备课素材：地球生命的诞生-高一下学期生物人教版必修2

地球生命的诞生高中生物学必修二提到，地球上所有的生物都是由共同的原始祖先进化而来：原始地球是没有生命的，那么，地球上的生命是如何诞生的呢？如今，生命几乎已经征服了地球上的每寸土地。但在地球刚刚形成时，它实际上就是没有任何生机的石球。那么生命到底起源自哪里？它们最初是什么样子的？地球生命诞生之谜：所有生命都是细菌后代1.细菌是所有生命的共同祖先在人类历史上，很多人相信“神创论”，即神明创造了生命，比如中国的女娲造人。还有许多令人觉得匪夷所思的理论。然而，这些传说或神话都不是真的。在过去100多年间，科学家们试图弄清楚地球上的第一个生命是如何诞生的。他们甚至尝试在实验室中重现“创世时刻”：从无到有凭空创造出全新的生命。尽管到目前为止，还没有人取得成功，但我们已经取得了很大进展。如今，许多研究生命起源的科学家坚信，他们正走在正确的道路上。生命是古老的，恐龙可能是地球上最著名的已灭绝生物，它们起源自2.5亿年前，但生命可追溯到更久远的年代。目前，世界上最古老的已知化石有35亿年历史，比最古老的恐龙还要早14倍。但是化石记录可能进一步追溯历史。比如2016年8月份，研究人员发现了37亿年前的化石微生物。它们几乎与地球同时诞生的，地球形成于45亿年前。如果我们假设生命是在地球上形成的，这似乎是合理的，因为我们还未在其他地方发现生命。那么，生命肯定是在地球形成的最初10亿年间出现的，最古老的化石已经可以证明这一点。为了缩小生命诞生的时间跨度，我们可以对生命最初的形态做出猜测。自从19世纪以来，生物学家们已经知道，所有生物都是由细胞构成的。细胞是17世纪发现的，当时现代显微镜刚刚被发明。但是整整过了100多年，人们才意识到细胞是所有生命的基本组成形式。你可能觉得自己与鲶鱼或霸王龙截然不同，但显微镜下显示我们的细胞非常相似。植物和菌类也是如此。到目前为止，数量最庞大的生命形式当属微生物，它们每个个体只有1个细胞构成。细菌是最庞大的微生物群体，它们几乎无所不在。2016年4月份，科学家们推出了新版“生命之树”，即包括所有生命的家族树。几乎所有分支都是细菌。此外，生命之树的形状显示，细菌也是所有生命的共同祖先。换句话说，如今地球上所有活着的生物，包括人类，都是细菌的后代。生命之树这意味着，我们可以更精确地定义生命起源问题。只用35亿年前地球上存在的材料和条件，我们肯定能制造出细胞。那么，我们到底该如何去做呢？

2.第一个实验（1）活力论在大多数历史中，没有必要考虑生命是如何诞生的，因为答案“显而易见”。在19世纪前，大多数人相信“活力论”。这是关于生命本质的一种唯心主义学说，它认为生物体与非生物体的区别就在于前者体内有一种特殊的生命“活力”，它控制和规定着生物的全部生命活动和特性，而不受自然规律的支配。它主张有某种特殊的非物质的因素支配生物体的活动。当时，科学家们已经发现生命中几种看似比较独特的物质，比如尿素。它是在尿液中发现的，1799年被分离出来。尿素只是其中之一，当时的人们认为只有活体生物能够产生这些化学物质，或许正是它们为生命注入了能量，让生物变得与众不同。但是1828年，德国化学家弗雷德里希·维勒从普通化学物质氰酸铵中提炼出尿素，而氰酸铵显然与活着的东西没有任何关系。此后，许多科学家追随维勒的脚步，发现生命体内的化学物质全部可从简单的化学物质中提炼出来，而这些物质与生命没有任何关系。这些实验终结了“活力论”作为科学假设的特权，但人们很难就此割舍它。对于许多人来说，生命中的化学物质“没啥特别”就好像剥夺了生命的魔力，让我们与纯粹的机器没什么两样。为此，英国生物化学家本杰明·摩尔（BenjaminMoore）又于1913年提出“生物能源”理论，其本质上依然是“活力论”，只是改了不同的名字。如今，“活力论”或“生物能源”理论开始出现在科幻电影中，比如某人的“生命能源”可以爆发，也可以耗尽。尽管这些让人感觉起来很有科技范儿，但实际上其理论早已经过时。（2）进化论19世纪，查尔斯·达尔文（CharlesDarwin）等人提出的进化论取得巨大突破。达尔文在1859年《物种起源》中阐述了自己的理论，并解释了拥有共同祖先的生物差异如此之大的原因。进化论认为，生命并非神明创造的，他们都是数亿年前原始生物的后裔，拥有共同的祖先。达尔文与进化论达尔文的理论在当时引发巨大争议，因为其与《圣经》相违背。此外，达尔文的理论没有说明生命是如何诞生的，但他曾在给朋友的私信中提及：如果有合适的水体，里面充满了简单的有机化合物，并有阳光照耀。