当生命第一次在地球上出现时是什么样子的？

果你在太阳系形成后立即来到它，你会看到一个完全陌生的景象。 我们的太阳的质量与今天差不多，但只有一小部分，因为恒星会随着年龄的增长而升温并发出更亮的光芒。 四个内部的岩石世界仍然存在，但其中三个看起来非常相似。 金星、地球和火星的大气层都很稀薄，表面有液态水的能力，以及可以产生生命的有机成分。 据我们所知，地球有一个又大又近的月亮，火星有三个，而金星没有。 尽管所有这些世界都很热，火山活动也很活跃，但它们几乎都完全放弃了它们原始的、富含氢和氦的外壳，因为光蒸发已经把它们都煮沸了。

虽然我们仍然不知道生命是否曾经在金星或火星上扎根，但我们知道，当地球只有几亿年的历史时——可能在短短1亿年之后，但不迟于7亿年——已经有生物生活在它的表面。 经过数十亿年的宇宙演化，产生了生命可能存在的元素、分子和条件，我们的星球不仅成为生命出现的地方，而且在随后的数十亿年里继续繁荣，甚至产生了我们人类，作为其宇宙故事的一部分。 就我们最好的科学知识而言，这是生命出现的第一步是什么样的。

这张隧道电子显微镜图像显示了蓝藻原绿球菌（Prochlorococcus marinus）的一些标本。 这些生物中的每一种都只有大约半微米的大小，但总而言之，蓝藻对地球氧气的产生负有主要责任：无论是最初还是现在。 像所有细菌一样，它们的寿命比人类的寿命短得多，虽然蓝藻是相对原始的生物，但它们「只」可以追溯到不早于27亿年前，而地球上的生命可以追溯到10多亿年前，至少比这更远。 图片来源 ：来自Chisholm实验室的Luke Thompson和来自麻省理工学院Whitehead的Nikki Watson

生命——至少，我们所知道的生命——有一些几乎每个人都同意的属性。 虽然地球上的生命涉及碳基化学（需要碳、氧、氮、氢和许多其他元素，如磷、铜、铁、硫等）并依赖于液态水，但其他元素和分子的组合可能是可能的。 然而，所有生物体共有的四个一般特性如下：

1. 生命有一个新陈代谢，它从外部来源收集能量/资源/营养物质供自己使用。

2. 生命对来自环境的外部刺激做出反应，并相应地改变其行为。

3. 生命可以生长，适应环境，或者可以从现在的形式进化成不同的形式。

4. 生命可以繁殖，创造出从自身内部过程产生的可行后代。

尽管生物学家的不同阵营在考虑某物是否活着时经常争论这些要点（病毒可能是两者之间争论最激烈的情况），但目前的共识是，所有这四个必须同时到位，才能被认为是活的。

雪花和晶体可能能够生长和繁殖，但它们缺乏新陈代谢使它们无法被归类为活的。 蛋白质可能具有新陈代谢并能够繁殖，但它们不会对外部刺激做出反应，也不会根据它们遇到的情况改变行为。 即使是病毒也只能通过感染其他成功的活细胞并将它们用作宿主来繁殖，这让人怀疑它们是否被归类为活的或非活的。

该动画显示了雪花的实际形成和生长，雪花是一种冰晶，可以生长成特定的配置，通常具有六边形对称性。 尽管晶体具有允许它们自我繁殖和复制的分子构型，但它们既不利用/代谢能量，也不编码遗传信息。 虽然令人着迷，但雪花和所有已知的晶体结构都不能被负责任地定义为「活的」。 图片来源 ：维亚切斯拉夫·伊万诺夫/Vimeo

