生命之源 第3期

生命的起源始于水

生命是如何在地球上开始起源的，一直都是科学界的一个难解之谜。虽然科学家们提出了各种各样的假设，但都没有绝对令人信服的证据来证明这些假说的可靠性。比较经典的一种解释认为，生命是在地球漫长的岁月中逐步演化，从无机到有机，从低级到高级的过程，这就是“化学进化论”。

根据化学进化论的描述，地球形成之初，原本没有生命，只存在各种无机物。通过长时间的地球演化，含有甲烷、氨、氢气等小分子无机物的气体在紫外线、电离辐射、雷电等能量作用下，逐步生成了有机的小分子物质，如核苷酸、氨基酸，使原始的海洋成为一种“原始汤”。

此后，“原始汤”中的这些有机小分子，经过了长时期的相互作用，在有硫、磷、金属等土壤的适当条件下进行缩合或聚合反应，逐步形成一些简单的有机高分子物质，如蛋白质、核酸等分子。在此之后，海洋中的蛋白质、核酸分子数量不断增多，浓度也不断增加，在特定的条件之下，又被分离、凝聚，并脱离原来的海洋环境，构成可与外界进行简单物质交换的多分子体系。最后，这些多分子体系逐步演变，通过蛋白质和核酸的相互作用，最终产生了有原始新陈代谢功能并进行自我繁殖的早期生命。

打个比方，原始海洋就像一盆稀薄的热汤，里面含有许多有机物，这些有机物不断的相互作用，经过及其漫长的年代，逐渐形成了原始的生命，因而可以形象地把原始海洋比作是生命的摇篮，是原始生命形成的场所。当初期生命产生之后，通过不断的演变、进化，旧物种消亡，新物种产生，这才逐渐形成了现在地球上多姿多彩的生物圈。

生命起源的化学进化论，得到美国芝加哥大学学者米勒的实验支持。1953年，米勒在实验室内，首先把200毫升水加入到500毫升的烧瓶中，抽出空气。然后，模拟原始大气成分，通入甲烷、氨气、氢气等混合气体。将入口玻璃管熔化封闭，然后把烧瓶内的水煮沸，使水蒸气驱动混合气体在玻璃管内流动，进入容积为5升的烧瓶中，并在其中连续进行火花放电7天，模拟原始地球条件下的闪电现象，再经冷凝器冷却后，产生的物质沉积在U型管中，结果得到20种小分子有机化合物，其中有11种氨基酸。这11种氨基酸中，有4种氨基酸――甘氨酸、丙氨酸、天门冬氨酸和谷氨酸，是天然蛋白质中所含有的。他的实验结果轰动了科学界。

因为蛋白质是南氨基酸组成的，有了蛋白质生命的产生就指日可待了。因此，米勒的实验所揭示的，也许就是生命从无机物起源过程中的重要一步。这个实验还向人们展示：离开了水，生命就无从起源。

水是生命的魔法师

简单的化学表达式H2O掩盖了水的一些微妙事实。而解开谜底的钥匙，并不在于水分子的一个氧原子和两个氢原子间的化学键，而在于属于不同水分子的氢原子之间的联系――氢键。氢键仅仅有典型化学键的十分之一强。在室温条件下，水分子可以聚合在一起，也可以很容易就离散。因此，在一滴水中，水分子们不断地聚合和离散，形成一个有序和无序并存的矛盾体。于是就形成了水的诸多反常特性：如水的沸点比一般液体的都要高，并且水难以压缩。

所有影响水分子形态的化学键，归根结底都是量子效应的产物。而氢键则源于一种最顽强的量子现象――零点振动。零点振动削弱了氢原子和氧原子之间的化学键，从而使邻近的水分子之间更容易联系起来。水因此成为高度黏着的液体，地球也因此充满生命。剑桥大学的菲力克斯・弗兰克斯教授，曾这样巧妙地描述了零点振动的作用：把水中的氢原子用比它重的同位素氘来替代，如此所得到的化学上相同的液体，却对大部分生命有致命的毒害。而这种液体和水唯一的不同之处，就是零点振动的能量。

