回答有点长，主要包含 5 个方面的内容：

1.地球早期的地质环境（冥古宙）

2.现行的生命起源地假说

3.生命分子的手性起源（DNA 右旋的原因）

4.先有遗传物质还是先有蛋白质？（待更）

5.自私的基因（待更）

每个专题都有单独的文章和视频，感兴趣者可关注答主专栏【地球演化史诗】，不定期更新地球编年史

下面开始正题。

我们是谁？我们来自何处？

自从文明起源之初，人类就开始仰望星空，以期从无尽的时空之中，映照地球的运转，探察繁衍的轨迹，找寻自己的位置，推演未来的图景。

过去的百年是一个伟大的探索时代，人类追寻时间的起源，探秘构成万物的基本粒子，飞向广袤的宇宙深处，从中寻找那些我们从远古时期就开始探询的答案，当人类逐渐拨开时间的层层迷雾，我们的故事初露端倪。

1.冥古宙地球环境

我们的故事始于 46 亿年前的银河系，在银河系边缘猎户旋臂古老恒星的残骸里，太阳系孕育在原始的致密分子云之中，当分子云核的内部斥力不能再抵御自身的引力时，便开始引力塌缩, 最终在原始星盘的中央快速演化形成太阳。

此时，在太阳外围的原行星盘充斥着大量的微小尘埃，这些微小的物质在静电力等作用下开始相互吸引并聚集，逐渐形成千米尺度的星子，这就是地球的雏形，此后星子不断吸积周围的尘埃和小行星，形成地球的胚胎，随着越来越多的碰撞物的聚集，地球逐渐长大，地球引力足以使周围旋转的星际物质越来越快地坠向地球，并猛烈轰击地球表面，释放出大量的热，导致地球外层熔化，形成一个沸腾的熔岩海洋，若是从太空中远观当时的地球，定是一个被岩浆覆盖的大火球。

此时年轻的太阳系，混乱无比，系内行星轨道迁移，陨石如雨，彗星和陨石携带星际物质撞击着地球，巨大的撞击和不断的火山喷发使岩浆中的水和气体释放到大气中，清气上，浊气沉，天地初成。

但是 45.3 亿年前，一颗火星大小的小行星与地球相撞，使地球的一部分脱离出去形成了月球，而地球再次变成岩浆海洋。

大撞击之后的地球自转轴倾斜了 23.5 度，进而导致地球出现四季。当时的地球自转较快，每年有一千多天，每天时长仅有 5 至 7 小时，但是自月球诞生之后，由于月球潮汐摩擦力，地球转速逐渐缓慢，地球每年的天数慢慢降低，每天时长慢慢变长。

随着太阳系的逐渐稳定，陨石撞击频率降低，岩浆海活动减弱，地球的表面开始冷却，慢慢地，冷凝的岩浆形成一层薄而黑的地壳覆盖着地球。

在此过程中，重力分异作用导致岩浆中的以铁和镍为主的比重较重的物质下沉，并向地心聚拢形成了密度较大的地核，以硅和铝为主的较轻的物质上浮，形成包围地核的地幔，组成地幔的物质也有轻重的差别，它们又进一步分化，较轻的元素从地幔中分离出来，上升形成地壳，从此“核 - 幔 - 壳” 的结构形成，地球基本成型，固体的地核和流动的地幔形成了一个“自激发电机”，形成了地球的保护罩——地磁场，避免了宇宙高能粒子破坏大气层，为地球生命开启保护伞。

44 亿年前，尽管最初的地壳已经形成，陨石撞击频率减少，但是由于地壳较薄以及巨大的月球潮汐力，地球内部运动依旧剧烈，岩浆时不时的撕裂地壳喷涌而出，将炽热的火山气体带到地表。

在地球引力作用下，陆续喷出的大量气体聚集在地球周围形成原始大气，它的成分主要是水蒸气、氢气、氨气、甲烷、硫化氢、二氧化碳等，此时的大气中氧气微乎其微，只有在大气圈上层的水蒸气被高能紫外线的辐射分解后，才产生少量的氧，充满氧气的空气以及地球保护层臭氧层，

是十几亿年后生物诞生后才能出现的地球资产。

冥古宙的地球天空昏暗，大气压强很大，温室效应强烈，地表温度可达 200°C，但是液态的海洋可能仍然存在，因为 27 个大气压足以让水一边液化又一边沸腾，若是放眼太阳系，今日金星的模样就是昔日地球上演的场景。

