细胞的形成原因

40亿年前,地球开始从激烈的天体撞击中解脱出来。它慢慢冷却到可以让水在它的表面凝结。岛屿从太古的大洋中升起,扩展成大陆。大地一片荒芜,水中也全无生息,但世界并不平静。在剧烈的火山活动中,年轻的地球留下一个个炽热的喷发着浓云和烟尘的火山口。水从深深的裂谷漏入地球的熔核,然后又迸发升腾而起,高压、灼热并裹携着从沸腾的岩浆中冒出的蒸汽。

最初的元素

碳( C )、氢　( H )、氮(N)、氧( O)、磷( P)、硫(S),这6种元素组成的不计其数的分子构成了生命物质的主体,它们也是生命化学起源中的主角。可这些元素是以怎样的姿态从远古的环境中走进生命的呢?

40亿年前地球大气层中没有氧气存在。游离氧是生命的产物,这是科学上不争的事实。原始大气的组成依然是一个争论的问题。长期以来有一种观点,由于著名的尤里—米勒实验而盛行起来,即大气中包含氢气(H \ -2)、甲烷(CH \ -4)、氨(NH3)和水蒸气(H \ -2O),因而富含氢。这种观点已受到严重怀疑。实际上,米勒实验最主要的贡献是为原始环境中由无机分子合成有机物的可能性提供了一种证据,而不是去证明原始大气中存在哪些物质。

很多专家认为,碳可能不是以和氢化合的形式(甲烷)而是以和氧化合的形式存在(主要是二氧化碳CO \ -2)。氮很可能是以分子氮(N \ -2)或者是一种或几种与氧化合的形式存在,而不是以氨存在。氢气最多也只有极少量。

那么磷呢?这种元素作为生物体中很多重要分子的组分,尤其是磷酸的组分,在太古时候是怎么存在的?令人奇怪的是在现今物质世界,至少在自然溶液中很难发现磷酸盐的存在。地球上有丰富的磷,但却被固锁在不溶于水的磷酸钙中,构成磷灰石矿。在海水和淡水中磷酸盐的含量也极低。稀有的磷酸盐分子如何起到生物学中心作用?这是一个有趣的问题。其中一个可能回答是酸性,当磷灰石暴露在哪怕是很弱的酸性介质中时也能轻易地释放出磷酸。或许,太古时代的水环境就具有这样的酸性。

另外,从现存火山口附近的气体分析来看,拥有特殊的臭鸡蛋气味的硫化氢气体让人印象深刻。既然太古时期的地球上火山林立,我们有什么理由排除这样一种可能性:当时的大气中含有硫化氢?

合适的温度

在生命出现之前,地球上的温度有多高?

现在还没有多少令人信服的确凿证据。不过在那种环境下,气候宜人的可能性不大。于是,许多化学家猜测原始生命可能喜欢寒冷环境,甚至低于冰点。因为温度是一个严格限制生物分子寿命的因素,很多重要的生物分子,如蛋白质等,在高温下都会被不同程度地破坏。

但是,很多地质学家却并不愿意相信一个冰冷的前生命世界。他们认为当时的温度比较高,可能接近水的沸点或更高。只是因为处在比现在更高的大气压下,水还没有沸腾。这种高温高压的水环境在今天大洋深处的一些火山口附近仍有发现,而在太古时代,这样的水下火山口可能更多。而且,现今所发现的最古老的生物,正是生活在这样的火山口或温度高达110℃的火山喷泉里的细菌。这也告诉我们,生命可能有一个滚烫的摇篮。

太阳的功劳

还有一个问题,当时地球上的阳光又如何呢?

太阳给生命的长河注入了源源不断的能量,但它在40亿年前并没有像现在那么“温暖”,送给地球的光能比现在少25%左右。不过这可能被大气中二氧化碳的温室效应所抵消,因为当时二氧化碳的浓度可能比现在高100倍以上。

尽管当时的太阳还比较“冷”,但紫外辐射可能还是很强的。因为那时候大气中没有氧气,所以也就没有可以大量吸收紫外光的臭氧保护层。

水和生命

在遥远的太古时代,地球上有了丰富的水,这是生命得以孕育、产生和发展的至关重要的因素。但是,当时覆盖在地球表面的水可能非常灼热,也可能酸得够呛,而且还富含着从地球深处不断翻涌上来的各种矿物质,包括亚铁盐、磷酸盐等。

在水的上空,大气中聚集着二氧化碳、氮气、硫化氢和水蒸气,有可能氢气很少。阳光几乎毫无阻挡地照耀着年轻的地球表面,整个水面就笼罩在紫外线、可见光和高浓度二氧化碳捕捉到的红外线中。

在这样一个星球上,有两种环境萌动着生命的希望:一是水体的浅表处,这里充分享受着“日光浴”,借助太阳送来的能量发生变化,很多物质被浓缩着;另一个地方是在黑暗的深水下的火山口,这里聚集着来自地球内部的各种物质,利用火山口特殊的环境条件,悄无声息地酝酿着各种化学变化。当然,生命的产生或许并不是简单地在这两个环境中独立完成,也可能它们只创造出了某些生命构件,而这些构件架起生命的殿堂则可能是这两种环境共同完成的杰作。

有了上面提到的这些物质和环境,似乎我们该考虑下一个问题了:这些物质在这样的环境中究竟是怎样变成有机物甚至是生物体的呢?

我们可能很快就想到了尤里—米勒实验,这个经典的实验为我们描绘了一种令人欣喜的可能性:远古时代的那些无机物是怎么在雷电交加中形成了生命所必需的有机物。

然而,这个实验条件的可靠性现在却受到严重质疑。前生命大气中存在的氢远不如尤里设想的那样丰富。而且如果在这个实验中用二氧化碳代替混合气体中的甲烷,分子氮代替氨,并且排除分子氢,有机物的产生实际上趋向于零。而这样的大气组成恰恰正是最新的观点。当然,对早期大气组成的估计现在还没有下定论,在未来还可能再次修改。

另一方面,光谱学的研究发现,在宇宙空间弥漫着极其稀薄的星际尘埃,其中包含着相当数量的潜在生命分子,主要是含碳、氢、氮、氧的一些物质,有时还有硫和硅。彗星也附带着含有各种有机物的尘埃和冰块。在某些陨石中,还发现了一定数量的氨基酸。这些都让我们想到另一种可能性:在“天外来客”经常光顾地球的太古时代,它们会不会给地球上生命的诞生带来了必需的有机物?这些有机物可能也是地球最初生命的种子。

1996年,有些科学家甚至在火星陨石中还发现了类似微生物活动过的遗迹。如果这一点得到肯定,那么在地球生命出现之前,那样的陨石也可能曾经掉落到地球上来。

究竟有多少有机物是地球自己制造的,有多少来自宇宙空间?这还存在着极大的争论。

但不管是地球自己制造有机物,还是有机物在宇宙空间事先形成,从无机物变成有机物,并进而形成高度复杂的生命体,这个过程总该有什么东西在催化着。因为很难想象,杂乱无章的自发反应就能完成生命的创造,尤其是生物体中很多重要的化学反应在无机自然界中根本不会自发进行。就算能够进行,也还有一个速度和效率的问题。那么催动着原始生命诞生的东西究竟是什么呢?