44.1亿年前，地球上初次出现了海洋。又过了1.3亿年，在42.8亿年前，地球上初次出现的生命。但大家觉得生命可能出目前海洋之前。无论是海洋出现的速度还是生命出现的速度，都比大家想象中要快得多。从原始地球形成到初次生命的出现，整个过程低于3亿年。对于这个充斥生命的星球，大家可能早已屡见不鲜了。可是你是不是过去有那样一瞬间沉下心来认真考虑过，地球上的第一个生命到底是如何来的呢？

二十世纪初，苏联生物化学家 Alexander Oparin 和英国遗传学家 J. B. S. Haldane 分别提出“原始汤”假说，觉得早期地球的海水里的碳基化学物质互相反应，形成蛋白质、核酸等“生命的基础”。

1953 年，Stanley Miller 在模拟远古地球大方的气体中放电，发现产生了少量的氨基酸等有机物。可是，蛋白质和核酸并不可以在水中长期稳定地存在。细胞质是一团胶体，性质与海水完全不同。这意味着细胞生物自组织起来的环境需要水且水不可以太多——陆地比海洋更合适。

a Sutherland 等成功地从磷酸盐和四种简单的碳基化学物质开始、在模拟远古地球的环境里造出两种核酸。反应过程中，化学物质高度浓缩地溶解在水中，且一些步骤需要紫外线辐射，显然没办法发生在海洋里——暴露在太阳紫外线辐射下的水坑等小规模水体才能满足需要。

b那之后，他们略微改变反应条件，产生了蛋白质和脂质的前体。

2019 年，Carell 团队搞出了能在远古地球的环境条件及简单的无机底物用途下同时产生四种RNA核苷酸的过程。该过程无需复杂的离别和纯化，即可产生重要的生命组分：

相比之下，化学家尚未在模拟海水的条件下合成这类分子。

Moran Frenkel-Pinter 等证明，氨基酸在没水的条件下可以自组织成链，地球生物用的蛋白氨基酸比非蛋白氨基酸更容易发生这种反应。这可以帮助解答为什么地球生物用这类氨基酸来组成蛋白质。

2018 年，分子钟显示地球生物的由来可能早于地球上海洋的形成。

现在的理论下，地球好像是在 45.4 亿年前形成的，冥古宙由此开始。

在 45.2 亿年前，地球好像与体积约等于火星的天体“忒伊亚”发生碰撞，飞溅出的物质有一部分形成了月球，地球从炽热的岩浆球状况渐渐冷却固化（计算表明需时1亿年）。

44.1 亿年前，地球上可能出现了原始海洋。这一时期的地质活动估计相当剧烈，火山喷发遍布地面、熔岩四处流动。

在 41 亿年前到 38 亿年前，地球可能遭到了很多小行星与彗星的撞击。依据同时期的月球撞击坑推算[2]，地球当时形成了 22000 个或更多的直径大于 20 千米的撞击坑、约 40 个直径约 1000 千米的撞击盆地、几个直径约 5000 千米的撞击盆地，地形平均每 100 年就遭到显著破坏。

冥古宙在 38 亿年前结束，内太阳系不再有大规模撞击事件。

也有研究觉得上述阶段的撞击规模要小一个甚至几个数目级。

21 世纪初，学者一般估计现存生物的最后一同祖先（LUCA）生活在距今 35 亿年前~38 亿年前，而大家发现的直接的古生物化石证据已经老到了 34.8 亿年前[3]。

2017 年，科学家在加拿大魁北克的岩石中发现了 37.7 亿年前~42.8 亿年前的筒状微小纤维架构，可能是远古海底热泉喷口处生物的活动痕迹[4]。

2018 年，有研究依据分子钟将最后一同祖先生活的年代设置到了 45 亿年前[5]——这意味着 LUCA 可能在地球形成后 4 千万年时地狱般的环境里就自然形成了，比海洋的形成早九千万年。

地球生物的太空起源说仍然是学术界常常谈论的话题，大家事实上发现一些陨石可以带来很多的氨基酸等有机物，并在撞击时产生一个灼热的坑，该坑的任意边缘与水域相接就能在坑里灌上水。

研究职员从当地时间 1969 年 9 月 28 日坠落在澳大利亚的默奇森陨石中找到了 70 种以上的氨基酸，既有容易见到的甘氨酸、丙氨酸、谷氨酸之类，也有不一般的异缬胺酸、柳氨酸之类，有的取代基有 9 个碳原子，还有二羧基、二氨基等不一样的官能团。2020 年 1 月发表的一项研究估计该陨石夹带的碳化硅颗粒有 70 亿年的历史。

