所有生命都起源于一个古老的细胞吗？生命真的起源于外星陨石么？

当我们审视当今地球上存在的各种生命形式时，从最简单的细菌到最大、最复杂和分化的植物、动物和真菌，我们发现一切都包含相同的基本组成部分：细胞. 当我们翻阅化石记录并重建地球上的生命史时，越走越远，我们发现虽然早期生命更简单，但它不仅本质上都是细胞，而且所有生命都可以从基因上追溯到生物学家称之为LUCA：最后的普遍共同祖先。回到数十亿年前——就自然历史所能带我们去的而言——地球上所有现存的生命似乎都起源于同一个古老的源头。

但这是否意味着地球上最早的生命是单个细胞，所有生命都来自于它？这是一个令人着迷的可能性，也是本周 Ask Ethan 问题的主题，该问题来自 Bucky Wood，他问道：

“我们是否同意第一个生命是一个单细胞，地球上的每一个生物都是从第一个活的单细胞进化而来的？”

在 20 世纪初至中期，曾经看似最有可能的解释现在看来极不可能。这就是我们今天所知道的。

目前，地球上至少有数十亿种生物，它们都有一些共同点。

• 他们都从他们的环境中收集某种类型的资源。
• 它们都有新陈代谢，能量被提取以实现有机体的新陈代谢目标。
• 它们都进行繁殖，产生与母体完全或部分相同的后代。
• 它们都有某种细胞壁或细胞膜，将有机体本身与外部环境隔开。
• 它们内部都有某种遗传密码，其中存在允许合成蛋白质和发生其他生命过程的信息。

最简单的已知生命形式在它们的基因组中有不到一百万个碱基对，而最复杂的植物和动物在它们的基因组中有超过 1000 亿个碱基对。然而，非常值得注意的是，当我们检查地球上存在的所有不同类型生命形式的基因组时，我们发现它们具有巨大的共性，尽管它们通常存在明显的差异。事实上，当我们重建生命的遗传树时，我们发现我们所知道的每一种生物——所有类型的细菌、所有古生菌、所有原生生物、真菌、植物和动物——似乎都是彼此的遗传表亲. 在遥远过去的某个时刻，我们都有共同的祖先。

眼镜猴拥有巨大的眼睛和干燥的鼻子，是第一个从哺乳动物谱系中分离出来的单鼻亚目动物，这种哺乳动物谱系会产生猴子、猿类，并最终演化为现代人类。图中显示的眼镜猴和树之间的遗传相似性比人们想象的要大；他们大约 50% 的基因组是相同的。

这在 2010 年受到了考验，当时一篇具有里程碑意义的论文将地球上整个生命的证据与现代系统发育学和严格的概率论相结合。以前没有受到挑战的假设，例如基因序列之间的相似性必然意味着遗传亲缘关系的概念，被抛弃以支持假设中立的测试。普遍的共同祖先仅与许多替代假设一起考虑，包括不同门（甚至王国/域）之间的水平基因转移和共生融合事件。

进行正式测试的结果如下：

• 绝大多数情况下，所有现存生命都拥有一个普遍的共同祖先的观点受到支持，而所有替代假设都遭到反对。
• 水平基因转移确实会发生，但极不可能发生在从不同的细胞形成事件进化而来的生物体之间，因为它们的基因会被转化为非编码片段。
• 在生物产生的蛋白质分子中发现了相同的 22 种氨基酸，而且只有这 22 种（已知自然存在的 80 多种氨基酸）是支持普遍共同祖先的额外有力化学证据。

然而，即使有这个极其有力的证据，我们对共同祖先和生命起源的结论也是有限的。

早期，在地球首次形成后不久，生命可能出现在我们星球的水域中。我们拥有的证据表明，今天现存的所有生命都可以追溯到一个普遍的共同祖先，这一证据非常有力，但我们星球的早期阶段，也许是最初的 1 到 15 亿年，在很大程度上仍然是模糊的。

首先，没有理由相信我们认定为我们最后一个普遍共同祖先的任何生物体要么是地球上的第一种生命形式，要么曾经在这个星球上独树一帜。相反，我们只能得出这样的结论：它是唯一一个其后代存活到中古细菌时代的物种：一个 32 亿年前才开始的时代。（就其价值而言，25 亿年前的化石记录非常粗略。）

