當生命第一次在地球上出現時是什麽樣子的？

果你在太陽系形成後立即來到它，你會看到一個完全陌生的景象。 我們的太陽的品質與今天差不多，但只有一小部份，因為恒星會隨著年齡的增長而升溫並行出更亮的光芒。 四個內部的巖石世界仍然存在，但其中三個看起來非常相似。 金星、地球和火星的大氣層都很稀薄，表面有液態水的能力，以及可以產生生命的有機成分。 據我們所知，地球有一個又大又近的月亮，火星有三個，而金星沒有。 盡管所有這些世界都很熱，火山活動也很活躍，但它們幾乎都完全放棄了它們原始的、富含氫和氦的外殼，因為光蒸發已經把它們都煮沸了。

雖然我們仍然不知道生命是否曾經在金星或火星上紮根，但我們知道，當地球只有幾億年的歷史時——可能在短短1億年之後，但不遲於7億年——已經有生物生活在它的表面。 經過數十億年的宇宙演化，產生了生命可能存在的元素、分子和條件，我們的星球不僅成為生命出現的地方，而且在隨後的數十億年裏繼續繁榮，甚至產生了我們人類，作為其宇宙故事的一部份。 就我們最好的科學知識而言，這是生命出現的第一步是什麽樣的。

這張隧道電子顯微鏡影像顯示了藍藻原綠球菌（Prochlorococcus marinus）的一些標本。 這些生物中的每一種都只有大約半微米的大小，但總而言之，藍藻對地球氧氣的產生負有主要責任：無論是最初還是現在。 像所有細菌一樣，它們的壽命比人類的壽命短得多，雖然藍藻是相對原始的生物，但它們「只」可以追溯到不早於27億年前，而地球上的生命可以追溯到10多億年前，至少比這更遠。 圖片來源 ：來自Chisholm實驗室的Luke Thompson和來自麻省理工學院Whitehead的Nikki Watson

生命——至少，我們所知道的生命——有一些幾乎每個人都同意的內容。 雖然地球上的生命涉及碳基化學（需要碳、氧、氮、氫和許多其他元素，如磷、銅、鐵、硫等）並依賴於液態水，但其他元素和分子的組合可能是可能的。 然而，所有生物體共有的四個一般特性如下：

1. 生命有一個新陳代謝，它從外部來源收集能量/資源/營養物質供自己使用。

2. 生命對來自環境的外部刺激做出反應，並相應地改變其行為。

3. 生命可以生長，適應環境，或者可以從現在的形式前進演化成不同的形式。

4. 生命可以繁殖，創造出從自身內部過程產生的可行後代。

盡管生物學家的不同陣營在考慮某物是否活著時經常爭論這些要點（病毒可能是兩者之間爭論最激烈的情況），但目前的共識是，所有這四個必須同時到位，才能被認為是活的。

雪花和晶體可能能夠生長和繁殖，但它們缺乏新陳代謝使它們無法被歸類為活的。 蛋白質可能具有新陳代謝並能夠繁殖，但它們不會對外部刺激做出反應，也不會根據它們遇到的情況改變行為。 即使是病毒也只能透過感染其他成功的活細胞並將它們用作宿主來繁殖，這讓人懷疑它們是否被歸類為活的或非活的。

該動畫顯示了雪花的實際形成和生長，雪花是一種冰晶，可以生長成特定的配置，通常具有六邊形對稱性。 盡管晶體具有允許它們自我繁殖和復制的分子構型，但它們既不利用/代謝能量，也不編碼遺傳資訊。 雖然令人著迷，但雪花和所有已知的晶體結構都不能被負責任地定義為「活的」。 圖片來源 ：維亞切斯拉夫·伊凡諾夫/Vimeo

