1953年，芝加哥大學(xué)的研究生斯坦利·米勒拿起兩個長頸燒瓶——一個盛著一點水，代表遠古的海洋，一個裝著甲烷、氨和硫化氫的氣體混合物，代表地球早期的大氣——然后用橡皮管子把兩個瓶子一連，放了幾次電火花算作閃電。幾個星期以后，瓶子里的水呈黃綠色，變成了營養(yǎng)豐富的汁，里面有氨基酸、脂肪酸、糖以及別的有機化合物。

當(dāng)時的新聞報道聽上去讓人覺得，你只要把瓶子好好地晃一晃，生命就會從里面爬出來。

時間已經(jīng)表明，事情根本不是那么簡單。盡管又經(jīng)過了半個世紀的研究，今天我們距離合成生命與1953年的時候一樣遙遠——更不用說認為我們已經(jīng)有這等本事。

地球早期的大氣是一種很不活潑的氮和二氧化碳的混合物。

氨基酸的定義縮寫極結(jié)構(gòu)

有人用這些更具挑戰(zhàn)性的氣體重新做了米勒的實驗，至今只制造出一種非常原始的氨基酸。

蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與多樣性

無論如何，其實問題不在于制造氨基酸，問題在于蛋白質(zhì)。

冠狀病毒的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)

你把氨基酸串在一起，就得到了蛋白質(zhì)。這個過程需要大量的蛋白質(zhì)。

其實誰也不大清楚，但人體里的蛋白質(zhì)也許多達100萬種，每一種都是個小小的奇跡。

按照任何概率法則，蛋白質(zhì)不該存在。若要制造蛋白質(zhì)，你得把氨基酸按照特定的順序來排列。

問題是那些以氨基酸字母組成的單詞往往長得不得了。若要拼出“膠原蛋白”（collagen，一種普通蛋白質(zhì)的名字）這個名字，你只需要以正確的順序排列8個字母。若要制造膠原蛋白，你就得以絕對準確的順序排列1055個氨基酸分子。但是這是個明顯而又關(guān)鍵的問題——你并不制造膠原蛋白。

膠原蛋白分子結(jié)構(gòu)

總之，蛋白質(zhì)是十分復(fù)雜的實體。血紅蛋白只有146個氨基酸分子長，按照蛋白質(zhì)的標準只是個矮子，然而即使那樣，氨基酸的排列方式也有10190種可能性。

血紅蛋白

想要隨隨便便地制造哪怕是一個蛋白質(zhì)分子也似乎是極不可能的，然而，我們在討論的蛋白質(zhì)有幾十萬種，也許是100萬種，就我們所知，每一種都別具一格，與眾不同，對于維持你的健康和幸福必不可少。

我們就從這里接著往下討論。為了被派上用場，一個蛋白質(zhì)分子不但要把氨基酸分子按照合適的順序排列起來，還要從事一種化學(xué)打褶工作，把自己疊成特定的形狀。即使實現(xiàn)了這種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，蛋白質(zhì)分子對你依然沒有用處，除非它能復(fù)制自己，而蛋白質(zhì)分子不會。

為了達到這個目的，你需要DNA（脫氧核糖核酸）。DNA是復(fù)制專家——幾秒鐘就能復(fù)制一份自己，但除此之外沒有別的本事。

DNA結(jié)構(gòu)

于是，我們處于一種自相矛盾的境地。蛋白質(zhì)分子沒有DNA就不能存在，DNA沒有蛋白質(zhì)就無所事事。他們?yōu)榱嘶ハ嘀С侄瑫r產(chǎn)生的，這幾乎不可能。

DNA的復(fù)制過程結(jié)構(gòu)圖

還有，要是沒有膜把DNA、蛋白質(zhì)和別的生命要素包裹起來，它們也不可能興旺發(fā)達，原子或分子不會獨立實現(xiàn)生命。從你身上取下一個原子，它像一粒沙那樣沒有生命。