来源：阿贡国家实验室

科学家对在南极发现的陨石进行的更多研究显示，富含碳的陨石坠落时的高温可能驱动化学反应产生很多的氨基酸。

2022 年，实验显示，水溶液中的酮酸、氰化物、氨、二氧化碳可进行化学反应，产生乳清酸盐和氨基酸。乳清酸是核苷酸的前体。这种反应可以在原始地球的条件下进行，而且需要的水量极少。

文章发表在Nature Chemistry 28 July 2022, .DOI: 10.1038/s41557-022-00999-w

据最新一期《科学》（2024.2.26）杂志报道，英国伦敦大学学院研究团队在实验室中成功合成了一种对生物体至关要紧的化合物——泛酰巯基乙胺。这一发现表明，该化合物可能在地球早期就已存在，并在生命诞生之初发挥了重要用途。

地球生物也不必都是在同一个年代起源的，现代地球的水域、地下仍然可能在进行有机大分子的自我制造，只不过这个过程本就极度缓慢、很难和现代生物制造的有机大分子区别、比较容易和现代生物的身体结合到一块去（比如被细菌摄入体内）。

45.7亿年前，太阳诞生，但构成大家的星际物质，可能百亿年前就已经存在。

45.4亿年前，地球诞生。

44.5亿年前——地球与忒伊亚大碰撞，月球形成。

44.9亿年前——地月潮汐锁定。

44亿年前——第一滴液态水出现。

42.8亿年前——可能已有了最早的生命。

41亿年前——地球遭遇超级流星大轰炸，一轰炸就是3亿年，可能带来了生命物质。

讨论最原始生命起源的基本问题时，生物学和化学之间的界限就不再存在。非生命向生命的过渡是连续的。就像一个连续的色谱，可以在其中指出某些地方是蓝色的，某些地方是绿色的，但也有一些地方是蓝绿色的，很难完全地确定颜色。

当科学家试图概念生命的由来的是什么？为何？什么样的？等基本问题时，也是这样，没完美的概念，可以有众说纷纭的规范。但，大部分科学研究都使用约定的定义：生命是复制和进化的结果。生物学家觉得，地球上所有活的生物需要共享一个最后的祖先 ，由于两个或多个独立的世系不可能独立地开发出所有活生物共有些很多复杂的生化机制，这几乎是不可能的。

研究表明，地球上的生命是基于碳和水的结果。碳为复杂的化学物质提供了稳定的框架，可以轻松地从环境中提取，特别是从二氧化碳中提取。没其他化学元素的性质与碳相似可以称为类似物。硅是元素周期表中碳正下方的元素，不会形成不少复杂的稳定分子，并且因为其大部分化合物是水不溶性的，因此生物体更很难提取。硼和磷元素的化学性质较为复杂，但相对于碳还具备其他局限性。

水是一种非常好的溶剂，并具备其他两个有用的特质：浮冰使冬季的水生生物可以在其下存活；其分子具备负电和正电端，这使其可以形成比其他溶剂更广泛的化合物。其他好的溶剂（比如氨）仅在这样低温下呈液态，以至于化学反应可能太慢而没办法保持生命，并且缺少水的其他优势。

在有机的、水基的地球生命中，大家有两种渠道来回答“最原始的生命形式”这一问题：一种是看近代最原始的生活体系，另一个是假设原始生命形式在地球早期会是什么样子。

对于第一种渠道，可以将细菌视为原始的生命形式。但，它们存活的环境是另一个生命系统。有细菌依靠其他细菌存活。但最原始的生命形式取决于另一个存活的生命系统。另一个可能的答案是指向近期宣布的可以在营养丰富的环境中生活的合成细胞，该细胞具备迄今为止任何已知的独立复制生物中最小的基因组。

对于第二种渠道，生命起源中最容易见到的理论表明，在开初的化学反应中的某个时刻，出现了复制酶。复制酶是可以自我复制的分子，也可以复制其他一样的分子。核糖核酸（英语：Ribonucleic acid，简称RNA）是比较适合在早期地球上发挥复制用途的化学物质。 RNA是一种很像DNA的聚合物，可以存储遗传信息，但也可以折叠成酶促结构，并能够帮助催化化学反应。