理论方法、实验技术以及计算机技术的发展，使得科学家们可以在详尽地研究水是如何通过量子效应，与DNA、蛋白质、细胞相互作用的。研究的结果总是令人感到不可思议。时下流行的观点认为，生命的秘密可以用不同种类的基因，以及它们所编码组成的蛋白质来破解。然而新的研究成果挑战了这一过于简单的假设：如果没有水分子的直接参与，蛋白质或者基因不可能完成任何最基本的功能。正如弗兰克斯所说的那样：没有水，一切只是化学物质；有了水，化学物质成为生命。

蛋白质的研究为这一结论提供了有力的证据。蛋白质分子按照DNA的指令由氨基酸链联结而成，它们具有一系列对于生命体至关重要的功能，比如，驱赶外来的入侵者、催化反应和构建新细胞。它们精确的操作不仅依赖于自身的物理形状，也依赖于水分子的一项重要功能：确保氨基酸向着正确的方向卷起。

生命在“水深火热”中产生

米勒试验证明了无机物质可以在原始大气环境中通过简单的化学反应生成有机单分子，但这还仅仅只是生命演化历程中最初的一步。氨基酸、嘌呤、嘧啶、糖等有机单分子还必须通过缩聚反应才能生成蛋白质、核酸等生物大分子。在原始地球环境中，火山充当了缩聚反应的催化剂。

因为生命的大爆发时期恰好和气候、地质突变的时间相对应，科学家们推断：在水火碰撞的极端条件下产生的化学反应，可能催化了生命的产生。在生命爆发之前，是一个大冰期时代，使得一些生命要素被“冰封”，只有在火山及热水附近才有相对活跃的生命形态，不过它们只是孤立的存在，彼此之间不存在交流，因为寒冷冰封阻碍了他们的交流。

我们知道，热泉中含有大量的一氧化碳、硫化氢和硫化金属矿物，特别是黄铁矿物和硫，一方面硫化铁和硫，有新陈代谢的出现。硫化铁是一种非常重要的催化剂，很多化学反应在它的表面或者说在它的晶体骨架里，进行得非常的顺利，一些重要化合物已在热泉中被发现。

新陈代谢的途径可能跟热泉中的黄铁矿和硫，以及它们的聚合物有一定的关系。另一方面，遗传物质脱氧核糖核酸、核糖核酸的出现，与硫化酯和硫的化学过程有着非常密切的关系。而脱氧核糖核酸还可以直接用核糖核酸脱氧演变而来。由此看来，地球上的生命也许就产生在距今38亿年到40亿年间这些充满硫磺味的热水池或者软泥之中。

科学家就这一生命进化的模型在大方向上达成了共识，但是在某些具体环节上尚有许多谜团，因为找到的化石都只是突变后的结果，中间的过程只是推断。不过，专家们相信这样的逻辑：生命进化没有固定路线，地球的变化决定了生命的变化，现存的各种生物包括人类能够被保留，有赖于一种偶然机会的出现。

迄今为止，我们把生命起源可以描述成这种样子：在40亿年前的地球上，由无机分子合成的有机小分子，它聚集在热泉口，或者火山口附近的热水中，通过聚合反应，形成了生物的大分子。这些大分子进行自我复制，自我选择，进而通过分子的自我组织，并自我复制和变异，从而形成核酸和活性蛋白质。同时，分隔结构同步产生。最后，在基因控制下的代谢反应为基因的复制和蛋白质的合成提供能量。这样，一个南生物膜包裹着的、具有能

