關(guān)于地球的年齡，人類已經(jīng)在65年前得到確認(rèn)，我們的地球至少存在了45億年。

然而生命的起源通過(guò)現(xiàn)存的化石證據(jù)被證明在地球誕生的10億年后，對(duì)于這兩個(gè)問(wèn)題所提出的時(shí)間點(diǎn)科學(xué)界已經(jīng)相當(dāng)?shù)目隙ǎ@一點(diǎn)現(xiàn)在沒(méi)有多少人質(zhì)疑。但關(guān)于生命仍存在一個(gè)難以回答的問(wèn)題。地球的生命如何開(kāi)始的，我們今天就聊聊這個(gè)話題！

地球上的生命究竟是如何開(kāi)始的？

達(dá)爾文

?查爾斯·達(dá)爾文(Charles Darwin)曾暗示，生命可能起源于一個(gè)“溫暖的小池塘”，由構(gòu)成生命的絕大多數(shù)的必要元素組成。然而，達(dá)爾文更多地關(guān)注的是生命進(jìn)化的過(guò)程（《進(jìn)化論》在很多方面定義了今天的現(xiàn)代生物學(xué)）而不是生命的起源。

關(guān)于生命的起源問(wèn)題，人們提出了幾種假說(shuō)。一切都指向第一個(gè)細(xì)胞的誕生，更具體地說(shuō)，是第一個(gè)生命所必需的生物分子的誕生。宗教和哲學(xué)對(duì)于生命的起源有著相似的立場(chǎng)，他們都認(rèn)為生命的起源是超自然事件的結(jié)果，而這些超自然事件是科學(xué)無(wú)法解釋的，我們只是被宗教要求相信“有一個(gè)人在那里說(shuō)著神奇的話，策劃超自然的事件，然后一切就繁榮起來(lái)了，我們也擁有地球”。哲學(xué)告訴我們生命的起源是我們無(wú)法理解的。但是追求真理勝過(guò)于虛構(gòu)的謊言，我們想依賴事實(shí)揭示科學(xué)對(duì)生命起源方式的看法。

Q1、生命——自發(fā)生成理論

從科學(xué)的角度來(lái)看，關(guān)于生命起源有很多假說(shuō)，第一個(gè)假設(shè)雖然有點(diǎn)扯，但人們卻相信了很長(zhǎng)時(shí)間。這就是自發(fā)生成理論。

這個(gè)觀點(diǎn)是亞里士多德提出來(lái)的，兩千年來(lái)被人們視為一個(gè)事實(shí)。自發(fā)生成理論認(rèn)為生物體可以從無(wú)生命的物質(zhì)中產(chǎn)生。一塊奶酪被保存在袋子里，幾天后，在袋子里發(fā)現(xiàn)了老鼠，這最終使人們相信老鼠可以由奶酪產(chǎn)生(這種想法現(xiàn)在想起來(lái)那是絕對(duì)的扯)。我們也可以在尸體上看到蛆，人們也認(rèn)為蛆是腐爛的肉產(chǎn)生的，這你相信嗎？

Redi實(shí)驗(yàn)

• 驗(yàn)證自發(fā)生成理論

1668年，弗朗西斯科·雷迪(Francesco Redi)的實(shí)驗(yàn)推翻了蛆來(lái)自腐爛肉類的誤解。雷迪使用了三個(gè)罐子，來(lái)控制實(shí)驗(yàn)條件。在第一個(gè)罐子里，他放了腐爛的肉，并確保瓶口是開(kāi)著的。在第二個(gè)罐子里，放著一塊腐爛的肉，把它完全密封起來(lái)。在第三個(gè)罐子里，放著一塊腐爛的肉，確?？諝饪梢赃M(jìn)入這個(gè)罐子，但是蒼蠅進(jìn)不去。他的實(shí)驗(yàn)得到了很明顯的結(jié)論。

在第一個(gè)罐子里，腐爛的肉上可以發(fā)現(xiàn)蛆。在第三個(gè)罐子里，瓶口紗布上有蒼蠅和蛆，但是瓶子里沒(méi)有發(fā)現(xiàn)蛆。在第二個(gè)瓶子里沒(méi)有蛆，外面也沒(méi)有，因?yàn)槠孔用芊馔旰?，蒼蠅甚至看不出瓶子里有腐爛的肉。這很快反駁了蛆起源于肉的觀點(diǎn)。

