地球上的生命是如何开始的？

这个问题仍然是生物科学的圣杯。虽然我们有一些成熟的理论和很有前途的线索，但这仍然是一个悬而未决的问题。这是一个一般性的问题，很容易就要花费数千页来讨论，但我会尽我所能提供最简洁的大纲。即便如此，还是要小心，这将不可避免地是一个漫长的答案！

关于这个问题，基本上有两种思想流派：自然发生论和胚胎学。前者包含了一大堆不同的理论，而后者虽然很可能是真的，但只是把生命起源的问题转移到别处。

非生物发生是指生命从化学演化而来。早期的地球与我们今天的地球大不相同。它有一个还原的大气和完全缺氧。然而，有许多有机分子、液态水、保护地球免受危险的太阳辐射的磁场、板块构造、稳定的月球以及其他一些被认为有利于生命发展的因素。

20世纪50年代，两位名叫斯坦利·米勒和哈罗德·乌雷的科学家在一个玻璃仪器中进行了一项模拟这些早期条件的实验。他们通过这个网络运行人造大气，这个网络还包括水和电火花来模拟闪电。几天后就开始变成褐色。经过分析，发现污泥中含有几种氨基酸——蛋白质和生命的组成部分。这项具有里程碑意义的研究至今仍然非常重要，因为它显示了用最少的成分产生惊人的化学物质是多么容易。甚至太阳系形成的原始气体云也含有大量复杂的有机无机分子！

生命本质上是一种自我复制的化学反应，具有变异性和遗传性。一旦你有了这些关键的成分，最简单的细胞就有可能进化成无数世纪以来最复杂的生物。我们知道，在某个时刻，复杂的有机分子最终会产生这样的东西。一旦你有了最简单的活细胞，它就会受到自然选择法则的约束，然后在漫长的地质时期（45亿年）内几乎可以成为任何可以想象到的有机体。其中最有趣的一个分支是，地球上的生命几乎一有能力就立即发展起来了！我们所掌握的关于地球上生命起源的最早证据，是在近40亿年前，在一段称为后期重轰击的极其强烈的彗星和小行星撞击之后。在这一时期，木星穿过太阳系，在重力作用下扰动了数十亿或数万亿的残余岩石碎片（见Grand Tack模型），将其大部分送入我们太阳系内部的邻居。所以我们知道，只要条件允许，生命就开始了。这似乎大大提高了宇宙其他地方存在生命的可能性。

当然，要产生一个活细胞，你需要的不仅仅是蛋白质。你需要一个保护性的屏障来将它与环境隔离，允许它与其他细胞通讯，并调节物质进出的通道。这实际上是最简单的成分之一，因为油放在水里会自发形成脂质双层。它们形成被称为胶束的结构，它们同时具有亲水（亲水）和疏水（憎水）两个末端。这些胶束不仅有效地与细胞膜相同，它们实际上在水中自行“分裂”，看起来与实际细胞的行为非常相似。

第二个基本成分是一种遗传物质，它能够编码生物体的所有信息，并以极高的保真度将其传递下去。当然，今天，这种物质是脱氧核糖核酸或DNA，它与RNA（一种类似的分子）一起存在于每一个生物体中，但只有一个螺旋和核碱基尿嘧啶，而不是DNA中的胸腺嘧啶。像DNA这样复杂的分子（更不用说让它发挥作用所必需的酶和辅因子）不可能是偶然自发形成的；发生这种情况的几率将是天文数字。DNA本身最终是从一种早期的、效率较低的遗传物质进化而来的。

遗传的原始分子问题是各种非生物发生假说的一般基础。存在许多相互竞争的理论，其中一个比较流行的是“RNA世界假说”。如前所述，RNA也可以编码蛋白质，与DNA相比，RNA更原始。核糖体（普遍存在的将DNA转化为蛋白质的细胞器）就是由这种分子构成的，令人惊奇的是，RNA实际上可以自我组装成核糖体。最有可能的是，还有另一种未知的遗传分子比DNA或RNA简单得多，实际上比我们今天看到的任何东西都简单，最终被DNA完全取代，因为它是如此有效的编码机制和良好的复制因子。

还有一些理论根本不涉及有机分子。例如，“粘土世界假说”指出，它实际上是普通的粘土，其行为方式允许相对高保真的复制；这听起来很奇怪，但粘土是一种独特的材料-高度多孔，具有惊人的巨大表面积。它可能用作复制的模板。另一个类似的理论涉及矿物晶体。

所以现在我们有了我们的细胞膜-脂质覆盖层，它不仅保护了它的内容物并执行了我之前概述的所有重要功能，而且还允许通过在自己的小房间里提供溶剂（水）来进行复杂的分子相互作用，把它与外部环境隔离，从而保护它并鼓励新的化学。我们有我们的遗传物质（有机或无机）从一种高错误率的原始物质进化而来，但仍然有效到足以让自然选择采取行动。创造生命还需要什么？还有一种变异，它是通过随机突变（和有性生殖，但进化得很晚）和其他与本讨论无关的方式发生的，因为它们直到很久以后才出现。我们还没有讨论的最重要的是新陈代谢。

生活需要能量，平淡而简单。它必须能够利用这种能量来驱动其众多的生物功能。在当今几乎所有的生物中，这种能量来自一个单一的来源——太阳。像蓝藻这样的光合细菌（它们是最早“学会”如何做到这一点的生物）将阳光捕捉到含有叶绿素的光细胞中，并经历一系列复杂的光依赖和光无关的化学反应，最终将这种能量储存为糖。食草动物从吃这些生物（尤其是植物）中获取能量，反过来，食肉动物吃这些食草动物。你问，这跟你的问题有什么关系？我们最近才发现，事实上太阳并不是生命存在的唯一能源！这对所有的生物学家都是个打击。实际上，有一些单细胞生物被称为极端微生物，它们从海底沸腾的热盐水中喷出的辛辣的硫磺化合物中获取能量，这些化合物的压力足以瞬间将任何不适应这些条件的有机体压死。它们构成了一个极其复杂的多细胞生物群落的基础，比如管虫——而且完全不受阳光照射！