某些化合物可能互相结合，形成类似生命的物质，比如蛋白质，然后开始不断进化，变得越来越复杂。这是个粗略的想法，但却成为生起源的首个假设基础。前苏联生物化学家亚历山大·欧帕林（AlexanderOparin）曾于1924年发表《生命起源》一书。他在书中假设了生命诞生的过程，与达尔文的“池塘论”不谋而合。欧帕林想象地球形成时的形态：表面极度炎热，岩石从空中砸下，不断对地球进行撞击。其中，一块半融化的岩石含有大量化学物质，包括许多基于碳的成分。最后，地球冷却下来，水蒸气也凝结成液态水，第一场雨水降临在地球上。在地球上出现海洋之前，它非常炎热，且富含碳基化合物。现在两件事可能发生。第一，各种化合物互相发生反应，形成许多新的化合物，有些则非常复杂。欧帕林认为，分子是生命出现的关键，比如糖和氨基酸等，它们都可以在地球的水中形成。第二，有些化学物质开始形成微观结构。许多有机化合物不溶于水，比如油会漂浮于水面上。这些化合物与水接触时可形成球形“团聚体”，厚度可达0.01厘米。如果你在显微镜下看这些团聚体，会发现它们的行为很像活细胞。它们会成长和改变形状，有时候还可一分为二。它们可从周围水中吸取化学物质，为此看似生命的化学物质可浓缩在其中。欧帕林认为，团聚体就是现代细胞的祖先。1929年，英国生物学家霍尔丹（J.B.S.Haldane）提出类似理论。霍尔丹对进化论做出过巨大贡献，将达尔文的观点与新兴遗传学结合起来。就像欧帕林那样，霍尔丹认为有机化合物会在水中形成。他认为原始海洋会经历“热稀汤”的阶段，首个生命体或半生命体会形成，并被封闭在“油膜”中。霍尔丹这些理论告诉我们，生物是由纯粹的化学物质形成的，而非神明或“生命力量”创造的。生命在原始有机化学汤中形成的观点，被称为欧帕林-霍尔丹假设。这种假设是令人信服的，但却没有实验证据支持它，这种情况持续了20多年，直到哈罗德·尤里（HaroldUrey）开始对生命起源发生兴趣。

（3）生命起源实验尤里曾获得1934年诺贝尔化学奖，二战期间参加过曼哈顿计划，为原子弹核心收集不稳定的铀-235。尤里还对外太空化学产生兴趣，特别想知道太阳系形成时的场景。有一天，他在讲课时指出，地球最初形成时，大气层中可能根本没有氧气。这可能为欧帕林-霍尔丹的原始汤形成提供了理想条件，因为脆弱的化学物质在与氧气接触时可能被毁掉。哈罗德·尤里博士生斯坦利·米勒（StanleyMiller）听了尤里的课，后来提议与尤里共同验证这个想法。为此，1952年，米勒开始了最著名的生命起源实验。实验设置很简单，米勒联通了4个玻璃瓶，然后让地球早期存在的4种化学物质在里面循环，包括沸水、氢气、氨以及甲烷。他对这些气体进行反复电击，以模拟闪电袭击，地球形成时这种现象可能时有发生。米勒发现，第一天后瓶子里的水变成了粉红色，一周后液体变成深红色，浑浊不堪。显然，化学物质混合形成了新的东西。米勒分析混合物后发现，它含有2个氨基酸，分别是甘氨酸和丙氨酸。氨基酸常被称为生命的基石，它们用于形成蛋白质，以控制我们体内的大部分生物化学过程。米勒从无到有创造了生命诞生所需的两种最重要成分。这个实验也被称为米勒-尤里实验。米勒-尤里实验的装置示意图在此之后，其他科学家开始寻找凭空制造简单生物分子的方法，解决生命起源之谜的方法似乎越来越近。然而，生命显然远比人类想象的更加复杂。活细胞不仅仅由化学物质组成，它们就像复杂的小机器。突然，寻找生命起源成了远比科学家预期的更大挑战。

3.伟大的发现（1）解密DNA到20世纪50年代初期，科学家们已经摆脱了神创论，开始探索生命在早期地球上自发形成的可能性。感谢米勒的实验，科学家们搞清楚了基因的构成。当时，科学家们已经发现了许多生物分子，包括糖、脂肪、蛋白质以及脱氧核糖核酸（即DNA）。今天，我们认为DNA上携带着基因感觉理所当然，但在20世纪50年代却令生物学家感到震惊。蛋白质非常复杂，为此科学家们以为它们就是基因。直到卡内基研究所的阿尔弗雷德·赫希（AlfredHershey）和玛莎·却斯(MarthaChase)提出反驳证据。他们研究只含有DNA和蛋白质的病毒，发现关键DNA可进入细菌内部，而蛋白质却留在外面。显然，DNA才是真正的遗传物质。赫希与却斯的发现引发了疯狂竞赛，科学家们争相解读DNA结构及其秘密。第二年，剑桥大学的弗朗西斯·克里克（FrancisCrick）与詹姆斯·沃特森（JamesWatson）取得成功。解密DNA结构被称为20世纪最伟大的科学发现之一，也重塑了寻找生命起源的方法，揭示出隐藏在活细胞内部令人难以置信的复杂性。