我們都是被閃電“劈”出來的?
生命是什么時候，從哪里起源的？
生命是什么時候，從哪里起源的？這一直是一個很有爭議的問題。
自從人類文明誕生以來，我們一直在追尋這個究極問題的答案。古代人將所有他們難以解釋的難題都推給了神，于是東方有了女媧造人的神話，西方則有了上帝創(chuàng)世的故事。但是隨著幾個世紀以來的科技發(fā)展和教育進步，幾乎每一個現(xiàn)代人都已經(jīng)意識到，神是虛構的，我們必須為生命起源尋找到神創(chuàng)之外的科學而理性的新解釋。
我們都是“外星人”？
在排除了神之外，另外一個像是神創(chuàng)論，但卻看上去更加“科學”的解釋是生命的地外起源說。這個理論有兩個版本：
第一個版本，一些理論認為生命起源于外星人，要么直接來自外星人移民，要么來自外星人“播種”。很多電影都有類似橋段，其中最知名的就是電影《普羅米修斯》了，在電影的開頭，一個外星人在地球上服下毒藥自殺，毒藥讓他全身都變成微小的有機分子，這些有機分子在隨后自由組合形成DNA，進而演化出諸多生命。但本質(zhì)上講，這也是神創(chuàng)論的另一個翻版，只是把虛擬的宗教神改成了可能存在的、科技遠比我們發(fā)達的機械神而已。
電影《普羅米修斯》中外星人死亡為地球帶來生命的劇情片段
（圖片來源：《普羅米修斯》）
第二個版本相對來說更加科學，有人也將其稱為胚種論。它認為地球上最早的生命或者構成生命的有機物來自于地外，它們隨著隕石在宇宙間飄蕩，一旦遇到宜居的星球就會定居下來。在這個理論中，并沒有外星人之類的存在，但實則把問題轉移成了“如何尋找含有生命跡象的地外天體”，并未試圖真正解答“生命是如何起源的？”這一問題。
當然，目前源源不斷的來自太空的證據(jù)又似乎在不斷印證胚種論。1969年，一顆名為默奇森（Murchison）的隕石降落在澳大利亞，科學家們在這顆隕石的內(nèi)部檢測出了5種氨基酸；隨后，人們陸陸續(xù)續(xù)從各種隕石中找到了更多的有機物，包括組成核酸的堿基等，這些有機物的種類多達數(shù)萬種[1]；2019年，有科學家宣稱在阿連德隕石（Allende）中發(fā)現(xiàn)了核糖，這是RNA的組成物質(zhì)[2]；驚喜似乎還在持續(xù)，2020年2月底，科學家們在隕石中首次發(fā)現(xiàn)了蛋白質(zhì)，這種蛋白質(zhì)被稱為Hemolithin，含有鐵和鋰兩種元素，其在尖端上形成一種鐵氧化物，可以利用光能將水分解為氧氣與氫氣，這個過程中產(chǎn)生的能量可以被生命體利用[3]。
默奇森隕石，與地球上的某些暗色火成巖非常相似
（圖片來源：Wikipedia）
阿連德隕石，這是一種典型的球粒隕石，2020年有科學家發(fā)表論文號稱在編號為Acfer-086和CV3的阿連德隕石中都發(fā)現(xiàn)了Hemolithin蛋白質(zhì)，但是隨后遭到了質(zhì)疑
（圖片來源：Wikipedia）
每一次這種類似的發(fā)現(xiàn)都能在網(wǎng)絡上引起討論。然而，如果細細推敲的話，胚種論其實還有很多問題[1]。
第一個問題是，隕石上的很多有機物看起來和地球上的相同，實際上是同分異構體，雖然分子式相同，但分子結構并不同；
不同種類的同分異構體示意圖
（圖片來源：Wikipedia）
第二個問題是手性。隕石中的氨基酸和地球上的氨基酸在手性上是有差異的。什么是手性呢？做個小實驗就懂了，舉起我們的左右手，掌心對掌心是可以貼合在一起的，但是如果都掌心向上，左右手放在一起，你就會發(fā)現(xiàn)此時沒辦法貼合在一起了，這就是手性。在地球上的氨基酸只有左旋結構，但是隕石中的氨基酸則左旋和右旋結構都有。
