馮偉民

生命的歷程系列講座（一）生命起源揭秘

馮偉民

編者按《化石》雜志自2006年第1期推出“進化論系列講座”以來，許多讀者來信（包括手機短信和微信）給予積極的評價，同時也提出了一些意見和建議。其中有些讀者提出，這個系列講座使他們對進化論產(chǎn)生和發(fā)展的歷史開始有了新的認識，而且期待著繼續(xù)得到這方面更加全面系統(tǒng)的相關知識；但同時他們也迫切地希望能夠較為系統(tǒng)性地了解生物起源與進化的具體脈絡，也就是從生命誕生至今的一部進化史。恰好，中國科學院南京地質古生物研究所古生物博物館的馮偉民館長正在開展全面介紹生物進化史重要階段的科學發(fā)現(xiàn)這樣一個系列科普工作，我們“一拍即合”，從本期開始為他開辟這個專欄——“生命的歷程系列講座”，以饗讀者（正文見P74～P78）。

38.5億年前生命痕跡——有機碳

生命起源是一個亙古未解之謎，從古至今有很多說法來解釋生命起源的問題。

科學未出現(xiàn)之前，中國有盤古開天辟地、女媧造人的神話；西方有上帝創(chuàng)造天地萬物，并在第六日造人的傳說。

到了19世紀，達爾文《物種起源》一書的問世，給生命科學帶來了前所未有的大變革，也給人類的自然認知帶來了石破天驚的巨大震撼，更為科學家揭示生命起源這一千古之謎帶來了曙光，這就是現(xiàn)代的化學進化論。

探索生命起源——化石證據(jù)

生命起源涉及一系列未解之謎，如生命起源的時間、地點，當時的地球環(huán)境、生命有機分子來源及生命形成過程，等等。

探索生命起源的時間，最好的證據(jù)是化石?；潜４嬖趲r石中的遠古（一般指一萬年以前）生物的遺體、遺跡和死亡后分解的有機物分子，它就像文字，書寫著地球這本厚重的大書。

科學家研究發(fā)現(xiàn)，地球誕生于46億年前，最初的6～8億年仍處于天文時代，地球遭受了頻繁而大量的小行星和隕石的撞擊，即使有生命出現(xiàn)，也根本無法生存。由此可以推斷，地球上生命起源的時間，應不早于40億年。

此外，科學家在格陵蘭的一塊巖石（距今約38.5億年）中發(fā)現(xiàn)了富含輕碳（12C）的碳顆粒，它通常被認為只有通過光合自養(yǎng)生物的分餾作用才能形成。由此推測，地球生命起源的時間可能在距今40～38億年間。

而迄今為止，已發(fā)現(xiàn)的最古老的生物化石來自澳大利亞西部，距今約35億年。這些化石類似于現(xiàn)在的藍藻，它們是一些原始的生命，只有幾微米到幾十微米大小，是肉眼看不見的。這一化石證據(jù)的存在，讓我們可以有底氣地說，生命起源不會晚于35億年前。

生命的“溫床”——早期地球環(huán)境

那么，在生命起源的時候，地球可能是怎樣一個環(huán)境呢？這是一個至關重要的問題，因為生命起源與地球誕生及早期地球環(huán)境有著密切的關聯(lián)。

科學家研究發(fā)現(xiàn)，地球早期形成的大氣層充滿了還原性大氣，主要由氨氣、氫氣，還有水、一氧化碳、二氧化碳和氮氣組成，這使得原始地球初期形成的生物有機分子得以積累和保存；那時的大氣層無游離氧，地球外層空間也未形成臭氧層，因此，強烈的太陽紫外線對早期大氣中的化學反應起著重要作用；頻繁的雷電、宇宙射線也是原始地球化學進化中的重要能源；更重要的是，原始海洋的形成為生命誕生準備了必要條件。

有機小分子是天外來客嗎？

蛋白質是生命的物質基礎，它是由有機分子氨基酸轉化而來的。而有機分子又是從何而來的呢？

現(xiàn)代天體物理學研究發(fā)現(xiàn)，大量隕石、彗星和星際塵埃中不僅含有固態(tài)的水，而且還存在有機分子。已經(jīng)測出的“天外”有機分子達近百種，其中有氨基酸、萜類、乙醇、嘌呤、嘧啶，等等。這些有機分子有可能隨隕石和彗星來到地球，這就為“宇宙胚種說”的提出奠定了基礎。