弗朗西斯·克里克与詹姆斯·沃特森克里克与沃特森意识到，DNA是双螺旋结构，就像扭曲成螺旋的梯子，梯子的两极由名为核苷酸的分子构成。这种结构解释了细胞复制DNA的方式。换句话说，它解释了父母如何复制自己的基因，并将它们传递给后代。更关键的是，双螺旋结构可以“解压”，从而暴露了基因代码。基因代码由A、T、C、G等基因碱基构成，正常情况下，它们都被锁定在梯子的梯阶上。每个链被用作模本，重新创造另一个副本。利用这种机制，自从生命诞生以来，基因就可从父母传递给后代。你的基因也来自祖先细菌，利用克里克和沃特森发现的机制不断复制自己。在随后几年中，生物化学家们开始寻找DNA上到底携带者哪些信息，活细胞如何使用这些信息。揭开生命最深处的秘密首次如此之近。（2）解密RNA然而，发现NDA还仅仅是个开始。DNA可以告诉你细胞如何制造蛋白质，这种分子可以执行许多必要任务。没有蛋白质，你就无法消化食物，你的心脏会停止跳动，你也无法呼吸。但是利用DNA制造蛋白质的过程是非常复杂的。对任何想要解释生命起源的人来说，这都是个大问题，因为很难想象有什么东西一开始就这么复杂。每个蛋白质实际上是氨基酸按照特定顺序串成的长链。氨基酸的序列决定了蛋白质的三维形状，以及它的功用。信息被编码入DNA碱基序列中。因此，当细胞需要特别的蛋白质时，它会读取DNA中的相关基因，以便获得氨基酸序列。DNA非常宝贵，因此细胞喜欢将它包起来以确保安全。这样，它们可以复制DNA信息到另一种名为RNA的短分子上。如果DNA是图书，RNA就是潦草书写着关键信息的废纸。RNA与DNA很相似，但前者仅有一条线。最后，将RNA内的信息转给蛋白质的过程发生在巨大的分子中，它被称为核糖体。这个过程在每个活细胞，甚至最简单的细菌中发生。对于需要进食和呼吸的生命来说至关重要。任何对生命起源的解释都必须搞清楚DNA、RNA以及核糖体蛋白质之间的关系。现在看来，欧帕林与霍尔丹的想法似乎显得过于天真，而米勒的实验也只是探索生命诞生漫长道路的第一步。迈出生命诞生探索第二步的人是英国化学家莱斯利·奥格尔（LeslieOrgel），在克里克的支持下，奥格尔于1968年提出自己的理论，他认为首个地球生命没有蛋白质或DNA，全部由RNA构成。为此，原始RNA分子应该具备多种用途，比如复制自己。生命起源自RNA产生了巨大的影响力，但也触发了持续至今天的科学大战。奥格尔发现了生命最关键的特征之一，那就是自我复制。在某种意义上说，他不仅描绘了生命最初如何构成，还阐述了生命到底是什么。许多生物学家都支持奥格尔的“复制第一”理论。在达尔文的进化论中，创造后代的能力绝对是核心，生物“获胜”的唯一方式就是留下大量后代。但生命的其他特征也同样重要，其中最明显的就是新陈代谢，即从周围环境中提取能量，并利用其维持生存的能力。对于许多生物学家来说，新陈代谢肯定是生命的原始特征，复制是随后出现的。从20世纪60年代开始，研究生命起源的科学家分为两大阵营：新陈代谢第一VS基因第一。与此同时，第三阵营认为容纳关键分子的容器最为重要，也就是说，无论是新陈代谢能力还是基因，都需要细胞。这三种观点都流传下来，许多科学家至今争论不休。然而20世纪80年代，惊人的发现似乎证实了奥格尔“生命起源自RNA”的理论。4.寻找首个复制品（1）RNA酶发现当时，科学家们认为RNA是所有生命的起源，特别是RNA具备许多DNA不具备的能力。RNA属于单链分子，不像双链DNA那样僵化，而是可以折叠成不同的形状。类似折纸的RNA看起来与蛋白质的行为非常相似，蛋白质也是长链结构，并有氨基酸而非核苷酸构成，这让它们可以构建更精细的结构。这是蛋白质具备惊人能力的关键，有些蛋白质具备加速或催化化学反应的能力，它们被称为酶。我们的内脏中有很多酶，它们可将食物的复杂分子分解为简单分子，比如细胞可利用的糖。没有酶，你就无法生存。但是奥格尔对克里克的理论存在疑问：如果RNA能像蛋白质那样折叠，或许它能形成酶。如果这是真的，RNA就可以成为活分子的起源，可以像DNA那样储存信息，像蛋白质那样催化化学反应。但这纯粹是理论，此后10年都没有找到任何证据。直到20世纪90年代，专注于RNA研究的美国生物化学家托马斯·切赫（ThomasCech）与同事研究名为Tetrahymenathermophila的单细胞生物时，发现其细胞机制中包括RNA链，且RNA链的特定部分与其他部分分离，就好像某个部分被剪刀剪下。当切赫等人移除所有可能充当分子剪刀的酶和其他分子时，RNA依然保持着这个特性。为此，他们发现了首个RNA酶，即可将自己从RNA链上剪下的一小段RNA。第二年，其他科学家发现第二种RNA酶，即核酶。