与此同时，没有人怀疑生命形成所需的原材料几乎存在于我们所能看到的任何地方。 许多有机材料——糖、氨基酸、甲酸乙酯等化合物，甚至多环芳烃等复杂物质——都存在于星际空间、小行星中，并且在早期地球上很丰富。地 球上生物过程中使用的所有五种核碱基都是在小行星上发现的，除了我们星球上用于生化活性的 22 种氨基酸外，也许还有 60 种其他氨基酸，包括与在地球上生命过程中发挥作用的氨基酸手性相反的氨基酸， 在陨石中发现了这些陨石，我们随后在实验室中对其进行了检查。

然而，尽管我们已经了解了在星际空间、其他恒星周围以及我们太阳系中残留的原始遗迹材料中发现的益生元成分，但没有证据表明地球以外的任何生物活动。 尽管许多人试图认为生命甚至可能在星际空间的环境中就开始了，但我们没有任何证据表明生命在地球形成之前就开始了。

这张概念图像显示了流星体将生命过程中发现的所有五个核碱基输送到古代地球。 所有用于生命过程的核碱基，A、C、G、T和U，现在都在陨石中被发现，还有80多种氨基酸：远远超过已知用于地球上生命过程的22种。 毫无疑问，在宇宙历史的整个过程中，大多数星系的恒星系统中都发生了类似的过程。 图片来源 ：NASA Goddard/CI Lab/Dan Gallagher

相反，主要的想法是，地球是由所有这些原始成分形成的，此外可能还有更多后来可能被纳入生命过程的成分。 也许成熟的核苷酸很常见; 也许各种蛋白质和蛋白质片段很早就出现了，并且已经预先组装好了; 也许脂质层和双层会在液态水的水环境中自发出现。 所有这些可能性都是应该考虑的，但尚未得到证实或证明。 生命的前身，无论它们碰巧存在于简单或复杂的状态下，在早期地球的环境中肯定是存在和丰富的。

然而，为了从生命到实际生命的前体，人们相信我们需要合适的环境来促进生命从非生命中出现。 最初为生命出现创造有利条件的三颗行星——金星、地球和火星——都具有：

虽然这三个世界都可能第一次有机会形成生命，但地球是唯一一个有大量证据表明生命不仅出现过，而且在太阳系历史中相对较早出现的世界。

地球上的火山活动，包括从最早的时代开始，将大量的固体和气体物质释放到我们的大气中，包括氮气、二氧化碳和水，将我们年轻的氢/氦大气转化为富含氮/CO2/pO 的大气，后来将进一步通过生物过程转化。 图片来源 ：C. Werner et al.， in Deep Carbon： Past and Present， Cambridge University Press， 2019

在行星形成后不久，这些熔融表面的世界太热了，液态水无法稳定地存在于它们的表面，因为这些行星的内部需要很长的地质时间才能冷却。 早期，火山活动猖獗，地表非常不稳定。 与此同时，我们的太阳系在早期经历了一段猛烈的轰炸，影响了所有天体：小行星状和彗星状物体撞击了它们中的每一个，使它们的表面留下了疤痕，并为地下岩浆从下面冒出来创造了途径。

然而，这两种活动——火山活动和撞击——也将水带到了这些行星的表面，科学家们仍在争论哪种机制主要负责将大部分水输送到早期地球（以及火星和金星）。 即使在早期，存在的水量很可能足以创造海洋、海洋、湖泊和河流，但不足以创造一个完全被液态水覆盖的水世界。 这些行星中的每一个都可能拥有大陆和海洋，在两者的交界处，形成了水池：水可以稳定地存在于干燥的陆地上并受到各种能量梯度的影响的区域。 此外，淡水融化，包括在下面有大量火山活动的地区，形成了稳定的水池，盐分含量非常低。

这张黄石国家公园大棱镜泉的鸟瞰图是世界上最具标志性的陆地热液特征之一。 颜色是由于生活在这些极端条件下的各种生物，并取决于到达泉水各个部分的阳光量。 像这样的热液场是生命首次出现在年轻地球上的最佳候选地点，并且可能是各种系外行星上丰富生命的家园。 图片来源 ：Jim Peaco/国家公园管理局

