「化学」地球生命起源之谜
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原文标题:地球生命起源之谜
为什么要探索生命的起源?
地球上的生命起源是科学界最大的谜团之一。尽管科学家提出了各种各样的可能答案,但这些都没有得到证实。
这个谜题之所以如此困难,原因之一是,生命诞生在很久很久以前,那时,这颗星球的地表条件可能与现在截然不同,这使得我们现在的任何推测都存在不确定性。
或许有人会问:我们为什么要为如此困难的问题烦恼?
事实上,这不仅是关乎好奇心的问题,也是关乎人类身份认知的问题。当我们思考这些问题时,实际上是在了解我们自己。人类无法仅满足于简单的衣食住行,我们还想要知道我们是谁、从哪来、要到哪去,我们在宇宙中是否孤独,以及生命在宇宙中是极其罕见还是普遍存在等问题。
地球生命是从何时开始的?
大约 45 亿年前,当地球形成时,它还是一个贫瘠的岩石球,频繁遭受陨石的撞击,并布满了喷发的火山。科学家认为,大约在 43 亿年前,地球可能就已经发展出了适合生命生存的条件。然而,已知最古老的化石只有 37 亿年的历史。在这 6 亿年的空白期里,生命可能反复出现过,只是被小行星和彗星等灾难性碰撞抹灭了。
这些早期事件的细节并没有在最古老的地球岩石中很好地保存下来。一些线索来自最古老的锆石,这是在岩浆中形成的矿物。科学家在 41 亿年前的一个锆石样本中,发现了碳的一种形式的痕迹。尽管已知碳是生物体内的一种重要元素,但我们并没有足够的证据证明,生命在那时就已经存在。
地球生命的成分是什么 ?
除了确定生命起源的确切时间,地球生命的 " 配方 " 也同样令人着迷。假如我们要创造一个简单的、自持的、自复制的机器,零件清单里应该包括些什么呢?
大自然在 30 多亿年前开启了这一过程,造就了我们今天所看到的多样繁杂的生命。但如果凑近了仔细观察,你会发现,每种生物都是由相同的基本成分构成的,它们是由碳、氢、氧、氮、磷等重要元素,构成的蛋白质、脂肪、糖和核酸。这四种成分,加上其他一些物质,如维生素和矿物质,是地球上生命的基础。
当然,这就引出了一个问题:在没有任何生物制造它们的情况下,这些分子是如何形成的?
这是另一个一直困扰着科学家的谜题,它甚至还催生了一个新的科学领域,名为 "前生命化学" 或 "非生物化学"。这一领域研究的是生命起源之前的化学,它不仅试图制造出可以用来组装第一批生物的成分,而且还试图解释第一批生物的自组装。
地球生命是从何处开始的?
目前,较为主流的观点有,生命可能起源于陆地和海洋的火山活跃的热液环境中。
我们知道,一些微生物可以在滚烫、高酸性的温泉环境中茂盛繁殖。在如今在冰岛、挪威和美国黄石国家公园,都能看到这样的温泉。
在深海的热液喷口也是如此。这些烟囱状的喷口形成于海水与海底岩浆接触的地方,产生了过热的热流柱。一些科学家通过观察生活在这些热流柱附近的微生物,认为这些地点是可能地球上第一批生命形式的发源地。
在西南太平洋劳海盆的火山的热液喷口涌出的富含矿物质的水。生活在这些热流柱附近的微生物使得一些科学家认为,这样的地方可能是地球上第一批生命形式的发源地。(图 /U.S. Geological Survey/Schmidt Ocean Institute Virtual Vents)
有机分子也可能在一些特定类型的黏土矿物中形成,这些黏土矿物为保护和保存有机分子提供了有利条件。这样的事件可能发生在地球的早期历史,也可能发生在彗星和小行星的碰撞中。这意味着同样的过程也可能发生在宇宙的其他星球上,播撒下了生命的种子。
生命起源有哪些主要理论?
关于生命是如何在地球上出现的,存在几种理论。这包括:
生命从原始的汤中诞生
1953 年,斯坦利 · 米勒(Stanley Miller)与诺贝尔化学奖得主哈罗德 · 尤里(Harold Urey)进行过一个著名的实验,他们的实验结果探索了生命形成于原始汤的想法。
米勒和尤里将氨、甲烷和水蒸气注入一个封闭的玻璃容器中,以模拟当时被认为是地球早期大气的环境。然后,他们向容器中接通电火花,以模拟闪电。他们发现,这很快就导致了氨基酸,也就是蛋白质的组成部分的形成。米勒和尤里意识到,这个过程可能为产生生命所需的分子铺平了道路。
科学家们现在认为,地球早期大气的化学组成与米勒和尤里所认为的并不完全相同。
由彗星或流星播下的种子
有科学家认为,生命的一些重要分子可能是在地球之外产生的。他们认为这些成分来自陨石或彗星。有研究表明,当许多陨石在太阳系早期形成时,复杂的有机化合物很容易在那样的条件下产生。那些陨石可以将分子种子运送到地球。1969 年,坠落在澳大利亚的默奇森陨石就含有数十种不同的氨基酸,而氨基酸正是构成生命的基本要素。
此外,2001 年的一项实验表明,彗星也可能为一些分子提供了通往地球的顺风车。一项研究通过证明氨基酸可以在彗星与地球的剧烈碰撞中存活下来,支持了生命原料来自太空的观点。
2019 年一项研究称,在南非巴伯顿的有着 33 亿年历史的沉积物中,发现了地外有机物。研究人员认为,微陨星可能是这些物质的来源。今年年初,科学家通过分析由日本隼鸟 2 号从小行星 " 龙宫 " 带回地球的样本,发现了已超过 20 种不同类型的氨基酸。
生命起源研究的未来
现在,只要具备足够的专业知识和实验条件,我们就几乎可以在实验室里的模拟前生命环境下合成任何有机分子。然而,现代细胞的分子成分虽然可以在实验室中形成,但这并不能告诉我们,哪些是生命起源的必要成分,以及它们是否存在于前生命时代。
尽管在化学、分子生物学、地球科学、行星科学、天文学和地外生命搜寻方面,科学家已经取得了长足的进展。但对于生命起源前的化学物质如何在原始地球上组装成稳定的、自复制的细胞的全面理解,目前仍然难以做到。因此,关于生命的起源之谜,仍存在大量不确定性。
但随着这些领域的前沿科学的迅速发展,我们将不断迎来各种令人兴奋和惊讶的发现。
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