“宇宙胚種說”認為，地球生命之源可能來自40億年前墜入海洋的一顆或數(shù)顆彗星，是彗星提供了地球生命誕生需要的原材料。例如，1969年一顆莫奇遜隕石（MURCHISON METEORITE）墜落在西澳大利亞，該隕石來自于與地球同時形成的小行星，含有能夠自我聚合成蜂窩狀隔膜的類脂有機組分，它是形成最早活體細胞所需的組分。

米勒實驗與化學進化論

1953年，美國科學家米勒做了一項非常有意義的實驗，他把氨氣、氫氣，還有水、一氧化碳放在一個密封的瓶子里，在瓶子兩頭插上金屬棒，通上電源，通過這個類似于閃電作用的裝置，一周之內(nèi)產(chǎn)生了大量的氨基酸。這說明在地球表面，經(jīng)閃電作用，即使在常溫條件下，無機分子也能合成有機小分子。

科學家后來又實驗合成了許多其他的生物有機分子，甚至人工合成了形成生命最重要的胰島素和酵母丙氨酸轉移核糖核酸。這也正好印證了化學進化論（即主張從物質的運動變化規(guī)律來研究生命的起源）的觀點：在地球表面自然環(huán)境中，非生命物質通過化學作用可以產(chǎn)生出多種有機物和生物分子。

地球水圈的形成

莫奇遜隕石

因此，可以設想，地球上最初的有機物是以大氣中的一氧化碳、二氧化碳、氮化氫、碳化氫、水和地球內(nèi)部溢出的碳化物等為材料，在閃電、宇宙射線等的作用下，形成了氨基酸、核苷酸、單糖及含磷、硫有機化合物等多種較簡單的有機分子。此外，還可能從彗星、隕石得到一些有機分子。

米勒實驗示意圖

原始生命形成過程示意圖

這些有機小分子匯集到海洋之中，經(jīng)過億萬年的積累，使原始海洋成為含有豐富有機物小分子的“營養(yǎng)湯”。當這些原始營養(yǎng)湯達到一定濃度時，氨基酸之間便相互結合為蛋白質，核苷酸之間就相互結合為核酸。

蛋白質、核酸等生物大分子形成后，又經(jīng)過一系列的化學變化。如按蘇聯(lián)科學家奧巴林所提出的團聚體學說，蛋白質和核甘酸聚合成團聚體，形成具有類似膜的結構，并能在酶的作用下產(chǎn)生淀粉，或聚合核甘酸等反應，終于聚合為多分子體系形態(tài)的最初生命細胞。

原始生命的形成：熱泉=“營養(yǎng)湯”？

有意思的是，科學家已經(jīng)在地球兩個特殊的地方發(fā)現(xiàn)了所謂的“營養(yǎng)湯”。

第一個地方是陸上熱泉。1967年美國學者布萊克在黃石公園的熱泉中發(fā)現(xiàn)了大量嗜熱生物，如藍藻、光合細菌、硫細菌，特別是古細菌。這與人們所熟知的“蛋白質在超過60度的環(huán)境中就會凝固”“生物不能在60度以上的環(huán)境里存活”的常識很不一樣。

美國黃石公園熱泉

深海黑煙囪

第二個地方是海底熱泉。1977年美國“阿爾文”號深潛器觀察到，在太平洋底的熱泉中，也就是黑煙囪上，存在著大量的嗜熱微生物，而周圍的海水溫度更高，可能達到200℃～300℃，壓力也有200～300個大氣壓。

海水中存在大量的還原氣體，比如硫化氫、甲烷、氫氣，以及一氧化碳，這種環(huán)境非常類似于40億年前早期地球的環(huán)境。另外，熱泉口到外層海水之間存在一個溫度遞減的梯度和化學濃度變化的梯度，這個梯度有利于各種化學的連續(xù)反應和有機化合物的合成。

