生命起源 Origin of Life
在一项新的研究中，科学家在结合了天文学、地质学、化学和生物学的模型后发现：生命在地球表面冷却到足以聚集液态水的几亿年后就形成了；在太阳系形成期间，生命所需的基本材料就在太空中形成，并由陨石带到了地球上的温暖小池。
地球上生命的起源一直是科学中最基本的大问题之一，无论是化学家、生物学家、地理学家、或是天文学家都对痴迷于找出这个问题的答案。然而，想要破解这个谜题往往需要所有学科的共同努力。
我们还无法给出这个问题的确切答案，但在过去几十年中，几个有趣的可能性浮现在大家视野中。其中一个是20世纪80年代详细研究的“RNA世界”学说所扮演的角色。我们知道，高等生物的遗传信息都储存在双螺旋结构的DNA分子中。但还存在一种与DNA密切相关的分子在现代细胞中起着重要作用的分子，那就是RNA（核糖核酸）；尤其是它们能催化某些特定的化学反应，并对在细胞内遗传信息的传送、及合成特定的蛋白质都是至关重要的。对于某些病毒来说，根本不需要DNA就能进行遗传信息的存储；相反，病毒里的所有遗传信息都是用 RNA 编码的。
DNA 和 RNA
RNA 和 DNA 的关键组成都是核苷酸，核苷酸长链中的序列决定了 DNA 和 RNA 所携带的信息。对 DNA 来说，经常会用一串字符来表示，其中每个字符代表形成每个 DNA 核苷酸的关键部分的四种可能的核碱基之一，A 为腺嘌呤，C 为胞嘧啶，T 为胸腺嘧啶，以及G为鸟嘌呤。在 RNA 分子中，胸腺嘧啶 T 会被尿嘧啶 U 所替代。另一个区别是：众所周知DNA通常是双链螺旋结构，而 RNA 在外观上更为多样，最常见的是单链 RNA，能自我折叠成非常复杂的形状。
○ RNA 和 DNA 的区别。 | 图片来源：Difference Between
RNA 对于生命来说至关重要，它所具有几个关键特性使其能被列为在细胞出现之前更早期更原始的生命形态的候选者，更不必说多细胞生物了。其中最重要的属性就是能进行自我复制，一个 RNA 可以聚集正确的核苷酸并将其排列成自己的副本。
早期的RNA世界
生命出现的最有前景的设想包括 RNA 中核苷酸链的形成、简单前体细胞的自我复制，如脂肪酸会自发自组成膜（这个反应已在实验室中被观察到），形成原始的袋状外壳，从而允许更多复杂的化学反应在其保护下进行。从这些简单的开始，演变出更复杂的机制，特别是 DNA 的复制机制。
目前这种设想下的所有转变都还只是推测，每个步骤都存在其他的解释和模型，即便是 RNA 世界先于 DNA 世界这一概念也是如此。但是，我们生活在一个充满希望的时代，在未来几十年内建立一个物种起源的标准模型并不只是一种奢望。科学进展需要的将不仅是充满创造力的设想，而要有具体的计算和实验来显示哪些进化途径可行、哪些不可行。进展涉及到不同的研究领域：一方面，随着我们对分子生物学的知识的增长，越来越多与生命从无到有的过渡有关的假设变得更能经得起实验的测试。另一方面，在分子生物学和天文学分界上也出现了令人惊喜的新进展。
在过去的几十年中，天文学家在了解行星系统是如何在年轻恒星周围形成的研究方面取得了长足的进步，特别是和地球以及太阳系有关的演变历史。这些新的结果都得益于最新一代的望远镜的出现，使得我们发现越来越多的系外行星，以及对年轻行星系统的直接观测。包括新行星系统的化学演变模型在内的行星形成模型，为在太阳系中四十亿年前的环境下可能出现怎样的生命、以及它们在其他行星系统中会如何形成设置了场景。
天文学、化学和生物学的结合
○ 在NASA的艾姆斯研究中心悬挂的一幅壁画中描述了地球上生命的出现。 | 图片来源：NASA Ames Research Center
现在，天文学家和行星形成专家 Ben Pearce、Ralph Pudritz、Dmitry Semenov 和 Thomas Henning 利用天文学和生命起源化学来揭开 RNA世界的最早的时代：短 RNA 分子结合在一起以形成更长的分子的过程（“聚合”），然后在后期的化学演化阶段中开始认真的自我复制。
长链的 RNA 分子并不容易产生，它需要一些定义良好的条件。一个可能的情况是将深海中的热泉（hydrothermal vent）附近标记为生命开始的第一步。但这存在的问题是，在这样的条件下聚合物可能形成多长时间，聚合作用似乎需要一个干湿循环的环境，而这似乎不太可能在海洋深处发生。另一个问题是，在氰化氢（HCN）或氨（NH₃）这类分子中很难获得合适的氮的供应。而如我们所知，氮在生命形成的初级阶段是必不可少的。
温暖小池的吸引力
