1700256992
生命的起源：所有生命的共同祖先在40亿年前是怎样诞生的？ [:1700256270]
1700256993
·星空与海洋·
1700256994
1700256995
是的，生命起源研究和天体化学有着千丝万缕的联系。比如在20世纪50年代，当时的天文学家已经通过光谱分析，知道了木星和土星等气态巨行星的大气主要由氢、氨和甲烷等还原性气体构成，并且据此推测原始地球也有这样的大气和剧烈的风暴。
1700256996
1700256997
1700256998
1700256999
1700257000
图1—2 米勒-尤里实验装置的示意图。当代版本一般会在最下方的“冷凝水”部分加一个取样探头，方便检测反应产物。（来自YassineMrabet | Wikicommons及本书作者）
1700257001
1700257002
于是，米勒和尤里在一个盛了水的烧瓶里充满这些气体，密封后插入电极，不断用电火花模拟原始地球上的闪电，一直持续了一个星期。然后，他们发现10%到15%的碳元素都形成了有机物，而且复杂程度远远超过他们最疯狂的想象：除了甲酸、乙酸、丙酸、乳酸这样常见的羧酸以外，还有2%的有机物是氨基酸，其中不乏甘氨酸、丙氨酸、谷氨酸和天冬氨酸这些蛋白质中常见的氨基酸。
1700257003
1700257004
1953年5月，“米勒-尤里实验”在《科学》杂志上发表，立刻在科学界引起了强烈的反响，因为它有力地证实了即便脱离生命，简单的无机化学反应也能产生丰富的有机物，进一步地，人们普遍认为这证明了原始有机汤假说。
1700257005
1700257006
所以，在此后的半个多世纪，不断有研究者设计类似的实验，除了模仿原始地球的闪电和强紫外线之外，富含硫元素的火山喷发也被模拟出来，他们试图发现原始有机汤中究竟包括哪些分子，果然又有十几种氨基酸在烧瓶里相继问世。另一些生物化学家致力于研究这些简单有机物如何进一步形成核酸和蛋白质，比如在2009年，《自然》杂志上的一篇论文就讨论了这些简单有机物如何在水中形成胞苷一磷酸（CMP）——遗传密码中的字母“C”I。
1700257007
1700257008
这样说来，原始有机汤假说已经顺理成章地解释了许多问题：那些小分子无机物在原始地球的各种条件下发生了各种越来越复杂的化学反应，产生了越来越复杂的有机物。这些有机物溶解在原始的海洋里，又彼此发生了更加复杂的联系：核酸浓缩起来形成了遗传密码；氨基酸浓缩起来形成了蛋白质，催化各种新陈代谢；最后，磷脂则因为分子两端有相反的极性，而在海水中自发地聚集成囊泡和薄膜，把这一切包裹住……事儿就这样成了，细胞诞生了！
1700257009
1700257010
1700257011
1700257012
1700257013
图1—3 磷脂分子组装成囊泡，把核酸与蛋白质包裹起来，形成原始细胞的示意图。那些两条尾巴的火柴头似的东西，代表我们在高中生物课上反复接触的磷脂分子。它们的尾巴不溶于水，因此互相纠缠起来，最终组装成一个空心的囊泡，而核酸与蛋白质会被包裹进去，这就形成了原始细胞。不过，为了表现方便，这张示意图格外夸大了磷脂分子的尺寸，以致囊泡里面的空间那样狭小，都画不下核酸和蛋白质了。但实际上，磷脂构成的细胞膜非常薄，图序—3才更加符合实际比例。（作者绘）
1700257014
1700257015
作为第一个建立在科学上，而且相对完整的生命起源理论，它获得了巨大的关注和信任，时至今日，几乎所有的公立学校教科书都会把“米勒-尤里实验”和“原始有机汤”结合起来，作为“生命起源”的标准回答。
1700257016
1700257017
但这个假说经不起推敲，人们只顾沉浸在科学突破的喜悦中，竟对两个明显的破绽视若无睹。
1700257018
1700257019
生命的起源：所有生命的共同祖先在40亿年前是怎样诞生的？ [:1700256271]
1700257020
·时间的胶囊·
1700257021
1700257022
第一个破绽来自“米勒-尤里实验”本身：他们从一开始就没有弄明白原始地球的大气——它根本不是还原性的。
1700257023
1700257024
说来有些惊人，就在你的脚下，地球上到处都是纵横几十亿年的“时间胶囊”——锆石，也就是硅酸锆（ZrSiO₄）的天然晶体。锆石往往是岩浆逐渐凝固时的产物，广泛分布于酸性或中性的火成岩中[3]，尽管大多是几百微米大的透明晶体，要在显微镜下才能看清，但它们的化学性质稳定得吓人：在常压下可以耐受3 000℃的高温，硬度与金属钨相当，能抵御各种酸碱腐蚀，当然也不溶于水，不会被任何生物作用破坏。实际上，它们简直就像《指环王》里的那枚魔戒，一旦在岩浆中铸成，就再难被破坏，在数十亿年的时间里辗转流传。地球表面的火成岩、变质岩和沉积岩，乃至一切沙与土，在各种地质作用下循环变化，锆石也随之出现在其中的任何地方。谁都不能改变它们——除了当初创造它的岩浆，也除了它们自己内部的放射性元素。
1700257025
1700257026
这是因为，铀元素与锆元素很相似，在岩浆结晶形成锆石的时候经常掺进去一点。但铀元素具有放射性，在漫长的岁月中会逐渐衰变，转化成锆石中本来没有的铅元素。而铀元素的衰变速度比锆石的化学性质还要稳定，不受任何外界因素影响，所以当我们拿到一块锆石，测量锆石中铀与铅的比例，就能算出这些铀元素经历了多长时间的衰变，也就知道了岩浆是在何时凝固成锆石的——从45亿年前到100万年前，测量的误差只有1%到10%，这就是“铀铅放射性测年法”。
1700257027
1700257028
1700257029
1700257030
1700257031
图1—4 锆石偶尔也有几厘米大的。如果质地纯粹，可以用作宝石。（图片来源：Ruslan Minakryn）
1700257032
1700257033
1700257034
1700257035
1700257036
图1—5 显微镜下的锆石微粒。注意里面的杂质和气泡。（图片来源：Russ Crutcher）
1700257037
1700257038
而最妙的是，锆石在形成的时候常常把微量的大气、海水等各种物质包裹进去，在漫长的岁月里保护它们不受任何侵蚀，我们只要测定这些锆石的年纪，也就知道了其中的海水和大气来自哪个年代，这个年代的大气和海洋有哪些成分。
1700257039
1700257040
于是，我们遍寻40多亿年前的“时间胶囊”打开来看，结果遗憾地发现，40多亿年前的原始大气并不像“原始有机汤”假设的那样，是还原性的氢、氨、甲烷等物质，而是以二氧化碳和氮气为主的中性大气，这让米勒-尤里实验从根源上受到了质疑。II
1700257041