托马斯·切赫连续发现两种RNA酶显示，还有更多的RNA酶存在，从而说明生命起源自RNA十分可信。1986年，哈佛大学物理学家沃尔特·吉尔博特（WalterGilbert）总结称，生命起源自RNA世界。他认为，在进化的第一阶段，在核苷酸汤中，许多具有催化活性能力的RNA分子开始自我组装。（网易科学）通过切割和粘贴不同的RNA片段，RNA分子可以创造出更有用的序列。最终，它们发现制造蛋白质和蛋白质酶的方式，从而催生了我们今天看到的生命。（2）RNA世界假说2000年时，RNA世界假说获得更确凿的证据支持。花费30年时间研究活细胞分子结构的托马斯·施泰茨解开了核糖体的结构。每个活细胞都有核糖体，这种巨大的分子可从RNA中读取指令，串联氨基酸形成蛋白质。细胞中的核糖体构建了我们身体的大部分，而RNA才是核糖体的催化核心。这个发现非常重要，因为核糖体是生命的基础。RNA世界假设的支持者们对此狂喜，施泰茨也因此获得2009年诺贝尔奖。但此后，各种怀疑纷至沓来。核糖体RNA世界假说开始就存在2个问题。RNA真的能够自己执行所有生命功能吗？它在早期地球上能够形成吗？自从吉尔博特提出RNA世界假说以后的30年间，我们依然没有找到确凿证据，可以证明RNA能够做到理论上的所有事情。举例来说，如果生命始于RNA分子，RNA必须拥有自我复制的能力。但是没人知道RNA能自我复制，DNA也不行。它们都需要许多酶和其他分子帮忙才能复制自己。为此，20世纪80年代末期，少数生物学家开始尝试复制RNA，哈佛医学院的杰克·索斯塔克（JackSzostak）就是其中之一。切赫曾于1988年发现一种RNA酶，它可以建立10个核苷酸长度的短RNA分子。索斯塔克对切赫发现的RNA酶非常痴迷，为此他希望在实验室中发现新酶的新特性。索斯塔克发现酶能让反应速度提高700万倍，RNA酶的确具有强大的能力。但这些酶依然无法复制自己。杰克·索斯塔克此后，索斯塔克的学生大卫·巴特尔发现名为R18的RNA酶，它可以根据现有模板在RNA链上增加新的核苷酸。也就是说，它不是随机增加核苷酸，而是可精确复制RNA链序列。尽管这依然不属于自我复制体，但已经十分接近。R18由189个核苷酸组成，可以添加11个核苷酸，意味着其链可延长6%。经过调整后，它可能会复制出与本身同样长的核苷酸链。2011年，剑桥分子生物实验室的菲利普·霍利格尔创造出改良版R18，并取名tC19Z，它最多可以复制95个核苷酸序列，相当于其自身长度的48%。尽管比R18多，但依然未达到100%。随后，美国加州斯克里普斯研究所的杰拉德·乔伊斯与特雷西·林肯创造出可间接复制自己的RNA酶。他们的酶可将两小段RNA连起来创造出第二种酶，它将另外两段RNA连起来创造出原始酶。这个过程可无限循环。但只有被给于正确的RNA链时，这种酶才起作用。对于许多怀疑RNA世界假说的科学家来说，缺少可自我复制的RNA是其致命短板。RNA似乎无法承担起启动生命的重任。而化学家们无法凭空制造出RNA，也重创了这种假设。但RNA已经证明，它的形成非常困难。问题是糖和碱基总是各自保持独立，固执地不愿意连接起来。（3）发现PNA20世纪90年代初，生物学家们开始怀疑RNA世界假说的正确性。或许地球早期存在其他种类的分子，它们比RNA更简单，可以在原始汤中自我组装，并复制自己。这可能是生命诞生的初原，其后才产生了RNA、DNA以及其他分子。1991年，哥本哈根大学的彼得·尼尔森（PeterNielsen）提出了原始复制者的候选者，其本质上是被彻底修改的DNA。尼尔森认为其DNA中依然保持着相同的碱基，但用聚酰胺代替糖成为分子的主体。他称新的分子为聚酰胺核酸（或肽核酸），简称PNA。PNA

自然界从未发现过PNA，但其行为很像DNA。PNA链甚至可取代DNA分子链，只要碱基对正确即可。此外，PNA也拥有类似DNA的双螺旋结构。米勒感到非常好奇，他对RNA世界假说深表怀疑，并认为PNA才是更可信的第一种遗传物质。米勒重复他的经典实验，但这次他使用了甲烷、氮、氨和水，获得了PNA的聚酰胺主链。这表明，与RNA不同，PNA在地球早期很容易形成。此后，其他化学家也提出了自己的替代核酸。2000年时，埃尔伯特·厄希恩莫瑟发现了苏糖核酸(TNA)，它基本上可称为DNA，只是主链中没有糖。TNA链可以形成双螺旋，信息科在RNA和TNA之间复制传递。此外，TNA还能折叠成复杂形状，甚至形成蛋白质。这显示，TNA可以像RNA那样充当酶。2005年，埃里克·梅格斯发现乙二醇核酸（GRA），也可以形成螺旋结构。