地球最初的生命如何应对它最大的威胁——水？
生命依赖于水，但水也会分解 DNA 和其他关键分子。 那么最早的细胞是如何解决这个悖论的呢？
2021 年 2 月 18 日，NASA 的一艘航天器将进入火星大气层。 它将启动着陆系统和空中升降机动结构，将名为“毅力号”的六轮火星车降落在火星表面。 。 如果一切顺利，火星车将降落在杰泽罗陨石坑（ ），这是一个位于火星赤道附近的 45 公里宽的陨石坑，可能曾经是一个液态水湖。
英国剑桥大学研究员约翰萨瑟兰特别关注的进展。 他是该大学 MRC 分子生物学实验室的生物化学家，也是游说 NASA 参观 陨石坑的科学家之一。 他对这个陨石坑很感兴趣，因为它非常符合他关于生命起源（火星和地球）的想法。
当谈到生命的起源时，研究人员对少数分子转变为最早的活细胞所经历的化学步骤的看法发生了变化。 着陆地点的选择反映了这一变化。 尽管许多科学家长期以来推测这些“先驱”细胞来自海洋，但最近的研究表明，生命的关键分子及其核心的转化过程只能发生在像 撞击坑、一条河流这样的地方。相对较浅的水体。
多项研究表明，生命的基本化学物质需要太阳的紫外线辐射才能形成，而它们存在的水环境有时必须高度浓缩，甚至完全干燥。 在室内实验中，萨瑟兰和其他科学家通过温和地加热简单的碳基化学物质、使它们受到紫外线辐射并偶尔干燥来制造 DNA、蛋白质和细胞的其他关键成分。 化学家从未在模拟海水的条件下合成过如此多种的生物分子。
新出现的证据使许多研究人员放弃了生命起源于海洋的观点，转而关注陆地环境，主要是那些干湿交替的环境。 当然，并非所有科学家都改变了主意，但那些支持地球起源的人表示，这个想法是一个长期存在的悖论——虽然水是生命所必需的，但它也破坏了生命的核心组成部分——提供了一个解决方案。
美国华盛顿大学行星科学家戴维卡特林表示，陆地表面的湖泊和池塘很可能是生命的诞生地。 “在过去的15年里，有很多工作支持这个方向。”
原汤
尽管生命没有标准化的定义，但大多数研究人员认为生命必须由多种成分组成，例如携带信息的分子——DNA、RNA或其他分子。 必须有某种方法来复制这些分子指令，虽然复制过程不完美且容易出错，但它是进化的基础。 此外，最早的生命一定能够自我喂养和维持，也许是利用蛋白质酶。 最终，某些物质会将这些不同的部分连接起来，使它们独立于周围的环境。
对生命起源的实验室研究正式开始于 20 世纪 50 年代，当时许多研究人员相信生命起源于海洋，海洋中含有丰富的碳基化学物质混合物，称为“原始汤”。 早在20世纪20年代，苏联生物化学家亚历山大伊万诺维奇奥巴林和英国遗传学家约翰伯顿桑德森霍尔丹就分别提出了这一概念。 他们都将早期地球想象为一个巨大的化工厂，早期海水中溶解了大量碳基化学物质。 奥巴林解释说，越来越复杂的颗粒形成了，最终形成了碳水化合物和蛋白质——他称之为“生命的基石”。
1953年，芝加哥大学一位名叫斯坦利米勒的年轻研究员进行了一项著名的实验。 许多人认为这个实验的结果证实了上述观点。 他用一个玻璃瓶装水来模拟海洋，用另一个玻璃瓶装甲烷、氨和氢气来模拟早期地球的大气层，通过管道连接起来。 米勒使用电极来模拟闪电。 经过几天的加热和电击，瓶子里的东西与水发生反应，形成甘氨酸，这是最简单的氨基酸，也是蛋白质的重要组成部分。 许多研究人员认为，生命起源于海洋表面附近。
然而，今天许多科学家指出，这种观点存在一个根本问题：生命的基本分子在水中会分解。 这是因为蛋白质和核酸（例如 DNA 和 RNA）在连接处非常脆弱。 蛋白质由氨基酸链组成，而核酸由核苷酸链组成。 如果将这些分子放入水中，连接链就会断裂。 已故生物化学家罗伯特夏皮罗在其1986年的代表作《起源》中批评了海洋原始汤假说，他写道，在碳化学中，“水是敌人，必须尽可能排除在外”。