尤其重要的是，現(xiàn)在熱泉中的生物是生物演化最根部的類型，即它們的基因是最古老的類型。

古老化石研究也表明，熱泉對于生命形成有重要意義，在澳大利亞距今約32億年的火山沉積物里，科學家們發(fā)現(xiàn)了大量保存完好的絲狀體，這就說明在32億年前，生命在熱泉的附近就已經(jīng)大量存在了。

鐵硫世界假說

正是基于上述這樣的研究背景，20世紀80年代末，科學家提出了海底熱液環(huán)境生命起源學說，即“鐵硫世界假說”，認為生命在熱液口的黑煙囪壁里產(chǎn)生，先是發(fā)生“Fe-S世界”里的化學變化，后來才有生命的變化。熱液的溫度、電位、pH梯度，噴出物中的CO、NH3、H2，F(xiàn)eS、NiS起到了催化作用。

此學說得到了很多證據(jù)支持，例如，“進化樹”的根部大多是嗜超高溫微生物，其演化速度較慢。高溫熱水環(huán)境有利于小分子的有機化合物脫水聚合成有機高分子，特別是熱泉口附近形成的FeS，在它的表面有利于有機高分子的合成。

現(xiàn)代微生物研究表明，微生物的最適生長溫度往往與其最高生長溫度相近，而在一些低溫環(huán)境中的細菌和古菌，其最低生長溫度與環(huán)境溫度接近。這一生理結果也暗示著生命起源于較高溫環(huán)境。如果真是這樣的話，那么生物演化的過程可能是逐步適應低溫環(huán)境的過程。

人類在地球以外有兄弟嗎？

從上世紀中葉開始，人類探索生命起源的視角已經(jīng)拓展到外太空，企圖從“是否有活的生命”、“是否有液態(tài)水”、“是否有與生命相關的化合物”三個方面，追溯生命起源。

半個多世紀以來，月球、火星、木衛(wèi)二等星球先后被探測和研究，取得了一批重要的成果。

月球

月球是地球的衛(wèi)星伴侶，在中國的古代神話中有嫦娥奔月的說法，但是，上世紀60年代到70年代，隨著前蘇聯(lián)和美國宇航員登陸月球的成功，這個神話徹底破滅了。

月球

火星

木衛(wèi)二結構剖面

月球其實是一個沒有氧氣，沒有水，不適合生命生存的荒漠的星體。

火星

在40億年前，火星或許有過與地球類似的經(jīng)歷，因為火星的物質成分跟地球非常相似，它的軌道也與地球非常相似。

美國海盜號、火星探測者號、火星拓荒者號航天器和哈勃望遠鏡曾經(jīng)先后探測火星，其中一些航天圖片顯示，火星上有水侵蝕巖石的痕跡，有像地球發(fā)生大洪水后山前形成的沖積扇的構造，還有像地球上干涸河床的河道。另外，在火星的兩極，發(fā)現(xiàn)了類似于地球上凍土解凍的情況。因此，火星上過去很可能有過液態(tài)水的存在。

木衛(wèi)二

木衛(wèi)二是木星的衛(wèi)星，它的大小跟地球直徑非常相近，美國的伽利略號航天器在1997年對木衛(wèi)二進行了觀察，結果發(fā)現(xiàn)在木衛(wèi)二表面有大量的裂痕存在。通過天體物理學的方法研究，這個星球其實全是由水組成的，確切地說，是由水變成的固態(tài)冰組成的。這表明，木衛(wèi)二曾經(jīng)有液態(tài)水的存在。

總之，隨著航天科技和其他相關技術的進一步發(fā)展，地外生命的探索為我們研究生命的起源開辟了一個嶄新的途徑，并不斷豐富和深化人類對于生命起源的認識。

然而，我們應該清醒地意識到，人類追溯地球生命起源的研究固然已經(jīng)取得了一定成果，但距離揭開生命起源這一亙古之謎，還有一段漫長的征程，任重而道遠。

從無機物到有機物，再到有機化合物直至有機生命體的演化，實際上充滿了很多的偶然性和挑戰(zhàn)，因為即使有這種環(huán)境和條件，生命起源也是極端艱難的。因此，我們不能奢望地球再來一次生命的起源，而是要倍加珍惜地球——人類和所有生命的家園，讓生命的樂章在地球上繼續(xù)演奏下去。

（作者單位：中國科學院南京地質古生物研究所）