但是在接下来的三亿年里，地球快速冷却，大气层温度逐渐下降，水蒸气开始凝结成水滴以降雨的形式落到地面，大雨持续上百万年，雨水汇聚到地球表面低凹处，就形成原始海洋。

大气中的二氧化碳开始溶入海洋，与海洋中的碳酸根离子结合形成碳酸盐岩沉积在海底，大气中的二氧化碳含量逐渐减少，天空变得明亮起来，温室效应降低，越来越多水蒸汽冷凝进入海洋，海水温度降低，海洋面积扩张。

此时的海洋波涛汹涌，因为月球距离地球很近，海洋中的潮汐作用很强，潮水的涨落可达到数千米。

就在地球早期的恶劣的环境中，一些革命性的变化正在发生。

当时高空中没有臭氧层阻挡，宇宙射线，紫外线可以长驱直入，直射到地球表面，成为合成有机物的重要能源。除此之外，闪电、火山爆发以及陨石穿过大气层时所引起的冲击波等，也都有助于促进简单或复杂有机物的合成。

这些过程合成的有机物质随雨水冲淋到原始海洋之中，使原始海洋成为一锅汇聚各种无机物和有机物的 “原始热汤”。在这锅营养丰富的原始汤里，滋养着生命的种子，它们等待犹如神迹降临的那一刻，螺旋生而众生盛，亿年无疆。

2.生命起源

最早的生命痕迹可以追溯到 40 亿年前的冥古宙，但在地球伊始，地球如何，以及在哪里孕育出第一个生命，如何从一个死气沉沉的无机世界，变成充满的生命的有机星球，仍是一个个未解之谜。

无论生命起源在何处，以何种方式发生，都取决于三个关键的要素。

首先，地球上所有已知的生命形式都需要液态水。所有的活细胞，即使是那些在沙漠生态系统中生存的细胞，大部分也都是由水构成，因此地球上的第一个细胞肯定是在水环境中产生。

其次，生命活动需要能量。目前，生命的主要能量来源是太阳能，但在早期的地球上，闪电、小行星撞击、地球内部的热量、矿物的化学能，都有可能是生命能量的来源。

第三，生命依赖于多种化学元素，这些元素以优美的几何形状组合在一起，才形成基本的生物分子。

2.1 原始汤理论

二十世纪初，科学家就已经意识到这一点。于是在 1924 年，二十多岁的俄国化学家亚历山大·奥帕林提出了原始汤理论:在富含有机物的水域，有机分子以某种方式聚集在一起，并自发形成一个可以自我复制的化学系统，生命的种子开始萌发，生命起源于海洋的基调被奠定。

但是理论毕竟是理论，需要实验去验证。奥帕林及其同时代的科学家，并没有在实验中实现由无机物向有机物的转变。

直到 1953 年，美国芝加哥大学年轻研究员米勒和他导师尤里，设计出具有里程碑意义的实验，才敲开了生命起源的大门。

他们用装有水的玻璃烧瓶模仿地球原始海洋，用另一个装有甲烷，氨和氢的烧瓶模拟早期的大气，用试管连接烧瓶，电极模拟雷电，同时轻轻地将水煮沸，让里面的化学物质循环。

实验开始时，水是纯净透明的，但几天后，溶液变黄，黑色残渣开始在电极附近堆积，水和简单气体反应产生大量包括氨基酸在内的有机分子。

米勒实验最大的成功之处在于巧妙地耦合了早期地球的各种复杂特征:水汽循环、热力梯度、化学反应等，以一种看似合理的方式揭示了生命起源的过程。

在后续的实验中，其他科学家成功合成了其他关键的生物分子，例如形成细胞膜的脂类、高能量的糖，以及构成遗传物质的核糖，生命如何起源的问题似乎已经不成问题。

然而，米勒所创造的构成生命的分子模块仅仅是漫漫生命之路的第一步，它们需要连接形成构成蛋白质的肽链，需要链接成 RNA，这些大分子容易在宇宙辐射或太阳紫外线照射时断裂，因此，大分子最好是在破坏性较小，能量较低的区域完成，深海无疑是个好地方。