对于非生命化学物质怎么样产生生命的研究，集中在三个可能的起点上： 自我复制 ，一种有机体产生与自己很一样的后代的能力； 新陈代谢，其养活和自我修复的能力； 和外部细胞膜 ，允许食物进入和浪费商品离开，但排除无需的物质。关于生物发生的研究还有非常长的路要走，由于理论和经验办法才刚最初相互联系。

即便已发现具备让人印象深刻的功能的催化RNA，但距离找到足够好的可自我复制并具备足够高性能的复制酶，还有非常长的路要走。要拥有高效的复制，需要一个复杂的分子，而要好地复制复杂的分子，需要一个高效的复制。

显然复制其他更简单的分子比自我复制更容易。但这存在一个问题：寄生虫，那些被复制但从不自我复制。这类寄生分子也会因为复制错误（称为突变）而出现。一旦出目前很多复制者中，便会飞速吞噬复制者用的资源，并致使其他生物灭绝。

即便是三个现代生活范围中最简单的成员，也都用DNA来记录其“ 配方 ”，并用复杂的RNA和蛋白质分子阵列来“读取”这类说明并将它用于成长，保持和自我复制。 一些RNA分子可以催化自己复制和蛋白质构建的发现致使了完全基于RNA的早期生命形式的假说。 这类核酶可能形成了一个RNA世界 ，其中有个体但没物种，由于突变和水平基因转移将意味着每一代后代的基因组非常可能与其爸爸妈妈刚开始的基因组不同。 RNA稍后将被DNA取代，DNA更稳定，因此可以构建更长的基因组，从而扩大了单个生物体具备的能力范围。 核酶仍然是核糖体 （现代细胞的“蛋白质工厂”）的主要成分。

尽管在实验室中人为地制造了短的自我复制RNA分子，但大家怀疑能否进行天然的非生物合成RNA。 最早的“核酶”可能是由较简单的核酸形成，后来被RNA取代。

在存在寄生虫的状况下，怎么样维护复制品？答案是复制品可以合作。假如复制品在膜（可能由脂质制成）的帮忙下粘在一块并形成基团，那样它们比容易与寄生虫混合更好。膜内部的合作分子将因为自己或彼此的产生而无寄生虫地成长，并最后致使膜分裂。

所以，最原始的生命形式（在地球上可以想象到）包含组织起来相互协作的元素，非常可能是在分裂的膜内。最可能合作的形式涉及复制其他分子。最原始和最早的生命形式是一种膜，可能包括完整的分裂循环，而其中包括协作元素。

最早形成生命的方法最早出目前地球上至少是37.7亿年前，可能最早是42.8亿年，甚至是45亿年。在44.1亿年前海洋形成之后不久，在45.4亿年前地球形成之后不久。据研究报告指出，34.65亿年前的澳大利亚安培克思Apex石过去含有微生物 ，这是地球上生命的最早直接证据。 在西澳大利亚34.8亿年前的砂岩中发现了微生物垫化石。在格陵兰西南部37亿年前的沉积沉积岩中发现了生物石墨与可能的叠层石的证据，在西澳大利亚州的41亿年前的岩石中发现了“生命遗骸 ”。

但伴随对生命起源研究的深入，很多科学家发现生命起来自于海洋的假说存在一个根本问题：构成生命基石的有机大分子可以在水中分解，蛋白质和核酸的链接处比较容易遭到很多水分子攻击而断裂。

水悖论

1986年，已经过世的生物化学家罗伯特夏皮罗在其著作《起源》中写道：在碳化学世界中，水是大分子最大的敌人，由于分子可以被水分解，这就是水悖论。

在生物体内，细胞通过限制水在细胞内的自由流动来解决分子被水分解。因此，时尚的细胞质图像一般是不对的。生物课本中描述的细胞基质只不过一个容纳所有东西的袋子，所有东西都可以游动，这并不正确，细胞基质是凝胶体而不是单纯的水，生物需要控制水的通量。

因此，广阔的海洋环境可能并不利于生命形成，它没办法使化学物质浓缩。生命的重要分子及其核心过程只能在相对较浅的水域中形成，水环境需要高度浓缩，甚至有时会完全变干，在干湿交替的陆地环境中，生命才能形成。

2009年，科学家找到生命起来自于干湿交替环境的证据。科学家萨瑟兰成功地制造出构成RNA四个核苷酸的其中两个。他将磷酸盐和四种简单的有机物溶解在水中，但高度浓缩，通过加热这类物质，使其经受紫外线辐射并间歇性干燥，最后结果产生RNA、蛋白质和细胞的其他核心成分，而在此之前这被觉得是不可能的，同时在之前的生命起来自于原始海洋的实验中从未合成过这样广泛的生物分子。