这就是水的悖论。 美国明尼苏达大学合成生物学家凯特阿达玛拉表示，当今的生物细胞通过限制内部水的自由流动来解决这个问题。 因此，常见的细胞质示意图常常是错误的。 “我们被告知，细胞质就像一个袋子，里面装着所有东西，而且都在游泳，”她补充道。 “那不是真的。一切都构建在细胞内部，并且是凝结的物质。在胶水中，而不是水袋中。”
许多研究人员认为，如果生命能够控制水，其含义是显而易见的：生命可能是在陆地上形成的，而水只是间歇性地存在。
从陆地
支持这一想法的关键证据出现在 2009 年，当时 宣布他的团队已成功制造出构成 RNA 的四种核苷酸中的两种。 他们从磷酸盐和四种简单的碳基化学品开始，其中包括一种称为“氨基氢”的氰化物盐。 这些化学物质都溶解在水中，但浓度很高，关键步骤需要紫外线辐射。 萨瑟兰说，这种反应不可能在海水中发生，只能在暴露在阳光下的小池塘或溪流中发生，那里的化学物质浓度可能会上升。
萨瑟兰的研究小组已经证明，使用相同的起始材料，即使加工过程略有不同，也可以生产蛋白质和脂质前体。 研究人员认为，如果含有氰化物盐的水体被阳光晒干，留下一层与氰化物相关的干燥化学物质，然后通过地热活动加热，这些反应就可能发生。 在过去的一年里，他的团队利用太阳能和同样高浓度的化学物质来制造 DNA 的组成部分，这在以前被认为是不可能的。
美国 NSF-NASA 化学进化中心的生物化学家 Moran - 及其同事扩展了这一发现。 去年，他们发现氨基酸在干燥时会自发连接形成类似蛋白质的链。 与其他氨基酸相比，构成当今蛋白质的 20 种氨基酸更有可能发生这种反应。 这意味着间歇性干燥有助于解释为什么生命在数百种可能的情况下只使用这些氨基酸。 “我们看到了当今氨基酸的选择，”弗兰克尔-品特说。
干和湿
间歇干燥还有助于将这些构建块组装成更复杂、更逼真的结构。
1982年，当时在加州大学戴维斯分校的研究人员大卫迪默（David ）和盖尔巴切菲尔德（Gail ）发表了一篇论文，描述了一个类似的经典实验。 他们的目标是研究另一类长链分子——脂质——如何自组织成细胞周围的膜。 他们首先制造了囊泡：由两层脂质包围的含水囊状结构。 然后，研究人员将囊泡干燥，脂质重新组织成层，就像一堆煎饼一样，漂浮在水中的 DNA 链被困在脂质层之间。 当研究人员重新加入水时，囊泡发生了变化——里面含有 DNA。 这是迈向简单细胞的重要一步。
“这种干湿循环随处可见，”现在加州大学圣克鲁斯分校的大卫迪默说，“就像雨水在潮湿的岩石上蒸发一样简单。” 他指出，当脂质等生化物质经历这种湿润和干燥的交替时，会发生一些不寻常的事情。
在 2008 年的一项研究中， 的团队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，核苷酸会连接起来形成类似RNA的链——如果没有帮助，这种反应在水中是不会发生的。
其他研究指出了另一个似乎也是生命起源的关键因素：光。 这是波士顿麻省总医院合成生物学家杰克索斯塔克研究小组得出的结论之一。 该小组研究“原始生物”，即含有少量化学物质但能够自我生长、竞争和复制的简单细胞。 如果原始生物暴露在类似陆地的环境中，它们会表现出更多类似生命的行为。 在凯特阿达玛拉参与的一项研究中，研究人员发现原始生命形式可以利用光能以简单的形式分裂和繁殖。 同样，同样在 MRC 分子生物学实验室工作的 等人在 2017 年发现，紫外线辐射促进了铁硫簇的合成，这对许多蛋白质至关重要，包括构成电子传递链的蛋白质。 电子传递链，也称为呼吸链，是氧化磷酸化的一部分，通过驱动能量储存分子 ATP 的合成为所有活细胞提供动力。 铁硫簇在接触水时会分裂，但 的团队发现，当铁硫簇被长度在 3 到 12 个氨基酸之间的简单多肽包围时，铁硫簇会变得更加稳定。