自我复制能力的原始细胞，就在地球上产生了。

这个描述短短几百字，就把生命起源的过程描述出来了。但它有四个无法逾越的鸿沟：一个是自我选择，因为组成生物大分子或者核糖核酸、脱氧核糖核酸，都是非常有限的几种分子。在无机条件下，或者在闪电情况下、或者在热水中，它形成很多这样的分子，这些分子怎么能自我选择，能合成脱氧核糖核酸、核糖核酸，能把其他的大分子抛弃掉?第二个是自我复制，脱氧核糖核酸、核糖核酸自己能够复制，能够为下一代遗传下去，这个过程我们也并不知道。第三个是分隔结构，比如细胞膜或者细胞内部的膜结构，是怎么形成的?像磷脂、精细的生物结构怎么形成的?我们也并不是很清楚。另外是一个新陈代谢的问题，这个过程我们并没有解决。但不管怎么样，这种热泉中生命起源假说，确实有很多有利证据的支持。

海底黑烟囱及相关生物群体的发现是近30年来全球海洋科学取得的最重要的科学成就之一。1979年，“阿尔文号”载人深海潜水器在东太平洋海底1650～2610米深的熔岩上发现了数十个冒着黑烟的“黑烟囱”。方圆几百米的范围里，数十个高大的柱状物的顶部喷发着滚滚黑烟，使“阿尔文号”犹如置身于一个由烟囱组成的海底重工业基地。科学家们经过考察证实，海底“黑烟囱”的形成与海底火山运动有关。从“黑烟囱”中喷出的“黑烟”，其实就是海底火山口喷出的金属硫化物，而“黑烟囱”则是由金属硫化物不断沉积而成。

比发现“黑烟囱”更令科学家吃惊的是，在海底黑烟囱周围高温、高压、黑暗、缺氧、含硫等极端环境中，生活着特殊的深海生物群落。它们的初级生产者嗜热细菌和古细菌，在基因组序列上最接近地球上原始的祖先，生活环境也与生命起源时地球上的高温、缺氧环境非常类似。地球历史早期热液系统曾经在地球表面广泛分布，因而嗜热微生物有着广泛的生存空间。通过对生命起源必须具备的物质条件、环境条件、能量条件、安全条件等方面考虑，现代海底黑烟囱周同的水热环境是探索生命起源的理想场所。

研究者认为，海底黑烟囱附近的环境不仅可以为生命的出现以及其后的生命延续提供所需的能量和物质，而且还可以避免地外物体撞击地球时所造成的有害影响，因此海底黑烟囱生态系统是孕育生命的理想场所。但另一些学者认为，生命可能是从地球表面产生，随后就蔓延到海底黑烟囱周围。以后的撞击毁灭了地球表面所有的生命，只有隐藏在海底黑烟囱附近的生物得以保存下来并繁衍后代。因此，这些海底黑烟囱附近的生物虽然不是地球上最早出现的，但却是现存所有生物的共同祖先。

但是我们应该明白，距离揭开生命起源这一亘古之谜，还有一段遥远的科学历程。从无机物到有机物，到有机化合物，到有机生命体的演化，同时还具有很多的偶然性。并不是有了这种环境，有了这种形成条件，它就能够产生生命。有人曾经比喻说，这些无机物好像一个垃圾堆里面什么都有，塑料瓶子、废弃金属、油……而生命，一个单细胞，就像一辆精美的奔驰车，在一阵台风过后，这些垃圾组装成了一个奔驰车。因此我们可以想象，这个生命起源的过程非常艰难。

带水彗星撞出来了生命?

如果说生命是宇宙之中一个普遍的现象的话，除了地球之外的其他天体上，是否也有类似于地球早期的这样的环境呢?如果有的话，也许能为研究生命起源打开新的窗户。

其实，在生命起源问题上，长期以来有两大对立学派：一派认为生命是从外星球移植到地球上来的；另一派认为生命是地球自身的产物。两派各持己见，争论纷纷，莫衷一是。近年，国际学术界对地球生命起源的讨论又热闹起来。最时髦的一种理论认为，是来自太空的携带有水和其它有机分子的彗星和小行星撞击地球后，才使地球产生了生命。

生命起源的重要物质是水，而不少彗星含有很多冰块。冰块在很冷的地方，就跟石头一样硬。如果它不小心跑到太阳附近，太阳把它蒸发，冰块升华成水蒸气，绕在彗星旁边，太阳辐射一吹，就拉出一个气体长长的尾巴，这就是彗星的长尾巴。