另一个生命起源可能的发生地是“温暖的小池塘”（warm little ponds）：在小型且不流动的一潭死水中，化学物质可以在比海洋更有利的条件下聚集和反应。具有由粘土或其他矿物质形成的池壁的池塘为某些化学反应的发生创造了特别有利的条件。这种池塘的一个重要特征是存在干湿循环的环境。每隔一段时间，这种池塘会变干，让其中的化学浓度更高，让核苷酸之间发生结合。一段时间后，池塘又会重新充满水。这种循环非常可能在塑造这种池塘中的化学反应方面起到了作用。而“温暖的小池塘”这一说法本身可以追溯到生命起源的最早的猜测之一：在1871年，达尔文写给植物学家约瑟夫·胡克的信中。
○ 在美国加州拉森火山国家公园的浜帕斯地狱（Bumpass Hell）的一个温暖的小池塘。温暖小池被认为是地球上生命起源的首要候选地。 | 图片来源：B.K.D. Pearce
在海洋覆盖的地球表面甚至超过现在的四十亿年前，主要由地幔形成的火成岩（如玄武岩）组成的大陆刚刚开始出现，温暖的小池塘相比而言是非常稀少的。剧烈的火山喷发随处可见，大气几乎完全被火山气体占据。那么有机分子可能从引发 RNA 世界进化的环境中产生吗？
来自外太空的基础材料
一个也许令人惊讶却又合理的答案是，在地球或类似行星上出现的生命的基础材料可能直接来自于外太空。年轻恒星周围环绕的由气体和尘埃组成的圆盘含有大量的氨（NH₃）和氰化氢（HCN），这两者都为核碱基的形成提供所需的氮。除这些圆盘最内部的区域以外，结冰的尘埃颗粒是非常有效的小型化学实验室。事实上，在地球上实验室设置的实验中，显示了在这些结冰的尘埃颗粒上收集到的分子当被紫外线照射时（如同年轻恒星的情况），是如何变成核碱基的。
在这些实验中，科学家能在这样的条件下观察到五种核碱基中有三种（U、C 和 T）是自发形成的。科学家在陨石上发现了含有相当数量的三种碱基（G，A 和 U）。研究发现，在太阳系形成期间，这些核碱基在这些陨石的“母体”（即大型小行星）的内部合成。
宇宙的送货服务：陨石和尘埃粒子
让我们回到温暖的小池塘中，虽然它为 RNA 分子形成更复杂的形态提供了最佳环境，但是构成生命的最基础的材料，即小池塘中的核碱基，起初又是从何而来的呢？小池塘周围的大气层中的化学成分，比如最主要的二氧化碳（CO₂）、氮气（N₂）、二氧化硫（SO₂）和水分子（H₂O）对此没有任何的帮助。在早期地球的条件下，即使偶尔的一阵闪电（正如在著名的米勒-尤列实验中对有机分子起源的探索），也不会产生大量的核碱基。
而另一方面，陨石落在地球上则是一个更靠谱的来源。在大约40亿年前，陨石撞击地球的强度是今天的一亿到一千亿倍之间，每年落在地球表面的陨石在一万亿到一千万亿公斤之间，每年约有2000公斤完整的碳化合物能从这个宇宙旅程中幸存下来。不仅如此，行星际尘埃颗粒（IDPs）的稳定流动能让它们直接流向地球表面，随之而来的是任何已在表面形成的化学物质。然而，这种相较而言平平无奇的到来实际上十分有效，每年约有6000万公斤的完整碳化合物因此被带到地球。
定量研究：陨石播种的温暖小池
如果只是停留在谈论陨石或尘埃颗粒携带核碱基进入小池塘这种设想，我们得到的也只是一个假设的故事而已，它并不具有更多的解读力，除非这一模型得到数据的支持。
Pearce 和他的同事为这种设想计算了一个详细的模型。从一个月球陨石坑（环形山）中重建的历史中，他们得出了三种陨石撞击地球的可能情形：一个比较迟的撞击模型，发生在大约39亿年前的一次强烈的陨石轰击，再加上另外两个设定在约45亿年前的模型，分别代表与最小和最大数量的陨石物质兼容的数据。
然后他们计算了大型的含碳陨石“播种”这些池塘的概率。具体来说，这些陨石的原始直径约在20至40米之间，在穿过地球大气层的途中分裂成小块。天文学家再计算这种小陨石块在适当大小（直径在1到10米间）的温暖小池附近（足以让一些有机物质进入池塘）着陆的概率。 这个计算需要他们知道温暖小池塘的数量，他们通过计算现今陆地上的类似池塘的数量，并根据地质演化模型考虑到当时整体较小的陆地面积完成了这项估计。为了保险起见，他们计算了池塘数量是估算的十倍以及十分之一倍时的情况。结果是，数以千计的小池塘都是以这种方式被种下生命出现所需的基础物质。
模拟：温暖小池中都发生些什么？
那些由陨石或尘埃带来的核碱基一旦进入池塘，会发生什么情况呢？其中一部分会丢失：当池中充满水时，处于干湿循环的某一个潮湿阶段中，核碱基会溶解在水中（水解）。一部分水会从池塘底部的玄武岩的细孔中渗出来，并将核碱基一并带入，在池内通过任何进一步的化学反应除去这些核碱基。在干燥阶段，当池塘里的化学物质沉积为沉淀物时，太阳发出的紫外线辐射会将核碱基分解成更简单的化合物（光分解作用），除了那些在顶部沉积物保护下的核碱基能幸免于难。
○ 在干湿循环阶段中，小池塘中的化学物质受到了不同影响。 |
○ 在干湿循环阶段中，小池塘中的化学物质受到了不同影响。 | 图片来源：McMaster University
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