由生到命，生命起源的秘密

在《最後22圈，那個派往土星的傢伙就要「退休」了~》一文中我們介紹了那個把一生都貢獻給土星探測的卡西尼號，北京時間2017年4月14日凌晨2點，美國國家航空航天局(NASA)在華盛頓總部的詹姆斯·韋伯禮堂召開新聞發布會，宣布土衛二(Enceladus)上具備生命所需的所有條件。

那麼問題來了：生命究竟如何出現？難道真的有地外生命的存在？

生命究竟是什麼？

從古至今許多科學家以及哲學家都在被一個問題所困擾：生命到底是什麼？是活著的物體，還是可以呼吸的一切事物？

其實，「生命」很難定義，但一般具有如下特徵：

(1) 具有細胞結構；

(2) 能夠從環境中獲得能量而生長, 並根據自身的遺傳密碼系統進行繁殖；

(3)能夠對環境刺激作出反應；

(4) 能夠進行新陳代謝(比如: ATP+H2O→ADP+Pi+能量)；

(5) 能夠組成複雜的結構；

(6) 個體能夠適應環境, 而其群體則可以進行達爾文演化。

地球是迄今為止唯一確定有生命存在的星球。所以想要確定是否真的有地外生命的存在，我們可以從地球生命的起源說起。

生命從哪兒開始？

說起生命的起源，首先就要提到生命發生的基本化學條件。

根據目前對地球生命的了解，液態水的持續存在是產生生命最基本的也是最重要的前提條件。

水不但是生命體的主要成分，而且其另一個重要作用是溶解有機質或無機質。水-岩或水-礦物之間的相互作用不僅使地球在自身的地球化學條件下能夠產生有機質，也為生命起源和生物圈提供了營養物質。所謂有機質(有機物)，指的是有生命機能的物質，也是生命體的主要成分。

簡而言之，有機質是含有碳元素的除CO2、CO和碳酸鹽之外的化合物。因此，除了水之外，生命發生還需要碳元素。

早先，人們已知的有機物都從動植物等生命有機體中取得，所以把這類化合物叫做有機質，通常是指含碳元素的化合物，或碳氫化合物及其衍生物，目前人類已知的有機物達900多萬種，數量遠遠超過無機物。

碳(C)是宇宙中的基本元素之一，也是所有生命分子的基本骨架元素。

碳不僅能與自己結合，還能與氫、氧、氮和硫等元素結合，從而形成具有複雜結構的有機物，並能與水進一步相互作用，開始具有代謝和自組織的前生命化學功能。

上面我們提到，生命的發生需要水和有機質。水分子(H2O)是宇宙中最簡單的化合物分子之一，其合成需要的條件和過程相對於大分子、超大分子的有機物來說要簡單得多。因此，在具備了水的條件下，有機物的合成就是生命發生的關鍵。

但最早的有機物是不是在地球上合成的呢？換句話說，地球上有機物的來源是哪裡呢？

有機物從哪裡來？

有機物的來源問題是生命起源問題的根本，回答了這個問題，地球生命的起源也就解決了。但地球生命的起源和演化過程不可能回溯，因此就有了很多關於生命起源的假說。

這些假說歸結起來，可以分為兩大類。

其中一類是地表起源說，認為生命是在地球形成以後若干年的原始地球表面起源的，其中以「化學起源說」最具代表性，認為地球上的有機物是在地球上合成的，源自地球，因而，地球生命也源於地球本身。

這類假說的根據在於，有機物中的主要元素C、H、O、N、P、S、K、Ca、Mg等均為地球上常見的元素，而最簡單的有機物甲烷(分子式CH4)僅涉及兩種元素，因此有機物是完全可能在地球上合成的。「化學起源說」的內部觀點很多，特別是在生命起源的途徑或方式上各家有著很大的分歧。

另一類就是地外起源說，認為地球上的有機物來源於外太空，也就是說，有機物起源於外太空的某個星球，然後通過隕石帶到了地球，而地球正好有適合其自身複製的條件以及水，這些有機物就在地球上自我複製，逐漸形成了多糖、脂肪、蛋白質、核酸等生物大分子，進而產生了生命。

這類假說中有的甚至乾脆認為，是隕石將最原始的地外宇宙生命胚種(微生物或孢子)帶到地球上，地球生命由此發展而來，這類觀點過去和現在都有不少著名代表人物，如李比希、霍伊爾等，目前流行的主要假說有「彗星說」、「新宇宙生命論」、「星際生命種子假說」等。

細胞成就生命？

其實關於生命起源，最大的問題就是細胞和非細胞之間的鴻溝，有細胞形式的就是有生命的，沒有則是非生命的。

關於最早的細胞的形成，研究人員Koonin和Martin提出了一個關於基因材料和細胞的地球化學物質的專門化的概念。

我們已經知道，生命的基本特徵還包括繁殖和代謝，只有有了繁殖特性和代謝功能，生命才能順利繁衍下去，而代謝和繁殖都需要物質和能量。

但其實關於代謝的起源也有很多假說，其中以德國的Wätchersäuser為代表的高溫起源學說以及以Miller為首的低溫起源學說支持者更多一些。

高溫起源學說闡述了生命的最基本有機分子是如何合成的。

在我們存在的生態環境里，海底熱液環境中存在著密集的包括古細菌、嗜熱細菌、管狀蠕蟲、蛤類、貽貝類、雙殼類、腹足綱的軟體動物、甲殼類、節肢動物的蝦類和蟹類、須腕動物、棘皮動物、環節動物、脊索動物、脊椎動物魚類等在內的豐富多樣的生物群落。