干湿交替的环境

所以，萨瑟兰觉得生命不可能在海洋深处起源，只能在阳光充足的池塘或溪流中，组成生命的简单有机物才能集中。

2019年，美国生物化学家皮特对这种看法进行扩展。他们证实假如氨基酸变干，氨基酸会自发连接形成蛋白样链。与地球古老的其他氨基酸相比，目前蛋白质中存在的20多种氨基酸更大概发生这种反应。

囊泡封装核糖

同时，间歇性干燥也可以驱动大分子构件组装得更复杂。1982年，加利福尼亚大学科学家研究了大分子脂质怎么样自发形成包围细胞的细胞膜。他们第一制造囊泡：即球形斑点，其亲水基核心被两个脂质层围绕。然后研究职员将囊泡干燥，脂质重新组织形成多层结构，就像一叠煎饼。先前漂浮在水中的DNA链被困在两层之间。当研究职员第三加水时，囊泡进行重整，DNA进入囊中。

2008年，科学家将核苷酸、脂质与水混合，然后进行干湿循环。当脂质形成层时，核苷酸连接成RNA状链。

此外，这类研究指出生命起源的另一个重要原因：光。

合成生物学家杰克·索斯塔克（Jack Szostak）借助一些简单细胞——即包括少量化学物质，但可以成长，角逐和自我复制的细胞进行一些实验。假如将这类原始细胞暴露在与陆地一样的条件下，它们表现出更逼真的行为，原始细胞可以借助光能以简单复制形式进行分裂。

第二，紫外线辐射可以推进铁硫簇的合成，这对很多蛋白质合成至关要紧，铁硫簇的合成可以驱动储能分子ATP的合成，能够帮助为活细胞提供动力。但假如将铁硫分子暴露在水中，它们就会破裂。

因此，很多科学家相信生命始于光线充足，水量有限的陆地表面。但，水在生命起源的过程中饰演的角色仍存在争议。燥的环境为蛋白质和RNA等分子的形成提供了机会。但，简单地制造RNA和其他的大分子并非生命，物质需要形成一个自我保持的动态系统。

生命进入海洋

有科学家觉得，水破坏或许会促进生命形成，就像捕食动物比被捕食动物进化得更快，第一个生物分子可能已经进化出应付水的化学攻击的能力，甚至能借助水的破坏性。

在新西兰罗托鲁瓦附近温泉中进行的一项研究表明，来自温泉的样品历程了干燥再润湿的循环之后，产生类似RNA的分子。干燥可以致使氨基酸自发连接。

但，研究小组也发现它们的原蛋白可以与RNA相互用途，两者在水中都变得愈加稳定。事实上，水饰演自然选择的角色，只有那些可以在水中存活的分子可以存在，其他分子则会被破坏。在每一个润湿周期中，链接较弱的分子或没办法通过结合而自我保护的分子被水破坏。而较稳定的更复杂的分子则不断积累。

所以，生命起源环境中的水不应该那样多，以至于生物分子被破坏得太快；但也不至于没那样少，以至于生物分子没任何变化。

据推断，44亿年前或者更早——第一滴液态水出现。在此之前，都是火山喷发的水蒸汽（原始大方最多的是氮气、二氧化碳、水蒸气），生命有机物质、生命的基石和养料在此阶段可能已经完全拥有，由于要很多产生原始细胞，就需要很多材料。

第四章 亿万斯年，一场大雨

地球在刚形成的时候看着是什么样子？这是个发生在人类将自然奇观镌刻石头之前，在树木将四季刻入年轮之前，是山脉经由板块运动突出地表之前，也是山川暴露于古老地层以前的问题。

地球诞生于原始太阳系的尘埃云盘之中，历经星尘、烈火、汪洋、沙漠、寒冰的无数磨难淬炼，终于进化成现在蓬勃灿烂的模样。46亿年里，地球不断变化着，呈现出迥然不一样的多副面孔：满是岩浆流淌的熔化地球、布满陨石坑的蜂窝地球、硫化气体熏蒸的恶臭地球、铁锈遍布的玄黄地球、玄武岩覆盖的黑色地球、汪洋无际的蓝色地球、冰盖包裹的白色地球、沙漠绵延的棕色地球、植物疯长的绿色地球……直达今天海陆相间、地貌多样、生机勃勃的生命地球。

