地球生命的起源

地球被认为是在45 - 46亿年前形成的，与太阳系中的其他行星一样，是由围绕太阳的气体和尘埃组成的原行星盘形成的(图7.1)。陨石、小行星和其他原行星受到地球引力的猛烈撞击，在早期阶段阻止了生命的形成。生命被认为是在4岁到4岁之间出现的38亿年年前的事了。有令人信服的化石证据表明35亿年前存在生命，有可信的证据表明38.5亿年前存在生命。这表明，只要地球上有适合生命存在的条件，生命就开始发展。为了生产出我们可以识别为有机体的东西，需要发展的主要系统是:从一些可用的来源获取能量的方法，从无机或简单的有机分子中形成有机体中发现的复杂有机分子，发展出能够支持进化过程的信息编码和自我复制分子(如DNA或RNA)，以及形成包围有机体的膜。

复杂的有机分子可能是在地球本身形成的，也可能是从其他地方带到地球的。据认为，最早的生物是异养生物，利用这些已经存在的有机化合物作为能量来源，而不是自养生物，从它们中产生有机化合物无机化合物利用o2 < 2的能量

显生宙

原生代

首先是动物真核生物需氧大气光合作用

太古代

最古老的化石，地球生命的起源

	新生代
	哺乳动物的多样化
	白垩纪
IC OI	恐龙，哺乳动物的传播
Z
年代	侏罗纪
	恐龙，最早的鸟类
	三叠纪恐龙，最早的哺乳动物
	二叠纪
	类似哺乳类爬行动物
	石炭系
集成电路	第一次爬行动物
	泥盆世
O z O	最早的陆生脊椎动物
J	志留纪最早的陆生节肢动物
	奥陶纪最早的脊椎动物
	寒武纪
	许多无脊椎动物门的起源

图7.1地质时标，显示了地球上生命历史上的主要地质时期和一些主要事件。

阳光或化学物质的氧化。斯坦利·米勒于1953年首次尝试模拟早期地球上有机化合物的形成，当时他还是一名研究生，在化学家哈罗德·尤里的指导下工作。Miller-Urey实验由一个密封的玻璃装置组成，其中一个液态水的储层在由氨、甲烷、水蒸气和氢气组成的“大气”中被加热(图7.2)。能量通过放电提供给气相，以模拟闪电的影响。在运行几周后，该装置被发现含有各种复杂的有机分子，包括果酸、脂肪酸、尿素和氨基酸。氨基酸是蛋白质的组成部分，在实验中形成的有机化合物中，氨基酸约占4%。其他来源

热

产品溶于水

热

产品溶于水(图7.2)图解表示米勒-尤里实验。

能量，如紫外线，也会产生类似的结果。然而，如果容器中的条件不是强烈还原(氢含量高，氧含量低)，有机化合物的产量就会很低。如果碳以二氧化碳(而不是甲烷)的形式存在，而氮以氮气(而不是氨)的形式存在，有机化合物的产量就会减少1000倍。如果早期地球的条件急剧下降，人们可以想象，海洋中有机化合物的积累形成了著名的“原始汤”，生命可以从中发展。然而，近年来最普遍持有的观点是，早期的大气并没有强烈的还原作用，而是一种主要由二氧化碳、氮气和水蒸气组成的弱还原混合物。更强的还原条件可能仍然存在于更局部的基础上，或在有限的时间内，允许有机化合物的积累。

深海的发现热液喷口在20世纪70年代末(见第2章)提出这些是生产有机化合物的潜在地点。水通过地壳冷却并从中间移开时形成的裂缝从海洋渗透进入这些系统海洋传播中心。它在这些系统中被加热到高温，这有助于它溶解周围岩石中的物质。这些水在高达370°C的温度下被注入海洋，但在与海水混合时迅速冷却。有人提出了在这些体系中产生有机化合物的几种机制，据称，模拟这些体系条件的实验已经产生了与Miller-Urey实验中形成的有机化合物类似的有机化合物。然而，一些人怀疑这些实验是否模拟了生命起源前的条件，并指出喷口的高温可能会破坏而不是创造有机化合物。

有机化合物可能来自外星。彗星、小行星和陨石在地球的早期历史中以很高的速度撞击地球，今天的物质继续这样做——幸运的是，速度较低。在星际中发现了各种各样的有机化合物尘云通过射电天文学，在这些云层中探测到近100种不同的分子。其中包括氨基酸甘氨酸。有机化合物已经在彗星和地球上收集的陨石中检测到，包括嘌呤和嘧啶，它们是核酸的组成部分。一类被称为碳质球粒陨石的陨石可以含有超过3%的碳化合物和各种有机化合物，包括氨基酸和多环芳烃。可以预料，陨石和其他地外天体中的有机分子在进入地球大气层时，会被产生的热量破坏。微陨石(直径可达半毫米)和彗星尾部的尘埃很可能会软着陆，这将保存它们的有机化合物。据认为，这些陨石向地球输送的物质比更大但更稀有的陨石多100倍。它们和那些在与地球的剧烈撞击中幸存下来的较大天体一起，可以提供大量的有机化合物。