雷迪的實(shí)驗(yàn)是科學(xué)史上的一個(gè)進(jìn)步，但人們?nèi)匀徽J(rèn)為他的結(jié)果可能不適用于微生物，比如細(xì)菌，他們?nèi)匀幌嘈偶?xì)菌可能來(lái)自無(wú)生命的物質(zhì)。1859年，路易斯·巴斯德在他著名的實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證了這個(gè)爭(zhēng)議。路易斯·巴斯德的觀點(diǎn)是，空氣中的塵埃攜帶的細(xì)菌污染了肉湯，因此細(xì)菌不是人們普遍認(rèn)為是在空氣中形成的。為了驗(yàn)證他的觀點(diǎn)路易斯·巴斯德收集了肉湯，煮了一個(gè)小時(shí)來(lái)消毒(以保證不含微生物)，然后把它們放在三個(gè)不同的消過(guò)毒罐子里。

第一個(gè)罐子開(kāi)著讓可以讓空氣進(jìn)入。第二個(gè)罐子用棉花塞住，以便過(guò)濾空氣中細(xì)菌。第三個(gè)罐子被連接到一個(gè)s形管子上，以便于觀察將在管子中收集的灰塵顆粒。他得到驚人的結(jié)果。第一個(gè)罐子中肉湯是渾濁的，表明肉湯已經(jīng)被細(xì)菌污染了。第二個(gè)罐子保持無(wú)菌狀態(tài)，因?yàn)槊藁ㄈ梢赃^(guò)濾掉細(xì)菌。第三個(gè)罐子完全駁斥了之前所有的說(shuō)法，因?yàn)樵趕形管子的一端觀察到了收集起來(lái)的含有細(xì)菌的灰塵顆粒，由于灰塵無(wú)法在重力作用下上升，細(xì)菌無(wú)法進(jìn)入罐子里的肉湯，所以肉湯仍然是無(wú)菌的。路易斯·巴斯德在實(shí)驗(yàn)的最后寫道

自發(fā)生成學(xué)說(shuō)永遠(yuǎn)無(wú)法從這個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)的致命打擊中恢復(fù)過(guò)來(lái)了。沒(méi)有一種已知的情況可以證實(shí)，微生物的誕生能離開(kāi)細(xì)菌。

這是科學(xué)史上的一次勝利，因?yàn)樽园l(fā)生成理論被實(shí)驗(yàn)證明完全是錯(cuò)誤的。

Q2、生命——生源說(shuō)

關(guān)于生命起源的下一個(gè)假說(shuō)是：生命來(lái)自外太空。更具體地說(shuō)，生命的產(chǎn)生是生命孢子被帶到地球上的結(jié)果。這些孢子含有一些生命必要的元素，這些元素可以很容易地結(jié)合起來(lái)，并最終導(dǎo)致生命的誕生。這就是所謂的生源說(shuō)。這個(gè)觀點(diǎn)的主要支持者是1903年的化學(xué)諾獎(jiǎng)得主瑞典科學(xué)家斯凡特·阿倫尼烏斯，但是生源說(shuō)的觀點(diǎn)可以追溯到公元前5世紀(jì)，當(dāng)時(shí)希臘哲學(xué)家阿納薩哥拉斯提出宇宙是由種子組成的，種子可以在到達(dá)地球時(shí)產(chǎn)生生命。

阿倫尼烏斯在解釋生命起源時(shí)做了一個(gè)假設(shè)，他起初提出生命孢子可以通過(guò)輻射的壓力在行星之間移動(dòng)。最后他發(fā)現(xiàn)細(xì)菌孢子不可能暴露在太空輻射中而存活下來(lái)。生源說(shuō)可以說(shuō)是曇花一現(xiàn)，這一理論甚至被亞歷山大·奧帕林發(fā)現(xiàn)的原始湯理論進(jìn)一步扼殺。這是關(guān)于地球上生命起源的第三種可能的假設(shè)，也是我們討論的中心。

論亞歷山大·奧帕林對(duì)生命可能起源的認(rèn)識(shí)

亞歷山大·奧帕林(Aleksandr Oparin)的《生命可能的起源》(The Possible Origin of Life)

原始湯

奧帕林的假設(shè)是為了回答這個(gè)問(wèn)題;第一個(gè)生物分子是如何合成的?從生物學(xué)途徑的復(fù)雜性來(lái)看，人們會(huì)認(rèn)為從簡(jiǎn)單的分子聚集合成生物分子是完全不可能的，但事實(shí)證明恰恰相反。

奧帕林提出，前生物地球(生命存在前的地球)有一個(gè)還原性的大氣層，這種大氣可能會(huì)使某些化學(xué)反應(yīng)形成生物分子。據(jù)信，地球大氣層中含有豐富的氫、甲烷和氨。當(dāng)暴露在閃電或火山的熱量下，這些分子可以形成不同的有機(jī)分子，這些有機(jī)分子溶解在海洋中形成原始湯。