只有許多原子湊到一起，待在營養(yǎng)豐富的細胞里，這些不同的物質(zhì)才能參加令人驚嘆的舞會，我們稱其為生命。沒有細胞，它們只是有意思的化學(xué)物質(zhì)。但要是沒有這些化學(xué)物質(zhì)，細胞就毫無用處。要是一切都需要別的一切，分子社會最初是怎么產(chǎn)生的？

細胞剖面結(jié)構(gòu)

好像你廚房里的各種原料不知怎的湊到一起，自己把自己做成了青椒煎蛋，必要的話，這塊煎蛋還會分裂，產(chǎn)生更多的煎蛋。所以，我們把生命稱為奇跡，這是不足為怪的。

不同種類蛋白質(zhì)

是什么促成了這神奇的復(fù)雜結(jié)構(gòu)呢？以那些不可思議的蛋白質(zhì)分子為例，我們假設(shè)，我們所看到的奇跡般的排列，是在形成完畢以后才出現(xiàn)的。換句話說，要是蛋白質(zhì)不是一下子形成的，而是慢慢地演化的，那會怎么樣？請你想象一下，要是你把制造一個人的所有材料都拿出來——碳呀，氫呀，氧呀，等等，和水一起放進一個容器，然后用力搖一搖，里面就走出來一個完整的人，那將會是不可思議的。

肯定有某種日積月累的選擇過程，使得氨基酸聚集成塊狀。兩三個氨基酸分子也許為了某種簡單的目的聯(lián)結(jié)起來，一段時間以后撞在一起成為類似的小群體，在此過程中“發(fā)現(xiàn)”又有了某些改進。

大自然里許多分子聚在一起形成長長的鏈子，名叫聚合物。糖分子經(jīng)常聚在一起成為淀粉。

唐分子組成的淀粉分子結(jié)構(gòu)

整個宇宙里也許存在大量生命，也許不存在，但不乏有序的自發(fā)聚合。它存在于一切東西，從對稱的雪花到土星的美麗光環(huán)。

水分子遇冷形成雪花結(jié)晶體

大自然聚合事物是如此干勁十足，許多科學(xué)家現(xiàn)在認為，生命的出現(xiàn)比我們認為的還要不可避免。只要哪里條件合適，物質(zhì)的自發(fā)聚合勢必發(fā)生。很有可能，這樣的條件在每個星系里大約會遇到100萬次。

銀河系

當(dāng)然，在賦予我們生命的化學(xué)物質(zhì)里，沒有什么非常奇特的東西。要是你想制造另一個有生命的物體，無論是一條金魚，一棵萵苣，還是一個人，你其實只需要4種元素——碳、氫、氧和氮，加上少量幾種別的元素，主要是硫、磷、鈣和鐵。把30多種這些元素組成的化合物放在一起，形成糖、酸和其他的基本化合物，你就可以制造任何有生命的東西。而且關(guān)于制造有生命的東西的物質(zhì)，也沒有什么特別的地方。有生命的東西都是分子的組合，與其他一切東西沒有兩樣。

紅腹錦雞

有關(guān)生命起源的許多細節(jié)現(xiàn)在依然難以解釋。你在書上讀到過的有關(guān)生命所必需的條件，每種情況都包括了水。到現(xiàn)在最普遍認為的生命始發(fā)地冒著氣泡的海洋噴氣口。但他們都忽視了一個事實：把單體變成聚合體包含一種反應(yīng)，即生物學(xué)上所謂的“脫水縮合”，研究人員一致認為，由于質(zhì)量作用定律，在原始的大海里，實際上在任何含水的媒體里，這樣的反應(yīng)在能量方面是不大有利的。”這有點像把砂糖放進一杯水里，指望它結(jié)成一塊方糖。

砂糖

說了這么多我們只要知道這樣一點就夠了：要是你弄濕了單體，單體就不會變成聚合體——除了在制造地球上的生命的時候。

近幾十年來，地球科學(xué)方面有許多極其令人感到意外的發(fā)現(xiàn)。其中之一，發(fā)現(xiàn)在地球史早期就產(chǎn)生了生命。直到20世紀50年代，還認為生命的存在不超過6億年。到了70年代，幾位大膽的人士覺得也許在25億年前已經(jīng)有了生命。但是，如今確定的38.5億年確實早得令人吃驚。地球表面是到了大約39億年前才變成固體的。