为了书写便捷，大家简单把地球分为以下几个年代：混沌年代、熔浆年代、滚石年代、暴雨年代、浅水年代、玄黄年代、洪荒年代、深水年代分别论述。

I 混沌年代

刚开始，没地球，没太阳。大家的宇宙更不是从真空中忽然出现的，由于在大爆炸之前，连真空和时间也没，甚至连可以容纳事物的“空”都没有。一片虚无，一无所有，然后，就有了。宇宙大爆炸——这一创世的奇点，是从无到有些转折，超越了现代科技的眼界，超越了数学的逻辑，但却具备决定性。全部的空间、能量与物质都从不可知的虚无中诞生。

在大爆炸之后的一秒钟的一瞬，刚开始的亚原子粒子出现了——电子和夸克，这是大家世界中全部固体、液体和气体的本质。此后不久，仍然是在第一秒钟的一瞬，夸克结成对子或三联体，形成质子和中子，落户在每一个原子的核中。此时宇宙烫的荒谬，这种极热持续了约50万年，直到持续的膨胀最后把宇宙的温度降到了几千度——这就足够“凉快”了，电子就能被吸附在原子核周围，形成第一批原子。第一批原子绝大部分是氢——超越全部原子的90%，还有百分之几的氦，与一小撮锂混进去。这类元素的混合物构成了第一批恒星，最早分子HeH3+已经过科学家证明。

科学家觉得，在大爆炸的10万年后，中性氦原子（He）与质子（事实上是带正电的氢离子，H⁺）会开始反应，形成宇宙中的第一批分子：HeH⁺（氦合氢离子）。这是宇宙演化的第一步。原子有了、质子有了、分子有了，连恒星也有了，万事俱备只欠东风，在特别高的稳度、巨大的重压之下，开启了核聚变的过程，释放很多的能量。恒星因此膨胀了不少倍，爆炸成刚开始的超星新。

伴随第一批恒星的爆炸，宇宙开始变得越发有趣。老恒星炸飞的碎片，成为新生的恒星群的种子，方法是形成新的星云。每一团巨大的星云，由气体和尘埃构成，那其实是此前很多恒星的残骸。每一团新星云所含的铁都比上一次更多，所含的氢都比以前的恒星群更少。在130.7亿年里，这种循环持续不断。伴随老恒星产生新恒星，无数亿颗恒星在无数亿个星系中涌现。包含大家的银河系、太阳系。

46亿年前一片巨大氢分子星云的引力坍缩，坍缩的水平大多集中在中心，形成了太阳。其余部分一边旋转一边摊平，形成了一个原行星座命盘，继而形成了行星、卫星、流星体和其他太阳系小天体。地球最开始由气体、冰粒、尘埃形成的直径为一至十千米的块状物，这类物质经过1000至2000万年的吸积成长，最后形成原始地球。

对于宇宙来讲，没什么物质是亘古不变的。大家居住的这个天体悬浮在宇宙中，围绕着太阳一圈圈的转动。依据化石记载和上一章的判断，地球约诞生于45.4亿年前。在这从古到今天的几十亿年的时间中，地球也转了几十亿圈，地球纪元也历程了不少的历史，很难计数的物种是没留下痕迹或者人类迄今并未发现痕迹的。不过，没办法精确测定到地球元年。在地球从无到有，从气体尘埃到形成的那一刻，可称为混沌年代。

II 熔浆年代

在45亿年前的银河系中，很多的尘埃和小行星围绕着早期的太阳旋转，这类转动的物质既有微小的灰尘，也有直径几百公里的小行星。不久，大大小小的物质开始相互碰撞，没碰碎的空间物质结合在一块，形成了一个岩石体，这就是地球的雏形。

伴随愈加多碰撞物的聚集，地球渐渐长大了，其引力场也渐渐变得愈加强，使周围旋转的星际物质愈加快的拉像地球，以更强的力量冲击地球的表面，形成巨大的陨石坑，释放出很多的热。

在强大热量用途下，地球的外层开始融化，形成了一个沸腾的熔岩浅海，还有很多的热被地球内部吸收，埋藏在成吨的不断成长的岩石下面，如此的过程持续了几百万年，直到地球长成目前的样子。

然而这类描述全都是依据推论而来，地球刚开始数百万年时期的证据并没留下来。大家的地球是个终极循环器，板块运动不停地把老岩块翻新，而熔岩流变硬就形成新的地景。大家不可以以目前的地表样式来刻画地球刚形成时的样子，45亿年前的地球刚形成时，地表非常可能和目前完全不同。科学家依希腊神话的冥王之名，将此时期命名为冥古时候（Hadean），这名字极为贴切，由于这个时候的地表不断遭到陨石袭击，地面充斥着汨汨流出熔岩的火山，有着炽热炼狱般的景象，假如这个时期你穿越回去，对于生命来讲你看到的肯定是一个地狱普通的场景。

