2025年第十期 在大洋深处探寻生命源头

有研究表明，地球形成之初温度极高，地球上的火山作用异常强烈，火山喷发带来了大量的还原性气体和水蒸气。之后，地球上的温度渐渐下降，当温度低于100℃时，原本弥漫在空中的水蒸气开始凝结，在地表低洼处不断汇聚，最终形成了原始海洋，而液态水的存在是生命诞生的必要条件之一。因此，科学家认为，原始海洋是地球生命诞生的摇篮。

在阳光无法穿透的海洋深处，“嘶嘶”冒泡的海底断裂带附近的热泉的温度极高，似乎根本不可能有生命存活，更没有人会相信那里可能是生命起源的摇篮。研究人员通过模拟海底热液喷口环境的实验，来创建氨基酸和原始的细胞膜。

几十年来，这些发现为支持“生命起源于海洋”的假说提供了有力的证据。

海底热液喷口是海底断裂带附近富含化学成分的热泉。热液喷口源源不断地喷出含有丰富矿物质的白色羽状流，一些化学反应就在其中微小的腔室内发生着。70℃的温度，对人类洗澡而言似乎有点太烫了，但对于氨基酸和细胞膜结构的形成而言，却是一个十分适宜的温度。

据科学家猜测，像这样的海底热液喷口可能在约40亿年前的地球上播下了生命的种子。一些热液喷口释放的碱性液体，可为合成复杂有机分子提供所需的能量。英国埃克塞特大学的地球系统科学家蒂莫西·兰顿指出：“如果生命起源于黑暗并能够提供化学能量的海底环境中，那么与我们所认为的生命起源的条件正相符合。”

一直以来，科学界对“生命起源于海底热液喷口”的假设都有所争议。但最近的一些实验增加了这一假设的可信度。例如，由美国宇航局喷气推进实验室的天体生物学家劳里·巴奇领导的研究团队，通过实验揭示了氨基酸（蛋白质的基础）在碱性热液喷口附近的形成过程。弄清楚生命的基础物质能否在远古海底的热液喷口附近形成，该研究团队在实验室中构建了一套模拟热液喷口的微型系统。

实验结果表明，在模拟热液喷口环境的水中，电子在铁矿物质和丙酮酸之间流动，导致产生了丙氨酸。而丙氨酸是组成人体蛋白质的21种氨基酸之一。

巴奇认为，研究人员可以通过调整混合物中不同氧化铁的比率来控制铁矿物质释放的电子的多少。通过增加或减少释放电子量，可以调节产生的丙氨酸量。在碱性热液喷口中模拟电子的流动，能够为触发生命诞生的化学反应提供一个稳定的能量来源。

氨基酸对于生命的诞生极为重要。但是，生命是由一个个细胞组成的，如果没有细胞膜，那么细胞就无法正常运作。由英国伦敦大学学院的生物化学家尼克·莱恩领导的研究团队在随后的实验中，展示了原始细胞膜是如何在碱性热液喷口附近形成的。

莱恩团队利用实验室模拟的古代深海环境，来确定海底热液喷口附近是否有可能形成脂质包裹的囊泡——一种原始细胞。该研究团队在溶液中添加了14种脂肪酸和其他一些有可能存在于早期海洋中的化学物质。他们将这些化学物质加入溶液中，使其成为碱性溶液。当研究人员将碱性溶液与酸性海水慢慢混合时，他们发现，这些脂肪酸会自发聚合形成囊泡——这正是原始细胞膜的雏形。

2020年11月，他们将“具有强碱性且温度为 70℃的海水中最易形成囊泡”这一发现发表在《自然生态与进化》杂志上。对此，英国伦敦大学学院的生物地球化学家肖恩·乔丹指出，早期研究实验未能在温度较高的碱性盐水中形成囊泡，是因为使用的脂肪酸较少。

但有一些科学家并不认同“生命起源于深海碱性热液喷口”的观点。比如，美国加利福尼亚大学圣克鲁斯分校的生物物理学家戴维·丁默认为，碱性太高的海水会破坏细胞膜生成所需的脂肪酸。通过脂肪酸的润湿和干燥过程，囊泡也可在淡水中形成，并不一定需要海底热液喷口的环境。他以吹肥皂泡为例：往肥皂水中吹入空气，分子会自发排列组合，形成一层薄膜，最终围成一个个肥皂泡。

丁默还指出，支持“生命始于淡水”的另一个论据，与第一个自我复制分子的起源有关。有机体要进行繁殖，必须具备将信息传递给下一代的途径。许多科学家认为RNA是最早具备这种能力的分子。就在几年前，丁默研究团队在模拟浅水塘干湿循环条件的实验中，创造了能够起到类似RNA作用的复杂分子。这项实验的意义在于，它展示了简单的干燥过程能够在无须外部能量的情况下，将分子组织起来，形成更加复杂的分子。这为RNA在早期地球淡水环境中的自然形成提供了有力的实验支持。

不过，事情也许并非那么简单。这两个研究团队努力想要证明的是，他们在实验室中合成的基本生物分子，在真实的生物体中同样能发挥作用。尽管如此，支持生命起源于海底热液喷口的学者提出，海底热液喷口环境本就蕴含了生命诞生所需的各种成分，包括启动生命所需的能量。海底热液喷口的“烟囱状”羽状流，就能为合成复杂的有机分子提供能量。

从海床涌出的碱性液体与酸性海水碰撞，在海底热液喷口羽状流发生化学反应，并产生了电荷。而地球早期海洋中的海水比当今的海水具有更强的酸性，这一特性为驱动生命形成所需的复杂化学反应提供了能量来源。

碱性热液喷口提供能量的另一种方式，是电子在海水和岩石的化学物质之间流动。这种在水下产生的电流，可能驱动了首个孕育生命的生物化学反应。这个观点得到丹麦奥胡斯大学一位静电学家的支持，

有关海洋生命起源的最具说服力的论据，也许与生命诞生的时机有关。追踪生命形式如何演化发展的研究表明，地球上最早的生命大约在35亿年前出现。兰顿指出，这个时间点意味着生命确实起源于海洋，因为40亿年前地球各大洲都还未形成，地表几乎完全被海洋覆盖。

关于地球生命起源的一些最古老的证据，来自加拿大沉积岩中古老化石留下的化学痕迹，这些岩石很可能形成于海底热液喷口附近。一些研究甚至发现，一些化石中的管状物看起来与今天生活在海底热液喷口附近的微生物惊人相似，而这些化石存在于距今至少37.7亿年的岩石中。

丁默提出，在35亿年至40亿年前，一些陆地开始形成，火山也开始从水中显露身姿，降雨可能在这些新形成的陆地上汇聚成淡水池。若此推论合乎实际，地球生命的淡水起源论亦成立。

地球生命究竟是起源于深海还是陆地浅水塘，目前仍有待进一步探讨。但可以肯定的是，构成生命的关键有机分子以及将这些有机分子包裹在一起的生物膜，其形成都离不开早期地球独特的物理和化学环境。

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