40億年前地球表面模擬圖

實際上，生命出現(xiàn)得太快，有的權(quán)威人士認為這肯定有什么東西幫了忙——也許是幫了大忙。關(guān)于早期生命來自太空的觀點已經(jīng)存在很長時間，偶爾甚至使歷史生輝。

科學(xué)家認為生命的種子可能是隕石帶到地球上的。1969年9月的一個星期天，科學(xué)家在默奇森隕石里發(fā)現(xiàn)，莫奇森隕石有45億年之久，上面星星點點地布滿著氨基酸——總共有74種之多，其中8種跟形成地球上的蛋白質(zhì)有關(guān)。隕石里還含有一系列復(fù)雜的糖，名叫多羥基化合物。這類糖以前在地球之外是沒有發(fā)現(xiàn)過的。

莫奇森隕石

宇宙里實際上存在著豐富的有機化合物?，F(xiàn)在認為，哈雷彗星的大約25%是有機分子。要是這類隕石經(jīng)常墜落在一個合適地方——比如地球，你就有了生命所需的基本元素。

哈雷彗星

說生命來自外太空是有問題的，它沒有回答生命是如何產(chǎn)生的這個問題，只是把責(zé)任推給了別的地方。

無論是什么事導(dǎo)致了生命的開始，那種事只發(fā)生過一次。這是生物學(xué)上最非同尋常的事實，也許是我們所知道的最不尋常的事實。凡是有過生命的東西，無論是植物還是動物，它的始發(fā)點都可以追溯到同一種原始的抽動。

生物進化過程圖

在極其遙遠的過去，在某個時刻，有一小囊化學(xué)物質(zhì)躁動一下，于是就有了生命。它吸收營養(yǎng)，輕輕地搏動幾下，經(jīng)歷了短暫的存在。這么多情況也許以前發(fā)生過，也許發(fā)生過多次。但是，這位老祖宗干了另一件非同尋常的事：它將自己一分為二，產(chǎn)生了一個后代，一小袋遺傳物質(zhì)從一個生命實體轉(zhuǎn)移給了另一個生命實體，此后就這樣延續(xù)下去，再也沒有停止過。這是個創(chuàng)造我們大家的時刻。生物學(xué)家有時候?qū)⑵浞Q為“大誕生”。

地球早期多細胞生物

無論你到世界的什么地方，無論你看到的是動物、植物、蟲子還是難以名狀的東西，只要它有生命，它就會使用同一部詞典，知道同一個代碼。所有的生命都是一家。

我們都是同一遺傳戲法的結(jié)果。那種戲法一代一代地傳下來，經(jīng)歷了差不多40億年，到了最后，你甚至可以學(xué)上一點人類遺傳的知識，拼湊個錯誤百出的酵母細胞，真酵母細胞還會讓它投入工作，仿佛它是自己的同類。實際上，它確實是其同類。

酵母細胞

35億年前的地球。當(dāng)時，生命才剛剛起步。那個古老的年代在地球科學(xué)上叫作太古代。太古代有巨大的活火山，紅得刺眼的天空，下面有一個冒著水蒸氣的古銅色大海。前景的陰影里塞滿了一種細菌寄生的巖石，名叫疊層石。

疊層石

當(dāng)時的地球上與今天的火星上一樣沒有供我們呼吸的空氣。而且，地球上還充滿從鹽酸和硫酸中散發(fā)出來的毒氣，強烈得足以腐蝕衣服和使皮膚起泡。

太古代地球狀態(tài)

當(dāng)時的大氣里都是混濁的化學(xué)物質(zhì)，陽光幾乎射不到地面。你只能借助經(jīng)常掠過的明亮的閃電，在短時間里看見有限的東西?？傊覀儾粫J出那是我們自己的地球。在20億年時間里，細菌是唯一的生命形式。它們活著，它們繁殖，它們數(shù)量增加，但沒有表現(xiàn)出想發(fā)展到另一個更富挑戰(zhàn)性的生存層面的特別傾向。