氨基酸的手性示意圖
（圖片來源：Wikipedia）
第三個問題是，在形成生命的化學演化過程中，可能需要比較多的有機物，這些隕石能不能為生命演化提供足夠的有機物？相比而言，早期地球的水熱環(huán)境無疑能夠穩(wěn)定、大量地產(chǎn)生有機物，因此現(xiàn)在的主流更相信生命起源于地球這個說法。
生命來源于化學反應
從上個世紀初開始，就有科學家逐漸提出他們關于生命起源于地球的理論，其中最著名的要數(shù)原始湯理論。1924年，科學家亞歷山大·奧巴林（Alexander Oparin）和J.B.S.霍爾丹（J.B.S.Haldane）分別提出了這個理論。他們認為早期地球的海洋中富含簡單有機物（如氨基酸、糖類、核苷酸等），這些分子在閃電、紫外線輻射或火山活動等能量驅動下隨機結合，逐漸形成更復雜的分子，最終導致原始生命的誕生。
1952年，科學家斯坦利·米勒（Stanley Miller）和哈羅德·尤里（Harold Urey）在芝加哥大學使用甲烷、氨、氫氣的混合氣體（2：2：1）以及水蒸氣模擬地球原始大氣環(huán)境，將它們一起通入容器后用電弧電擊。實驗持續(xù)一周后，捕捉容器中的液體變成渾濁的深紅色，經(jīng)過鑒定，其中出現(xiàn)了5種氨基酸：甘氨酸、α-丙氨酸，β-丙氨酸，天冬氨酸和α-氨基丁酸。這就是大名鼎鼎的米勒實驗，它是生命起源研究中的一個里程碑，證明了在自然環(huán)境下可以由無機物自然形成有機物，支持了原始湯理論。
米勒實驗示意圖
（圖片來源：Wikipedia）
這個實驗鼓勵了全球的科學家大量投入對生命起源的研究?？茖W家們在隨后的研究中發(fā)現(xiàn)，通過化學反應，無機物還可以形成嘌呤、核糖、堿基醇、醛等各種有機物[4]。
1980年代，科學家沃爾特·吉爾伯特（Walter Gilbert）基于RNA的功能提出了RNA世界理論。這一理論認為在真正的生命出現(xiàn)之前，地球上存在一個RNA世界階段，此前無機物形成的各種小分子組裝成RNA。RNA既具備DNA那樣的儲存遺傳信息并且自我復制的功能，也能夠像蛋白質(zhì)一樣催化化學反應。RNA出現(xiàn)之后快速自我復制，很快讓原本存在大量有機物小分子的原始湯世界變成一個遍布RNA的世界。
在RNA世界之后，生命可能也并沒有就此形成，而是在后面又經(jīng)歷了核糖核蛋白世界和DNA世界的演化階段，才形成所有生命的共同祖先（LUCA）[5]。不過這個過程過于復雜，限于篇幅我們并不展開討論。
雖然目前原始湯的生命起源假說已經(jīng)得到了主流科學界的普遍認同，但是問題依然存在，比如：生命到底起源于什么地方？
生命于何處起源？
為什么會有這個問題呢？因為在米勒實驗剛剛成功后不久，科學家們認為化學進化發(fā)生的地點在海水淺層，只有這里才能與閃電和各種氣體直接接觸。但是問題在于那時候的地球上，空氣中沒有氧氣，自然也就沒有臭氧層，來自太空的紫外線和高能射線很容易就照射到淺層海水中，破壞已經(jīng)形成的各種有機物。閃電也并不是時時刻刻都在電擊海洋，電擊形成的有機物也會很快在海浪作用下四散而去，要達到原始湯世界理論中有機物的濃度無疑是極為困難的。
因此，科學家不得不尋找更多適合有機物形成，同時又不容易受到紫外線破壞，有機物還不那么容易被洋流分散的穩(wěn)定場所。很快，一個新的潛在場所進入了大家的視野：深海熱泉。
