地球上的生命可能起源於一鍋原始湯，生命的基本特徵從中自發湧現。

撰文 | 劉培源（集智俱樂部主編）

編輯 | 陳天真

責編 | 高佩雯

我們是誰，從哪裡來，是人類世世代代追問的問題。地球上的生命可能起源於一鍋原始湯。

2020年9月，發表在《科學》雜誌上的一項研究發現，僅僅利用水、氮氣、甲烷等6種簡單的物質，讓它們相互發生化學反應，不斷迭代下去，就可以產生多種催化劑，它們同時又是化學反應的參與物，從而形成一個自我催化、自我複製的化學迴圈。

我們從何處來？我們是誰？我們向何處去？｜Paul Gauguin

生命起源於一鍋原始湯？

生命的起源一直是科學家關心的問題。最初的地球，顯然是沒有生命的。從簡單的無機物中，如何孕育出複雜的生物體？

早在19世紀，達爾文在寫給植物學家約瑟夫·胡克的信中就曾猜想，或許地球生命起源於一個溫暖的小池塘。在這個小池塘中，如果氨和磷酸鹽、光、熱、電等條件都具備，就可以形成蛋白質這樣的生物大分子。

達爾文的思想後來逐漸發展為關於生命起源的原始湯假說。簡而言之，原始湯假說認為，地球上的生命起源於一鍋無機物混合的原始湯：在原始地球環境下，簡單的無機物透過化學反應轉變為有機物，有機物發展為生物大分子，直到出現一個最簡單、最原始的細胞，最終演化出地球上繽紛多彩的各類生命形態。

1953年，原始湯假說的一小部分——從無機物中產生有機物的過程被實驗證實。這就是我們在中學課本上學過的米勒-尤里實驗。當時，化學家尤里和米勒將多種物質（水、甲烷、氨氣、氫氣和一氧化碳）密封於燒瓶內，然後用電極產生火花，模擬原始大氣電閃雷鳴的環境，觀察是否真的能合成有機物。結果驚人地發現，燒瓶中產生了蛋白質的基本組成成分——氨基酸。

這個實驗極大地支援了原始湯假說，但原始大氣成分到底是怎樣的，我們並不清楚。科學家在考察過遠古地球的氣候、溫度等因素後發現，氨氣、甲烷、氫氣或許從未在同一時間段作為地球的主要氣體存在過。在考慮到這些因素後，後來的實驗再也沒能複製米勒-尤里實驗的成功，原始湯中也沒有自發產生氨基酸。

原始湯假說似乎變得岌岌可危。幸好，來自海底熱泉的研究為事情帶來了轉機。

地球上的生命可能起源於一鍋原始湯。｜Wired

深海熱泉帶來轉機

上世紀70年代，科學家在太平洋加拉帕戈斯裂谷看到了一幅奇異的景觀：這裡蒸汽騰騰，煙霧繚繞，雖是兩千多米深的海底，卻煙囪林立，恍若置身火山口——這便是深海熱泉。更令人驚奇的是，熱泉周圍是一個生機勃勃的生命世界，聚集著細菌、甲殼類、 管蠕蟲和章魚等各種大小的生物，種群密度堪比珊瑚礁生態。

在光線無法穿透的黑暗深海，尚且有生命出現，從原始湯中形成生命，似乎也頗有可能。

到了80年代，第二類熱泉也映入科學家眼簾。不同於第一類熱泉由火山和岩漿形成，第二類熱泉由海水滲透進岩石形成。緩慢的海水侵蝕使得岩石形成奇特的紋路，在電子顯微鏡下呈現出大量微小的空腔，與細胞尺寸相仿，卻並非細胞遺蹟。

科學家們猜測，這些空腔可能是孕育生命的理想場所，大自然的第一鍋原始湯或許就曾盛放在這裡。最早的生命在演化出自己的細胞結構之前，寄居在大自然提供的這些天然隔離屏障中，正如遠古人類寄居在洞穴裡一樣。

這些空腔的壁上富含硫鐵礦，天然具有很強的催化能力，催化其中的生命物質自我複製。而遺傳物質的複製是生命複製的核心，正是它讓一個細胞發展為一團細胞，讓一棵樹蔓延出整片樹林，讓一對鳥繁衍出整個島嶼的鳥。

深海熱泉周圍是生機勃勃的生命世界。｜維基百科

生命起源的“雞生蛋”問題，或許無需糾結

自然固然有自己的道路，在原始湯中成功孕育出能夠自我複製的生命。可是，人類似乎難以窺見其智慧。我們不得不苦苦思索，米勒-尤里實驗斷掉的鏈條要如何連上，無機物究竟是怎樣產生出生物大分子，並獲得自我複製的能力的？

進入20世紀，網路科學迅速興起，給人們帶來啟發。正如連線是網路的本質一樣，科學家們猜測，在從原始湯孕育出生命的過程中，關鍵的未必是幾種特定分子，也可能是一批相互作用的不同分子。不同分子相互作用，從中湧現出生命的基本特徵——自我複製。

2020年《科學》雜誌上的論文為這種猜想提供了證據。研究者使用化學演算法軟體，僅僅以水、氮氣、硫化氫、氨氣、氰化氫、甲烷這6種簡單物質作為起始反應物，讓它們相互反應，產生的新物質接著繼續參與反應，一代代持續下去，形成一個龐大的化學網路，其中包含數萬種分子，有許多是生物體記憶體在的有機物。

他們在分析後驚人地發現，在這個網路中，竟然會產生多種催化劑。它們既是催化劑，也是化學反應的參與物，讓化學反應越來越快，積累的物質越來越多。也就是說，從簡單的無機物開始，就可以自發形成自我催化、自我複製的化學迴圈——這正是生命的自我複製能力的根基。

研究還發現，除了催化劑，反應產物中還有表面活性劑。這是一類可以讓目標溶液表面張力顯著下降的物質，可以改變浸潤性、幫助增溶、乳化、起泡等。我們常見的洗滌劑，主要成分就是表面活性劑。

你可能一時想不到表面活性劑和生命有什麼聯絡，事實上，細胞膜的主要功能成分就是表面活性劑。這層表面活性劑可能幫助形成生命和周遭環境之間最原始的邊界，加速個體細胞生命的形成。

模擬實驗讓我們看到，幾種簡單無機物相互反應，不斷迭代，就可以產生具備自我催化、自我複製能力的生物大分子，以及表面活性劑這道生命屏障。這也啟發我們，或許根本無需糾結生命起源領域的一個“雞生蛋”問題：具有自我複製能力的DNA和具有催化功能的蛋白質，到底誰先產生？情況可能是，一切都在原始湯中自發湧現。

雖然相關研究還相當初步，卻無疑讓我們窺見了生命起源的一道亮光。

非生命和生命的邊界原本模糊不清。｜Kent Foster / Science Source

非生命和生命的界線，一開始可能並沒有那麼清晰。如今生機勃勃的生命世界，都是從無機物分子組成的一鍋原始湯中產生。

下一次當我們漫步沙灘上，看到散落的石頭、貝殼，看到水草、魚群，砂礫和空氣，你會不會覺得，那些非生命的物質，也都和我們更親近了一些？

參考資料

[1] Wolos A, Grzybowski B A, el al. Synthetic connectivity, emergence, and self-regeneration in the network of prebiotic chemistry[J].Science ,2020, 369(6511):eaaw1955

[2] Miller S L. A production of amino acids under possible primitive earth conditions[J]. Science, 1953, 117(3046): 528-529.

[3] 尼克·萊恩 科學出版社《生命的躍升：40億年演化史上的十大發明》