藍色的地球生機勃勃，表面豐富的海洋和足夠密度的大氣使其在眾多行星中脫穎而出，生命也得以在這里起源演化。生物與地球環(huán)境的協(xié)同演化進一步使得地球成為更加適宜生命居住的星球。地球環(huán)境如何引發(fā)生命的起源是一個重要且復雜的研究課題。

地月系孕育了生命，妝點了自然。來源／wiki

地球是目前已知唯一存在生命的天體，地球因何成為天選之地？地球是否是宇宙中生命唯一的溫床？又是怎樣的契機使得物理化學過程質(zhì)變?yōu)樯^程？

這一系列問題吸引了古往今來無數(shù)科學家的目光。要想解開地球生命起源的重重謎團，需要著重關注地球生命何時產(chǎn)生、首個生命是以何種形式出現(xiàn)、生命出現(xiàn)在什么環(huán)境、地球與地外有機物之間是否存在交換等問題。因此，通過研究地球早期生命，我們才能理解生命從無到有所經(jīng)歷的重要環(huán)節(jié)，進而認識宇宙中生命可能的存在形式。

星際中也存在相對復雜的有機分子。來源／wiki

/ 地球生命產(chǎn)生的時間

一般來說，生命要滿足能夠進行自我復制、新陳代謝和區(qū)室化等條件。對于地球生命而言，細胞結構的產(chǎn)生是由非生命過渡到生命的主要節(jié)點。由于地球生命全部都以磷脂雙分子層構成細胞膜，以脫氧核糖核酸（DNA）或核糖核酸（RNA）為遺傳及轉(zhuǎn)錄載體，以 20 多種氨基酸為蛋白質(zhì)的基礎組成元件。因此可以推測所有地球生命應該擁有一個共同的單細胞祖先。至于在同時期是否出現(xiàn)過其他類型的生命，因為后來無法適應多變的環(huán)境而滅絕，就不得而知了。所以，想要確定地球生命起源的時間，尋找生命遺留下來的證據(jù)是最關鍵的步驟。

早期生命遺留下來的最常見證據(jù)是化石，根據(jù)鑒定和研究手段，可以將化石分為形態(tài)化石和分子化石。在生命起源初期，像疊層石這樣能作為可靠證據(jù)的微生物形成的宏觀化石十分難得，絕大部分形態(tài)化石或生物構造（例如生物礦化物質(zhì)）難以僅從形態(tài)學上確定是生物成因，因此一般需要其它分子證據(jù)等共同支撐。

海底沉積物中的古老單細胞藻類。來源／wiki

古老的單細胞生物有孔蟲的化石。來源／UKfossil

核酸、蛋白質(zhì)、脂類分子和小分子代謝物都是常見的生物分子證據(jù)。其中，RNA 的半衰期僅為數(shù)分鐘至數(shù)小時，DNA 的保存時間跨度大概是數(shù)千年到數(shù)十萬年，相比于地質(zhì)時間尺度較短，并且往往在特殊的地球化學條件下才能較好地保存下來；如若在氧化環(huán)境下，DNA 的半衰期僅為數(shù)周時間。蛋白質(zhì)能保存最久的時間也不過 6800 到 8000 萬年。不過，脂類分子和小分子代謝物（如藿烷類化合物）可能保存更長的時間，甚至超過 15 億年。

在目前的化石研究中，光譜學占據(jù)著重要地位。當類似微生物化石的微結構被發(fā)現(xiàn)后，拉曼光譜和紅外光譜等技術可以用于鑒別該微結構內(nèi)的含碳礦物、有機質(zhì)、碳氫鍵等暗示生命活動的信號，這些信號也能通過對沉積后替換和降解作用的研究來進一步證實。此外，同位素手段也可以識別微生物活動留下的生命痕跡。

年輕的地球在后期猛烈轟炸時期的想象圖。來源／Science Photo Library

當?shù)厍蛟?45 億年前產(chǎn)生穩(wěn)定的地殼和水圈時，宜居條件就基本產(chǎn)生了。但那時的地球頻繁遭受隕石撞擊，無法維持穩(wěn)定的宜居環(huán)境，直到 39 億年前后，晚期大轟擊事件（LHB）才結束。盡管學術界對于 LHB 的存在與否仍有爭議，但是根據(jù)碳同位素比值以及疊層石的年代推測，可以確定目前已知的最早生命出現(xiàn)在 37 億年前。換言之，如果存在 LHB，生命起源應該產(chǎn)生于 37 到 39 億年之間；如果不存在，則生命產(chǎn)生的時間可能更早，即在 37 到 45 億年間。