與此同時，沒有人懷疑生命形成所需的原材料幾乎存在於我們所能看到的任何地方。 許多有機材料——糖、胺基酸、甲酸乙酯等化合物，甚至多環芳烴等復雜物質——都存在於星際空間、小行星中，並且在早期地球上很豐富。地 球上生物過程中使用的所有五種核堿基都是在小行星上發現的，除了我們星球上用於生化活性的 22 種胺基酸外，也許還有 60 種其他胺基酸，包括與在地球上生命過程中發揮作用的胺基酸手性相反的胺基酸， 在隕石中發現了這些隕石，我們隨後在實驗室中對其進行了檢查。

然而，盡管我們已經了解了在星際空間、其他恒星周圍以及我們太陽系中殘留的原始遺跡材料中發現的益生元成分，但沒有證據表明地球以外的任何生物活動。 盡管許多人試圖認為生命甚至可能在星際空間的環境中就開始了，但我們沒有任何證據表明生命在地球形成之前就開始了。

這張概念影像顯示了流星體將生命過程中發現的所有五個核堿基輸送到古代地球。 所有用於生命過程的核堿基，A、C、G、T和U，現在都在隕石中被發現，還有80多種胺基酸：遠遠超過已知用於地球上生命過程的22種。 毫無疑問，在宇宙歷史的整個過程中，大多數星系的恒星系統中都發生了類似的過程。 圖片來源 ：NASA Goddard/CI Lab/Dan Gallagher

相反，主要的想法是，地球是由所有這些原始成碎形成的，此外可能還有更多後來可能被納入生命過程的成分。 也許成熟的核苷酸很常見; 也許各種蛋白質和蛋白質片段很早就出現了，並且已經預先組裝好了; 也許脂質層和雙層會在液態水的水環境中自發出現。 所有這些可能性都是應該考慮的，但尚未得到證實或證明。 生命的前身，無論它們碰巧存在於簡單或復雜的狀態下，在早期地球的環境中肯定是存在和豐富的。

然而，為了從生命到實際生命的前體，人們相信我們需要合適的環境來促進生命從非生命中出現。 最初為生命出現創造有利條件的三顆行星——金星、地球和火星——都具有：

雖然這三個世界都可能第一次有機會形成生命，但地球是唯一一個有大量證據表明生命不僅出現過，而且在太陽系歷史中相對較早出現的世界。

地球上的火山活動，包括從最早的時代開始，將大量的固體和瓦斯物質釋放到我們的大氣中，包括氮氣、二氧化碳和水，將我們年輕的氫/氦大氣轉化為富含氮/CO2/pO 的大氣，後來將進一步透過生物過程轉化。 圖片來源 ：C. Werner et al.， in Deep Carbon： Past and Present， Cambridge University Press， 2019

在行星形成後不久，這些熔融表面的世界太熱了，液態水無法穩定地存在於它們的表面，因為這些行星的內部需要很長的地質時間才能冷卻。 早期，火山活動猖獗，地表非常不穩定。 與此同時，我們的太陽系在早期經歷了一段猛烈的轟炸，影響了所有天體：小行星狀和彗星狀物體撞擊了它們中的每一個，使它們的表面留下了疤痕，並為地下巖漿從下面冒出來創造了途徑。

然而，這兩種活動——火山活動和撞擊——也將水帶到了這些行星的表面，科學家們仍在爭論哪種機制主要負責將大部份水輸送到早期地球（以及火星和金星）。 即使在早期，存在的水量很可能足以創造海洋、海洋、湖泊和河流，但不足以創造一個完全被液態水覆蓋的水世界。 這些行星中的每一個都可能擁有大陸和海洋，在兩者的交界處，形成了水池：水可以穩定地存在於幹燥的陸地上並受到各種能量梯度的影響的區域。 此外，淡水融化，包括在下面有大量火山活動的地區，形成了穩定的水池，鹽分含量非常低。

這張黃石國家公園大棱鏡泉的鳥瞰圖是世界上最具標誌性的陸地熱液特征之一。 顏色是由於生活在這些極端條件下的各種生物，並取決於到達泉水各個部份的陽光量。 像這樣的熱液場是生命首次出現在年輕地球上的最佳候選地點，並且可能是各種系外行星上豐富生命的家園。 圖片來源 ：Jim Peaco/國家公園管理局

