是什么點燃生命?

邵峰

45.5億年前，剛剛成形的太陽系一片混亂。當時的地球頻遭系內(nèi)小行星狂轟濫炸，是一顆熾熱的行星，根本不適宜生物生存。此后的十億年間，太陽系逐漸穩(wěn)定下來，地球表面的環(huán)境也變得越來越適宜微生物生存。今天，生命已經(jīng)遍布地球。那么，是什么導致了生命誕生在地球上？

生命并不神秘

科學界目前公認的最古老的生物化石形成于35億年前，是一種類似現(xiàn)代細菌的單細胞微生物。作為生命的基本單元，細胞有三大特征：細胞膜、新陳代謝和基因。這些特征的主要成分也已經(jīng)明晰：細胞膜的主要成分是脂類;新陳代謝的實施者主要是各種酶（蛋白質(zhì)）;基因則由核苷酸鏈構(gòu)成。

史丹利·米勒和他設計的米勒實驗。

20世紀50年代，一名叫作史丹利·米勒的科學家在甲烷、氨氣和氫氣組成的混合氣體中進行放電實驗，結(jié)果得到了甘氨酸和丙氨酸等氨基酸，這個實驗也被稱為“米勒實驗”。在他之后，另一些科學家用不同的簡單化合物進行了類似實驗，合成了包括糖和脫氧核糖核酸等在內(nèi)的更復雜有機物。

2001年，科學家發(fā)現(xiàn)，在蒙脫石的催化和160℃的高溫下，甲酰胺（宇宙中的一種常見有機物）能形成構(gòu)成RNA（核糖核酸）的基礎(chǔ)成分。不僅如此，甲酰胺在其他條件下還能形成氨基酸。此外，在含有紫外線、水、熱源和簡單化合物的環(huán)境中，氨基氰（也是一種常見有機物）可以生成核苷酸、氨基酸和脂類的前驅(qū)物。無數(shù)實驗告訴人們：生命并不神秘，因為構(gòu)筑生命的“材料”在大自然中隨處可見。

哪個特征最早出現(xiàn)？

因為細胞的三大特征十分復雜，所以許多科學家認為三者并非同時形成。因此，肯定是最先出現(xiàn)的那個特征創(chuàng)造出了其他兩個特征。

一種早期觀點認為，蛋白質(zhì)在細胞中發(fā)揮著舉足輕重的作用，因此蛋白質(zhì)很可能最先出現(xiàn)。20世紀50年代，美國生化學家?？怂拱l(fā)現(xiàn)，加熱氨基酸可以得到類似蛋白質(zhì)的肽鏈分子，進而形成類似細胞的球體。這種分子可以催化某些化學反應。他將其稱為“類蛋白質(zhì)”。然而，類蛋白質(zhì)能夠?qū)崿F(xiàn)的功能也僅限于此，并未展現(xiàn)出更多可能性。

因為基因負責指導細胞合成蛋白質(zhì)，所以基因先出現(xiàn)也是有可能的。近年來，許多科學家開始關(guān)注“RNA世界假說”，也就是說地球歷史上曾經(jīng)存在一個只有RNA分子的時期。和DNA一樣，RNA也能攜帶基因，并且某些RNA也具有一定的催化化學反應的能力，這意味著最初的RNA分子或許能夠催化復制自身的化學反應，并促使生命誕生。不過，科學家用了幾十年時間，也沒能合成這個被稱為“分子生物學之夢”的RNA分子。

細胞膜為細胞提供穩(wěn)定的內(nèi)環(huán)境。那么，有沒有可能細胞膜最先形成？20世紀70年代，一位美國科學家發(fā)現(xiàn)。在水中加入氨基氰和甘油這兩種簡單化合物，并將溶液加熱至65℃，可以得到類似細胞膜磷脂層的結(jié)構(gòu)。隨后，科學家將這些物質(zhì)置于鹽水中并充分搖晃，得到了具有雙磷脂層的球形結(jié)構(gòu)——和細胞膜的結(jié)構(gòu)一樣。這個實驗表明，常見化合物組合在并不苛刻的條件下可以自發(fā)形成細胞膜。但負責該實驗的科學家也表示。細胞膜無法完成基因的工作，也無法構(gòu)成酶。因此。即便細胞膜最先形成，也無法自我復制。