一起考虑这些情况。 在地表富含矿物质的水池中，热量和能量梯度丰富（来自地质热量以及阳光直射和昼夜循环），分子和原子可以结合在一起。 氨基酸可以连接形成蛋白质，溶解的离子可以将这些蛋白质转化为酶，蒸发循环可以使多种类型的分子脱水，迫使它们连接在一起。 其他地球化学现象——包括降水、矿物质存在的多孔流体流动以及水活动的梯度——都可能为分子以新颖而有趣的方式结合在一起提供机会。

潮汐对地球的影响可能会因月球而增强，但即使没有卫星，金星、地球和火星也都拥有来自太阳的潮汐。 然而，地球拥有的另一种能量来源可能有助于生命的起源，这在金星或火星上可能没有那么壮观：来自地球内部的热活动。 在海底，热液喷口是地质热点，也为生命的出现提供了极好的候选地点。 即使在今天，它们仍然是被称为极端微生物的生物的家园：细菌和其他生命形式，可以承受通常破坏与生命过程相关的分子键的温度。

在海底深处，在热液喷口周围，没有阳光照射到的地方，地球上的生命仍然茁壮成长。 如何从非生命中创造生命是当今科学界最大的悬而未决的问题之一，但热液喷口是第一个代谢过程（生物体的前体）可能首先出现的主要地点之一。 如果地球上可以存在生命，也许在木卫二或土卫二的海底，那么那里也有生命。 图片来源 ：NOAA 海洋探索与研究办公室

这些深海喷口包含巨大的能量梯度和化学梯度，其中极碱性的喷口水与酸性、富含碳酸的海水混合。 最后，这些通风口含有钠离子和钾离子，以及碳酸钙结构，可以作为第一个细胞或原始细胞的潜在模板。 生命存在于这样的环境中这一事实表明，像欧罗巴或土卫二这样的世界可能是现代太阳系其他地方生命生命的家园。

但也许地球上最有可能开始生命的地方是世界上最好的：热液田。 火山活动不仅发生在海洋之下，也发生在陆地上。 在淡水区域下方，这些火山活动区域提供了额外的热量和能量来源，可以稳定温度并提供能量梯度。 一直以来，这些位置仍然允许蒸发/浓缩循环，提供一个密闭的环境，使正确的成分能够积累，同时也允许阳光/夜间暴露循环。

在地球上，我们可以确信潮汐池、热液喷口和热液场都很常见。 虽然许多前体分子肯定起源于地球之外，后来被带到了这里，但很可能正是在这里，在地球上，非生命向生命的转化自发发生，某种 核酸-肽协同进化提供了迄今为止最有利的途径 。

如果生命始于一种随机的肽，可以从其环境中代谢营养/能量，那么复制可能会从肽-核酸协同进化中产生。 在这里，说明了 DNA-肽协同进化，但它可以用 RNA 甚至 PNA 作为核酸。 断言生命产生需要「神圣的火花」是一个经典的「缝隙之神」论点，但断言我们确切地知道生命是如何从非生命中产生的，这也是一个谬论。 图片来源 ：A. Chotera 等人，欧洲化学，2018 年

然而，最早出现的具有从营养来源中代谢能量并自我繁殖的特性的分子不太可能长期生存和茁壮成长。 如果没有膜来收集营养物质并保护其内部工作免受恶劣的外部环境的影响，这些「代谢复制器」中的许多可能会在短时间内灭绝。 在获得对环境外部刺激做出反应的能力之前，可能需要采取另一个步骤，甚至可能是另一个飞跃。 一旦这种能力，加上生长、改变和/或进化的能力（一旦核酸存在，这些能力可能已经存在）加入了这些代谢复制器，我们就可以确定那一刻，并说成熟的生命已经真正出现。

