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文 / 趙佳明

制作/《科學焦點》編輯部

澳大利亞鯊魚灣的疊層石。疊層石通常是由一些微生物創造的，特別是藍細菌，它們是地球上最早出現的生命形式之一，但這種地球“早期先民”是怎么來的，科學家還不知道。（圖片來源：Paul Harrison）

生命是如何起源的，這個問題一直困擾著科學家，甚至也是大眾日常最關注的一個未解之謎。達爾文的“進化論”雖然解釋了生物有從低級向高級演化的現象，但依舊無法解釋，地球生命“始祖”是怎么來的。因此，科學家提出了各種各樣的假說。

有的人認為，生命起源于自然界中的無生命物質，你可以理解成“生命是從石頭縫里蹦出來的”—— 無生源論；有的人認為，生命來源于外太空，是隕石撞擊地球，帶來了外太空的生命物質 —— 有生源說；還有的人認為，生命源自于 RNA——“RNA 世界”假說。他們認為，DNA 通過 RNA 來合成蛋白質，那么早期地球上可能存在一些 RNA，也能合成蛋白質。要知道，蛋白質可是生命的基礎。

已知最早的地球生命是一些微生物，它們被發現于海底熱泉附近。這些微生物最早可能生活在 42.8 億年前，而地球僅僅是在 45 億年前形成的。

這些假說各有各的理，誰也說服不了誰。其中，最被人們普遍接受的應該就是“生命起源于海底熱泉”的“原始湯”假說了。簡單來說，生命起源于原始地球的“一碗湯”。

海底熱泉又叫海底熱液噴口，因為它看起來就像是立在海底的一根根冒著黑煙或白煙的煙囪。從這些噴口中噴出的都是高溫高鹽的溶液，附近的水溫可達 400℃。照理說，在這么高的溫度下，不可能有生命存在。怎么還會有人認為，生命起源于海底熱泉呢？科學家認為，這跟早期地球大氣層的構成有關。你可能已經知道，現今地球的大氣層是由氮氣、氧氣、二氧化碳、臭氧等多種氣體構成的，臭氧形成臭氧層，具有隔離紫外線輻射的作用。但是，早期的地球大氣構成可不一樣，那時候地球大氣中不含臭氧，因此地球表面的紫外線輻射特別強烈。這樣的環境是根本不可能誕生生命的。不過，海底的情況可就不一樣了 —— 海水代替了現今臭氧層的角色，為生命穿上了一層“防護服”。海底成了地球生命誕生的溫床。

那為什么就認定說，生命起源于海底熱泉呢？如果把生物比作一臺機器的話，機器想要正常運轉，就需要能量來驅動，或是燒汽油，或是燒煤。生物也一樣，想要正常運轉，也需要能量。在中學生物課中，我們都學過，在細胞中有一種叫線粒體的細胞器，它是為生物提供能量的地方。

科學家已經在海底熱泉附近發現了氫離子的定向移動，而線粒體就是利用氫離子的定向移動來產生能量的。因此，那些主張生命起源于海底熱泉的科學家就認為，生活在海底熱泉附近的生物獲取能量的方式和線粒體產生能量的方式是一模一樣的。這樣，早期生命在海底熱泉起源就有了能量來源，再加上從海底熱泉噴口噴出的大量含有 C、H、O 和金屬的溶液，又給生命起源提供了物質基礎。

有了材料、有了能量，又安全，這就好比要做一鍋湯，食材、爐灶都準備好了，點火熬湯就等著美味的湯出鍋吧。

生命就好像這鍋湯，很可能就在海底熱泉附近起源了。畢竟，這樣完美的條件在其他環境中可是從沒發現過的。

在海底熱泉附近，存在構成生命的物質、能量來源，再加上適合的環境，就能證明生命起源于海底熱泉嗎？答案是否定的。還有一個很關鍵的要素，我們仍不清楚 —— 催化劑，生成生命物質的化學反應需要催化劑的存在。

2023 年 2 月，發表于《自然-通訊》（Nature Communication）的一項研究，發現了早期生命起源時的重要的“酶”，為證明生命起源于海底熱泉增添了新證據。

德國馬克斯?普朗克免疫生物學與表觀遺傳學研究所的科學家利用 Ni-Fe 合金的納米粒子，在 25°C 和 2.5 兆帕的條件下，催化氫氣和二氧化碳轉化為甲酸鹽、乙酸鹽和丙酮酸鹽。另外，在室溫下，通過 C-13 標記的丙酮酸也可以在一小時內進一步轉化為乙酸、對丙酮酸和檸檬蘋果酸。這些都是乙酰輔酶 A 途徑的重要中間產物，乙酰輔酶 A 途徑是最古老的一種固定二氧化碳的途徑，許多微生物就通過這一途徑生長，早期生命可能也是如此。

在之前的研究中，科學家已經知道，在酶的催化作用下，通過乙酰輔酶 A 途徑，二氧化碳和氫氣可以很快轉化為甲酸鹽、乙酸鹽和丙酮酸。在海底熱泉附近，即使沒有酶存在，Ni-Fe 合金也能代替酶發揮作用，生成乙酰輔酶 A 的中間產物，把二氧化碳固定和三羧酸循環（保障生命運轉的重要反應循環，與各種代謝和生命物質的合成有關）聯系了起來。

另一些研究發現，即使缺乏三羧酸循環酶，一些微生物也能夠正常生長。

不過，二氧化碳固定與三羧酸循環之間的聯系，科學家一直沒有發現。這次的研究正彌補了這一點 —— 通過 C-13 標記，發現丙酮酸在 Ni-Fe 合金的催化作用下，可以迅速轉化乙酸、對丙酮酸和檸檬蘋果酸，參與到三羧酸循環中。這就證明了，在天然金屬催化劑的作用下，經過二氧化碳的固定反應，可以獲得高碳數的有機物，這是生命的基礎。原生金屬和熱液合金鎳鐵礦可以替代生物途徑中幾種酶的功能。也就是說，海底熱泉附近也有催化生成生命物質反應的酶，這為生命起源于海底熱泉又增添了堅實的證據。

現在你已經知道了，早期地球海洋中的海底熱泉附近具有當時最適合生命誕生的環境條件，生命可能起源于海底熱泉。但這都是研究人員提出的假說，跟前面的幾個假說一樣，還沒有直接的證據能夠證實，雖然有相關研究的佐證，但都不屬于直接證據，還需要研究人員的進一步研究和發現。