在細胞的三大特征中。哪個特征最先出現(xiàn)？

三者可能同時出現(xiàn)

在尋找“原始生命物質(zhì)”的過程中不斷受挫，讓一些科學家開始反思：細胞就如同汽車，兩者都是有機的整體，但汽車底盤不會自動形成輪胎和發(fā)動機，因此，細胞中的一種物質(zhì)創(chuàng)造其他物質(zhì)的可能性應該也不大。

因為細胞的三大特征都可以通過簡單的碳基化學反應實現(xiàn)，所以一些科學家大膽提出：生命誕生之初就集齊了細胞形成所需的所有要素。這種觀點被稱為“同時生成論”。在脂類、RNA和蛋白質(zhì)共同存在的情況下，三者能夠互相配合，保持彼此穩(wěn)定：脂類形成的細胞膜結(jié)構(gòu)有助于RNA和蛋白質(zhì)形成，并幫助RNA復制，RNA則負責保持細胞膜的穩(wěn)定。三者如果同時形成，生命會有更大概率存活下來。

誕生于實驗室的“始細胞”。

最初的生命可能誕生自火山附近的地熱池。

2003年.美國科學家用脂類搭建出了多個始細胞，其內(nèi)部能夠包裹RNA分子。在蒙脫石分子的幫助下，這些始細胞的形成速度非?？?，而蒙脫石本身也會和RNA分子一起被包裹在始細胞中。包含RNA越多的始細胞長得越大，這些始細胞之間存在競爭。不僅如此。這些始細胞還能自我復制RNA，并分裂形成后代。這表明細胞的生長和復制可以依靠簡單的化學物理反應進行。

“同時生成論”唯一無法解釋的是新陳代謝。新陳代謝不像其他兩個特征可以有簡化版本，而是必須包含完整的化學反應過程?，F(xiàn)代生物的新陳代謝由大量蛋白酶精準調(diào)控，第一個細胞不可能具備這樣復雜的調(diào)控系統(tǒng)。不過，近年來科學家開始尋找如何不依靠蛋白質(zhì)完成新陳代謝。研究表明，新陳代謝的許多重要化學反應可以在鐵等金屬元素（往往還有硫元素參與）的幫助下完成。這無疑是個振奮人心的消息，因為地殼富含鐵元素。

如果“同時生成論”是正確的，那么我們就能大致描繪出地球生命搖籃的環(huán)境。目前始細胞研究中涉及的大部分反應都需要紫外線參與，一些關(guān)鍵的反應步驟需要干燥條件。這表明，要讓生命自發(fā)形成，首先要有固體礦物表面，最好還能有蒙脫石等黏土礦物，然后需要日照來提供一定量的紫外線輻射。環(huán)境溫度不能太低，否則水無法周期性蒸發(fā)，也就無法形成干燥條件。一些支持“同時生成論”的科學家認為，生命最初形成于化合物豐富的池塘中，比如有小溪流經(jīng)的隕石坑，或位于火山區(qū)域的溫暖的地熱池。

雖然“同時生成論”得到了許多科學家的支持，但依然有許多問題有待解答。也許，生命起源的真相遠比我們想象的更復雜。

隕石補充生命原料

構(gòu)成生命的三大基礎(chǔ)物質(zhì)一核苷酸、蛋白質(zhì)和脂類互相之間差異巨大，因此不少科學家認為，三者不可能同時生成于同一個環(huán)境中。不過，隕石可能為生命最初誕生的“原始湯”中補充了必要的生命原料。

2012年發(fā)現(xiàn)于南極地表的“明日香12236”隕石（簡稱12236）形成于至少45億年前的某次小行星相互撞擊事件?？茖W家在12236樣本內(nèi)部發(fā)現(xiàn)了包括甘氨酸、丙氨酸、絲氨酸和谷氨酸在內(nèi)的多種氨基酸，其含量甚至是之前一塊名為“巴黎”的隕石氨基酸含量的2倍。

科學家猜測，12236的母體小行星為氨基酸的合成提供了完美條件。12236的母體小行星中含有的放射性元素在衰變過程中釋放的熱量融化了小行星上的一些冰，導致適量水滲入小行星內(nèi)部?？茖W家相信，12236很可能來自一顆小行星溫度較低的外層區(qū)域，這里的溫度和水分剛好符合氯基酸形成所需的條件。