其次，我们可以有力地得出结论，在那个时代之前地球上就存在生命。有大量证据表明地球上的生命不迟于 38 亿年前出现，而间接证据——基于在地球上一些最古老的岩层中发现的碳内含物——表明生命可能出现在 4.2 至 45 亿年前: 早在月球形成的时候。

最后，无论最后一个普遍的共同祖先是什么，它肯定比我们可以归类为地球上第一个生命形式的任何东西都进化和发达得多。此外，我们目前对生命的定义，也许是愚蠢的，不包括病毒，它们的遗传密码中可能只有数万个碱基对。但是有些东西可以存活下来，进行新陈代谢活动并进行繁殖，即使它只是以寄生方式与宿主细胞一起存在，即使它们被诺贝尔奖获得者彼得·梅达沃（Peter Medawar）著名地描述为“只是一个包裹在蛋白质中的坏消息”，许多定义都可以认为是活着的。

同样重要的是，在我们继续之前，就我们从现在开始要说的内容做出两个免责声明。

1. 关于生命是什么，没有普遍认同的定义。当我们考虑生命的起源和细胞本质时，我们将要使用的定义是，生物体是任何能够获取资源、经历某种新陈代谢活动并能产生具有共同遗传基因的自身副本的生物体。
2. 我们还没有真正发现生命起源于非生命，无论是在地球历史上、在实验室中，还是在任何其他方式中。我们假设生命确实从非生命中自然产生，而且是在地球形成后在我们的星球上产生的。（尽管人们认为地球生命可能起源于地球本身。）

话虽如此，考虑到我们已经回到了我们所拥有的关于生物历史的信息允许我们去的最远的地方，最明智的起点是早期地球本身。通过考虑地球形成的环境，以及我们星球在大约 45 亿年前的冥古时代的情况，我们至少可以从尽可能科学的角度考虑这个问题。

在我们自己的太阳系中形成的行星和卫星很可能起源于一个原行星盘，它产生了不稳定性，然后不稳定性增加，最大的幸存者继续吸引周围的物质。最大的赢家开发了自己的行星盘，并占据了巨大、巨大、不稳定的大气层，形成了气态巨行星。

当恒星系统形成时，它们来自一团坍塌的分子气体。在那个气体云中有各种各样的元素，虽然每个恒星系统都是独一无二的，但我们可以准确地重建产生我们自己的太阳系的气体云的特性。大多数元素是大爆炸遗留下来的氢和氦，约占原子质量的 95%：约 70% 的氢和约 25% 的氦。一小部分元素，大约 3-4% 是恒星中由氢制成的氦，还有更小的比例，1-2% 是所有较重元素的总和。

虽然我们系统中形成的中心恒星主要是氢和氦，但其余物质形成了原行星盘。虽然形成了四颗（或更多）巨行星，每颗都有自己的行星系统，但它们都离太阳很远。在其他天体中，没有一个质量大到足以挂在最轻的元素上，因此它们的核心主要由岩石和金属组成。只有在行星形成的末期，当构成岩石行星的地幔和地壳的更原始的物质在其上积累时（主要由与小行星和彗星相似的物质组成），行星表面、海洋和大气层才会发生变化开始形成。

流星体向古代地球输送核碱基的概念图。生命过程中使用的所有五种核碱基，A、C、G、T 和 U，现已在陨石中被发现。众所周知，陨石也含有 80 多种氨基酸：远远超过地球上已知用于生命过程的氨基酸。

那么，早期地球的表面是什么样子的呢？最好的替代方法是简单地看看我们在太空中发现的小行星和彗星的成分，以及在坠落地球的旅程中幸存下来的陨石残骸。当我们查看这些原始物体的内部时，我们发现其中许多我们可以使用原子技术追溯到约 45.6 亿年前：

• 里面有超过80种独特的氨基酸，
• 他们中的许多人既是左撇子又是右撇子，尽管地球上所有参与生命过程的人都是左撇子，
• 碳基有机分子也存在，从简单的（如糖）到中间体（如六亚甲基四胺）再到复杂的（如多环芳烃），
• 而且，最近，我们发现地球上编码遗传信息的所有五种核酸也存在于陨石中。