2.2 深海起源

1977 年，深海生态系统意外发现。在深海黑烟囱附近，生物常年与阳光隔绝，微生物是主要的能源生产者，它们发挥着与植物相同的生态作用。

在这里，含有氧气的冰冷海水和炽热的火山喷出物，以及富含硫的矿物混合，形成有机物和能量来源。这种奇特的生态系统致使地质学家迈克尔•罗素开始倡导生命始于热液喷口。

随着在大西洋和太平洋的洋脊发现丰富的热液生态系统，生命始于热液喷口观点逐渐确立，深部起源假说已经被广泛接受。相比被彗星和小行星撞击的地球表面，深海生态系统将为生命的起源和进化提供一个比洋表更有利的位置。

除此之外，深层油井，南极千米深的冰层之下，干燥沙漠的深处，微生物都比比皆是，预示着生命似乎可以不依赖于阳光而生长，这些生物附着在矿物表面茁壮成长，水与岩石的相互作用为生命提供化学能量。因此，热液喷口起源被广泛接受，成为一种可行的、但未经证实的米勒地表起源假说的替代方案。

但是随着对细胞的深入研究，许多科学家发现生命起源于海洋的假说存在一个根本问题：构成生命基石的有机大分子可以在水中分解，蛋白质和核酸的链接处很容易受到大量水分子攻击而断裂。

2.3 水悖论

1986 年，已故的生物化学家罗伯特•夏皮罗在其著作《起源》中写道：在碳化学世界中，水是大分子最大的敌人，因为分子可以被水分解，这就是水悖论。

在生物体内，细胞通过限制水在细胞内的自由流动来解决分子被水分解。因此，流行的细胞质图像通常是错误的。生物课本中描述的细胞基质只是一个容纳所有东西的袋子，所有东西都可以游动，这并不正确，细胞基质是凝胶体而不是单纯的水，生物必须控制水的通量。

因此，广阔的海洋环境可能并不利于生命形成，它无法使化学物质浓缩。生命的关键分子及其核心过程只能在相对较浅的水域中形成，水环境必须高度浓缩，甚至有时会完全变干，在干湿交替的陆地环境中，生命才可以形成。

2009 年，科学家找到生命起源于干湿交替环境的证据。科学家萨瑟兰成功地制造出构成 RNA 四个核苷酸的其中两个。他将磷酸盐和四种简单的有机物溶解在水中，但高度浓缩，通过加热这些物质，使其经受紫外线辐射并间歇性干燥，最终结果产生 RNA、蛋白质和细胞的其他核心成分，而在此之前这被认为是不可能的，同时在之前的生命起源于原始海洋的实验中从未合成过如此广泛的生物分子。

所以，萨瑟兰认为生命不可能在海洋深处起源，只能在阳光充足的池塘或溪流中，组成生命的简单有机物才能集中。

2019 年，美国生物化学家皮特对这种观点进行扩展。他们证实如果氨基酸变干，氨基酸会自发连接形成蛋白样链。与地球古老的其他氨基酸相比，现在蛋白质中存在的 20 多种氨基酸更有可能发生这类反应。

同时，间歇性干燥也可以驱动大分子构件组装得更复杂。1982 年，加利福尼亚大学科学家研究了大分子脂质如何自发形成包围细胞的细胞膜。他们首先制造囊泡：即球形斑点，其亲水基核心被两个脂质层围绕。然后研究人员将囊泡干燥，脂质重新组织形成多层结构，就像一叠煎饼。先前漂浮在水中的 DNA 链被困在两层之间。当研究人员再次加水时，囊泡进行重整，DNA 进入囊中。

2008 年，科学家将核苷酸、脂质与水混合，然后进行干湿循环。当脂质形成层时，核苷酸连接成 RNA 状链。

除此之外，这些研究指出生命起源的另一个关键因素：光。

合成生物学家杰克·索斯塔克（Jack Szostak）利用一些简单细胞——即包含少量化学物质，但可以生长，竞争和自我复制的细胞进行一些实验。如果将这些原始细胞暴露在与陆地相似的条件下，它们表现出更逼真的行为，原始细胞可以利用光能以简单复制形式进行分裂。

其次，紫外线辐射可以推动铁硫簇的合成，这对许多蛋白质合成至关重要，铁硫簇的合成可以驱动储能分子 ATP 的合成，有助于为活细胞提供动力。但是如果将铁硫分子暴露在水中，它们就会破裂。

