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浅谈生命的起源

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时间:2017-08-19  来源:综合处文本大小:【 |  | 】  【打印

李新正、隋吉星、董栋、寇琦 

(中国科学院海洋研究所) 

    

  北京时间2017414日凌晨2点,美国国家航空航天局(NASA)在华盛顿总部的詹姆斯·韦伯礼堂召开新闻发布会,宣布土卫二(Enceladus)上具备生命所需的所有条件。难道真的有地外生命的存在? 

  生命很难定义, 但一般具有如下特征: (1) 具有细胞结构; (2) 能够从环境中获得能量而生长, 并根据自身的遗传密码系统进行繁殖;(3)能够对环境刺激作出反应;(4) 能够进行新陈代谢(比如: ATP+H2OADP+Pi+能量)(5) 能够组成复杂的结构;(6) 个体能够适应环境, 而其群体则可以进行达尔文演化。 

  地球是迄今为止唯一确定有生命存在的星球。要确定是否真的有地外生命的存在,可以从地球生命的起源说起。那生命的发生和起源需要哪些条件呢? 

  首先是生命发生的基本化学条件。根据目前对地球生命的了解,液态水的持续存在是产生生命最基本的也是最重要的前提条件。水不但是生命体的主要成分,而且其另一个重要作用是溶解有机质或无机质。水-岩或水-矿物之间的相互作用不仅使地球在自身的地球化学条件下能够产生有机质,也为生命起源和生物圈提供了营养物质。有机质(有机物)是指有生命机能的物质,也是生命体的主要成分。早先,人们已知的有机物都从动植物等生命有机体中取得,所以把这类化合物叫做有机物。有机物通常指含碳元素的化合物,或碳氢化合物及其衍生物,目前人类已知的有机物达900多万种,数量远远超过无机物。简而言之,有机质是含有碳元素的除CO2CO碳酸盐之外的化合物。因此,除了水之外,生命发生还需要碳元素。 

  (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。碳不仅能与自己结合, 还能与氢、氧、氮和硫等元素结合, 从而形成具有复杂结构的有机物,并能与水进一步相互作用, 开始具有代谢和自组织的前生命化学功能。 

  由此看来,生命的发生需要水和有机质。水分子(H2O)是宇宙中最简单的化合物分子之一,其合成需要的条件和过程相对于大分子、超大分子的有机物来说要简单得多。因此,在具备了水的条件下,有机物的合成就是生命发生的关键。 

  但最早的有机物是不是在地球上合成的呢?换句话说,地球上有机物的来源是哪里呢?这个问题是生命起源问题的根本,回答了这个问题,地球生命的起源也就解决了。但地球生命的起源和演化过程不可能回溯,因此就有很多关于生命起源的假说。这些假说归结起来,可以分为两大类。 

  一类是地表起源说,认为生命是在地球形成以后若干年的原始地球表面起源的,其中以“化学起源说”最具代表性,认为地球上的有机物是在地球上合成的,源自地球,因而,地球生命也源于地球本身。有机物中的主要元素CHONPSKCaMg等均为地球上常见的元素,而最简单的有机物甲烷(分子式CH4)仅涉及两种元素,因此有机物是完全可能在地球上合成的。“化学起源说”的内部观点很多,特别是在生命起源的途径或方式上各家有着很大的分歧。 

  另一类就是地外起源说,认为地球上的有机物来源于外太空,也就是说,有机物起源于外太空的某个星球,然后通过陨石带到了地球,而地球正好有适合其自身复制的条件以及水,这些有机物就在地球上自我复制,逐渐形成了多糖、脂肪、蛋白质、核酸等生物大分子,进而产生了生命。有的假说干脆认为,是陨石将最原始的地外宇宙生命胚种(微生物或孢子)带到地球上发展而来,这类观点过去和现在都有不少著名代表人物,如李比希、霍伊尔等,目前流行的主要假说有“彗星说”、“新宇宙生命论”、“星际生命种子假说”等。 

