地球上原始是没有生命的，那么，第一个生命是怎么来的？

会里很

地球上原始是没有生命的，那么，第一个生命是怎么来的？
原文地址：https://www.zhihu.com/question/52879876

继续前进

地球上有着万万千千的生命物种，这些物种最早来自哪里，什么时候出现的？怎么出现的？其实都还是待解之谜，然而今年4月27日权威学术期刊《自然·通讯》杂志发表的一篇重磅文章揭示，地球生命最早很可能来自外太空。


这篇文章的作者是日本北海道大学和日本海洋科学技术中心的大场康弘及其同事，他们通过对太空中落到地球上的陨石的研究发现了DNA的两类主要化学成分——嘧啶和嘌呤，而且它们是最后从陨石中发现的构成DNA的化学成分。


嘧啶是一种碱性含氮杂环化合物，在形成DNA和RNA的五种碱基中，有三种是嘧啶的衍生物，分别是胞嘧啶、胸腺嘧啶、尿嘧啶，其中胸腺嘧啶只能出现在脱氧核糖核酸中，尿嘧啶只能出现在核糖核酸中，而胞嘧啶两者均可，说明这种物质和生命形成的关系很大。
嘌呤则是一种杂环芳香有机化合物，是生命体新陈代谢过程中的一种产物，包括鸟嘌呤、腺嘌呤。而在碱基互补配对时，胸腺嘧啶（DNA中）或尿嘧啶（RNA中）与腺嘌呤能以2个氢键结合，胞嘧啶与鸟嘌呤则能以3个氢键结合，也说明它们都是编译生命密码的重要物质。
大场康弘和他的同事正是在陨石中发现这些物质的，他们用针对碱基进行优化的小规模量化的分析技术重点研究了3颗富碳陨石：分别是默奇森陨石、默里陨石和塔吉什湖陨石。


默奇森陨石
其中默奇森陨石是1969 年 9 月 28 日坠落在澳大利亚维多利亚州默奇森地区，默里陨石是1952年坠落于美国阿肯色州的默里地区的陨石，塔吉什湖陨石在2000年1月18日坠落在加拿大英属哥伦比亚西北部的塔吉什湖地区。他们仅在默奇森陨石中就找到了 70 种以上的氨基酸，其中既有常见的甘氨酸、丙氨酸、谷氨酸之类，也有不易发现的的异缬胺酸、柳氨酸之类的物质，还有二羧基、二氨基等不同的官能团，2020 年 1 月时，有科学家发表论文称，通过对该陨石携带的碳化硅颗粒的测定，发现其已有70亿年的历史，这不单比地球形成的时间还早，甚至要比太阳系形成的时间更早，默里陨石的年龄也比地球更加古老，它和塔吉什湖陨石中也有不同的DNA成分发现。


这些新发现很可能正在揭示一个秘密，就是地球生命的最初来源很可能是来自于外太空，甚至是在太阳系形成之前就已经有生命存在了，只是生命存在于别的星球上，后来在某个自然灾难中，这些生命的痕迹变成小行星在太空中漂流，其中一些化作陨石降落到地球上，直到今天才被科学家们发现。


不过也有另一种可能，就是组成生命的DNA分子或分子链可以在自然状态下形成，然后被一些小行星吸收，也可能是在某个星球上形成，但是星球后来因撞击破碎，变成的小行星上遗留了一些DNA的碎片痕迹。


传统观念认为，生命的形成和进化都异常复杂，仅是蛋白质氨基酸在自然界中合成的几率，就如同将一辆汽车的零件全部拆散扔到空中后掉下来自动又组装成一辆汽车一样，但如今通过对DNA、RNA等的成分研究发现，很多分子链在自然界中形成并不难，极其大量的分子链掺和到一起，造出更复杂的DNA、RNA等也就不是那么困难了。有科学家在模拟星际介质形成条件的实验中就发现了嘧啶，也说明一些有机分子是可以在宇宙中甚至是极其寒冷的星际空间中自然合成的。