这些替代核酸在自然界中没有发现过，为此如果生命诞生时用过它们，在某个时刻也抛弃了它们，进而使用RNA和DNA。这可能是真的，但依然没有证据。到2000年左右，RNA世界假说的支持者陷入左右为难状态。一方面，RNA酶的确存在，包括生物机制中最重要的部分核糖体。但RNA没有复制能力，没人能搞清楚RNA如何在原始汤中形成。替代核酸可能解决后一个问题，但它们没有在自然界中存在的证据。5.质子的力量显然，RNA世界假说并非完全正确。与此同时，另一种理论悄然兴起，其支持者认为生命并非以RNA、DNA或任何其他基因物质开始。相反，它最初只是利用能源的机制。在生物能够繁衍前，它必须能够维持自我生存。首先，你必须获得能源，从糖等富含能源的化学物质中获取。接着，你必须利用能源制造有用的东西，比如细胞。这个利用能源的过程被称为新陈代谢，许多科学家认为它非常重要，可能是生命需要做的第一件事。（1）代谢周期那么，这些只能新陈代谢的生物看起来什么样？最有影响力的假设是20世纪80年代末的德国律师衮特尔提出的，他认为地球上的第一个生命与我们已知的任何东西都不同，它并非由细胞构成，也没有酶、DNA或RNA。当热水从火山中流出时，水中富含火山气体，比如氨。当这些水流经岩石时，化学反应开始发生，特别是水中的金属有助于简单的有机化合物融合壮大。转折点是第一个代谢周期的产生。在这个过程中，一种化学物质被转化成一系列其他化学物质，直到最终原始化学物质再次出现。整个过程中，整个系统都需要吸收能量以推动周期循环，进而启动其他东西。这些东西形成了现代有机物，比如DNA、细胞以及大脑等。尽管这些代谢周期听起来不像生命，但衮特尔为其命名为“前体生物”。它们是生物的核心，因为细胞本质上就是微观的化学处理厂，不断将一种化学物质转变成其他物质。代谢周期看似没有生命，但它们却是生命的基础。衮特尔不断完善自己的理论，并吸引了许多支持者。但他的设想都是理论性的，需要证据支持。幸运的是，他找到了证据。（2）热液喷口1977年，俄勒冈州立大学科学家杰克·科利斯领导的团队潜入到东太平洋2500米深海中，测试加拉帕戈斯热点，那里有高耸的岩石脊（即活火山）从海底升起。科利斯发现，这些岩石脊本质上与热泉没什么区别。富含化学物质的滚烫热水从海底冒出来，通过岩石中的孔洞喷射出来。令人感到惊奇的是，这些“热液喷口”中竟然生存着许多奇怪的动物，包括巨大的蛤蚌、贻贝、冒贝以及管状蠕虫等，此外还有大量细菌。这些生物都依靠热液喷口中的能量生存。热液喷口1981年，科利斯提出假设，40多亿年前的地球早期也存在类似的热液喷口，它们就是生命最早诞生的地方。他认为，这些热液喷口可能含有各种化学物质，每个喷口实际上都是某种原始汤。当热水从岩石中流出时，热量与压力会促使简单的有机化合物融合为更复杂的化合物，比如氨基酸、核苷酸以及糖等。在接近水温不太热的海水处，这些化合物开始串成链，形成碳水化合物、蛋白质以及类似DNA的核苷酸。随着这些热水不断冷却，分子就会形成简单的细胞。但米勒认为热液喷口温度太高，极端高温可以促使氨基酸等化学物质形成，但也会毁掉它们。糖等关键成分最多也仅会存在数秒时间。此外，这些简单的分子不太可能串成链状，因为周围的水会立即让它们分解。但迈克·拉塞尔支持科利斯的假设，认为热液喷口是衮特尔假设“前体生物”诞生的最理想环境，这促使拉塞尔提出了一个被广泛接受的生命起源理论。（3）发现质子20世纪80年代，拉塞尔发现了古热液喷口的化石证据，它的温度在150摄氏度以下，生命分子可以比米勒假设的存在时间更长。此外，这些冷却的喷口中含有许多奇怪的东西，比如直径1毫米的黄铁矿管道。黄铁矿主要由铁和硫组成，可以形成气泡。拉塞尔认为，第一个复杂的有机分子就是在简单的硫铁矿结构中形成的。拉塞尔拉塞尔将自己的设想与衮特尔和科利斯的假设相结合，他认为深海中的热液喷口足以帮助形成黄铁矿结构，并将“前体生物”包裹其中。如果拉塞尔的设想是对的，生命应该起源自海底，新陈代谢也会首先出现。此外，他还尝试解释了最初诞生的生命如何获得能量。换言之，他提出了新陈代谢原理。此后，生物化学家彼得·米切尔终于搞清楚了生物如何从食物中获得能量，也就是我们如何维持生存。米切尔知道，所有细胞都将能量储存在相同的分子中，即三磷酸腺苷（ATP）。它由腺苷和三个磷酸基组成。添加第三个磷酸基需要耗费许多能量，然后能量被锁定在ATP中。当细胞需要能量时，ATP就会断裂分解变成二磷酸腺苷（ADP），释放出储存的能量。彼得·米切尔米切尔想要知道细胞最初如何制造ATP，如何将足够能量存入ADP，以便于吸附第三个磷酸基？米切尔此前已经知道，酶可让ATP留在细胞膜上。