生命起源环境

生命起源一直以来都是最具挑战也是最引人注目的科学难题之一。生命的出现可以追溯到几十亿年前，由于没有办法直接观察生命起源的过程，甚至连生命起源的环境都不能完全确定。生命起源是一个高度跨学科的研究课题，想要解决生命起源的问题不仅需要化学，也需要生物、物理、天文、地球和行星科学等多学科的共同合作。关于生命起源的理论有很多种，但生命是从无机小分子逐渐进化而来的观点已经得到共识。

探索生命起源的实验研究始于20世纪50年代，当时的许多研究人员都认为生命起源于海洋，源自一团被称为原始汤的碳基化学物质。1953年，米勒实验模拟海洋与早期大气环境，通过几天的加热和电击产生20多种有机物，其中11种氨基酸中有4种（即甘氨酸、丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸）是生物的蛋白质所含有的。米勒实验向人们证实，生命起源的第一步，从小分子无机物形成小分子有机物，在原始地球的条件下是完全可以实现的。但有科学家指出，蛋白质、DNA和RNA这类核酸的连接都很脆弱，水会攻击并最终破坏这些连接。

20世纪70年代末，在东太平洋的加拉帕戈斯群岛附近的几处深海热泉里众多生物被发现，包括管栖蠕虫、蛤类和细菌等兴旺发达的生物群落。这些生物群落生活在一个高温、高压、缺氧、偏酸和无光的环境中。首先，这些化能自养型细菌利用热泉喷出的硫化物所得到的能量去还原CO₂而制造有机物。然后，其他动物以这些细菌为食物而维持生活。迄今科学家已发现数十个这样的深海热泉生态系统，它们一般位于地球两个板块结合处形成的水下洋嵴附近。然而不论是深海热泉还是陆地热泉，都缺少从小分子无机物、小分子有机物、多分子团聚体逐渐演变为原始生命的必要条件。

2009年，萨瑟兰德研究团队将磷酸盐和四种简单的碳基化学物质溶解在水里，高度浓缩溶液的关键步骤也需要紫外线辐射。之后，该研究团队利用相同化学物质，只要经过细微的差异化处理，也能产生蛋白质和脂质的前体，并且利用阳光的能量和一些高度浓缩的同类化学物质生成了DNA的构成单元。

2020年，美国NSF–NASA化学演化中心的生物化学家弗伦克尔品特团队研究表明，氨基酸在完全干燥的情况下，会自发连接起来，形成类似蛋白质的链。

1 局部水域

在多种生命起源的模拟实验中，阳光照射和化学物质高度浓缩汤是形成DNA单元的关键，在广阔的海洋、陆地及流动河流里均无法形成关键的生命浓缩汤。海洋滩涂洼地等局部水域是形成原始生命浓缩汤的理想环境。

2 干湿交替

形成含有DNA单元的原始生命浓缩汤后，大量的水将分解核酸。氨基酸在完全干燥的情况下，会自发连接起来，形成类似蛋白质的链。尤其在长时间、无限次的干湿交替的过程中，各种类型的DNA单元会不断形成，且万亿种DNA单元的组合方式不断形成，这种大量的试错方式、优胜劣汰的适者生存原则，在生命产生过程之初就开始发挥及其重要的作用。

实验表明，相较于其他的氨基酸，这类反应更容易用现今蛋白质中发现的20多种氨基酸来实现。干湿交替的海洋滩涂洼地等局部水域不仅完美解决了核酸依赖于水但却容易被水分解的悖论，也完美诠释了为何生命在成千上万种可能性中只使用了那几种氨基酸。

3 水陆边界

地球生命的起源是在水陆边界，海洋滩涂洼地等局部水域是形成原始生命浓缩汤。各种类型的DNA单元会不断形成，在长时间、无限次的干湿交替的过程中，各种类型的DNA单元会自发以各种不同的组合形式连接起来，形成类似蛋白质的链。长期的自然选择作用下，最优质的蛋白质链生存下来，形成地球原始生命。