这个发现改变了游戏规则。多亏了像米勒·乌雷和其他人的实验，生命开始于某个温暖的小池塘里，并不是生命的唯一可能起源。第一批细胞很有可能是在这些被称为“黑烟民”的海洋喷口进化出来的。数以吨计的有机和无机物质不断从地球内部涌出，推动进一步的反应，从而产生复杂性。如果生命真的出现在沿海的浅水池中，那么它将大大得益于反复而强大的潮汐的集中效应（早期地球上的潮汐高度超过1000英尺，并被冲向内陆数百英里——这要归功于一个更近的月亮）。另一个选择“温暖的小池塘”和我个人的最爱，是生活实际上开始在口袋里…等它…冰！当水结冰时，它排除了其中存在的大多数其他分子，因此仍然是以固体形式存在的纯净水。这迫使这些化学物质离开晶格，进入冰层中微小的集中囊中。当这种情况持续发生在形成冰的区域内时，这些分子变得越来越集中，大大提高了发生越来越复杂反应的可能性。

小结-如果你不想读这么长的答案，就从这里开始吧！（仍然很长）

正如你们所看到的，我们仍然对第一个原始细胞是如何形成的一无所知，尽管我们有一些很好的想法。总而言之，复杂的有机分子在一个相对稳定的环境中，在真正难以想象的时间尺度上继续相互作用。最终，一个自我复制的分子出现在地球的某个地方。这些分子中的一个或多个被包裹在一个油性残留物中，这给了它保护，并允许在其中发生更多的化学反应，大大加速了它的进化。作为第一个未知的材料，细胞本身还可以复制。由于这一过程并不完美，原始细胞向其“后代”传递了一定程度的变异。你现在已经具备了达尔文自然选择发生的绝对理想的条件——而且确实发生了！这个细胞通常被称为LUCA（最后一个宇宙共同祖先）。随着时间的推移，其他具有更高保真度和适当特性的分子进化并完全取代了最初的分子。自然选择形成了第一个真正的原核细胞（细菌和某些其他原始生物所拥有的那种细胞；它没有细胞核和很少的原始细胞器，细胞壁含有一种叫做肽聚糖的蛋白质），这种生命形式统治了地球数十亿年，在全球冰河时期（雪球地球）幸存下来五大物种灭绝事件。在地球历史的大部分时间里，它们一直是地球上唯一的生命。即使在今天，复杂的多细胞生命也只存在了5亿年左右（见寒武纪大爆炸）。

通过自然选择，一些细菌“发现”了如何有效地储存来自太阳的能量，于是光合作用诞生了。数万亿的光合细菌（蓝藻）开始在世界的海洋和海岸线形成岩石状结构称为叠层石。然而，这其中只有一个严重的问题——光合作用的主要废物是元素氧——一种易挥发的致命毒药。在接下来的20亿年里，蓝藻向大气中释放了如此多的氧气，它彻底改变了它的化学组成。其他大多数原始生命都在这一点上消失了。

最终，通过选择，一些有机体变得对氧气有耐受性，存活下来，繁殖，最终产生的生物不仅能忍受这么多氧气的存在，而且实际上“找到”了一种能够利用氧气产生能量的方法！这是地球上生命起源的一个决定性时刻，因为这使真核细胞成为可能——我们、植物、动物和几乎所有其他生物（除了细菌和古生菌）都拥有这种细胞。真核细胞反过来又允许了第一批多细胞生物的诞生；地球不再是注定要拥有单细胞的微观生命的。真核细胞（意思是真正有核的）包含一个完整的细胞核，在这个核里我们的DNA被捆绑成染色体和相关的组蛋白。它还包含许多复杂的细胞器，如线粒体（它本身来自一个古老的原核细菌细胞），它们是细胞的“动力室”，在那里，新陈代谢通过氧气的减少产生三磷酸腺苷（ATP）。还有其他非常重要的结构，如溶酶体、核糖体、高尔基体、植物的刚性细胞壁，以及许多其他随着时间而进化的结构。植物细胞也通过内吞作用吸收一种古老的原核生物来整合叶绿体——含有叶绿素的结构并允许光合作用。

因为从技术上讲，它并不是真正的起源理论，而是将生命起源的问题转移到别处。这种观念简单地说，在未来的太阳系中，细菌不可避免地会撞击到一些微小的岩石中。如果任何偷渡的细胞在进入和撞击中幸存下来（一些实验确实表明某些耐寒细菌甚至可以在恶劣的太空条件下存活数年），这些细胞实际上可能是地球上生命的源泉，也是我们每个人的祖先。是的，我们可能是火星人的后裔！如果这些流星中的任何一颗碰巧击中了一颗条件宜人的行星，生命就可能在这个星球上播种。长期以来，人们都知道火星上的陨石落在地球上，火星上的岩石也是如此。当然，现在还没有发生这种情况，但是当一个巨大的物体撞击一颗行星时，一些喷射物就会被发射到太空中。总而言之，潘生米说生命是由小行星在宇宙中传播时播种的。这是一个有趣的理论，很可能是真的-但是正如我已经说过的几次，这并不能描述第一个细胞的实际起源。还有一个相关的理论被称为“软胚层”，它假设生命的有机化学物质和成分（而不是生命本身）以同样的方式到达地球。