  关于生命起源, 最大的问题就是细胞和非细胞之间的鸿沟,有细胞形式的就是有生命的,没有则是非生命的。关于最早的细胞的形成,KooninMartin提出了一个关于基因材料和细胞的地球化学物质的专门化的概念。 

  如前文所述,生命的基本特征还包括繁殖和代谢。只有有了繁殖特性和代谢功能,生命才能顺利繁衍下去。而代谢和繁殖都需要物质和能量。关于代谢的起源也有很多假说,其中德国的Wätchersäuser为代表的高温起源学说和Miller为首的低温起源学说支持者最多。 

  高温起源学说阐述了生命的最基本有机分子是如何合成的。如在海底热液环境中存在着密集的包括古细菌、嗜热细菌、管状蠕虫、蛤类、贻贝类、双壳类、腹足纲的软体动物、甲壳类、节肢动物的虾类和蟹类、须腕动物、棘皮动物、环节动物、脊索动物、脊椎动物鱼类等在内的丰富多样的生物群落。所有这些动物维持生命所需的最初能源, 不是依靠阳光的光合作用, 而是深海热泉喷出的硫化物, 化学自养细菌利用氧化热液中的硫化物(H2S) 所得到能量, 去还原CO2而制造有机物, 其他动物都是依靠细菌还原喷口热液中的硫化氢作为原始能量来源,因此这些学者认为地球上最早的生命应该是自养型的。但也有许多科学家仍然偏爱前生命原汤的概念。最早的微生物靠氧化这个原汤中还原态的碳化合物来维持生命,即生命代谢的起源以异养为先。 

 

深海海底黑烟囱  

  

  低温起源学说认为,仅仅根据现代生命的最初始祖先是超级嗜热菌而认为生命起源于高温环境是不可靠的, 高温菌的生存环境不能用来解释其起源及核糖核酸(RNA)的存在等问题。低温学派指出,前生命的化学要求必须是一个低温的环境, 因为许多生物物质在100℃就快速分解,因此高温对于生命世界与无机世界之间的桥梁——RNA的存在是极为不利的。 

  尽管如此, 生命的高温起源学说也不是毫无道理。所谓的基因在先还是代谢在先的争论其实仅仅是个逻辑问题而已。无论生命如何起源, 无论其最早的代谢是自养的还是异养的, 整个生命起源的过程以及整体上的生化过程都必须有利于化学反应进行。这种能够保持地球化学能量供应和微生物细胞内部能量供应的条件就是存在一个能量梯度。 

  虽然有种种关于生命起源、代谢起源的假说,但作者综合考虑生命的特征、地球的演化历史和地球的理化条件,认为最有可能的地球生命的起源和演化过程是这样的: 

  大约50亿年前,太阳系在演化过程中形成地球,当时地球是个炽热的火球。地球表面到处是火山在喷发,到处充满炽热流动的岩浆。慢慢地,经过数亿年,地球冷却下来,火山变少、喷发量变小,冷却后的岩浆变成了岩石,但当时的地球表面仍然死寂荒凉,没有水,大气中由于没有氧气而呈现红色而不是蓝色。地球表面的水全部由太空收集而来,这是因为在太阳系的行星形成后,太阳系中仍然存在大量气体和尘埃,它们形成了很多小的天体在太阳系空间中飞行游荡,这些小天体中就包括彗星,其主要构成成分是水。当小天体遇到太阳系中质量较大的天体例如行星时,由于万有引力作用而被吸附在行星表面。于是地球轨道周围的水便被地球吸附,于是地球进入了整日大雨倾盆、电闪雷鸣的时代,这场大雨一下就是几百万年。地球轨道离太阳的距离非常完美,非常适合生命的存在,这不得不说是一个奇妙的偶然。因为相对于地球轨道内侧的行星来说,地球离太阳较远,因此,被吸附到地球上的水没有被太阳的高温蒸发也没有被强劲的太阳风吹走而回到太空中,例如离太阳较近的水星和金星的表面就没有水;相对于地球轨道外侧的行星来说,地球离太阳较近,因此,地球可以接收到更多的太阳光,使地球保持温暖,利于生命的繁衍,而在太阳系外边缘的海王星、天王星非常寒冷,不可能有生命的存在。加之,地球的质量刚刚合适,可以将表面的大气吸住不至于散失到太空中,厚厚的大气层利于地球表面的保温。 