到44亿年前，撞击的降低使岩浆海的活动减弱，地球的表面开始冷却，慢慢地，冷凝的岩浆形成一层薄而黑的地壳覆盖着地球，虽然行星撞击和火山喷发不时地把地壳撕开，把炙热的岩浆喷向天空，但伴随撞击的不断降低，冷却的不断进行，地球表面形成了愈加厚的地壳，地球从熔浆进入到陨石乱飞的年代。

III 陨石年代

地球从诞生到40亿年前，是著名的重轰炸期。顾名思义，地球遭到了高频的全球范围的轰炸，炸弹就是很多小行星、陨石与彗星的轰击。

由于地球的地貌已经被后来的地壳运动和风和河流改变，所以一般会参照月球进行研究，由于月球几十亿年前的地质条件都保存完好。依据重轰炸期月球撞击坑推算（月球面对地球的那一面的大部份大型盆地如危海、静海、澄海、丰富海和风暴洋也都是于此一时期撞击形成的），地球当时的场景可以想象一下：

每隔十几年，就会有一次毁天灭地的撞击，撞击坑直径约5000公里，等于整个中国大小；每隔2年，都会有一次瞬间毁灭全球的撞击，撞击坑直径约1000公里，等于法国大小；天天，都会有猛烈撞击的发生，撞击坑直径大于20公里，每一个都足以毁灭现代人类文明，当时地球完全超出于其他人的想象，这就是重轰炸期。

冥古宙在40亿年前结束后，内太阳系不再有大规模撞击事件。现在已知的地球最古老的岩石是于格陵兰发现的依苏阿绿岩带，由约38亿年历史的沉积层和火山岩脉所组成。坐落于北美克拉通盖层的艾加斯塔片麻岩及西澳那瑞尔片麻岩层的形成也基本在38亿年前。

在整个陨石年代，地球从一个炽热的岩浆球，地质活动剧烈、火山喷发遍布、熔岩四处流动的年代，对生命来讲天天都是灾难。但，生命就是在如此恶劣的环境中诞生了。让大家这类40亿年后的地球人类复原那时候的地表状况是几无可能的，然而科学家的确从锆石（zircon）这种极度坚固的矿物中找到了一些线索。

锆石结晶几乎坚不可摧，现存的锆石有的已经将近44亿岁了。它们就像是微小的时光胶囊，里头装着很早期的化学足迹。这基本上是大家窥看地球成形阶段的唯一机会。罗彻斯特大学（University of Rochester）的达斯汀．崔尔（Dustin Trail）在《美国国家科学院刊》（PNAS）上的一份新研究里，正缓慢地厘清孕育刚开始生命型态的环境情况。

IV、暴雨年代

从冥古宙结束到太古宙开始。地球表面的温度减少，开始冷却凝固。刚开始的大方可能由水汽、二氧化碳、氮组成，火山爆发所释放的气体形成了次生大方。水汽的蒸发加快了地表的冷却，形成了极为坚硬的以花岗岩结晶为主的岩石，地球岩石自此开始稳定存在并可以保留到目前。

地表的冷却使大方中的水蒸气凝集，水滴以降雨的形式落到地面上，暴雨连续下了成千上万年，雨水流过地球表面，灌满了盆地、陨石坑和自然形成的凹地，顺着溪流流动，河水夹携带各种矿物质和生命分子，百川汇流形成了海洋。这个时候海水是酸性的，而且很热，水温大概有100℃。

锆石结晶因为很坚固，所以常常能从这个循环过程的极端温度与重压中存活下来，保留了它们初形成时所处环境的线索。研究职员早先借助锆石的氧同位素剖析，发目前43亿年前液态水就已覆盖了部分地表，这显示了地球表面在形成后的数亿年就已经冷却了。

达斯汀．崔尔团队找上加州大学洛杉矶分校的高分析度离子微探针（high-resolution ion microprobe）来帮忙，它会对着微小的样本射出一束带电的原子，然后测量弹出来的那些离子。