他假设，细胞会泵出名为质子的带电粒子穿过膜。因此，膜的一面拥有大量质子，而另一面几乎没有。质子会尝试回穿，以保持两边质子数量平衡。但它们唯一能穿过的就是酶，这种质子流给了酶制造ATP的能量。现在我们知道，米切尔确定的过程正是地球上所有生物所依赖的。它正发生在我们的细胞中，就像DNA那样，它也是生命的基础。此外，米切尔还提出质子梯度的概念，所有细胞都需要质子梯度储存能量。现代细胞可通过泵出质子穿过膜产生梯度，但这包含复杂的分子机制，它不可能是突然出现的。为此，拉塞尔又提出新的理论，即生命肯定是在存在自然质子梯度的地方形成的，比如热液喷口。但是这种喷口应该非常特别。因为地球刚刚形成时，海水还是酸性的，酸水中漂浮着大量质子。要想产生质子梯度，喷口中涌出的水中所含质子必须非常少，而且必须呈碱性。科利斯提出的热液喷口不合适，不仅因为它们太热，还因为它们时酸性的。直到2000年事，华盛顿大学的黛博拉·凯利发现了第一批碱性喷口。（4）迷失之城在大西洋海底一处山岭上，凯利发现了许多热液喷口，她称之为“迷失之城”。它们与科利斯的发现不同，这些喷口中流出的水温仅在40到75度之间，呈轻度碱性。富含碳酸盐矿物的水聚集成陡峭的白色“烟囱”从海底喷出，里面含有大量微生物。这些碱性热液喷口为拉塞尔的理论提供了完美支持，他认为“迷失之城”这样的喷口就是生命诞生之地。但作为地质学家，凯利不太了解生物细胞，因此也无法让她的理论更有说服力。为此，拉塞尔与美国生物学家威廉·马丁合作，利用凯利的设想改进自己早期的理论。他认为碱性热液喷口附近的岩石孔洞中积满了水，这些小口袋就像细胞。每个口袋中都含有必须的化学物质，包括黄铁矿等。与喷口中出现的自然质子梯度相结合，它们就成了新陈代谢开始的理想之地。当生命从热水中获得化学能后，就可以制造RNA等分子。最终，生命创造出自己的膜，成为真正的细胞，并从岩石口袋逃到海水中。这种理论现在被视为生命起源最可信的假说之一。2016年7月份，马丁发布名为“最后共同祖先（LUCA）”的研究报告，为其提供进一步支持。报告中称，这种生物出现在数十亿年前，现在所有生命都是它的后裔。我们现在还未找到LUCA存在的直接化石证据，但通过研究今天的微生物，我们可以猜测它们的行为与外貌特征。马丁检查了1930种现代微生物的DNA，并确认了它们共有的355个基因。由此显示，这些基因可能都是代代传下来的，所有微生物都拥有共同的祖先。此外，LUCA似乎已经适应了甲烷等化学物质的存在，这暗示它可能诞生于类似活火山的环境中，比如热液喷口。尽管如此，RNA世界假设支持者认为，热液喷口理论存在2个问题，第一个问题可能已被解决，而第二个问题更致命。第一个问题是，拉塞尔与马丁的假设没有任何实验证据支持。尽管他们提出了生命诞生的过程，但在实验室中却没有复制过。支持“复制第一”理论的人，不断提供新的实验数据，但支持“代谢第一”的人却没有。但马丁的同事尼克·拉尼已经建造“生命起源反应堆”，模拟碱性热液喷口进行试验，希望观察到代谢周期，甚至是RNA之类的分子。第二个问题是，这些喷口都位于深海中。正如米勒指出的那样，如果没有酶的帮助，RNA和蛋白质等长链分子无法在水中形成。对于许多研究人员来说，这是个无可辩驳的事实，因为所有这些化学分子与水不相容。但在过去10年间，第三种方法脱颖而出，并带动一系列非凡的实验，即凭空创造出完整细胞。6.如何创造细胞地球上的所有生物都由细胞组成，每个细胞基本上是个软球，有个牢固的外壁或膜保护。细胞中的某种成分将生命所需各种成分结合起来。如果细胞外壁被撕裂，内部物质就会流出来，细胞就会死亡。细胞外壁同样重要，有些生命起源科学技术认为，它可能是首先出现的东西。他们认为“基因第一”和“代谢第一”理论都是错误的，反而提出“区隔第一”的假设。（1）区隔第一意大利科学家皮埃尔·路易吉·路易斯（PierLuigiLuisi）就是代表人物。他的推理很简单，但却无可辩驳。除非你先有一个容器可容纳所有分子，否则在化学物质泛滥的环境中，怎么可能确保RNA自我复制和新陈代谢？如果你接受这种说法，那么生命诞生只有一种方式。在地球早期，少数原材料物质必须形成粗细胞或原细胞(protocell)。这个挑战促使科学家在实验室中创造出简单的活细胞。路易斯重新研究欧帕林的假设，后者曾认为特定化学物质形成名为“团聚体”的气泡，其核心中包含着其他物质。他认为，这些团聚体就是最初的原细胞。任何脂肪或油性物质都会在水中形成气泡或膜，这些化学物质被统称为脂类，它们形成生命的理论被称为“脂类世界”。但是仅形成气泡还不够，这些气泡必须保持稳定，且能够分裂形成“子气泡”。