随着时间的流逝，地球发生了巨大的变化，我们星球上的生物也是如此。 我们不知道生命是一次，不止一次，还是在不同的地方出现。 然而，我们所知道的是，如果我们重建今天在地球上发现的每一种现存生物的进化树，它们都拥有相同的共同祖先。 通过研究现存生物的基因组，生物学家可以重建所谓的LUCA的时间尺度：地球上生命的最后普遍共同祖先。 当地球不到10亿年的时候，生命已经具备了在DNA、RNA和蛋白质之间转录和翻译信息的能力，这些机制存在于今天所有后裔生物中。 生命是否多次出现尚不得而知，但人们普遍认为，今天存在的所有生命形式确实都是单一种群的后裔。

在地球最初形成后不久的早期，生命很可能出现在我们星球的水域中。 我们掌握的证据表明，今天存在的所有生命都可以追溯到一个普遍的共同祖先，这是非常有力的，但关于我们星球早期阶段的许多细节，也许是最初的1到15亿年，在很大程度上仍然模糊不清。 虽然生命很早就出现了，但没有证据表明地球已经存在了生命，起源不确定在我们星球形成后的 1 亿到 7 亿年内。 图片来源 ：H. Betts 等人，【自然生态学与进化】，2018 年

尽管地质过程往往会掩盖几亿年后的化石记录，但我们已经能够非常遥远地追溯生命的起源。 在35亿年前的砂岩中发现了微生物化石。 石墨沉积在变质沉积岩中，其历史可以追溯到生物起源，其历史可以追溯到 38 亿年前。 在此之前，地质记录中很少有可追溯到这个时间，但我们可以相当肯定——基于现有的最直接证据——大约38亿年前，地球上已经有生命繁衍生息。 对于一个仅在 45 亿年前形成的行星来说，这令人印象深刻！

在更早、更极端的时代，岩石中某些晶体的沉积物可能起源于生物过程（这是更激烈的争论），这表明地球早在 4.3 到 44 亿年前就充满了生命：早在地球和月球形成后 1 亿到 2 亿年。 如果这些锆石晶体中含有内含物，可能表明有机物质的变质残骸，真的来自生命过程，那么其影响是惊人的。 这意味着，即使在猛烈的轰炸时期，地球上的生命仍然存在：也许几乎与地球本身一样长。

这些微小的锆石晶体只有人类头发那么厚，已有40多亿年的历史，拥有大量关于早期地球的化学信息。 这些锆石及其母体岩浆中的硅、氧、微量元素和同位素含量表明，板块构造存在于 40 多亿年前的地球上。 在这些锆石中发现的石墨矿床显示出显着而有趣的碳同位素比率，这表明但不是生物起源的证据。 图片来源 ：史密森学会

在我们星球上的某个时刻，在非常早期的阶段，它变得富含前体分子，如果以正确的方式组合，这些分子有可能产生生命。 在适当的环境和化学条件下，这些分子以一种允许它们同时执行两项重要任务的方式结合在一起：

在某个时刻，那些早期的代谢复制者，也许已经可以归类为生命，或者可能需要更多才能真正被认为是「活着的」，获得了对环境做出反应的能力，以及成长、适应甚至进化的能力。 即使我们今天无法辨认这些原始的生命形式，即使我们不确定它发生的确切机制，这些事件确实代表了地球上生命的起源。 在一连串彻底不间断的生物学成功中，我们的星球从那时起就一直是一个活生生的世界。

虽然金星和火星可能有类似的机会，但金星大气层的根本变化在短短 2 亿到 3 亿年后就使其成为一个灼热的温室世界，而火星磁场的死亡导致其大气层被剥离，使其在大约 1-15 亿年后变得固态和冻结。 虽然小行星撞击可能随后将地球生命送离地球，在那里它可能仍然在整个太阳系甚至银河系中旅行，但我们拥有的所有证据表明，地球就在这里，是地球生物活动开始的地方。

大爆炸后大约在9.4到100亿年之间，地球才从一个贫瘠、没有生命的状态变成一个充满生命的状态。 从那以后，我们再也没有回头。