生命起源之水悖论：地球上第一生命最大的威胁——水

长期以来，许多科学家一直推测，地球上的第一批细胞出现在海洋中。但最近的研究表明，生命的关键分子及其核心过程只能在相对较浅的水域中形成。因为多项研究表明，生命的基本化学物质需要紫外线才能形成，并且水环境必须高度浓缩，甚至有时会完全变干。

在实验室实验中，萨瑟兰和其他科学家通过加热简单的碳基化学物质，使其经受紫外线辐射并间歇性干燥，从而产生DNA、蛋白质和细胞的其他核心成分，但是尚未能够在模仿海水的条件下合成如此广泛的生物分子。

不断涌现的证据使许多研究人员相信，生命出现在干湿交替的陆地环境，而不是海洋。尽管水对于生命至关重要，但它也破坏了生命的核心组成部分。

原始汤

尽管生命没有标准的定义，但大多数研究人员都认为生命需要几个组成部分。其中一种最重要的是携带信息的分子——DNA，RNA或其他东西。当然，也必须有一种能复制这些分子的方法，尽管该过程可能不完善，可能出错；此外，也许第一个生物可能已经能使用一种基于蛋白质的酶来养活和维持自身。最后，某些东西将这些不同的部分结合在一起，使它们与环境分开。

1920年代，许多研究人员认为生命起源于海洋，富含碳的化学混合物被称为原始汤。这个观点是由苏联的生物化学家亚历山大·奥帕林和英国的遗传学家霍尔丹提出的。每个人都把年轻的地球想象成一个巨大的化工厂，其中许多碳基化学物质溶解在早期海洋中。欧帕林认为会一些简单的分子会形成越来越复杂的颗粒，最终形成碳水化合物和蛋白质。

1950年代，科学家开始对生命起源进行实验室研究。1953年，美国芝加哥大学一位名叫斯坦利·米勒的年轻研究员进行一项著名的实验，这个实验证实生命起源于海洋的想法。

米勒用一个装有水的玻璃烧瓶模仿海洋，并用另一个装有甲烷，氨和氢的烧瓶模拟早期的大气。试管连接烧瓶，电极模拟雷电。几天的加热和电击足以制造甘氨酸，最简单的氨基酸和蛋白质的必需成分。

图注：·米勒用简单的试验装置合成氨基酸。

但是随着对细胞的深入研究，许多科学家发现这个想法存在一个根本问题：生命的基石分子可以在水中分解，这让蛋白质和核酸在其关节处易受伤害。蛋白质由氨基酸链组成，而核酸是核苷酸链。如果将链条放在水中，大量的水将攻击链环并最终使其断裂。

1986年，已故的生物化学家罗伯特·夏皮罗在其著作《起源》中写道：在碳化学中，水是大分子最大的敌人，因为分子可以被水分解。这就是水的悖论。

如今，合成生物学家凯特·阿达玛拉认为：细胞通过限制水在细胞内的自由流动来解决分子被水分解。因此，流行的细胞质图像通常是错误的。她补充说：“我们被告知，细胞质只是一个容纳所有东西的袋子，所有东西都在游动。那是不对的，所有东西都难以置信地包裹在细胞中，但是包裹这些物质的是凝胶而不是水袋。”

因此，如果生物必须保持对水的控制，则其含义显而易见。生命可能是在陆地上形成，只有那里断断续续地存在水。

陆缘说

在2009年，科学家找到生命起源于陆地的关键证据。科学家萨瑟兰宣布他的团队成功地制造出构成RNA四个核苷酸中的两个。

萨瑟兰将磷酸盐和四种简单的碳化学物溶解在水中，但高度浓缩，关键步骤需要紫外线辐射。通过这项实验，他的团队利用太阳光和一些高浓度的化学物质，制造出DNA的组成部分，而在此之前被认为这是不可能的。所以，萨瑟兰认为这样的生命反不可能在海洋深处发生，只能在阳光下充足的池塘或溪流中进行，因为只有在那里，组成生命的简单物质可以集中。

2019年，美国佐治亚州亚特兰大市NSF-NASA化学进化中心的生物化学家Moran Frenkel-Pinter及其同事对这种方法进行扩展。他们证明，如果氨基酸变干，氨基酸会自发连接形成蛋白样链。与其他氨基酸相比，今天的蛋白质中发现的20种氨基酸更有可能发生这类反应。这意味着间歇性干燥可以帮助解释为什么生命在数百种可能性中仅使用那些氨基酸。

干湿循环

间歇性的干燥也可以帮助驱动这些分子构件组装的更复杂。沿着这些思路，1982年，加利福尼亚大学研究人员David Deamer和Gail Barchfeld研究另一类长链分子脂质如何自发组织形成包围细胞的细胞膜。他们首先制造囊泡：球形斑点，其水质核心被两个脂质层围绕。然后研究人员将囊泡干燥，脂质重新组织成多层结构，就像一叠煎饼。先前漂浮在水中的DNA链被困在两层之间。当研究人员再次加水时，囊泡进行重整，DNA进入囊中。2008年，Deamer及其小组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，核苷酸连接成RNA状链。