它们还需要某些能控制物质进出的能力，毕竟它们还没有现代细胞用于实现这些功能的蛋白质。尽管提出了理论，但路易斯却未能提供令人信服的实验证据。1994年，路易斯提出首个原细胞可能含有RNA，而且这个RNA肯定能在原细胞内进行复制。这是个大胆的假设，意味着他抛弃了纯粹的“区隔第一”理论。路易斯认为，细胞拥有外壁，但内部没有基因，它无法做任何事。它可能分裂为子细胞，但无法遗传有关自己的任何信息。要想含有更多基因，它必须进化，变得更为复杂。（网易科学）这个理论很快获得索斯塔克的支持，尽管后者支持RNA世界假说。索斯塔克说：“我们最终意识到，生命诞生需要两个第一，而细胞既有基因体系又有区隔体系。”路易斯与索斯塔克认为，通过将能够复制的RNA放在简单的脂肪气泡中，他们可凭空创造简单的活细胞。索斯塔克决定对这个理论进行试验，2年后取得巨大成功。他们对囊泡进行试验，它呈球形团块，外部拥有2层脂肪酸，内部则是液态。为了找到加速创造囊泡的方法，他们决定向其中添加名为蒙脱土的黏土颗粒。这让囊泡形成加速了100倍，黏土表面充当催化剂，就像酶那样。此外，囊泡可吸收蒙脱土粒子和黏土表面的RNA链，这些原细胞现在有了基因和催化剂。（2）神奇的黏土添加蒙脱土的决定并非心血来潮。数十年的研究显示，蒙脱土可能对生命诞生非常重要。蒙脱土就是常见的黏土，当火山灰分解后就会形成。由于地球早期有很多火山，蒙脱土非常丰富。1986年，化学家詹姆斯·弗里斯（JamesFerris）证明，蒙脱土可充当催化剂，帮助有机分子形成。他还发现蒙脱土可加速小RNA的形成。弗里斯由此推测，这种看似普通的黏土可能是生命的起源之地。索斯塔克也利用蒙脱土帮助制造原细胞。1年后，他发现原细胞可自行生长。随着越来越多RNA分子被包裹进原细胞，外壁变得越来越紧，原细胞好像要爆裂开似的。为了应对这种情况，原细胞会吸收更多脂肪酸，将它们补充到外壁中，让其膨胀到更大体型，以缓解内部膨胀。更重要的是，原细胞还从其他包含较少RNA的原细胞处获得脂肪酸，导致其他原细胞缩小。这意味着，原细胞之间存在竞争，获得更多RNA者获胜。（网易科学）这显示，某种令人印象深刻的事情发生了。如果原细胞可以成长，或许它们也能分裂。索斯塔克的原细胞能自我复制吗？最初，索斯塔克证明原细胞可以分裂。可以通过挤压原细胞的孔洞，将里面的物质挤出来，后者形成子原细胞。但是这种方法也存在缺陷，因为原细胞会在这个过程中损失很多信息。还有很多方法可帮助囊泡分裂，比如强大的水流可形成巨大力量，可以强迫囊泡分开。2009年，索斯塔克发现解决方法，创造出更为复杂的原细胞，就像圆葱那样的多层结构。尽管听起来十分复杂，实际上这种原细胞制造很简单。囊泡分裂通过喂食更多脂肪酸，原细胞会长大变形，延伸成类似绳子的长链。当原细胞足够长时，只需很小的力量就可让它分裂成数十个子细胞。每个子细胞都含有来自母体原细胞的RNA，且很少有RNA丢失。此外，原细胞可以重复这个过程，子细胞长大后，也会自我分裂。索斯塔克还发现许多方法可促使原细胞分裂，这方面的问题似乎已经解决。但原细胞的能力依然不够。为了证明自己创造了地球上的首个生命，肖斯塔克需要原细胞中的RNA能够复制自己。（网易科学）这并不容易，因为经过数十年尝试，依然没人能制造出能自我复制的RNA。为此，索斯塔克重新了解奥格尔的RNA世界假说，并在其中发现了珍贵的线索。奥格尔在20世纪70年代和80年代研究如何复制RNA链。从本质上说，这可能非常简单。利用松散的核苷酸组成单链RNA，然后将其与其他单链RNA互补。举例来说，CGC链可与GCG链互补。如果你重复这个过程2次，就可以得到原始CGC链的副本。奥格尔发现，在特定情况下，RNA链无需酶的帮助就可以自我复制，这相当于最早的生命复制其基因。到1987年，奥格尔已经可以利用14个核苷酸的RNA链，创造与其互补的RNA链。他没有尝试创造更长的RNA链，但这已经足够为索斯塔克提供灵感。索斯塔克与其学生卡塔尔兹娜·亚达马拉试图在原细胞中重复这个过程。他们发现，这种反应需要镁的帮助，可是镁会毁掉原细胞。但他们找到更简单方法，利用所有活细胞中都有的柠檬酸盐。索斯塔克将柠檬酸盐附着在镁上以保护原细胞，同时支持模板复制。换言之，他们实现了路易斯1994年提出的假设，在脂肪酸囊泡中对RNA进行复制。经过10多年研究，索斯塔克等人创造出了拥有自己基因的原细胞，它同时可从外界吸收有用的分子。这种原细胞可成长和分裂，甚至互相竞争。RNA可以在内部复制。无论从哪个角度来看，它们都与生命惊人的相似。此外，这种原细胞具有惊人的恢复性，能在100度高温中存活。