他们从西澳洲的杰克山岗（Jack Hills）区域采集了超越40亿年前形成的锆石进行检验，每一个大约100微米宽，接近人发的粗细。他们把这类古老矿石的化学性质，拿来和更年轻、起源更确定的锆石（可把这类年轻锆石视为地质史的桥梁）互相比较，能够帮助理解不一样的同位素比率，在被检验的古老锆石中，超越半数显示出岩石与水非常早就在很多不同环境中互相用途。

有的锆石含有岩石被水蚀化成黏土的化学特点，其他锆石所带的特点则是矿物溶解后再结晶所形成的岩石，比如湖里或海里的角岩（chert）或带状铁矿床（ banded iron formations）。还有一些则具备所谓的蛇纹岩化用途（serpentinization，因其带有蛇皮般的纹理和颜色而得名）的特点。在这个过程中，水和富含铁、镁的岩石发生用途而被并入矿物的结构里。非常重要的是，这类过程全都创造了能促进早期生化反应的有利基石，成了照亮早期生命的微光。

大家周遭万物和体内世界一度来源于星尘，来源于那些形成每一个分子、矿物乃到今天日复杂生物的早期过程。从手机到食物，从古菌到真核细胞，与你胸中跳动的心脏皆是这样，而科学家才刚最初厘清地球的由来。

V、浅水年代

即便目前，地球的表面更不是平整的，而是坑坑洼洼的。原始地球的地表形态有过之而无不及。地球渐渐变冷，地面温度终于降到水的沸点以下，于是倾盆大雨从天而降，好似千军万马，奔向低凹之处。那时的地球，时而在这里，时而又在那里，降着倾盆大雨。如注的雨水，一遍又一遍地冲刷着一向干燥的地面，它们汇成巨流流向低洼的地方，日复1日，月复1月，年复一年。经过多年的降雨，便形成了江河湖泊和汪洋大海。

科学家们把最早形成的大海称作 原始海洋 。此时的大洋水不只紧急缺氧，而且含有很多的火山喷发酸性物质，如HCL、HF、CO2等，具备较强的溶解能力。依据科学家对化石的研究，大约在40亿年前就形成了原始海洋。

原始海洋的规模远没现代海洋这么大。据估算，其水量大约只有现代海洋的10%。后来，因为贮藏在地球内部的结构水的加入，才渐渐形成了蔚为壮观的现代海洋。原始海洋中的水不像现代海水又苦又咸。现代海洋海水中的无机盐，主如果通过自然界周而复始的水循环，由陆地带入海洋而逐年增加的。可是，原始海洋中的有机大分子要比目前海洋中的丰富得多。

原始大方化学演化过程中所形成的氨基酸、核苷酸、核糖、脱氧核糖和嘌呤等有机分子都伴随雨水冲进了原始海洋，并飞速地下沉到原始海洋的中层，从而防止了因原始大方缺少臭氧层而导致的紫外线伤害。又经过了很久，原始海洋中的有机分子愈加丰富（据推断，在原始海洋中有机分子含量达到了1%）是因为当时大方中无游离氧，因此高空中也没臭氧层阻挡，不可以吸收太阳辐射的紫外线，所以紫外线能直射到地球表面，成为合成有机物的能源。除此之外，天空放电、火山爆发所放出的能量、宇宙间的宇宙射线，与陨星穿过大方层时所引起的冲击波等，也都能够帮助有机物的合成。但其中天空放电可能是非常重要的，由于这种能源所提供的能量较多，又在挨近海洋表面的地方释放，在那里它用途于还原性大方，所合成的有机物质，比较容易被雨水冲淋到原始海洋之中，使原始海洋富含有机物质，这就为生命的诞生创造了必要的条件。

而大家觉得，原始生命材料并非在原始海洋中产生的，或者说是原始海洋组装了生命。地球上已经原本有不少产生生命的质素，比如RNA、DNA和很多辅酶与矿物质，他们伴随雨水一块流向了海洋，而且恰巧淹没了最大概产生生命的地方，也就是原始的陨石坑、硫铁矿床、硝化池、火山口、喷泉、冰面。沙漠等等所大概产生生命的地方，海洋并非产生生命的第一现场，而是生命汇集的地方，正好，由于海水漫灌，淹没了，使原来的产地成为了土著，所以真的值得研究的生命第一现场是陨石坑、硫铁矿床、硝化池、火山口、喷泉、冰面、沙漠等等，当然大海也值得研究——第二现场。

vi、玄黄年代

生命怎么样起源，第一还要看你怎么样概念生命。在这里，大家要提出大家的假设，生命起来自于那些陨石坑、硫铁矿床、硝化池、火山口、喷泉、冰面、沙漠等等著名的土著现场，它们已经是大家耳熟能详的名场面。

