地球生命是如何起源的?它是開始於基因,還是開始於細胞?
無論是動物,還是植物,還是更小的細菌,地球上目前已知所有生物都使用著相同的遺傳密碼,這意味著當前所有生命起源於一個共同的祖先。這個最後的普遍共同祖先被稱為LUCA,其實病毒也使用著與我們相同遺傳密碼,但是現在並不認為病毒也來自LUCA,病毒的起源目前尚不清楚。
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LUCA並不是地球第一個生命,在LUCA的時代可能有多種生物體,但它們和它們的後代都已經滅絕了,現在地球只有LUCA一脈相承。
那麼有趣的問題就是,LUCA是怎麼來的,或者更直接的問題,地球的生命到底是如何起源的呢?
還有最早的生命到底是從遺傳物質開始的,還是從細胞開始,最後通過演化才得到遺傳物質的呢,還是說有其它的過程?
其實,這些問題現在都沒有明確答案,甚至可能永遠都不會有答案,但無論是過去,還是現在,許多最優秀的學者都在試圖用最新的方法和證據給出讓人信服的答案。
目前主流的有三種假說,分別是有機化學的原始湯假說、分子生物學的RNA世界假說,以及關於無機化學的代謝和瞬態金屬離子假說。
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原始湯假說應該是最早關於生命起源較有說服力的一個假說,因為它真的通過實驗證實,而非思想實驗。
1952年的時候,斯坦利·米勒和哈羅德·尤里進行了這項著名的實驗——米勒-尤里實驗,這項實驗模擬了早期地球的環境。
他們在密封無菌的玻璃瓶中放入水,然後加入了當時認為的早期地球應有的大氣成分,同時還製造了早期地球的高溫和雷電的條件。
在實驗結束後,他們在這些完全由無機物組成的材料中發現了五種氨基酸——其中三種確定,以及兩種不太確定。
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米勒和尤里,圖源:Hanna Holborn Gray
在2007年米勒去世的時候,人們又將最初實驗的密封樣本進行了重新檢測,最終發現了20多種氨基酸,超過了自然界生物遺傳密碼中可以找到的20 種氨基酸。
這個實驗應該是最常見的解釋生命起源的實驗,但其實現在的研究早已表明早期地球的大氣成分並不是米勒時期認為的甲烷(CH 4 )、氨(NH 3 ) 和氫氣(H 2)。
不管怎麼樣,米勒-尤里實驗能夠證明早期提地球的條件確實有助於化學反應的發生,而在他們之前,其實有人已經提出了相似的理論,被稱為液滴理論。
液滴理論相信生命最先形成的是細胞,因為早期的化學反應的產物更有助於細胞的形成,然後細胞演化出酶,最後得到基因。
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圖:之所以認為是RNA先出現,而不是DNA,其中一個原因是RNA有執行酶的能力
與之完全相反的是RNA世界假說,這個假說是由德國科學家曼弗雷德·艾根(Manfred Eigen)所提出,他認為生物最早起源於RNA,然後是酶,最後是細胞。
無論是RNA世界,還是原始湯,兩者都認為生命應該起源於海洋。
而另外一個流行的假說,則認為生命實際上起源於溫暖粘稠的粘土礦物中,這可以發生在海洋,也可以不是。
粘土礦晶體,有助於有機物和金屬離子的收集,圖源參考1
該理論認為,一些黏土礦可以充當細胞的角色,它將有機分子和無機的金屬陽離子吸附在上面,代謝在上面發生,最終演化出更複雜的生命。
你可能還想知道,地球的生命又是何時出現的呢?
其實,這個問題的答案和生命起源的答案是一樣的,也沒人知道,同樣也很可能也永遠不會有人知道。
不過大部分科學家都認為生命很可能形成於地球液態水出現的時候。
由於地球剛形成之初,它非常的炎熱,表面溫度可能都超過1000攝氏度,地球經歷了漫長的降溫過程,只有溫度降到足夠低的時候,液態水才足以存在。
現在的一些研究表明,地球最早的液態水可能是在43.5億年前出現的,而最早的生命很可能就在這個時間誕生。
但實際上,這個時期的地球依然非常不穩定,它自身很不穩定,超級火山和地震非常頻繁的爆發;太陽係也不是很穩定,在此之後太陽系的行星還經歷了一次被稱為“後期重轟炸期”的小行星襲擊,所有行星都沒能倖免。
如果這個時間段即便出現了生命,它們可能也無法在這種不穩定的環境中生存下來,而即便它們完全的存活下來,我們也將永遠找不到它們存在的信息,因為地球的地質活動至今都十分活躍。
關於後期重轟炸期,科學家最早是在月球表面的隕石坑發現相關證據的,因為大部分月球表面的隕石坑都發生的時間基本都是41億到38億年前,後面科學家在水星、火星等行星上也發現了相應時間段的重轟證據。
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圖:後期重轟炸期地球可能出現的隕石坑
在後期重轟炸期中,地球可能至少會留下5個以上直徑大於5000公里的撞擊隕石坑,40個以上直徑大於1000公里的,以及22000個以上直徑大於20公里的。
但由於地球活躍的地質活動,這些都已經很難再找到證據了。
地球生命的痕跡也一樣,那些攜帶著生命生活過痕蹟的岩石一次次被循環到地球內部,在高溫高壓下,任何信息都被註銷了。
鋯石晶體,了解早期地球和太陽系的重要材料,圖源:Rob Lavinsky
鋯石晶體是為數不多能夠在高溫高壓下倖存下來的材料,實際上它是人們了解過去地球的重要手段,人們也試圖在鋯石晶體發現生命的痕跡。
但是截止目前,除了發現了40億年前的鋯石晶體上可能是生物過程產生的碳同位素之外,沒有任何的直接生命證據。
好消息是,地球上目前還保留了一些最古老的岩石——就是格陵蘭島上的伊蘇亞上地殼帶(ISB)的地層,其歷史可以追溯到37億到38億年前,所以你會發現那些正在尋找地球早期生命形式的科學家都把目光鎖定在了格陵蘭島上。
隨著氣候變暖,格陵蘭島的冰川融化,岩石更多的裸露出來,這個科研帶來了一些便攜。
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3.77億年前的“疊石層” MACMILLIAN PUBLISHER LTD.
2016年的時候,一組科學家聲稱在37.7億年前的岩石上發現了疊層石,是目前已知最古老的生命證據,並將研究成果發表在了《科學》雜誌上。
疊層石是由微生物組成的墊層(現在的疊層石主要是藍細菌形成的),它們將沉積物層困在海底的土丘中,隨著時間的推移,這些土丘逐漸堆積並鈣化。
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圖:現代的疊石層
如果發現了疊層石,那麼確實意味著發現了古老生命存在的證據,但是和以往所有的生命證據一樣,這個證據也存在許多爭議。
目前,沒什麼爭議的最古老生命證據是來自34.65億年前的澳大利亞尖燧岩中的微生物微化石,它們是一些厭氧古細菌類。
“生命開始於35億年前”,可能很多人都看過類似的報導,這個信息應該就是來自澳大利亞的這個考古發現。
但是這個時間和LUCA的生活時間都相差很遠——LUCA預估生活在40億年前,更別說生命開始於那時了。
參考資料:
[1].https://doi.org/10.3390/life12020259
[2].https://doi.org/10.1126/science.aah7251