因此，早期地球有几种潜在的有机化合物来源。很难判断它们的相对重要性。如果大气层正在强烈地减少，米勒-尤里实验所强调的各种机制很可能是主要的。在弱还原或弱氧化条件下，热液系统和地外来源可能更为重要。不管它们的形成机制是什么，这些相对简单的有机化合物都需要相互作用才能形成生物体中发现的更复杂的化合物。

在地球早期的海洋中溶解的有机化合物很可能形成一种相当弱的溶液。为了相互作用形成复杂的分子，它们需要变得更加集中。一种可能是它们被吸收到粘土或其他矿物质的表面。假设地球没有完全被海洋覆盖，陆地的边缘会为形成水池或泻湖提供大量的机会，在这些水池或泻湖中，有机物质可以被海水浓缩水的蒸发．斯坦利·米勒(Stanley Miller)自20世纪50年代读研究生以来，一直对生命起源问题保持着兴趣，他支持这种“生命起源前的海滩”假说。月球和地球在早期的历史上离得更近，潮汐可能比今天大30倍。这就形成了无数的潮汐池，生命可以在其中开始。

RNA很可能先于DNA成为生命的自我复制信息分子，因为它是一种更简单的分子，具有催化性质，可能有助于其运作。在现代细胞中，RNA催化剂，称为核酶，促进新RNA的形成和蛋白质合成中涉及的各种反应。由于RNA可以催化自身的形成，它可以在没有DNA和蛋白质酶的时候形成自我复制的分子(被称为“RNA世界”)。RNA本身很可能先于更简单的自我复制的有机分子和/或自我复制的非有机系统，如粘土或矿物。膜可能是由原始汤中形成的气泡或泡沫、热液系统中的气泡或脂质的倾向，以及其他亲两性分子(具有吸水和排斥水的部分)自发组合成膜状结构发展而来的。这种结构是由从陨石中提取的两亲性化合物形成的。细胞膜限制物质通过细胞膜，生物体有复杂的运输系统，控制细胞和周围环境之间的交换。原始细胞的细胞膜可能比今天发现的细胞膜更具渗透性，或者在干燥和再水化的循环过程中允许从环境中吸收物质。

正如你所了解到的，关于生命的起源，科学家们有许多相互竞争的理论(除了宗教的解释!)。我们对生物体的生物学知识能在下面吗极端环境条件这片区域有光照吗?早期地球上的条件可能比现在要极端得多。大气中缺乏氧气，第一批生物需要在无氧条件下进行代谢。大气中高浓度的氧气是在光合生物进化之后才出现的，光合生物负责产生氧气。厌氧菌今天也被发现了，但由于它们不能处理氧气代谢的潜在有毒产物(见第6章)，它们只局限于没有氧气的地方。也许它们是氧气时代之前的幸存者。

早期地球的温度可能比现在高得多。分子系统学的技术使我们对生命树有了一个全面的认识(见第一章)。最古老的细菌和古菌群是高度嗜热的。这表明第一个生物(最后一个共同祖先)也是一个超嗜热生物。这就证明了生命的起源是炎热的，早期地球的环境也是炎热的。当然，这并不被一些人接受，他们认为生命的起源很酷，就像“生命起源之前的海滩”假说所设想的潮汐池一样。

低湿休眠也可能是生命的原始属性。原始海滩假说设想物质集中在干燥的池塘和泻湖。这些可能经常会完全干透。干燥/再水化循环被认为是允许材料通过原始膜进入的重要因素。在生命起源中涉及无水共生并不是一个新想法。20世纪60年代初，已故的霍华德·欣顿(曾任布里斯托尔大学昆虫学教授)提出，无水共生是细胞质的一种原始性质。他认为生命产生于陆地而不是海洋，因为干燥不仅会浓缩物质，而且发生在许多小池塘中。这将使物理条件和其中所含化学物质混合物的变化比在较为均匀的海洋条件中可能发生的变化更大。这样的池塘可能提供了大量的实验，其中一个就可能导致生命的起源。

猛烈的轰击期一结束，地球上的生命就开始了。即使在这之后，来自大型小行星或其他天体的偶尔撞击可能已经使地球不育，需要生命重新开始。极端微生物可以生活在极端条件下，而隐生生物，在干燥状态下，可以在极端环境压力下生存，这对完全水化的生物体来说是致命的。极端的生物会有更大的机会在大碰撞中幸存下来，并可能在这样的灾难性事件后提供能够重新殖民地球的遗迹。生物也可能在海底、热液喷口周围、地球深处或冰层覆盖下受到保护。

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