4 生命在海洋陆地同时产生

生命起源包括四个阶段。

第一阶段：小分子有机物形成。

一氧化碳、二氧化碳、水、氢气、氨气等在闪电、宇宙射线、紫外线等提供的能量作用下，不断形成氨基酸、嘌呤、嘧啶、核苷酸、高能化合物、肪酸等各种类型的小分子有机物。

第二阶段：大分子有机物形成。

在干湿交替的水陆边界，当在较干燥的环境下，各种类型的小分子有机物自发以各种不同的组合形式连接起来，形成蛋白质、多糖、核酸等大分子有机物。生命的特征之一是自我选择。早起形成了大分子有机物，通过自我选择作用，20多种氨基酸在无数次竞争中胜出而保存下来形成能够形成生命的蛋白质。相较于其他的氨基酸，干湿交替环境下，现今蛋白质中发现的20多种氨基酸更容易自发地形成长链。在大分子有机物形成阶段自我选择已经发挥重要作用。这表明在大分子有机物形成阶段，自我选择的生命特征已经开始出现。

第三阶段：多分子团聚体形成。

在水陆边界，在不断的干湿交替作用下，蛋白质、多肽、核酸和多糖等大分子有机物不断地自动浓缩聚集为各种组合的小型球状液滴，形成多分子团聚体。多分子团聚体开始具有合成、分解、生长、生殖等生命现象。内部的化学特征显著地区别于外部环境水，开始形成一定边界，外面开始出现原始膜。多分子团聚体能从周围吸入某些分子作为反应物，还能在酶的催化作用下发生特定的生化反应，反应的产物也能从团聚体中释放出去。多分子团聚体具有一定的物理、化学结构，这种独立的结构，可以脱离外界环境的影响，不容易被外界条件破坏，在这种体系中有蛋白质和核酸同时存在，核酸不具有酶的催化作用，蛋白质不具有复制性能，二者配合形成完整的调节系统，至于核酸密码的形成，需要长时期的无限次配合及选择。通过原始膜的控制与周围环境发生物质交换，原始膜控制某些物质能否进入，控制环境对生物系统的作用。多分子团聚体的最大特征是能通过它的外面选择性吸收周围的物质，并在其内部发生酶促反应，如团聚体可以完成将磷酸葡萄糖转化为淀粉的代谢反应。在自然选择中，多分子团聚体不断进化，结构、功能不断完善，不断复杂化。

另外一个生命特征是自我复制，生物细胞均通过RNA转录DNA信息而进行世代间传递信息，一些RNA病毒能靠RNA完成自我复制传递信息。而这些多分子团聚体已经开始显示原始生命特征。另外，生命的特征是不断与环境进行物质和能量交换，而多分子团聚体通过外模选择性吸收周围物质，并在内部发生酶促反应。这表明，在大分子有机物形成多分子团聚体阶段，自我选择发挥了重要作用，自我复制的生命特征已经开始出现。

第四阶段：原始细胞诞生。

在RNA的产生过程中，会附带产生一种带电镁分子，这种分子会破坏细胞膜。科学家一直未能复原早期地球的RNA细胞膜共存环境。2019年，华盛顿大学的实验表明某种特定的氨基酸，可以让细胞膜保持稳定。实验把包括水、原始蛋白质片段、RNA和脂肪酸片段等放进简化的“原始汤”中，结果显示，在水中，脂肪酸能够自发组合成细胞膜，形成一种类似于装满水的气球结构。当水中有盐或带电分子，细胞膜很容易瓦解。同时也发现，某种特定的氨基酸，能够和脂肪酸细胞膜粘合在一起。在显微镜下，细胞膜在被这些氨基酸粘合后，会显得更厚、更亮。有时还会形成一种多层结构。在往水中加入盐或镁之后，这些细胞膜依然完好无损。这表明氨基酸让细胞膜保持了稳定。

生命的最重要特征是自我隔离，这种自我隔离结构就是细胞膜。在干湿交替和土壤的共同作用下，多分子团聚体已经出现自我隔离功能，而磷脂在自我选择的作用下不断胜出，不断形成具有自我选择、自我复制、自我隔离的完整生命特征的细胞。

地球的原始生命起源于不断干湿交替的水陆边界，在水陆边界，不断由小分子有机物通过化学作用逐渐形成小分子有机物，小分子有机物在干湿交替作用下形成大分子有机物，大分子有机物在干湿交替和土壤共同作用下形成多分子团聚体，多分子团聚体形成完整的自我隔离系统后形成细胞。最初的细胞诞生在干湿交替的水陆边界，因此适应水陆两种不同的环境，这意味着水生生物和陆生生物同时产生。

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