隨著時(shí)間的推移，這些有機(jī)分子發(fā)生反應(yīng)形成復(fù)合物。這些復(fù)合物會(huì)繼續(xù)形成細(xì)胞膜和酶，這就是已知的原始細(xì)胞。值得注意的是，印度生理學(xué)家J.B.S.霍爾丹的假設(shè)與奧帕林的非常相似(奧帕林的假設(shè)是第一個(gè)提出的，但霍爾丹并沒(méi)有剽竊)，而且是同時(shí)提出的。霍爾丹甚至創(chuàng)造了原始湯這個(gè)詞。這又一次印證了科學(xué)理論的神奇之處是它可以在不同地域，不同環(huán)境，不同文化中同時(shí)發(fā)生，有穿越時(shí)空的特性！微積分的發(fā)現(xiàn)也是一個(gè)典型的例子，我們是否可以認(rèn)為外星物種也在使用微積分？也會(huì)發(fā)現(xiàn)它們的原始湯？

原始湯理論的提出，奧帕林和霍爾丹被認(rèn)為是瘋子，我們?cè)趺茨苷Q生在熾熱的一灘廢水里？直到米勒-尤列實(shí)驗(yàn)為原始湯理論提供了證明。

米勒-尤列實(shí)驗(yàn)——驗(yàn)證原始湯理論

米勒-尤列實(shí)驗(yàn)

1953年，米勒在尤列的監(jiān)督下，在一個(gè)實(shí)驗(yàn)室里模擬了假設(shè)的原生物地球的條件。他們通過(guò)一種含有甲烷、氨和氫的溶液來(lái)傳遞電，這種電可以代表在生命起源前的地球上看到的閃電。所得到的產(chǎn)物是易于觀察的氨基酸。其特異性氨基酸為甘氨酸、谷氨酸、丙氨酸和亮氨酸。在原生物條件下，氰化氫可制腺嘌呤，甲醛可制核糖。這意味著RNA（核糖核酸）在原始湯中可以形成。

生化進(jìn)化中的雞蛋問(wèn)題

隨著時(shí)間的推移，先有蛋還是先有雞的問(wèn)題已經(jīng)被提了出來(lái)，但我們現(xiàn)在都知道雞是先有蛋還是先有雞的。生物化學(xué)進(jìn)化中的問(wèn)題與這個(gè)問(wèn)題類似，但又截然不同。例如先有RNA還是先有蛋白質(zhì)？

雖然RNA世界假說(shuō)支持RNA，但蛋白質(zhì)世界假說(shuō)支持蛋白質(zhì)。RNA世界假說(shuō)是最可接受的自然發(fā)生理論。

RNA假說(shuō)表明，RNA既是信息儲(chǔ)存庫(kù)，又是催化劑。RNA作為生物信息存儲(chǔ)的一個(gè)單位，排除了原始湯中對(duì)DNA的需要。這里有個(gè)問(wèn)題，因?yàn)镈NA是一種更穩(wěn)定的儲(chǔ)存遺傳信息的結(jié)構(gòu)，DNA更能抵抗化學(xué)物質(zhì)和其他降解劑的降解。但有一種解釋可以使RNA作為儲(chǔ)存遺傳信息的單位比DNA變得更為合理。

在原始湯中，RNA不斷形成，自然選擇輔助了整個(gè)過(guò)程，只有最穩(wěn)定、最具催化活性的RNA可以存在和不斷地合成。較弱的RNA不具備競(jìng)爭(zhēng)力被停止合成，這個(gè)過(guò)程可以促進(jìn)更穩(wěn)定的RNA的形成，RNA的合成完全是隨機(jī)的。因此，這意味著在這個(gè)過(guò)程中合成了具有甲基化骨架的RNA(這將更加穩(wěn)定)。

RNA能夠催化自身分子的復(fù)制，這一事實(shí)有力地支持了RNA是原生物地球催化劑的觀點(diǎn)。換句話說(shuō)，RNA可以自我復(fù)制。而蛋白質(zhì)沒(méi)有，也不具備這些能力，所以它們作為催化劑是沒(méi)有意義的，這些論點(diǎn)都支持RNA先于蛋白質(zhì)。

現(xiàn)在我們知道，DNA和蛋白質(zhì)承擔(dān)了RNA的遺傳和催化作用，因?yàn)镈NA比RNA更加穩(wěn)定，所以只有在更穩(wěn)定的分子中傳遞信息才有意義。與RNA相比，蛋白質(zhì)表現(xiàn)出更多的通用性，甚至能夠催化更多具有特異性的反應(yīng)。這就解釋了為什么蛋白質(zhì)必須承擔(dān)RNA的催化作用。