科学家还发现了一颗被称为利内亚尔的冰块彗星。据推测，这颗彗星含水33亿千克，如果浇洒在地球上，可形成一个大湖泊。实验证明，数十亿年前，在离木星不远处形成的彗星含有的水和地球上海洋里的水是一样的。而利内亚尔彗星正是在离木星轨道不远的地方诞生的。天文学家认为，在太阳系刚形成时，可能有不少类似于利内亚尔的彗星坠落到地球上。它们落到地球上时像是雪球，而不是像小行星撞击地球。因此，这种撞击是软撞击，受到破坏的只是大气层的上层，而且撞击时释放出来的有机分子没有受到损害，这样就为地球上的生命演化提供了条件。

“生命之源”曾漫布火星

火星有着跟地球类似的经历，火星的物质成分跟地球非常近似，它的轨道也跟地球非常近似，那么火星上是不是有生命呢?关键是要看火星上是否有生命之源――水。

关于火星上是否存在过水，科学界进行过无休止的争论。1957年美国的海盗号探测器发回地球的信息表明，火星上没有生命，没有液态水的存在，它是一个荒芜干涸的红色星球。但是人类并没有气馁，20世纪90年代，美国宇航局加大了对火星的探测力度，通过火星探测者、火星拓荒者号探测器和哈勃望远镜得到的图片研究，火星上过去很可能有过液态水的存在。一些航天资料显示，火星上有类似于像我们发生大洪水山前的冲积扇的构造，还有像地球上干涸的河床样的河道，以及水侵蚀岩石的痕迹。科学家在火星上相似矿物集中的地方还发现了一个峡谷，名为马力内尼斯峡谷。这个峡谷比美国大峡谷还要大。令人兴奋的是，图像显示它是被流水冲出来的。试想一下，冲出这么大的峡谷，需要多大的水，又需要多长的时间?所以，科学家认为火星上曾经水资源丰富，而且持续时间还比较长!

据华盛顿大学地球与行星科学专家雷・阿维德松介绍，通过对欧洲宇航局的火星轨道飞行器送回来的数据研究分析，发现梅迪亚尼平原上厚达300米的岩石是在水中形成的。研究还发现，该平原表面曾经有很长一段时间里河流遍布，万里之内皆为平湖或浅滩。而这种情形与我们的地球十分相似，这里孕育生命不足为奇。

随着美国宇航局火星探测器“机遇”号飞落火星，火星上曾经有水也随之盖棺定论。美国宇航局的科学家们在“机遇”号撞击的弹坑中和其他矿藏中发现了黄钾铁矾。这是一种只有在有水的情况下才能形成的物质。科学家对此进行了这样一番解释：几十亿年前，矿石在一片水世界中慢慢生成。后来水不断蒸发，千沟万壑逐渐干涸，这些矿藏就暴露在了地表上。

2006年9月27日，火星探测器“机遇”号到达火星“维多利亚”坑边缘，发回第一批展现这个碗状坑底部和坑壁的照片。科学家对于展现眼前的坑内沙丘和齿状坑边发出阵阵惊叹。图片显示，“维多利亚”坑壁边缘多处呈现厚重岩石结构，坑底有清晰的波纹状沙丘群，从坑口到坑底的斜坡上，还有数条下行沙道。科学家一直想知道，坑壁的岩石层是否形成于湖泊。这点对于确定火星是否曾经存在生命具有重要意义。

生命的起源是一个非常复杂的科学之谜，它涉及到天文、地质、理化、生物等各个方面的知识，站在我们今天的地球上来追溯距现在46亿年以前的历史，难度肯定很大。以上介绍的是为大家所公认的生命起源化学进化过程的假说和推测。直到今天，人们对生命起源这一古老而崭新的问题仍然在继续研究和探索之中，特别是近年来围绕着原始大气成分、生命起源于何处等问题又有了新的看法和争论，实事求是的科学争论对于深化认识是非常有益的。我们相信这个千古之谜总有一天会揭开。