虽然有些人声称，如果将这些成分全部粉碎在原始汤（即具有能量梯度的水环境）中，可能会自发地产生自我复制的生命，但这是迄今为止少数人的观点。相反，几乎所有在职生物学家都非常喜欢的一种途径是，代谢能力，呃，某些东西，是最先出现的。

在海底深处，在热液喷口周围，阳光照不到的地方，地球上的生命仍然繁衍生息。如何从非生命中创造生命是当今科学中悬而未决的重大问题之一，但热液喷口是第一个代谢过程（生物体的前身）可能首先出现的主要地点之一。如果生命可以存在于地球下方，也许在木卫二或土卫二的海底，那么也有生命存在。

因此，让我们想象一下这可能是什么样子。你确实有很多天然的水环境，无论是咸海和潮池，还是淡水资源，如湖泊和河流。您拥有阳光和地热形式的外部能量，包括深海喷口和热液场。水中溶解有矿物质和离子，还有各种分子，包括可以结合在一起的多种氨基酸。而且，从热力学的角度来看，也许最重要的是，在各种各样的界面上都有化学非平衡状态：固态地球/液态水、液态水/火山岩浆和液态水/大气气体。

当氨基酸相互撞击时，它们会自发地形成和断裂键。当离子出现并与这些原始肽结合时，它们可以产生酶。这些分子很脆弱，很容易被破坏或变性，但它们的数量也非常多，而且其可能性——由如此庞大、几乎无法理解的组合数学所设定——令人难以置信。一些偶然形成的蛋白质将获得执行特定功能的能力。这些可能包括：

• 囤积资源，包括特定的肽，
• 分裂/重组其他分子并在此过程中释放可用能量，
• 以及“咬合”其他有用分子的能力，同时保持自身完好无损。

无论如何，这些代谢肽的自发产生几乎是不可避免的。接下来令人着迷的是一个全新但令人吃惊的研究领域。

最近表明，如果你在水性环境中有核碱基——如 RNA、DNA，甚至 PNA（肽核酸）——这些核苷酸将沿着肽链中的各种氨基酸排列。如果它们可以与其共轭碱基配对，或“剥离”并在其上绘制额外的氨基酸，它们就可以有效地、高度准确地复制原始肽链。

这种情况被称为 RNA-肽共同进化，大多数研究生命起源的在职科学家现在认为，建立在代谢过程基础上的自我复制首先出现。

尽管我怀疑每个生物学家都会同意可以代谢资源并自我复制的自由漂浮分子上升到“生命”而不是“非生命”的门槛，但这可能代表了从简单化学导致的第一个具体步骤生物过程。这些原始的新陈代谢复制子可能存在于它们之间，并且存在很大差异，而且许多（如果不是大多数的话）肯定会在此过程中灭绝。这比普遍的共同祖先，甚至我们的细胞概念早了数亿年（也许超过十亿年）。尽管如此，这就是当前科学思想带我们了解生命最初是如何起源于地球的地方。

然而，试图回答有关生命最初是如何在地球上出现的任何问题的最大问题与我们在试图重建任何类型的自然甚至人类历史时遇到的问题相同：我们拥有的唯一线索是基于什么样的证据留存至今。地球上现存的所有生命都起源于一个共同的祖先，但这只能告诉我们今天看到的生命。地球上现存的所有生命都是以细胞为基础的，但这只能告诉我们今天还剩下什么，即使在那个时候，前提是我们排除了病毒。

当谈到什么是“地球上的第一个生命”这个问题时，我们必须先就“生命”的定义达成一致，然后才能得出一致的答案。如果您将生命定义为“需要以细胞为基础的东西”，那么您会得出结论，在第一个细胞进化之前没有生命。但极有可能是某种更简单、更原始、具有新陈代谢并能够自我繁殖的东西，在细胞出现之前出现了一段时间。然而，我们唯一可以绝对确定的是，今天存在的所有生命都可以追溯到 30 亿多年前的一个共同祖先。除此之外？还有更多的科学工作要做。