科学家们还认为 DNA和RNA的碎片在随着陨石到达地球的时候，在于大气层和地面的撞击过程中，高温状态也会促成一些生命所需物质的合成，所以生命到底是在地球上形成还是来自外太空，目前还仍然是个谜。不过既然地球上能够形成生命体，那么这宇宙中那些与地球条件相似的行星上，应该也不会例外。


参考资料：
《中国新闻网》4月27日文章《国际最新研究在陨石中发现DNA主要成分 或由陨石带来地球》

大力水手

长期以来，许多科学家一直推测，地球上的第一批细胞出现在海洋中。
但最近的研究表明，生命的关键分子及其核心过程只能在相对较浅的水域中形成。因为多项研究表明，生命的基本化学物质需要紫外线才能形成，并且水环境必须高度浓缩，甚至有时会完全变干。
在实验室实验中，萨瑟兰和其他科学家通过加热简单的碳基化学物质，使其经受紫外线辐射并间歇性干燥，从而产生DNA、蛋白质和细胞的其他核心成分，但是尚未能够在模仿海水的条件下合成如此广泛的生物分子。
不断涌现的证据使许多研究人员相信，生命出现在干湿交替的陆地环境，而不是海洋。尽管水对于生命至关重要，但它也破坏了生命的核心组成部分。


尽管生命没有标准的定义，但大多数研究人员都认为生命需要几个组成部分。其中一种最重要的是携带信息的分子——DNA，RNA或其他东西。当然，也必须有一种能复制这些分子的方法，尽管该过程可能不完善，可能出错；此外，也许第一个生物可能已经能使用一种基于蛋白质的酶来养活和维持自身。最后，某些东西将这些不同的部分结合在一起，使它们与环境分开。
原始汤

1920年代，许多研究人员认为生命起源于海洋，富含碳的化学混合物被称为原始汤。这个观点是由苏联的生物化学家亚历山大·奥帕林和英国的遗传学家霍尔丹提出的。每个人都把年轻的地球想象成一个巨大的化工厂，其中许多碳基化学物质溶解在早期海洋中。欧帕林认为会一些简单的分子会形成越来越复杂的颗粒，最终形成碳水化合物和蛋白质。
1950年代，科学家开始对生命起源进行实验室研究。1953年，美国芝加哥大学一位名叫斯坦利·米勒的年轻研究员进行一项著名的实验，这个实验证实生命起源于海洋的想法。
米勒用一个装有水的玻璃烧瓶模仿海洋，并用另一个装有甲烷，氨和氢的烧瓶模拟早期的大气。试管连接烧瓶，电极模拟雷电。几天的加热和电击足以制造甘氨酸，最简单的氨基酸和蛋白质的必需成分。


图注：·米勒用简单的试验装置合成氨基酸。
但是随着对细胞的深入研究，许多科学家发现这个想法存在一个根本问题：生命的基石分子可以在水中分解，这让蛋白质和核酸在其关节处易受伤害。蛋白质由氨基酸链组成，而核酸是核苷酸链。如果将链条放在水中，大量的水将攻击链环并最终使其断裂。
1986年，已故的生物化学家罗伯特·夏皮罗在其著作《起源》中写道：在碳化学中，水是大分子最大的敌人，因为分子可以被水分解。这就是水的悖论。
如今，合成生物学家凯特·阿达玛拉认为：细胞通过限制水在细胞内的自由流动来解决分子被水分解。因此，流行的细胞质图像通常是错误的。她补充说：“我们被告知，细胞质只是一个容纳所有东西的袋子，所有东西都在游动。那是不对的，所有东西都难以置信地包裹在细胞中，但是包裹这些物质的是凝胶而不是水袋。”
因此，如果生物必须保持对水的控制，则其含义显而易见。生命可能是在陆地上形成，只有那里断断续续地存在水。