太阳系(引自网络) 

    

  经过几百万年的大雨,地球表面积攒了大量的水,以固态()、液态()、气态(水蒸气)的形式存在,液态水流到地球表面的低洼处汇集,形成了古海洋。 

  大约40亿年前,生命在古海洋中发生。怎么发生的?可能是在黑暗的深海海底,被地球内部岩浆加热过的硫化物喷发出来,催化了古海洋中的无机物合成了有机物;也可能是在电闪雷鸣的古海洋表面,由于雷击带来的热和光催化了古海洋中的无机物合成了有机物。有机物一旦形成,便发挥其自我复制的特性,大量合成,简单的有机物在热的催化下,合成了复杂的有机物,例如多糖、脂肪、蛋白质、核酸等生物大分子。这个过程经历了数亿年的时间。 

  不同的生物大分子经不同的结合、组合,终于形成了最原始的细胞结构,外面有细胞膜,包被这里面的各种细胞器。这个最原始的细胞也是地球上所有生命的祖先。生命出现了。最原始的生命是细菌,在古海洋这个巨大的培养汤里,原始的细胞通过复制、变形、变种的形式进行繁殖,开始大量出现。它们通过细胞膜吸收外界的物质和能量,在细胞内完成代谢和复制等一系列复杂的生命过程。细菌通过吸收太阳光进行最原始的光合作用,产生氧气。氧气被排放到空气中后,改变了空气的性质。随着氧气含量的增加,大气逐渐由红色变成了蓝色。 

原始细菌 

    

  大约15亿年前,细胞发展出了细胞核。细胞核有一层薄膜保护,从而保护了细胞的遗传物质基因。一直到8亿年前,在地球生命早期的30多亿年中,生命的基本形式是微小的单细胞生物。 

  大约8亿年前,第一个多细胞生物出现。此时,所有的生物仍然只存在于海洋中。 

  

深海海绵 

    

  大约4亿年前,生物开始登陆,植物、昆虫、脊椎动物等开始陆地上繁殖。生物终于在地球的所有环境,包括陆地、海洋,赤道、两级,高山、峡谷,潮间带、深海,热液、冷泉等,繁衍开来,形成了五彩缤纷的生命世界。 

南海深海冷泉贻贝-铠甲虾群落 

太平洋马努斯深海热液喷口附近管虫群落 

    

潮间带海藻 

    

 

白洋淀生境,示陆地植被和淡水环境 

    

  地球生命的起源不可能只是孤立的自然事件,也不可能只是起因于地球形成数亿年后原始地表或地外某种单纯因素的作用(如原始海洋中的化学进化或宇宙生命种子的巧然输入),而是与非生命物质、前生命有机物的起源与演化密切联系在一起,是地球形成过程中,天、地、生等多因素综合作用的结果。 

  无论生命是如何起源的,地球本身的演化历史和条件,使得生命的发生对于地球来说是一个必然事件,但对于浩瀚的宇宙和上百亿年的宇宙演化史来说,地球生命绝对是一个偶然事件,是宇宙中的奇迹。是生命使得地球、使得宇宙更奇妙、更美丽,充满了无限的可能,使人类有了无限的幻想和遐思。 

  地球的条件、地球生物的发生在宇宙中是奇妙的、偶然的。这说明,地外生命甚至地外文明存在的可能性非常小。但宇宙之大超出人类的想象,可能性非常小也不是没有可能。不论在土卫二或者其他行星、卫星上是否存在生命,人类利用各种理论和技术寻找地外生命和地外文明的脚步不会停止。这不仅是为了满足好奇,更是为了人类的未来。 

太空 

    

  作者:李新正 海洋生物学家  中国科学院海洋研究所 研究员、博士生导师 

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