因此，许多科学家相信生命始于光线充足，水量有限的陆地表面。但是，水在生命起源的过程中扮演的角色仍存在争议。

干燥的环境为蛋白质和 RNA 等分子的形成提供了机会。但是，简单地制造 RNA 和其他的大分子并不是生命，物质必须形成一个自我维持的动态系统。

有科学家认为，水破坏可能会促进生命形成，就像捕食动物比被捕食动物进化得更快，第一个生物分子可能已经进化出应对水的化学攻击的能力，甚至能利用水的破坏性。

在新西兰罗托鲁瓦附近温泉中进行的一项研究表明，来自温泉的样品经历了干燥再润湿的循环之后，产生类似 RNA 的分子。干燥可以导致氨基酸自发连接。

但是，研究小组也发现它们的原蛋白可以与 RNA 相互作用，两者在水中都变得更加稳定。实际上，水扮演自然选择的角色，只有那些可以在水中生存的分子可以存在，其他分子则会被破坏。在每个润湿周期中，链接较弱的分子或无法通过结合而自我保护的分子被水破坏。而较稳定的更复杂的分子则不断积累。

所以，生命起源环境中的水不应该那么多，以至于生物分子被破坏得太快；但也不至于没有那么少，以至于生物分子没有任何变化。

2.4 那么，生命起源可能发生在哪些地方呢？

火山温泉是第一个候选者。脂质会在热水中形成原始囊泡，池塘边缘的干湿循环将推动核酸的形成和复制。科学家在现代火山温泉中进行过几次实验，证实囊泡可能在温泉水中形成，甚至能包封核酸，同时也发现当干燥囊泡时，核苷酸能连接起来形成 RNA 样链，那么形成生命是理所应当的事情。

其次，生命可能起源于陨石坑。陨石坑本来就是一个复杂的环境，陨石坑表面的矿物可以充当催化剂，有机物小分子可能会交替溶解在水中并在阳光下干燥。铁镍陨石很容易形成生命起源需要磷酸盐和铁。而且陨石坑还有一个优势：陨石撞击会冲击大气，产生氰化物，形成生命起源的原始有机分子。

但是生命到底起源于何处，恐怕科学家永远也无法知晓，随着地球生态系统的复杂化，人类无法模拟出四十多亿年前的那个朴素的地球，只能通过盲人摸象的方式拼凑出生命出现的种种可能，形成一条可行的证据链。

虽然我们喜爱灵光一闪的故事， 喜欢那些能改变世界的重大发现，但更多的时候科学是一种深耕，需要依靠科学家小心翼翼地剔除那些失败的假设，直到真相显露。在真相到来之前，我们还需耐心等待。

参考资料：

1. Rethinking the Search for the Origins of Life - Eos
2. https://www.nature.com/articles/d41586-020-03461-4
3. https://www.evolutionisamyth.com/biological/water-paradox-water-needed-for-life-yet-water-destroys-living-things/
4. Knoll A H , Canfield D E , Konhauser K O . Fundamentals of Geobiology[M]. Wiley-Blackwell, 2012.
5. Miller, S. L. Science117, 528–529 (1953).
6. Powner, M., Gerland, B. & Sutherland, J. Synthesis of activated pyrimidine ribonucleotides in prebiotically plausible conditions. Nature 459, 239–242 (2009). https://doi.org/10.1038/nature08013
7. Xu, J., Chmela, V., Green, N. et al. Selective prebiotic formation of RNA pyrimidine and DNA purine nucleosides. Nature 582, 60–66 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2330-9
8. Patel, B., Percivalle, C., Ritson, D. et al. Common origins of RNA, protein and lipid precursors in a cyanosulfidic protometabolism. Nature Chem 7, 301–307 (2015). https://doi.org/10.1038/nchem.2202
9. Deamer, D.W., Barchfeld, G.L. Encapsulation of macromolecules by lipid vesicles under simulated prebiotic conditions. J Mol Evol 18, 203–206 (1982). https://doi.org/10.1007/BF01733047
10. Damer, B., and D. Deamer (2020), The hot spring hypothesis for an origin of life,Astrobiology, 20, 429–452,https://doi.org/10.1089/ast.2019.2045.