陆缘说

在2009年，科学家找到生命起源于陆地的关键证据。科学家萨瑟兰宣布他的团队成功地制造出构成RNA四个核苷酸中的两个。
萨瑟兰将磷酸盐和四种简单的碳化学物溶解在水中，但高度浓缩，关键步骤需要紫外线辐射。通过这项实验，他的团队利用太阳光和一些高浓度的化学物质，制造出DNA的组成部分，而在此之前被认为这是不可能的。所以，萨瑟兰认为这样的生命反不可能在海洋深处发生，只能在阳光下充足的池塘或溪流中进行，因为只有在那里，组成生命的简单物质可以集中。
2019年，美国佐治亚州亚特兰大市NSF-NASA化学进化中心的生物化学家Moran Frenkel-Pinter及其同事对这种方法进行扩展。他们证明，如果氨基酸变干，氨基酸会自发连接形成蛋白样链。与其他氨基酸相比，今天的蛋白质中发现的20种氨基酸更有可能发生这类反应。这意味着间歇性干燥可以帮助解释为什么生命在数百种可能性中仅使用那些氨基酸。




干湿循环

间歇性的干燥也可以帮助驱动这些分子构件组装的更复杂。沿着这些思路，1982年，加利福尼亚大学研究人员David Deamer和Gail Barchfeld研究另一类长链分子脂质如何自发组织形成包围细胞的细胞膜。他们首先制造囊泡：球形斑点，其水质核心被两个脂质层围绕。然后研究人员将囊泡干燥，脂质重新组织成多层结构，就像一叠煎饼。先前漂浮在水中的DNA链被困在两层之间。当研究人员再次加水时，囊泡进行重整，DNA进入囊中。2008年，Deamer及其小组将核苷酸和脂质与水混合，然后进行干湿循环。当脂质形成层时，核苷酸连接成RNA状链。
这些反应在水中不会发生，只有在干燥条件下进行。
其他研究指出另一个生命起源的关键因素：光。




合成生物学家杰克·索斯塔克（Jack Szostak）利用一些简单细胞——包含少量化学物质，但可以生长，竞争和自我复制，进行一些实验。如果这些原始细胞暴露在与陆地相似的条件下，它们将表现出更逼真的行为，即原始细胞可以利用光能以简单的复制形式进行分裂。
同样，在MRC分子生物学实验室工作的克劳迪娅·邦菲奥（Claudia Bonfio）于2017年证明，紫外线辐射可以推动铁硫簇的合成，这对许多蛋白质合成至关重要，铁硫簇的合成可以驱动储能分子ATP的合成，有助于为活细胞提供动力。但是如果将铁硫分子簇暴露在水中，它们会破裂。
水要，但不要太多

上述这些研究推动科学家提出，生命始于光线充足，水量有限的陆地表面。但是，关于水的消耗量及其在生命起源中扮演的角色仍存在争议。
干燥的环境为蛋白质和RNA等分子的形成提供了机会。但是，简单地制造RNA和其他分子并不是生命，生命必须形成一个自我维持的动态系统。
弗伦克尔-品特（Frenkel-Pinter）认为，水的破坏可能会助长这一趋势，就像捕食动物比实操动物进化得更快，第一个生物分子可能已经进化出应对水的化学攻击，甚至能利用水的破坏性。




在新西兰罗托鲁瓦附近的地狱之门温泉的一项研究中，来自热液池的样品经历了干燥和再润湿的循环，从而促进了化学反应，产生类似RNA的分子。
弗伦克尔-品特的团队研究结果表明：干燥可以导致氨基酸自发连接。但是，研究小组也发现它们的原蛋白可以与RNA相互作用，两者在水中都变得更加稳定。实际上，水扮演自然选择，只有那些可以在水中生存的分子可以存在，其他分子则会被破坏。在每个润湿周期中，较弱的分子或无法通过与他人结合而自我保护的分子被水破坏。而较大，更复杂的分子则被积累。
所以，她提出环境中的水不应那么多，以至于生物分子被破坏得太快；但也不至于没有那么少，以至于生物分子没有任何变化。
温暖的小池塘