細菌

在生命的頭10億年的某個時候，藻青菌，或稱藍綠藻，學(xué)會了利用大量存在的資源——存在于水中的特別豐富的氫。它們吸收水分子，吃掉了氫，排出了氧，在此過程中發(fā)明了光合作用。

藻青菌

光合作用無疑是本星球的生命史上所創(chuàng)造的最重要的新陳代謝方法”——光合作用是由細菌而不是由植物發(fā)明的。隨著藻青菌的增多，世界開始充滿氧氣，發(fā)現(xiàn)氧有毒的微生物深感吃驚——而在那個年代，那種微生物比比皆是。在一個厭氧的（或不使用氧的）世界里，氧是劇毒的。

需氧菌與厭氧菌對比圖

我們的白細胞實際上就是用氧來殺死入侵的細菌。氧從根本上說是很毒的，我們聽了往往會大吃一驚，因為許多人覺得呼吸氧是很舒服的事，但那只是因為我們已經(jīng)逐步進化到了能利用氧。

白細胞在工作

對于別的東西來說，它是一種可怕的東西。它使食物變質(zhì)，使鐵生銹。連我們對氧的耐受力也是有限度的。我們細胞里的氧氣濃度，只有大氣里的大約十分之一。

刀表面是鐵銹（氧化鐵）

新的會利用氧的細菌有兩個優(yōu)勢。氧能提高產(chǎn)生能量的效力，它打垮了與之競爭的微生物。有的撤退到厭氧而泥濘的沼澤和湖底世界里；有的也照此辦理，但后來（很久以后）又移居到了你和我這樣的有消化力的地方。有相當(dāng)數(shù)量的這類原始實體此時此刻就生活在你的體內(nèi)，幫助消化你的食物，但厭惡哪怕是一丁點兒氧氣。還有無數(shù)的其他細菌沒有適應(yīng)能力，最后死亡了。

常見厭氧菌種類

藻青菌逃跑并取得了成功。起初，它們所產(chǎn)生的額外的氧沒有積聚在大氣里，而是與鐵化合，成為氧化鐵，沉入了原始的海底。有幾百萬年的時間，世界真的生銹了，這個現(xiàn)象由條形鐵礦生動地記錄了下來。

鐵礦石

今天卻為世界提供了那么多的鐵礦石。在幾千萬年時間里，發(fā)生的情況比這多不了多少。但是，大約在35億年以前，更加堅強的東西變得顯而易見。只要哪里的海水很淺，可見的結(jié)構(gòu)就開始展現(xiàn)。在藻青菌完成慣常的化學(xué)過程的同時，它們開始帶有點兒黏性。那個黏性粘住了微小的灰塵和沙粒，一起形成了有點古怪而又堅固的結(jié)構(gòu)——淺水里的疊層石。

澳大利亞疊層石

疊層石有各種形狀、各種大小。疊層石有時候看上去像巨大的花椰菜，有時候又像毛茸茸的地墊，有時候，疊層石呈圓柱狀，戳出水面幾十米——偶爾高達100米。從各種表現(xiàn)形式來看，疊層石都是一種有生命的巖石。疊層巖代表了世界上第一個合作項目，有的種類的原始生物就生活在表面，有的就生活在下面，一方利用了另一方創(chuàng)造的條件。世界有了第一個生態(tài)系統(tǒng)。

疊層石

疊層石沒有光澤，灰色，看上去很像大團的牛屎。但是，望著地球上35億年前留下的生物，但這些晦暗的巖石上充滿了生命，據(jù)估計每平方米巖石上生活著36億個微生物。要是你看得仔細的話，你有時候能看到一串串小氣泡冒出水面。那是它們在釋放氧氣。在20億年時間里，這種小小的努力使地球大氣里的氧增加到了20%，為生命史的下一章，也是更復(fù)雜的一章鋪平了道路。