一起考慮這些情況。 在地表富含礦物質的水池中，熱量和能量梯度豐富（來自地質熱量以及陽光直射和晝夜迴圈），分子和原子可以結合在一起。 胺基酸可以連線形成蛋白質，溶解的離子可以將這些蛋白質轉化為酶，蒸發迴圈可以使多種型別的分子脫水，迫使它們連線在一起。 其他地球化學現象——包括降雨、礦物質存在的多孔流體流動以及水活動的梯度——都可能為分子以新穎而有趣的方式結合在一起提供機會。

潮汐對地球的影響可能會因月球而增強，但即使沒有衛星，金星、地球和火星也都擁有來自太陽的潮汐。 然而，地球擁有的另一種能量來源可能有助於生命的起源，這在金星或火星上可能沒有那麽壯觀：來自地球內部的熱活動。 在海底，熱液噴口是地質熱點，也為生命的出現提供了極好的候選地點。 即使在今天，它們仍然是被稱為極端微生物的生物的家園：細菌和其他生命形式，可以承受通常破壞與生命過程相關的分子鍵的溫度。

在海底深處，在熱液噴口周圍，沒有陽光照射到的地方，地球上的生命仍然茁壯成長。 如何從非生命中創造生命是當今科學界最大的懸而未決的問題之一，但熱液噴口是第一個代謝過程（生物體的前體）可能首先出現的主要地點之一。 如果地球上可以存在生命，也許在木衛二或土衛二的海底，那麽那裏也有生命。 圖片來源 ：NOAA 海洋探索與研究辦公室

這些深海噴口包含巨大的能量梯度和化學梯度，其中極堿性的噴口水與酸性、富含碳酸的海水混合。 最後，這些通風口含有鈉離子和鉀離子，以及碳酸鈣結構，可以作為第一個細胞或原始細胞的潛在樣版。 生命存在於這樣的環境中這一事實表明，像歐羅巴或土衛二這樣的世界可能是現代太陽系其他地方生命生命的家園。

但也許地球上最有可能開始生命的地方是世界上最好的：熱液田。 火山活動不僅發生在海洋之下，也發生在陸地上。 在淡水區域下方，這些火山活動區域提供了額外的熱量和能量來源，可以穩定溫度並提供能量梯度。 一直以來，這些位置仍然允許蒸發/濃縮迴圈，提供一個密閉的環境，使正確的成分能夠積累，同時也允許陽光/夜間暴露迴圈。

在地球上，我們可以確信潮汐池、熱液噴口和熱液場都很常見。 雖然許多前體分子肯定起源於地球之外，後來被帶到了這裏，但很可能正是在這裏，在地球上，非生命向生命的轉化自發發生，某種 核酸-肽協同前進演化提供了迄今為止最有利的途徑 。

如果生命始於一種隨機的肽，可以從其環境中代謝營養/能量，那麽復制可能會從肽-核酸協同前進演化中產生。 在這裏，說明了 DNA-肽協同前進演化，但它可以用 RNA 甚至 PNA 作為核酸。 斷言生命產生需要「神聖的火花」是一個經典的「縫隙之神」論點，但斷言我們確切地知道生命是如何從非生命中產生的，這也是一個謬論。 圖片來源 ：A. Chotera 等人，歐洲化學，2018 年

然而，最早出現的具有從營養來源中代謝能量並自我繁殖的特性的分子不太可能長期生存和茁壯成長。 如果沒有膜來收集營養物質並保護其內部工作免受惡劣的外部環境的影響，這些「代謝復制器」中的許多可能會在短時間內滅絕。 在獲得對環境外部刺激做出反應的能力之前，可能需要采取另一個步驟，甚至可能是另一個飛躍。 一旦這種能力，加上生長、改變和/或前進演化的能力（一旦核酸存在，這些能力可能已經存在）加入了這些代謝復制器，我們就可以確定那一刻，並說成熟的生命已經真正出現。