我們有RNA，然后是蛋白質(zhì)，下一個(gè)是細(xì)胞？

在原始湯中發(fā)生的許多反應(yīng)導(dǎo)致了早期細(xì)胞的發(fā)育。我們知道地球是由大量化學(xué)物質(zhì)組成的，人們就會(huì)期望原始細(xì)胞能夠利用這些化學(xué)物質(zhì)。最早的細(xì)胞被稱為化能自養(yǎng)生物，它們并不適合合成化學(xué)分子，但是經(jīng)過(guò)良好的生物工程處理，它們可以利用環(huán)境中合成的化學(xué)分子。

?當(dāng)原始細(xì)胞開(kāi)始主動(dòng)尋找自己合成這些化學(xué)分子的方法，并越來(lái)越獨(dú)立于周圍環(huán)境的給養(yǎng)，這就導(dǎo)致了化能自養(yǎng)生物的進(jìn)化。隨后光合色素在這些細(xì)胞中進(jìn)化，它們可以利用陽(yáng)光的能量固定二氧化碳并產(chǎn)生葡萄糖，由于這時(shí)地球充滿還原性大氣，原始細(xì)胞使用硫化氫(H?S)而不是水(H?O)作為電子供體。隨著時(shí)間的推移，能夠利用水作為電子供體的細(xì)胞逐漸演化，從而形成了一種更具氧化性的大氣。隨著大氣中氧的釋放，厭氧菌數(shù)量減少，好氧菌數(shù)量增多，藍(lán)藻是最早表現(xiàn)出這種能力的生物。

真核細(xì)胞大約在15億年前從原核細(xì)胞進(jìn)化而來(lái)。這個(gè)過(guò)程就需要更多的DNA，再加上進(jìn)化過(guò)程需要將DNA包裝成更緊湊的結(jié)構(gòu)，如染色體，這又導(dǎo)致了對(duì)真核細(xì)胞的需求。真核細(xì)胞具有細(xì)胞膜，這將在很大程度上有助于細(xì)胞的分裂過(guò)程。一些真核細(xì)胞將繼續(xù)與某些原核細(xì)胞形成內(nèi)共生關(guān)系，賦予它們自身產(chǎn)生氧氣的能力，并進(jìn)行光合作用。一些好氧細(xì)菌實(shí)際上變成線粒體，而氰細(xì)菌變成了葉綠體。

隨著時(shí)間的推移，細(xì)胞們突然發(fā)現(xiàn)抱團(tuán)生存比單獨(dú)生存在生物學(xué)上更有競(jìng)爭(zhēng)力，這些細(xì)胞作為一個(gè)團(tuán)隊(duì)，可以更加專注于增強(qiáng)生命所需的不同過(guò)程。它們進(jìn)化的更快，繁殖得更多。這些細(xì)胞最終開(kāi)始以菌落的形式存在，這就導(dǎo)致了更復(fù)雜生物體的進(jìn)化，這些生物體可以執(zhí)行生命所必需的不同功能。這時(shí)基本上單細(xì)胞生物就變成了多細(xì)胞生物。

遺傳密碼：它能對(duì)進(jìn)化說(shuō)什么。

遺傳密碼是普遍適用于幾乎所有的生物體，所以觀察生物的進(jìn)化過(guò)程可以通過(guò)尋找某些基因序列的突變來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于進(jìn)化的需要，突變使得某些基因產(chǎn)生變異，并使最能適應(yīng)環(huán)境的基因物種茁壯成長(zhǎng)。突變發(fā)生在分子水平，但隨后的產(chǎn)生的結(jié)果可以從形態(tài)學(xué)上表現(xiàn)出來(lái)?；蛲蛔兛梢允菃蝹€(gè)核苷酸的刪除或添加，也可以是一個(gè)核苷酸替換另一個(gè)核苷酸。但無(wú)論怎樣去添加刪除或者替換，其結(jié)果都使得整個(gè)地球生物從整體方向上往前發(fā)展。

生物化學(xué)對(duì)生命的起源的方式已經(jīng)給出了可能的結(jié)論，但這仍然留下了許多懸而未決的問(wèn)題。我們雖然對(duì)生命的起源還存在爭(zhēng)議，但古生物的化石記錄證明已經(jīng)充分的證明了生物進(jìn)化的過(guò)程，這一點(diǎn)我們毋庸置疑。