这些反应在水中不会发生，只有在干燥条件下进行。

其他研究指出另一个生命起源的关键因素：光。

合成生物学家杰克·索斯塔克（Jack Szostak）利用一些简单细胞——包含少量化学物质，但可以生长，竞争和自我复制，进行一些实验。如果这些原始细胞暴露在与陆地相似的条件下，它们将表现出更逼真的行为，即原始细胞可以利用光能以简单的复制形式进行分裂。

同样，在MRC分子生物学实验室工作的克劳迪娅·邦菲奥（Claudia Bonfio）于2017年证明，紫外线辐射可以推动铁硫簇的合成，这对许多蛋白质合成至关重要，铁硫簇的合成可以驱动储能分子ATP的合成，有助于为活细胞提供动力。但是如果将铁硫分子簇暴露在水中，它们会破裂。

水要，但不要太多

上述这些研究推动科学家提出，生命始于光线充足，水量有限的陆地表面。但是，关于水的消耗量及其在生命起源中扮演的角色仍存在争议。

干燥的环境为蛋白质和RNA等分子的形成提供了机会。但是，简单地制造RNA和其他分子并不是生命，生命必须形成一个自我维持的动态系统。

弗伦克尔-品特（Frenkel-Pinter）认为，水的破坏可能会助长这一趋势，就像捕食动物比实操动物进化得更快，第一个生物分子可能已经进化出应对水的化学攻击，甚至能利用水的破坏性。

在新西兰罗托鲁瓦附近的地狱之门温泉的一项研究中，来自热液池的样品经历了干燥和再润湿的循环，从而促进了化学反应，产生类似RNA的分子。

弗伦克尔-品特的团队研究结果表明：干燥可以导致氨基酸自发连接。但是，研究小组也发现它们的原蛋白可以与RNA相互作用，两者在水中都变得更加稳定。实际上，水扮演自然选择，只有那些可以在水中生存的分子可以存在，其他分子则会被破坏。在每个润湿周期中，较弱的分子或无法通过与他人结合而自我保护的分子被水破坏。而较大，更复杂的分子则被积累。

所以，她提出环境中的水不应那么多，以至于生物分子被破坏得太快；但也不至于没有那么少，以至于生物分子没有任何变化。

温暖的小池塘

那么，生命起源可能在哪里发生？

开放的海洋海洋是不可行的，因为没有办法使化学物质浓缩。

自1980年代以来，地质学家迈克尔·罗素（Michael Russell）一直倡导生命始于海床的火山口，那里温暖的碱性水从地壳地质构造中渗出。热水和岩石之间的相互作用将提供化学能，该化学能首先会驱动简单的代谢循环，制造和使用诸如RNA的化学物质。

罗素对萨瑟兰的观点持批评态度。罗素认为萨瑟兰进行的只是奇妙的化学工作，这并不重要。那是因为现代生物体使用完全不同的化学过程来制造诸如RNA之类的物质。罗素认为首先出现的过程，而不是物质本身。

“生命，它会挑选非常特殊的分子。但是你不能从已知模板中挑选他们。你必须从头开始制作它们，这就是生命。” 一旦形成RNA，蛋白质等，进化就将接管一切，并使原始生物能够找到新方法来制造这些分子并维持自身。

同时，许多研究人员对罗素生命始于海底的说法表示反对，认为它缺乏实验依据。

相比之下，模拟表面条件的化学实验已成为核酸，蛋白质和脂质的基础，这些反应都不基于深海热液喷口假设中。于是，生命起始于陆地小水域的想法正在增长。

科学家萨瑟兰生命起源于陨石撞击坑。陨石坑本来就是一个复杂的环境，表面的矿物可以充当催化剂，碳基化学物质可能会交替溶解在水中并在阳光下干燥。萨瑟兰说：“生命起源需要磷酸盐，需要铁。铁镍陨石很容易传递很多这些东西，而且撞击还有一个优势：陨石撞击会冲击大气，产生氰化物。”

长期以来，迪姆（Deamer）一直倡导一种不同的建议：火山温泉。他的早期实验表明，脂质会在热水中形成原细胞，池塘边缘的干湿循环将推动核酸的形成和复制。迪姆在现代火山温泉中进行了几次实验，证明囊泡可能在温泉水中形成，甚至包封核酸，但它们不会在海水中形成。同时也发现，当干燥囊泡时，核苷酸能连接起来形成RNA样链。

总结：生命起源仍是一个未解之谜，但是可以确定的是，水和阳光是生命起源的基本要素，而且越来越多的科学实验证明生命可能于起源陆地潜水环境，而不是原始的海洋！

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