隨著時間的流逝，地球發生了巨大的變化，我們星球上的生物也是如此。 我們不知道生命是一次，不止一次，還是在不同的地方出現。 然而，我們所知道的是，如果我們重建今天在地球上發現的每一種現存生物的前進演化樹，它們都擁有相同的共同祖先。 透過研究現存生物的基因組，生物學家可以重建所謂的LUCA的時間尺度：地球上生命的最後普遍共同祖先。 當地球不到10億年的時候，生命已經具備了在DNA、RNA和蛋白質之間轉錄和轉譯資訊的能力，這些機制存在於今天所有後裔生物中。 生命是否多次出現尚不得而知，但人們普遍認為，今天存在的所有生命形式確實都是單一族群的後裔。

在地球最初形成後不久的早期，生命很可能出現在我們星球的水域中。 我們掌握的證據表明，今天存在的所有生命都可以追溯到一個普遍的共同祖先，這是非常有力的，但關於我們星球早期階段的許多細節，也許是最初的1到15億年，在很大程度上仍然模糊不清。 雖然生命很早就出現了，但沒有證據表明地球已經存在了生命，起源不確定在我們星球形成後的 1 億到 7 億年內。 圖片來源 ：H. Betts 等人，【自然生態學與前進演化】，2018 年

盡管地質過程往往會掩蓋幾億年後的化石記錄，但我們已經能夠非常遙遠地追溯生命的起源。 在35億年前的砂巖中發現了微生物化石。 石墨沈積在變質沈積巖中，其歷史可以追溯到生物起源，其歷史可以追溯到 38 億年前。 在此之前，地質記錄中很少有可追溯到這個時間，但我們可以相當肯定——基於現有的最直接證據——大約38億年前，地球上已經有生命繁衍生息。 對於一個僅在 45 億年前形成的行星來說，這令人印象深刻！

在更早、更極端的時代，巖石中某些晶體的沈積物可能起源於生物過程（這是更激烈的爭論），這表明地球早在 4.3 到 44 億年前就充滿了生命：早在地球和月球形成後 1 億到 2 億年。 如果這些鋯石晶體中含有內含物，可能表明有機物質的變質殘骸，真的來自生命過程，那麽其影響是驚人的。 這意味著，即使在猛烈的轟炸時期，地球上的生命仍然存在：也許幾乎與地球本身一樣長。

這些微小的鋯石晶體只有人類頭發那麽厚，已有40多億年的歷史，擁有大量關於早期地球的化學資訊。 這些鋯石及其母體巖漿中的矽、氧、微量元素和同位素含量表明，板塊構造存在於 40 多億年前的地球上。 在這些鋯石中發現的石墨礦床顯示出顯著而有趣的碳同位素比率，這表明但不是生物起源的證據。 圖片來源 ：史密森學會

在我們星球上的某個時刻，在非常早期的階段，它變得富含前體分子，如果以正確的方式組合，這些分子有可能產生生命。 在適當的環境和化學條件下，這些分子以一種允許它們同時執行兩項重要任務的方式結合在一起：

在某個時刻，那些早期的代謝復制者，也許已經可以歸類為生命，或者可能需要更多才能真正被認為是「活著的」，獲得了對環境做出反應的能力，以及成長、適應甚至前進演化的能力。 即使我們今天無法辨認這些原始的生命形式，即使我們不確定它發生的確切機制，這些事件確實代表了地球上生命的起源。 在一連串徹底不間斷的生物學成功中，我們的星球從那時起就一直是一個活生生的世界。

雖然金星和火星可能有類似的機會，但金星大氣層的根本變化在短短 2 億到 3 億年後就使其成為一個灼熱的溫室世界，而火星磁場的死亡導致其大氣層被剝離，使其在大約 1-15 億年後變得固態和凍結。 雖然小行星撞擊可能隨後將地球生命送離地球，在那裏它可能仍然在整個太陽系甚至銀河系中旅行，但我們擁有的所有證據表明，地球就在這裏，是地球生物活動開始的地方。

大霹靂後大約在9.4到100億年之間，地球才從一個貧瘠、沒有生命的狀態變成一個充滿生命的狀態。 從那以後，我們再也沒有回頭。