/ 自源型起源假說

對于地球生命的起源，科學家有著諸多猜測，包括是在還原性的大氣、深海熱液口金屬硫化物沉積、地熱區(qū)域、或是撞擊地球的小天體中。

還原性的大氣允許甲烷、氫氣、氨氣等含氫化合物的累積，通過自然界的放電反應，它們能夠合成有機大分子，這些分子在低溫大氣環(huán)境中更加穩(wěn)定，也更適合碳氫化合物的保存。

另一個著名的猜想是 RNA 世界假說。RNA 世界假說是基于 RNA 既可以作為遺傳物質(zhì)，又能作為核酶，靠自我復制就能不斷擴增、代謝并存留的特點。但是，由于 RNA 的壽命很短，且酶功能有限，才逐漸演化為更加穩(wěn)定的 DNA 遺傳物質(zhì) - 蛋白質(zhì)酶體系。目前已知 RNA 僅在病毒和類病毒中作為遺傳物質(zhì)存在。不過，RNA 在高溫環(huán)境下穩(wěn)定性較低，所以與還原大氣假說一樣，該假說同樣支持一個相對低溫的環(huán)境。

想象中的 RNA 世界。來源／scripps

除生物低溫起源假說之外，高溫起源也是生命起源的研究熱點。

地球的深海熱液系統(tǒng)包含生命基本元素、必要的熱能量和電化學體系，而被認為是孕育地球生命的潛在溫床。大陸的地熱場也可能是生命的起源之地。地熱系統(tǒng)中的水體在蒸發(fā)過程中有可能富集生命基礎分子或其前體，從而加速前生命物質(zhì)之間的組裝。另外，太陽光也能夠成為生命的能量來源，從大氣中通過光化學反應產(chǎn)生的鹽分和有機物則能夠成為生命的營養(yǎng)來源。

核糖體進化模型。來源／wiki

/ 外源型起源假說

天體生物學先驅(qū)卡爾 · 薩根提出，雖然地外的生命形式很可能與地球的截然不同，但是人類無法脫離所熟知的碳基生命來探測地外，因為一個礦石可能放在其它星球上就能成為生命，但在地球上，我們依然無法將其劃歸為生命。因此，我們無法脫離人類認知基礎，而去盲目相信天馬行空的猜測。直到現(xiàn)在，卡爾 · 薩根的邏輯依然不過時。

地外天體也可能是生命有機分子的重要來源。太陽系的碳質(zhì)球粒隕石中發(fā)現(xiàn)過一些納米級有機分子球粒，通過對其中氫同位素的檢測，認為它們（包括較復雜的氨基酸）應該形成于太陽系誕生前的星云時期。所以，即使早期地球劇烈的火山和地殼活動破壞掉了原有的有機物，太陽系中的小天體也能攜帶這些物質(zhì)抵達地球，從而滿足生命發(fā)生的物質(zhì)條件。

南極隕石 ALH84001 以及其中的細長磁鐵礦晶顆粒。

在可能含有冰的小天體中，放射性同位素的衰變可以導致溫度升高并產(chǎn)生液態(tài)水。同時，研究發(fā)現(xiàn)宇宙射線和紫外輻射可以誘導合成復雜有機物，包括氨基酸、核酸堿基、糖類和難降解有機質(zhì)等。近日，日本團隊在小行星 " 龍宮 " 上采集樣品中發(fā)現(xiàn)存在多種氨基酸，也證實了小天體確有形成和攜帶復雜有機物來完成行星間傳輸?shù)哪芰Α?/p>

/ 我們從哪里來？

地球生命現(xiàn)象的發(fā)生是無數(shù)宇宙事件中的奇跡之一。生命究竟何時產(chǎn)生？地球是否是唯一擁有生命的星球？這些都是人類探索宇宙的永恒話題。

如果換一種可能，地球生命可能是另外一種景象。來源／wiki

目前認為，地球生命的形成是在相對較短的時間內(nèi)發(fā)生的，由前生命過程將生命一步一步構建起來。在經(jīng)歷了可攜帶遺傳信息的生化分子的篩選、具有酶學功能和信息傳導的生化分子的挑選、各種代謝鏈的建立、代謝網(wǎng)絡的完善、代謝過程的區(qū)室化等一系列步驟后，最終形成了我們現(xiàn)在所熟悉的以細胞為基礎的生命形態(tài)。在此過程中，生命所依賴的有機物可能來源于還原性大氣、地球熱液系統(tǒng)、地外天體輸入等，而生物必需分子的同手性特征通過自催化反應產(chǎn)生后，可以被生命祖先有效利用于繁衍和代謝活動。

盡管地球最早的生命無法被直接認知，但是科學家可以通過化石、同位素、有機分子、分子鐘等方法探究和刻畫生命最早出現(xiàn)的時間和特點，從而一步步揭開地球生命起源和演化的神秘面紗。