那么，生命起源可能在哪里发生？
开放的海洋海洋是不可行的，因为没有办法使化学物质浓缩。


自1980年代以来，地质学家迈克尔·罗素（Michael Russell）一直倡导生命始于海床的火山口，那里温暖的碱性水从地壳地质构造中渗出。热水和岩石之间的相互作用将提供化学能，该化学能首先会驱动简单的代谢循环，制造和使用诸如RNA的化学物质。
罗素对萨瑟兰的观点持批评态度。罗素认为萨瑟兰进行的只是奇妙的化学工作，这并不重要。那是因为现代生物体使用完全不同的化学过程来制造诸如RNA之类的物质。罗素认为首先出现的过程，而不是物质本身。
“生命，它会挑选非常特殊的分子。但是你不能从已知模板中挑选他们。你必须从头开始制作它们，这就是生命。” 一旦形成RNA，蛋白质等，进化就将接管一切，并使原始生物能够找到新方法来制造这些分子并维持自身。
同时，许多研究人员对罗素生命始于海底的说法表示反对，认为它缺乏实验依据。
相比之下，模拟表面条件的化学实验已成为核酸，蛋白质和脂质的基础，这些反应都不基于深海热液喷口假设中。于是，生命起始于陆地小水域的想法正在增长。


科学家萨瑟兰生命起源于陨石撞击坑。陨石坑本来就是一个复杂的环境，表面的矿物可以充当催化剂，碳基化学物质可能会交替溶解在水中并在阳光下干燥。萨瑟兰说：“生命起源需要磷酸盐，需要铁。铁镍陨石很容易传递很多这些东西，而且撞击还有一个优势：陨石撞击会冲击大气，产生氰化物。”
长期以来，迪姆（Deamer）一直倡导一种不同的建议：火山温泉。他的早期实验表明，脂质会在热水中形成原细胞，池塘边缘的干湿循环将推动核酸的形成和复制。迪姆在现代火山温泉中进行了几次实验，证明囊泡可能在温泉水中形成，甚至包封核酸，但它们不会在海水中形成。同时也发现，当干燥囊泡时，核苷酸能连接起来形成RNA样链。
总结：生命起源仍是一个未解之谜，但是可以确定的是，水和阳光是生命起源的基本要素，而且越来越多的科学实验证明生命可能于起源陆地浅水环境，而不是原始的海洋！
参考文献：
How the first life on Earth survived its biggest threat — water

• 1.Miller, S. L. Science 117, 528–529 (1953).
  
• 2.Shapiro, R. Origins: A Skeptic’s Guide to the Creation of Life on Earth (Summit, 1986).
  
• 3.Powner, M. W., Gerland, B. & Sutherland, J. D. Nature 459, 239–242 (2009).
  
• 4.Patel, B. H., Percivalle, C., Ritson, D. J., Duffy, C. D. & Sutherland, J. D. Nature Chem. 7, 301–307 (2015).
  
• 5.Xu, J. et al. Nature 582, 60–66 (2020).
  
• 6.Frenkel-Pinter, M. et al. Proc. Natl Acad. Sci. USA 116, 16338–16346 (2019).
  
• 7.Deamer, D. W. & Barchfeld, G. L. J. Mol. Evol. 18, 203–206 (1982).
  
• 8.Rajamani, S. et al. Orig. Life Evol. Biosph. 38, 57–74 (2008).
  
• 9.Zhu, T. F., Adamala, K., Zhang, N. & Szostak, J. W. Proc. Natl Acad. Sci. USA 109, 9828–9832 (2012).
  
• 10.Bonfio, C. et al. Nature Chem. 9, 1229–1234 (2017).
  
• 11.Frenkel-Pinter, M. et al. Nature Commun. 11, 3137 (2020).
  
• 12.Bonfio, C., Russell, D. A., Green, N. J., Mariani, A. & Sutherland, J. D. Chem. Sci. 11, 10688–10697 (2020).
  
• 13.do Nascimento Vieira, A., Kleinermanns, K., Martin, W. F. & Preiner, M. FEBS Lett. 594, 2717–2733 (2020).
  
• 14.Damer, B. & Deamer, D. Astrobiology 20, 429–452 (2020).
  
• 15.Milshteyn, D., Damer, B. Havig, J. & Deamer, D. Life 8, 11 (2018).
  
• 16.Deamer, D., Damer, B. & Kompanichenko, V. Astrobiology 19, 1523–1537 (2019).
  
• 17.Wołos, A. et al. Science 369, eaaw1955 (2020).
  