在大洋底部，巖漿活動經(jīng)常會非常強烈，它們從洋底噴涌而出，形成一座座海底的山嶺，這些山嶺連起來就形成了洋中脊。在洋中脊附近，地殼薄弱，裂隙較多，海水沿著這些裂隙向下流動，接觸到這些熾熱的巖漿后向上涌出，就形成了一些熱泉。這些熱泉由于富含各種化學元素，在遇到海水后會發(fā)生沉淀，于是形成冒著黑煙或白煙的煙囪狀結構，因此被稱為海底黑煙囪或海底白煙囪。
馬里亞納海溝附近發(fā)現(xiàn)的“白煙囪”
（圖片來源：NOAA）
在“白煙囪”附近，海水并非直接接觸巖漿，而是與包裹著巖漿的熾熱圍巖相互作用。這些圍巖多是富含橄欖石的巖石，在與海水接觸后，會將其轉變?yōu)闇囟仍?00℃左右的堿性液體。這些堿性液體滲入地下后，會與洋殼發(fā)生化學反應，形成氫氣、甲烷、氨、硫化氫等物質(zhì)，而這些物質(zhì)正是形成小分子的主要成分。同時，橄欖石富含鐵、鎂等元素，它們作為高效催化劑能夠加速化學反應，加快無機物向有機物的轉變過程。
此外，“白煙囪”表面布滿復雜的微孔結構，沉淀有大量黏土礦物。這些黏土礦物表面帶有電荷，能夠吸附聚集小分子，而內(nèi)部結構又類似海綿，有大量孔洞，能為化學反應提供反應空間。
高嶺土（黏土礦物的一種）的掃描電鏡圖像
（圖片來源：Wikipedia）
另外，“白煙囪”非常穩(wěn)定，很多噴口的壽命長達幾千年、數(shù)萬年乃至更久，這讓生物演化的化學反應有了充足的時間。
因此，在深海熱泉發(fā)現(xiàn)以來的很長一段時間內(nèi)，科學家們都將其視為生命起源最有可能發(fā)生的區(qū)域。不過，最近的一項新發(fā)現(xiàn)似乎又挑戰(zhàn)了這一理論。
生命起源于“微閃電”？
一項最新研究提出，無處不在的水本身可能就是有機物小分子形成的最大推手之一。這個研究發(fā)現(xiàn)，當液滴在高速運動的時候，會破碎成更小的液滴（比如海浪拍在海岸上，瀑布落地的時候等），而原本呈現(xiàn)出電中性的液滴破碎后，小的液滴碎片會帶負電，大的液滴碎片會帶有正電。在它們分離的瞬間，由于其電性不同，會擊穿空氣，在二者之間形成微閃電。
A是實驗裝置示意圖，這是一個聲學裝置，能讓水滴懸浮并分裂，左右兩側的是銅電極，用于檢測水滴分裂之后的正負電性。B-D是用高速攝像機拍攝到的水滴分裂的過程。E顯示的是分裂后的較小的液滴被正極俘獲，這說明小的液滴帶有負電。F和G顯示的是分裂的液滴中檢測到的閃電發(fā)出的光電子。
（圖片來源：參考文獻[6]）
雖然液滴非常微小，微閃電的能量卻足以電離許多還原性氣體。研究人員在設備中噴射混合了氮氣、甲烷以及二氧化碳氣體的水霧，經(jīng)過檢測后，由于微閃電的作用，這些氣體通過化學反應形成了氰化氫（HCN）、氰基乙炔以及尿素、尿嘧啶、甘氨酸等產(chǎn)物。其中氰化氫可連接碳、氮原子，形成更復雜的有機物，甘氨酸是一種生命必須的氨基酸，尿嘧啶則是RNA和DNA的組成部分。整個過程的反應速度極快，僅需120μs即可發(fā)生，而且不需要催化劑。
水滴微閃電形成有機物的實驗示意圖
（圖片來源：參考文獻[6]）
這一發(fā)現(xiàn)讓生命誕生的地點和條件大大放寬，只要是適合微液滴形成的區(qū)域，均有可能源源不斷形成有機物小分子。無論是綿延的海岸線、飛瀉的瀑布、傾盆的暴雨，還是我們前面提及的深海熱泉（熱液噴出時形成的氣泡破裂即可形成微液滴），都可能成為生命的搖籃。
這一理論把生命起源的地點從深海熱泉、閃電這些“宏大場景”，拉近到每一滴飛濺的水珠中?；蛟S，生命并非誕生于某個特殊的“奇跡之地”，而是自然界中無數(shù)微小能量瞬間匯聚的必然成果。