原始生命到復(fù)雜生命過程圖

生命為什么花了很長時間才復(fù)雜起來？原因之一是，世界不得不等待，直到簡單的生物已經(jīng)在大氣里充入了足夠的氧。地球花了大約20億年，即大約40%的地球歷史，大氣里氧的濃度才大體上達到了現(xiàn)在的水平。

現(xiàn)在的地球

但是，一旦條件成熟，顯然是在突然之間，一種嶄新的細胞出現(xiàn)了——那個細胞里含有一個核和幾個別的部分，統(tǒng)稱“細胞器”。該過程始于某個行為草率或敢于冒險的細菌。它不是受到了侵犯，就是被別的細菌俘虜。結(jié)果，雙方都感到很滿意。據(jù)認為，那個被俘的細菌變成了一個線粒體。

線粒體結(jié)構(gòu)

這種線粒體入侵（也稱作“內(nèi)共生事件”）使得復(fù)雜生命的出現(xiàn)成為可能。在植物方面，一次類似的入侵產(chǎn)生了葉綠體，使植物能進行光合作用。

線粒體支配著氧，釋放食物中的能量。沒有這種很有用處的戲法，今天地球上的生命不過是生活在污泥里的一大堆簡單的微生物。線粒體極小——一粒沙子大小的空間里可以裝上10億個線粒體，而且老是肚子餓，你吸收的營養(yǎng)到頭來都喂了線粒體。

要是沒有線粒體，我們兩分鐘也活不到。然而，即使過了10億年，線粒體的表現(xiàn)顯示，它們似乎依然認為我們之間的問題有可能解決不了。它們保持了自己的DNA、RNA（核糖核酸）和核蛋白體。它們與寄主細胞在不同的時候繁殖。它們看上去像細菌，像細菌那樣分裂，有時候?qū)股刈龀黾毦鷷龀龅哪欠N反應(yīng)。它們甚至不說寄主細胞說的那種基因語言。這很像是你家里來了個陌生人，而這個陌生人已經(jīng)在你的家里住了10億年。

DNA與RNA的不同螺旋結(jié)構(gòu)

新的種類的細胞被稱為真核生物（意思是“真具有核的”），與之相對的舊的種類的細胞被稱為原核生物（意思是“在具有核之前的”）。

真核細胞結(jié)構(gòu)圖

它們似乎突然出現(xiàn)在化石記錄里。已知的最古老的真核生物，即所謂的卷曲藻，是1992年在密歇根州的鐵沉積物中發(fā)現(xiàn)的。這種化石只發(fā)現(xiàn)過一次，接著在5億年中杳無蹤影。

藻類化石

地球已經(jīng)朝著真正有意思的行星邁出了第一步。與新的真核生物相比，舊的原核生物——借用英國地質(zhì)學(xué)家斯蒂芬·德魯里的話來說——不過是“幾囊化學(xué)物質(zhì)”。真核生物比它們比較簡單的堂兄弟要大——最少要大1萬倍，能夠多帶1000倍的DNA。由于這些突破，生命漸漸變得復(fù)雜，結(jié)果創(chuàng)造了兩種生物——排斥氧的（比如植物）和接受氧的（比如你和我）。

單細胞的真核生物一度被稱作原生動物，與之前的細菌相比，原生生物在模式上和復(fù)雜程度上都是個奇跡。簡單的變形蟲只有一個細胞大，除了生存沒有別的雄心壯志，但在它的DNA中包含著4億條遺傳信息。

變形蟲

最后，真核生物學(xué)會了一種更加獨特的把戲。這花去了很長時間——10億年左右，但它們一旦成為專家，那還是個挺不錯的把戲。它們學(xué)會了結(jié)合在一起，形成復(fù)雜的多細胞生物。由于這項新的發(fā)明，像我們這樣大而復(fù)雜的、可見的實體終于成為可能。

地球這顆行星已經(jīng)準備好進入下一個雄心勃勃的階段。但是，在為此感到過分激動之前，我們將會看到，世界還仍然是小生物的世界。

好了，生命起源簡析就寫到這里了