大力水手

生命的诞生是令人不可思议的，完全称得上奇迹。但我们用自身的存在反复证明了这样的奇迹是完全可能的，只不过，这个奇迹到底是怎么发生的，依然是自然留给我们的最大谜题之一。在所有关于生命起源的理论中，“水”都是必不可缺的条件。

清风寡欲

要解决这个问题，首先必须理解生命的本质是什么？
是智能吗？人类毕竟是特殊的生物存在
是生存吗？土石一样存在，生命同他们又有何不同
在我看来，生命的本质在于繁殖…理解这一点，就理解为什么生物种类天差万别，但都是通过基因来繁殖的了
没错，生命的起源是基因，也就是DNA
初始地球原始海洋中是原子汤的存在，随机进行着各种化学反应…在巨量的随机变化反应后，第一个DNA合成了。当然开始它是种非常原始的存在，但同其它物质不同，DNA是双螺旋结构，其结构非常稳定，但又同时具备复制自身的能力(也许最初始的复制基因并非DNA，一些其它物质也有复制能力，但DNA的特殊结构及其稳定的优势很快超越了前者)
因为这一功能，DNA像犹如化学反应中的bug一样，因为化学反应是动态变化的，没有一种物质是可以永恒存在的…而DNA却可以不断复制自己，抢夺物质资源，数量很快开始剧增
但不久之后，可供合成的物质能量都有些不够用了，DNA之间开始互相竞争…有些DNA掌握了转录翻译的功能(先转录成RNA，再翻译成蛋白质)进而拥有了合成蛋白质的能力。
蛋白质是基因的工具，如同今天人类可以制造各种工具设备一样
DNA通过自身基因序列不同可以定义合成不同种类的蛋白质…有的蛋白质具备溶解其它DNA的能力，所以这些掌握了合成溶解蛋白质的基因，就“吃掉了”其它DNA，然后复制自己，这就是生命里产生的第一个消费者…
而另一部分DNA，则掌握了蛋白质盔甲的能力，可以阻挡上面的溶解蛋白质，保护自身
他们都一定程度上加强了自身的竞争优势，所以他们进化了(很多人体内的反应，比如糖代谢都依托各种酶，而酶正由蛋白质构成…总之因为蛋白质的结构特性，非常复杂繁多，有非常多的功能，不只是生物构成，酶...比如人体内正是基因通过各种蛋白质来协调运作)
虽然这个过程很缓慢，它依托于基因复制中的错误-突变…鬼知道新突变会带来什么，也许一个微小的突变，导致编码的蛋白质氨酸序列的差别，就诞生出了一种新式分解武器或保护盔甲…但更多也许什么也没有...还有可能丧失了原先的能力而无法生存
但是在巨量的复制繁殖试错下，不适应的被淘汰，变异的那怕一点优势都会得到扩大，进而大量繁殖
就这样，蛋白质盔甲不断鸟枪换炮，到细胞核，细胞...这就是最原始的单细胞生物
其后又分化出依托光能，化学能，自然能量来复制繁衍，和靠吃掉分解其它细胞获得能量物质繁衍两个方向…也就是最原始的植物跟动物
后来一些基因控制群落的生成，单细胞变成了多细胞
后来解锁了两性繁殖，通过基因组合大大加快了进化速度
再后来有了海洋生物
后来植物上了陆地
再后来动物上了陆地
爬行动物，昆虫，恐龙，哺乳动物
有会飞的，有捕食的，有吃草的...
期间起起伏伏，小行星撞地球，恐龙由于体型太大，消耗量巨大…无法转变适应，大规模灭绝，腾出了大量的生态位，而哺乳动物趁势而起
再后来哺乳动物中的猴子走出了树林来到草原
后来进化到人类，随着脑容量扩大，智力提升，解锁了科技进化的力量，科技代代相传，不断发展
在基因的传递之外，又多了知识的传递…
智能改造工具，大大提高进化适应能力
所以才有了今天的人类

以上说到底，还是基因通过蛋白质工具获取竞争优势，人类的智能只是这种蛋白质工具发展演进的结果
人不过也是工具般的存在，辛苦的为基因繁殖工作着
基因创造蛋白质工具，蛋白质工具进化成智能…人类创造了工具，现在人工智能也在快速迭代着，真是一种吊轨的命运
以上
生物天差万别，唯有基因永恒
但愿有一天人类能挣脱这种宿命