水，但不要太多
诸如此类的研究支持了生命起源于光照充足、水资源匮乏的陆地表面的观点。 然而，关于其中涉及多少水以及水在生命起源中扮演什么角色仍然存在争议。
和迪默一样，弗兰克尔-品特也同意干湿循环至关重要。 她说，干燥的环境为蛋白质和RNA等链状分子的形成提供了机会。
但仅仅制造RNA和其他分子并不等于生命，生命必须形成一个自我维持的动态系统。 弗兰克尔-品特认为，水的破坏性可能是此类系统的驱动因素之一。 正如被捕食动物进化得更快，或者分泌毒素来防御捕食者一样，最初的生物分子可能已经进化到对水的化学攻击做出反应，甚至更好地利用水的反应性。
今年，- 的团队以之前的研究为基础，表明干燥会导致氨基酸自发结合。 他们发现自发形成的原蛋白可以与RNA相互作用，使两者在水中变得更加稳定。 实际上，水起到了一种选择压力的作用：只有那些在水中“存活”的分子组合才能生存，因为其他组合都会被破坏。
因此，在每次干湿循环中，较弱的分子（或那些无法通过与其他分子结合来保护自己的分子）都会被破坏。网 的团队在今年的一项研究中证明了这一点。 在这项研究中，他们尝试将简单的脂肪酸转化为更复杂的脂质，类似于今天细胞膜中发现的脂质。 研究人员发现，脂质混合物中较简单的脂质被水破坏，而较大且较复杂的脂质则积累起来。 “在某一时刻，你会获得足够的脂质来形成膜，”邦菲奥说。 换句话说，水的量可能恰到好处：不要太多，以免生物分子分解得太快；也不要太少，否则什么也改变不了。
温暖的小池塘
那么，这个过程可能发生在哪里呢？ 在这个问题上，业内存在代沟。 虽然许多资深研究人员已经研究了一种或另一种情况，但年轻的研究人员认为这是一个悬而未网决的问题。
弗兰克尔-品特认为，公海显然是不可行的，因为化学物质无法浓缩。 邦菲奥同意他的观点，“这是一个真正的问题”。
但也有其他人不同意。 自 20 世纪 80 年代以来，美国宇航局喷气推进实验室的独立研究员、地质学家迈克尔拉塞尔 ( ) 一直支持另一种海洋起源的想法。 他认为，生命起源于海底的热液喷口，温暖的碱性水从地质构造中渗出，温暖的海水和岩石之间的相互作用提供了化学能，首先驱动简单的代谢循环，然后生成和利用 RNA 等化学物质。
迈克尔拉塞尔对萨瑟兰的方法持批评态度。 在他看来，萨瑟兰的“所有这些令人惊叹的化学反应”其实并不重要。 这是因为现代生物体使用完全不同的化学过程来生产 RNA 等物质。 罗素认为，首先必须是这些过程，而不是物质本身。 “生命会挑选那些非常具体的分子，但你不能从板凳上挑选它们。你必须从头开始，这就是生活方式，”他说。
萨瑟兰反驳说，一旦RNA和蛋白质等分子形成，进化机制就会接管，让原始生物体找到新的方法来制造这些分子以维持自身的生存。
与此同时，许多研究人员对迈克尔拉塞尔的海底碱液喷口假说表示怀疑，认为其缺乏实验支持。
相比之下，模拟陆地表面条件的化学实验形成了核酸、蛋白质和脂质的基础。 大卫卡特林说：“在深海热液喷口假说中，这些合成过程并不存在。而且还没有被研究过，可能是因为根本无法做到。”
弗伦克尔-品特也对热液喷口的想法持批评态度，因为她研究的分子在这种条件下无法长期生存，而且“这些原始多肽的形成与热液喷口不太相容”。
