地球最强碳基生命（生命起源研究新进展）

根据2020年5月10日《光明日报》的报道，国际著名期刊《科学通报》上刊登了中科院海洋所的研究员阎军和孙卫东课题组的最新研究《热液体系中发现超临界二氧化碳》。研究报告显示，中国科学家在海底热液系统中观测到了自然状态下超临界二氧化碳流体的喷发，而且此次观测到的超临界二氧化碳中含有大量氮气和有机组分。

这次海底热液探测的意义相当重大，因为这是人类首次在自然状态下发现超临界二氧化碳的存在，直接促进了“生命起源”在“海底热液”方向的研究进展。

今天，我们就借这一研究进展来聊聊生命起源的那些事，也许读了这篇文章，你就会发现中国科学家的这一最新发现对生命起源研究的意义多么重大。

地球上的生命产生于何时何地？第一个生命是怎样产生的？第一个生命是如何繁衍出地球上如此丰富的种群的？千百年来，人们尝试着从天文学、有机化学、古生物学、地质学和遗传学等多个角度对这些问题进行探索，中间不乏一些重大的成果和进展，但目前仍没有一套能完全行得通的理论。

换句话说，生命的起源至今是一个亘古未解之谜。

“原始汤理论”

对于生命的起源，科学家们从不同角度提出了不同的假说。其中，最主流的一个观点就是生命起源于“原始汤”，这就是我们课本中提到的“原始汤理论”。

“原始汤理论”认为：地球在距今40亿年前，在海洋中就已经产生了含有有机分子的“原始汤”。关于第一批有机分子是如何形成的，也许是在一次偶然机会中，闪电与原始大气中的甲烷、氢等成分发生了剧烈的化学反应而生成。在原始汤中，这些有机分子经过长期的积累和相互作用，在特定的条件下形成了有机高分子物质，即蛋白质分子和核酸分子。众所周知，蛋白质和核酸是生命体的基本物质，由于这些有机高分子物质在原始汤中越积越多，在特定的条件下相互作用最终形成了原始生命——单细胞生物。经过数亿年的演化，原始海洋中最终形成了多细胞生物。

从上面的描述中我们可以看到，在“原始汤”理论中，出现了太多的偶然性因素，如原始大气在闪电下的偶然反应生成有机小分子，有机小分子在特定条件下生成有机高分子，有机高分子在特定条件下生成单细胞生物。那么，既然这个假说中有这么多不确定性因素在里面，为什么会被大多数科学家所认同呢？这就要归功于两位科学家——来自芝加哥大学的史坦利·米勒、和来自于加州大学的哈罗德·尤列。

史坦利·米勒

米勒和尤列在1953年主导完成了生命起源中最重要的一次实验——米勒·尤列实验。

接下来我们就来简单回顾一下这个实验的过程和实验结论：科学家已经探测得到，地球的原始大气是由水汽、二氧化碳、甲烷、氨和硫化氢等成分构成。因此，米勒和尤列建立了一个受控型的密封系统——长颈烧瓶。

他们在长颈烧瓶中装上温水来模拟当时炙热的海洋，充入氢气、甲烷、氨气和二氧化碳来模拟原始大气。然后，他们利用导体在烧瓶中释放电火花，来模拟地球上发生的闪电。经过多次放电后，用冷凝器将烧瓶中的气体冷却成液体。

他们对收集的液体进行分析发现，冷却的液体中已经产生了有机化合物，原始气体中的甲烷在闪电作用下，大约有10%~15%的碳发生了转移，形成了有机小分子，这些有机小分子中有2%的成分是氨基酸，其余为氰化氢、甲醛、糖类、脂类和其他化合物等。而氨基酸是组成生命蛋白质的必要物质，氰化氢的合成物腺嘌呤是遗传物质DNA的组成成分，这些都为生命的诞生创造了条件。

下图是米勒·尤列实验原理：

米勒-尤列实验

根据这个实验，米勒和尤列得出结论：原始大气中的气体成分在闪电的作用下发生了化学反应，产生了早期的氨基酸等有机小分子，为生命细胞的诞生孕育了必备条件，早期生命确实很有可能是由原始汤经过化学反应而产生。