同花顺

生命起源的分子机制，在1986年之前一直被认为是蛋白和RNA组成了第一个自复制系统。RNA维持信息的传递，蛋白质分子则提供相应的酶活保证RNA分子的复制以及蛋白质本身的重生。




线索
现在看来似乎信息传递和催化特性可以合并到到一种分子中。最新的发现表明，在大肠杆菌中一类RNA分子RNase-P可以对tRNA前体进行剪切，从而形成成熟的tRNA；此外，Tetrahymena 核糖体RNA也有酶的活性，可以进行自我剪接。
从这两个发现推断，应该有更多的以RNA分子为基础的酶，即核酶。这些核酶可以以前体RNA为模板催化RNA分子的合成，也就是说在进化的早期并不需要蛋白质为基础的酶。我们可以想象，曾经存在这样一个RNA世界，其中只包括RNA，它们进行自我的复制和合成。
推演

自剪接内含子是一类即可以从RNA分子中剪切出来，同时也可以在回归的合适的RNA分子内部的核酶。因此，在RNA世界中，这些内含子可以自由出入相关的RNA分子。这种删除和插入可以创造出转座子，促进基因的重组，从而提供进化的便利。
这些转座元件可以帮助自复制的RNA实现信息存贮和功能之间的分化。信息存贮需要一维的，这样便于存储。但是具有酶活的分子倾向于拥有三级结构。这种二分法在现代已经非常明显，DNA以线性的碱基组合来存储信息，而蛋白质则大部分都有三维结构。而在RNA世界中，被复制的RNA分子包括了全部的内含子。一些RNA在剪切掉内含子之后可以转变为功能分子即核酶。这个过程的遗迹可能是tRNA。它紧密的二级结构在插入一个内含子之后就被破坏掉了。
进阶

进化的第一阶段，RNA分子发挥酶的功能将自身从核苷酸汤中组装出来。随后RNA在自我复制过程中利用重组和突变开发新的功能从而适应新的环境。在一些负责因子，如FAD（nicotinamide adenine dinucleotide），FMN（flavin mononucleotide）的帮助下，RNA逐渐发展出了所有需要的酶类。
在第二阶段，RNA分子开始合成蛋白质。即以RNA分子为模板结合氨基酸，把不同的氨基酸组合排列在一起，即现在核糖体的催化中心所行使的功能。这个过程可以制造出一些蛋白质，结合到RNA分子上，从而稳定起结构，进而提高起酶活。最开始的时候蛋白质本身并没有酶的活性，但是能让一个化学反应变的更有效率，而且速度更快。慢慢地，RNA分子的部分酶活功能被蛋白质所取代，如真核生物中RNase P。这些蛋白酶类被RNA外显子所编码，反过来开始帮助RNA分子的复制和进化。
完工
最后，DNA开始出现，通过逆转录将RNA信息保存在DNA分子中。随着双链RNA分子的出现，一个线性而且稳定的信息存储库就形成了，并且这个库保存信息更准确，因为双链DNA可以进行自我纠正，同时也能维持一定频率的突变和重组，从而为进化留下空间。RNA随之也变成了一个中间协调的角色，其两个核心功能，分别被DNA和蛋白质所取代。但是作为生物帝国的缔造者，RNA分子并没有放弃核心功能。即利用核糖体来合成蛋白质。因为掌握这合成蛋白质的核心技术，也就控制了DNA的复制过程，以及各种细胞的生物化学过程。

主要参考文献：

• Gilbert, W., Origin of Life - the RNA World. Nature,1986. 319(6055): p. 618-618.
  
• Guerrier-Takada, C. and S. Altman, Catalytic activity of an RNA molecule prepared by transcription invitro. Science, 1984. 223(4633):p. 285-286.
  
• Zaug, A.J. and T.R. Cech, TheIntervening Sequence Rna of Tetrahymena Is an Enzyme. Science, 1986. 231(4737): p. 470-475.