所有這些動物維持生命所需的最初能源，並不是依靠陽光的光合作用，而是深海熱泉噴出的硫化物。

化學自養細菌利用氧化熱液中的硫化物(如H2S) 所得到的能量，去還原CO2而製造有機物，其他動物都是依靠細菌還原噴口熱液中的硫化氫作為原始能量來源，因此這些學者認為地球上最早的生命應該是自養型的。

但也有許多科學家仍然偏愛前生命原湯的概念。最早的微生物靠氧化這個原湯中還原態的碳化合物來維持生命，即生命代謝的起源以異養為先。

深海海底黑煙囪

相反，低溫起源學說認為，僅僅根據現代生命的最初始祖先是超級嗜熱菌而認為生命起源於高溫環境是不可靠的，高溫菌的生存環境不能用來解釋其起源及核糖核酸(RNA)的存在等問題。

低溫學派指出，前生命的化學要求必須是一個低溫的環境，因為許多生物物質在100℃就快速分解，因此高溫對於生命世界與無機世界之間的橋樑——RNA的存在是極為不利的。

儘管如此，生命的高溫起源學說也不是毫無道理，所謂的「基因在先」還是「代謝在先」的爭論其實僅僅是個邏輯問題而已。

無論生命如何起源，無論其最早的代謝是自養的還是異養的，整個生命起源的過程以及整體上的生化過程都必須有利於化學反應進行。這種能夠保持地球化學能量供應和微生物細胞內部能量供應的條件就是存在一個能量梯度。

還原生命伊始

雖然現如今有著種種關於生命起源、代謝起源的假說，但綜合考慮生命的特徵、地球的演化歷史和地球的理化條件，最有可能的地球生命的起源和演化過程也許是這樣的：

大約50億年前，太陽系在演化過程中形成地球，而地球表面到處是火山在噴發，到處充滿熾熱流動的岩漿。慢慢地，經過數億年，地球冷卻下來，火山變少、噴發量變小，冷卻后的岩漿變成了岩石，死寂荒涼，沒有水，沒有氧氣因而呈現出紅色而不是藍色。

地球表面的水全部由太空收集而來，這是因為在太陽系的行星形成后，太陽系中仍然存在大量氣體和塵埃，它們形成了很多小的天體在太陽系空間中飛行遊盪，這些小天體中就包括彗星，其主要構成成分是水。

當小天體遇到太陽系中質量較大的天體例如行星時，由於萬有引力作用而被吸附在行星表面。

於是地球軌道周圍的水便被地球吸附，地球開始進入了整日大雨傾盆、電閃雷鳴的時代，這場大雨一下就是幾百萬年。

由於地球軌道離太陽的距離非常完美，非常適合生命的存在，地球可以接收到更多的太陽光，使地球保持溫暖，利於生命的繁衍，而在太陽系外邊緣的海王星、天王星非常寒冷，則不可能有生命的存在。

加之，地球的質量剛剛合適，可以將表面的大氣吸住不至於散失到太空中，厚厚的大氣層利於地球表面的保溫。

太陽系

經過幾百萬年的大雨，地球表面積攢了大量的水，以固態(冰)、液態(水)、氣態(水蒸氣)的形式存在，液態水流到地球表面的低洼處彙集，形成了古海洋。

大約40億年前，生命在古海洋中孕育。

可能是因為在黑暗的深海海底，地球內部岩漿加熱過的硫化物噴發出來，催化了古海洋中的無機物合成了有機物；也可能是因為在電閃雷鳴的古海洋表面，雷擊帶來的熱和光催化了古海洋中的無機物合成了有機物。

總之，有機物一旦形成，便發揮其自我複製的特性，大量合成，簡單的有機物在熱的催化下，合成了複雜的有機物，例如多糖、脂肪、蛋白質、核酸等生物大分子。

這個過程經歷了數億年的時間，最原始的細胞，同時也是地球上所有生命的祖先就這樣出生了，生命出現了。

其實最原始的生命就是細菌，在古海洋這個巨大的培養湯里，原始的細胞通過複製、變形、變種的形式進行繁殖，開始大量出現。它們通過細胞膜吸收外界的物質和能量，在細胞內完成代謝和複製等一系列複雜的生命過程。

原始細菌

大約15億年前，細胞發展出了細胞核。細胞核有一層薄膜保護，從而保護了細胞的遺傳物質——基因。

在地球生命早期的30多億年中，生命的基本形式是微小的單細胞生物，一直到8億年前，第一個多細胞生物出現了。儘管，此時所有的生物仍然只存在於海洋中。

深海海綿

大約4億年前，古海洋中的生物開始登陸，植物、昆蟲、脊椎動物等開始進行在陸地上繁殖。生物終於在地球的所有環境，包括陸地、海洋，赤道、兩級，高山、峽谷，潮間帶、深海，熱液、冷泉等繁衍開來，形成了五彩繽紛的生命世界。

南海深海冷泉貽貝-鎧甲蝦群落

太平洋馬努斯深海熱液噴口附近管蟲群落

潮間帶海藻

白洋淀生境，示陸地植被和淡水環境

地球生命的起源不可能只是孤立的自然事件，也不可能只是起因於地球形成數億年後原始地表或地外某種單純因素的作用，而是與非生命物質、前生命有機物的起源與演化密切聯繫在一起的，是地球形成過程中，天、地、生等多因素綜合作用的結果。

無論生命是如何起源的，地球本身的演化歷史和條件使得生命的發生對於地球來說是一個必然事件，但對於浩瀚的宇宙和上百億年的宇宙演化史來說，地球生命絕對是一個偶然事件，是宇宙中的奇迹。

今天是大院一周歲的生日哦，生命的意義在於風雨前行有你相伴

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