“海底热液理论”

米勒-尤列试验似乎证实了“原始汤”理论促进生命起源的可能性，但是有学者认为，“原始汤”理论的前提是需要有源源不断的类似闪电的外来能量使原始大气中的气体发生反应生成有机物，而闪电这种自然现象并非时时刻刻都在发生。此外，新形成的原始生命也需要能量的供应才能继续繁衍，显然，原始汤理论并没有解释生物能量的来源。正如进化生物学家威廉·马丁说：“作为生命起源的主流假说原始汤理论存在生物能量和热力学方面的缺陷，因为依托这个理论，不能产生生命所需要的能量。”

那么，既然这个假说存在缺陷，有没有更合理的假说呢？答案就是我们开篇提到的“海底热液理论”。

海底热液系理论同样是由美国人率先提出。1977年，美国“阿尔文号”深潜器在加拉巴格斯群岛附近的深海某一区域测得了高达8摄氏度的深海温度，而且这一区域生长有巨型蛤类。此前，科学家们认为地球上的热量均来自于太阳，深海吸收的太阳光极其有限，因此深海的温度应该非常寒冷，且不可能有生物存在。

“阿尔文号”深潜器

显然，“阿尔文号”探测的这一反常现象颠覆了已有的理论。那么，到底是什么物质给深海提供了热量呢？深海生物没有阳光是如何生存的？

为了解决这些疑问，1979年“阿尔文号”携带着更多的生物学家再次下潜。这一次，生物学家仔细观察了温度反常的这一海域，发现有海底热液喷口向外喷发出大量的硫化物，这些硫化物遇水形成了巨大的“黑烟囱”，这些黑烟囱中喷出的热液温度高达350℃，热液冷却后形成了黄铁矿、闪锌矿和铜-铁硫化物等沉淀物。

热液喷口形成的“黑烟囱”

1979年的这次下潜，是人类历史上第一次认识到深邃的海洋下竟然别有洞天，地球生命起源的研究也打开了另一番天地。科学家猜想，也许在早期的海洋热液喷口周围，原始生命就已经开始悄悄地萌芽了。

“海底热液理论”相比于“原始汤理论”，找到了维持生命发展和繁衍的稳定热量来源——喷发自地球内部的海底热液，这一研究进展一经发表，就得到了科学界的广泛关注。此后，科学家们相继在世界各地的海域发现了海底热液喷口。

科学家表示，海底的热液喷口具有稳定的热量来源，喷口处的液态水具有化学梯度，完全具备从有机小分子到有机大分子的化学反应所需要的条件。而且，喷出的金属矿物作为一种良好的催化剂，很可能加速了这些生成有机质的化学反应。

而且，科学家根据“分子进化时钟”的基因测序，发现世界上所有生物的“共同祖先”就是生活在海底热液环境下的超嗜热古菌，这些小生命利用热液喷口释放出的能量来维系自身的生存和繁衍，超嗜热古菌的发现又是“海底热液理论”的有利证据。

古生菌

然而，“深海热液理论”研究到这里，是不是就代表着地球的生命起源谜题已经揭开了呢？其实不然，这一理论有着一个致命的缺陷。

我们知道，生命物质的基本构成单位为蛋白质，而蛋白质又是由氨基酸分子构成，组成氨基酸的基本元素为氮。换句话说，没有氮元素，也就不会有生命的诞生。然而，科学家们苦苦探索也没能在海底热液中发现合成氨基酸的关键元素——氮。

困扰科学家的这一难题就在5月份的这次探测中获得了圆满的解决。

中国科学院海洋研究所研究员阎军和孙卫东课题组合作首次在热液系统观测到自然状态下超临界二氧化碳流体的喷发，而且此次观测到的超临界二氧化碳中含有大量氮气和有机组分。

中国科学家探测到的超临界二氧化碳中含有大量的氮气和有机物质，这就是这次探测的意义所在。

中国科学院海洋研究所

超临界二氧化碳

讲到这里，就有人问了，超临界二氧化碳是什么物质？这和我们平日里呼吸的二氧化碳有什么区别？其实，二氧化碳是具有三相态的，即固体状态，液体状态和气体状态，我们平时所呼吸的二氧化碳是气体状态，这也是自然界中最普遍的状态。