今年5月，德国杜塞尔多夫大学博士后地球化学家 及其同事提出了一个可能的答案。 她认为，在热液喷口下方的岩石中，热量和化学反应会导致水分子凝结或分解，形成干燥的空间，“在某种程度上，岩石与水的相互作用会导致水分流失。” 网与此同时，海水也会慢慢流入，就像“一种干湿循环”。 普赖纳认为，这一过程将使深海岩石更容易形成关键分子。 当然，这仍然只是一个假设，“还需要做相关实验来证明它能产生一定的反应”。
目前尚不存在这方面的证据。 另一方面，越来越多的实验结果支持生命起源于陆地上小水体的观点。 萨瑟兰喜欢由撞击坑形成的水体，这些水体被太阳和残余撞击能量加热，多股水流沿着斜坡流下，最后汇入底部的水池。 这将是一个复杂的三维环境，矿物表面充当催化剂，碳基化学物质反复溶解在水中并在阳光下干燥。 萨瑟兰说：“在某些时候，你可以肯定地说，这一切都需要在地表完成，而不是在海洋深处或地壳以下十公里处，然后我们需要磷酸盐和铁。铁镍陨石很容易把这些东西带到地球上。” 此外，陨石坑理论还有一个更大的优势：陨石撞击大气层时会产生氰化物。
迪默一直支持另一种观点：火山温泉。 在今年的一项研究中，他和同事布鲁斯戴默（Bruce ）提出，正如他在早期实验中所揭示的那样，脂质可能在温泉中形成了原始细胞。 温泉边缘的干湿循环驱动着RNA等核酸分子的形成和复制。
迪默在现代火山温泉中进行了多次实验来检验他的想法。 2018 年，他的团队发现囊泡可以在温泉中形成，甚至包裹核酸，但它们不能在海水中形成。 去年的一项后续研究发现，当产生的囊泡干燥时，核苷酸会结合形成类似 RNA 的链。
缩小生命起源的范围需要对生命起源之前的化学有更广泛的了解，包括有多少反应组合在一起以及反应发生的条件范围。 化学家萨拉？ 是一家初创公司的总裁，她带领着一个团队试图挑战这项艰巨的任务。 在 9 月份发表的一项综合研究中，该团队使用计算机算法来探索已知的前生物反应的庞大网络如何产生当今的众多生物分子。
该网络具有高度冗余性，因此即使多个反应被阻断，关键的生物化合物仍然可以形成。 为此原因， ？ 认为目前排除任何生命起源的可能性还为时过早。 我们需要系统地检查一系列不同的环境，看看哪些反应发生在哪里。
超越地球
如果萨瑟兰的实验确实指出了地球上生命的起源，那么它们也可以帮助我们探索宇宙中其他生命的可能起源。
火星最受关注，因为有明确证据表明其表面曾经存在液态水。 美国宇航局的毅力号火星车选择在杰泽罗陨石坑着陆，部分原因是它似乎曾经是一个湖泊，可能含有萨瑟兰正在研究的化学物质。 他帮助撰写了一份由卡特林主持的报告，并于 2018 年提交给 NASA。该报告总结了生命起源前的化学发现，并就“毅力”号应在何处着陆提出了建议。 萨瑟兰说：“我们展示了化学反应，并指出他们最终选择的杰泽罗陨石坑是发生这种化学反应的可能性最高的地方。”
毅力号距离到达火星还有两个月的时间，它收集的样本将需要数年时间才能返回地球，执行一项尚未命名的未来任务。 因此，我们还需要很长时间才能确定火星上是否存在生命，或者数十亿年前是否存在生命。 但即使没有发现生命的证据，“毅力”号也可能揭示生命开始之前的化学痕迹。
卡特林认为，最好的情况是毅力号在火星沉积物或这些分子的降解残留物中发现复杂的碳基分子，例如脂质或蛋白质。 他还希望找到干湿循环的证据。 这些证据可能以碳酸盐床的形式出现，这些碳酸盐床通常是在湖泊干涸并反复充水后形成的。 卡特林还推测，“生命在火星上并没有走得特别远”，因为我们没有看到任何明显的迹象，例如清晰的化石或富含碳的黑色页岩。 “我们正在寻找一些如此简单的东西，它甚至可能是一种益生元痕迹，而不是实际的细胞本身，”他说。
一种可能的情况是，火星只完成了生命形成的前几个化学步骤，但不是全部。 在这种情况下，我们可能会发现火星化石——不是生物化石，而是“前生命”化石。