在促使更多人相信，原细胞与最早的生命十分相似。最初，这些生命需要忍受流星不断撞击带来的酷热。索斯塔克没有专注于研究“复制第一”或“区隔第一”理论，而是找到两者同时发生的方法。这也激发科学家们利用统一方法寻找生命起源，即尝试创造出生命所需的所有功能，这种“一切第一”的假设积累了丰富的证据，可以解决现有理论的所有问题。7.伟大的统一2009年，RNA世界假说的支持者遇到一个巨大挑战，他们无法在地球早期环境中制造出核苷酸，也就是RNA的构建块。这让人们怀疑，最早的生命或许并非基于RNA诞生的。自从20世纪80年代，约翰·苏瑟兰德就开始思考这个问题。幸运的是，苏瑟兰德找到了替代方案，并提出有关生命起源的新理论，即生命的所有关键成分都是同时形成的。（1）细胞整体诞生每个RNA核苷酸都是由糖、碱基以及磷酸形成的。但想要吸引糖和碱基加入其中，几乎是不可能的，分子会产生错误的形状。为此，苏瑟兰德尝试完全不同的物质。最终，他的团队看中了5个简单的分子，包括不同的糖和氨基氰。苏瑟兰德等人将这些化学物质进行一系列反应，最终得到4个RNA核苷酸中的2个，它们没有独立的糖或碱基。许多人将苏瑟兰德的发现视为RNA世界假说的延伸，但他自己不这样看。RNA世界假说认为，最早的生物由RNA控制生命的所有功能。但苏瑟兰德认为，RNA的确参与了许多反应，但它并非终极目标。苏瑟兰德的目标是凭空创造能够自我组装的完整细胞。他的第一个线索就是核苷酸合成过程中1个奇怪细节，最初看似偶然出现的。苏瑟兰德实验的最后一步，是将磷酸结合到核苷酸上。但他发现最好从一开始就将磷酸混合其中，因为这会加速早期反应。苏瑟兰德认为，这种混乱是好事。混合磷酸后会让环境变得更复杂，也可促使所有生命成分同时产生。在地球早期，肯定有数十种乃至数百种化学物质漂浮在一起。这些混合物中的确应该含有生物分子，但还有大量其他非生物化合物。苏瑟兰德认为米勒的设置过于混乱，会导致好的化学物质在混合物中消失。为此，他试图找到“金发姑娘化学物质”，即混合物需要足够复杂，包括所有生命所需化合物，然后紧密结合起来。换言之，40多亿年前，地球上有个池塘，安静了无数年后才出现合适的化学物质混合物。然后可能在几分钟内，首个细胞就会诞生。这就像中世纪的炼金术那样神奇，但苏瑟兰德有确凿证据。自从2009年以来，他已经用同样的化学物质制造出2种RNA核苷酸，它们还可制造许多生命分子。下一步就是制造更多RNA核苷酸，但他还没有实现这个目标。2010年，苏瑟兰德创造出关系密切的分子，它们可能转变成核苷酸。2013年，他又创造出氨基酸的前体。这次，他添加了氰化铜以催化反应。2015年，他用类似方法制造出脂类前体，这些分子会构成细胞壁。如果苏瑟兰德的发现是对的，那么我们过去40多年对生命起源的研究就都错了。自从细胞的复杂性被解开以来，科学家们始终致力于这样的假设，即第一个细胞肯定是逐渐构建完善的。比如奥格尔认为首先出现RNA，然后慢慢添加其他生命成分。但苏瑟兰德认为，最好的方式就是所有生命成分同时形成。这种理论的挑战在于，同时制造各种成分过于复杂。索斯塔克现在怀疑，大多数制造生命分子、或在细胞内组装它们的尝试之所以会失败，可能源于共同的原因，那就是这些实验“太干净了”。科学家们只使用少量他们感兴趣的化学物质，而排除了其他地球早期可能存在的物质。但苏瑟兰德的实验显示，通过添加更多化学物质，可以产生更复杂的现象。2005年，索斯塔克亲自实验这个想法。他试图让原细胞成为RNA酶的宿主。这种酶需要镁，但后者可能毁掉原细胞的膜。对此，索斯塔克的解决方法很简单，不用纯脂肪酸制作囊泡，而是用不同物质构建。这些新的、不够纯的囊泡可以对抗镁的影响，这意味着它们可以担任RNA酶的宿主。此外，索斯塔克宣称，他的第一个基因可能也接受了这种混乱。（2）大杂烩世界现代生物使用纯DNA携带它们的基因，但纯DNA最初可能并不存在。它们可能是RNA核苷酸与DNA核苷酸的混合体。2012年，索斯塔克证明，这种混合体可以构成“镶嵌”分子，其外貌和行为都很像RNA。这些RNA与DNA混合链甚至可折叠。这表明，最早的生物是否能制造纯RNA或纯DNA都不重要，它们可以使用混合版的RNA，甚至混有TNA或PNA的核苷酸。这不是RNA世界，而是“大杂烩世界”。这些研究显示，制造最早的细胞似乎并不太困难。细胞的确拥有复杂的机制，但事实证明，它们可以吸收任何东西维持自身生存，虽然这依然不是很好。这种粗细胞似乎不太可能在地球早期生存下来。但当时没有太多竞争，也没有具有威胁性的掠食者，为此从多方面来看，它的生存环境比现在容易得多。但是苏瑟兰德和索斯塔克的理论也存在