3.向左还是向右？DNA 的选择

如果缩小到纳米尺寸，沿着地球上任何动物、植物、真菌等生物的遗传信息——DNA 链向上攀登，它们好像是一个螺旋型楼梯，但是你会发现自己从不会顺时针旋转，只会逆时针旋转，DNA 的两条反向平行的核苷酸链相互缠绕，形成一个右手双螺旋结构。

DNA 双螺旋遵循右手法则，即 DNA 双螺旋逆时旋转是所有地球生物的共性之一！

但是在化学层面上，构成 DNA 和 RNA 的核酸分子应该具有对称性，自然界应该同时存在顺时旋转和逆时针旋转的 DNA 或 RNA 链，它们就像右手与左手互为镜像，以手性分子的配对形式存在。

基本上所有已知的化学反应都会产生两种互为镜像分子的混合物，用顺时旋转的核苷酸制成的 DNA 或 RNA 链应该和逆时针旋转的一样有效。但是在生物体内，科学家只发现了右旋分子。

19 世纪著名的法国化学家路易斯·巴斯德（Louis Pasteur）是第一个描述晶体手性的科学家。令他感到困惑的是，从葡萄酒渣滓中提取的晶体在特定方向上扭曲了光线，但在实验室中合成的晶体却没有这种特性。于是他在显微镜下检查了合成晶体的结构，他发现人工合成晶体有两种互为镜像的晶体结构，这两种互为镜像的晶体形式化学性质相同，但是物理性质有所不同，两种晶体合在一起可以抵消光的偏振效应。但是从葡萄酒中提取的晶体只有一种形式，无法抵消光的偏振。

后来，科学家发现这种单性覆盖整个生命世界，人工合成的化学过程将产生左旋和右旋两种分子，但生命体制造的分子，产物要么是左撇子，要么是右撇子。例如，用于制造蛋白质的氨基酸几乎都是左旋氨基酸，而没有右旋氨基酸，右旋分子氨基酸是人体生命的克星!因为人是由左旋氨基酸组成的生命体，它不能很好地代谢右旋分子，所以食用含有右旋分子的食物就会成为负担，甚至造成对生命体的损害。

因此，手性分子在生物体中起着至关重要的作用，许多驱动细胞的化学反应只与正确手性的分子一起工作。因此，构成生命分子的镜像不对称性是生物学中最大的谜团之一。

那么在生命起源之初的原始热汤里，生命如何抉择？右旋 RNA 或 DNA 是如何从分子混合物中脱颖而出，打破镜像，奠定右手双螺旋结构的基础的呢？DNA 双螺旋右旋是否有更深的层次的根源呢？

当地球生命抬头仰望宇宙时，光将生命与宇宙相连，而这种对宇宙的仰望也许刻在地球生物的基因里，地球生物的 DNA 和 RNA 的形状也许并不是偶然，这种形状早就刻进了最早形成生命的分子里，它可能起源于宇宙射线。

宇宙中无时无刻不充满宇宙高能射线，这些高能射线如同来自宇宙深空的炮弹，不断地冲向地球。当宇宙射线中的高能质子撞击大气层时，它们会产生称为介子的微小粒子以及其他的粒子，而介子的快速衰变仅由弱作用力控制，具有镜面不对称性。因此，宇宙高能射线撞击大气层产生的介子形成粒子雨时，相对于它们的路径具有相同的振动磁定向。当粒子撞击地面时，它们也往往会保持它们喜欢的手性。

在地球生命形成的初期，原始汤里充满赤裸裸的有机物大分子，它们有的向左旋转，有的向右旋转。来自宇宙的射线粒子不断地敲击着这些分子，由于粒子的偏振，高能粒子更可能从向左旋转的大分子中敲出电子，从而使它们不稳定，导致突变。

在数百万至数千万年的时间里，这一过程持续发生，只有向右旋转的分子才能正常的遗传下去。因此，可以说是宇宙射线可能加速了地球生命的进化。

当然提出理论就需要验证，科学家计划让真实高能粒子敲击大分子，看是否真的能导致大分子快速突变。科学家提出采用最简单的生物测试：一种称为 Ames 测试的现成检测，将细菌群落暴露在化学物质中，以查明该物质是否导致突变。但是在此次检测中，研究人员不用化学物质，而是计划用不同的手性电子撞击微生物。

试验证明不同的手性粒子确实能使微生物变异，即宇宙射线将我们的祖先从进化的起始加速，但它仍然不能完全解释地球上所有生命的 DNA 都向右旋转的事实。例如，这个理论没有涉及活的生物体如何从向右旋转的 DNA 螺旋中构建，而证明这一点非常艰难。

形成蛋白质的简单氨基酸分子绝大多数都是向左旋转，是分子旋光性的一种体现。但是宇宙射线是否可能与偏振光结合，形成小行星上的氨基酸？为什么 DNA 的旋转方向与蛋白质不同？这些仍是未解之谜。

参考资料：New Twist Found in the Story of Life’s Start | Quanta Magazine

2022.6.8

4.RNA 和 DNA 世界（待更）5.自私的基因（待更）