如下面这张图所示，横坐标是二氧化碳的温度，纵坐标是压强，当压强和温度所对应的点位于红色区域时，得到的是固体状态的二氧化碳；当压强和温度所对应的点位于蓝色区域时，得到的是液体状态的二氧化碳；当压强和温度所对应的点位于灰色区域时，得到的是气体状态的二氧化碳。

但是，当环境温度高于300k，压强大于100Pa，也就是横轴和纵轴的交点位于下图中的淡蓝色区域时，二氧化碳处于什么状态呢？答案就是超临界状态。

超临界二氧化碳其实并不珍贵，因为我们很容易就能在实验室中通过加压和升温来制备。但是，在自然界中尤其是在深海中发现超临界二氧化碳，则极为难得。

二氧化碳三相图

由中国科学家提出的“生命起源理论”

讲完了超临界二氧化碳，接下来，我们言归正传来聊一聊由咱中国科学家探测得到的这一重大发现。

在中科院海洋所组织的这次探测中，科研人员在1400米海域下的深海热液区，利用“发现”号深海机器人上搭载的光谱原位探测系统，发现了具有超临界二氧化碳流体喷发的热液喷口，而且测得喷口的温度高达95°C。科研人员将RiP探针插入热液喷口，测试得到的超临界二氧化碳拉曼谱峰在频移、半峰宽等关键参数，与实验室内获得的超临界二氧化碳完全相同。

插入热液喷口中的机械臂

同时，原位超临界二氧化碳拉曼光谱中不仅含有甲烷、硫化氢、硫酸根等组分的拉曼特征峰，还含有大量的氮气以及多个未知组分的拉曼峰，远远高于周围海水。对这些拉曼峰的分析可得，这些未知峰多数与C-H、C-C、C-N、N-H相关，学过化学和生物学的网友都知道，这些化学键很有可能是来自于某种或者某些有机物。

深海热液区内氮气以及超临界二氧化碳的发现，正好弥补了“深海热液理论”中热液中缺少“氮”元素的缺陷。科学家表示，在超临界二氧化碳和矿物质的催化作用下，从有机小分子到氨基酸等生物大分子的化学合成完全成为可能。

氨基酸分子的化学键

根据上述发现，中国科学家在“深海热液理论”的基础上，完善并创新提出了一个崭新的原始生命起源理论：

地球形成于大约46亿年前，在地球形成后的几百万年后，原始大气和原始海洋逐步形成。彼时的大气成分与现在的截然不同，空气中没有氧气，只有二氧化碳、氮气和水蒸气等。彼时的原始海洋温度很高，当海水温度超过31℃，压强大于7.3MPa时，就会使得海洋中存在大量的超临界二氧化碳。

原始大气中的氮气与海洋中的超临界二氧化碳、水蒸气在矿物的催化作用下，逐渐形成了氨基酸等有机分子，完成了从无机到有机，从有机小分子到有机大分子的转换，经过数年甚至数万年的时间，在有机大分子的相互作用下，一个具备生命的超嗜热古菌就诞生了。

超嗜热古菌在海底热液环境下生存、繁衍，地球也因此进入了生物进化阶段。经过了数亿年的演化，无脊椎动物首次出现在海洋中。再经过2亿年，鱼类等脊椎动物开始形成。此后再经过2亿年，陆地上开始有了植物，植物出现后的1亿年，陆地上陆续开始出现爬行动物、哺乳动物。

直到3000万年前猿类的出现，开启了人类的进化史，这就是地球上生命的起源和演化。

生物进化

如果说美国开创了“生命起源于海底热液研究”的先河，那么中国5月份的这次重大发现，将使得“海底热液理论”逐渐走向成熟。

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