第一，地球上确实拥有支持碳基生命产生的所有材料物质。这类材料主要包含：

有机分子：由碳原子构成的有机分子是生命的基础，它们可以形成从简单的碳氢化合物到复杂的DNA分子等各种生物大分子。

主要元素：构成碳基生命的最主要元素包含碳、氢、氧、氮、磷、硫、镁、锰、钾、钠......这类元素在生物体内发挥着不一样的用途，如碳是构成生物大分子的骨架，而氮和磷则是构成核酸和蛋白质的重要元素。

碳的特殊属性：碳原子具备独特的化学性质，它可以与其他元素（包含自己）形成稳定的共价键，创造出多样化的化合物。这种特质使得碳成为构建复杂生命系统的理想的原子。

丰富的碳来源：地球上的碳可能源自太阳系原行星座命盘形成并变暖后，由星际介质所积累起来的碳，这类碳在地球形成过程中被纳入地壳，成为生命诞生的物质基础。

所以说，地球上的环境和化学元素为碳基生命的产生提供了必要的条件。从简单的有机分子到复杂的生物体，碳基生命借助了地球上丰富的碳资源和其他元素，通过一系列复杂的化学反应，形成了大家今天所见的多样生命形式。

那样，通过了什么复杂的化学反应，形成了大家所见到的什么生命形式呢？这还要从一个个具体的分子说起。

大家了解，构成生命的最基本分子是核酸和蛋白质，它们又是由一些基本的单元累积而成的，蛋白质的基本单元是氨基酸，核酸的基本单元是核糖核酸（RNA）和脱氧核糖核酸（DNA），科学家通过实验室模拟早期地球条件的实验，确定了氨基酸可以在地球上形成。同时还有研究表明，氨基酸可能是外太空的产物。也就是说，地球上有很多的蛋白质的基本单元。

对于核苷酸，目前也有很多的实验表明，嘌呤碱或嘧啶碱、核糖或脱氧核糖与磷酸这类组成部分在地球早期环境中可能存在。海相起源说提出，在原始海洋中，小分子氨基酸和核苷酸可以吸附在黏土等物质的活性表面，在适合的缩合剂存在时，可以缩合成高分子聚合物，继而产生团聚体和原始细胞。

大家假设RNA或者DNA和蛋白质是在原始海洋产生之前就在那些著名的土著地址形成了，当大雨到来之时，他们被冲刷进地表的凹陷或者裂缝了，就在原地简单代谢的催化下，行成了相互融合的合作体，他们互相促进、互相支持，合作的很愉快，从而数目日渐增多。

这个时候，从外面漂浮而来不少脂肪分子，由于脂肪的密度比较低，他们漂浮在水面上，同时他们有哪些用途也很巨大，可以为RNA和DNA提供蔽体之衣，也就是让RNA和DNA有了区隔外面的膜，但依据密度原理，ρ蛋白质 ＞ρ糖类 ＞ρ水＞ ρ脂肪。所以脂肪是漂浮在水面之上的，而在水底下的核酸、类核酸已经产生了不少，它们满溢在四周，角逐追逐着脂质双层膜囊，就像精子追逐着卵子，那些结合着蛋白质被保护的最好的核酸率先闯进了脂质双层膜囊，没进入到脂质双层结构的物质，就像是编外的，变成了病毒、类病毒、支原体、衣原体、立克次体或者散在的各种RNA，像魔法一样飘荡在四周的水域中。

说一下大家的基本结论：

1.DNA、RNA及氨基酸、蛋白质起源的比较早，在原始海洋之前就通过干湿循环形成了。

2.那场千年大雨，将它们冲刷到各种含能量的坑洼之地，导致了它们的复制兴盛。

3.简单的代谢需要水，在冲刷进RNA和DNA、蛋白质的坑洼之地进行着。

4.由于质膜密度比较小，当RNA和DNA、蛋白质比较多时，它们满溢四周，角逐结合者多类型型的膜成分。

5.没进入到脂质双层结构的物质，就像是编外的成分，变成了病毒、类病毒、支原体、衣原体、立克次体或者散在的各种RNA，只能进行寄生、腐生和共生。

所以大家称为云雨起源说、冲洗（刷）理论，起源土著说、病毒编外说与能量形式决定生命形式等等新说，既然假说已经提出，那样下面大家大家需要的就是证明。

第五章 最简单的复制单元、代谢单元和膜脂（古菌单层膜）

以下七万字文字将陆续上传。

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