烹制早期地球的条件

在加州大学圣迭戈分校杰弗里·巴达的实验室里，有一个纸板箱，里面装着地球生命起源的早期证据。箱子里装着数百个小瓶，里面装着 20 世纪 50 年代初芝加哥大学研究生斯坦利·米勒收集的污秽的棕色残渣。每个小瓶上都标有页码，对应着米勒记录了他与诺贝尔奖得主化学家哈罗德·尤里进行的实验的笔记本。

他们的目标是合成氨基酸——生命的构件——就像它们在早期地球上可能产生的那样。这些发现引发了对生命起源的探索，现在，这些构件正在被发现在令人惊讶的地方，比如彗星表面和深海热液喷口。

实验室里的地球

自 19 世纪查尔斯·达尔文提出进化论以来，现代起源问题一直困扰着科学家们。如果所有现代物种都进化自更早的生命形式，那么这种分化一定始于某个共同的祖先。达尔文推测，我们的微生物“夏娃”诞生于一个“温暖的小池塘，里面有各种氨和磷酸盐。”八十年后，尤里试图更精确地描述。他借鉴了早期行星条件的研究，以展示大气和海洋之间的相互作用如何可能产生了有机“原始汤”。

受 1953 年尤里的一次演讲启发，米勒提议在实验室里“煮”出这锅汤。尤里对此表示怀疑。23 岁的米勒作为实验者的经验很少。尤里给了他一年时间和不到 1000 美元的预算。

米勒指示校园里的玻璃吹制师制作了一个带有两个互连腔室的装置，一个代表海洋，另一个代表大气。在实验过程中，火焰会煮沸海水，模拟蒸发。蒸汽通过一根管子进入大气烧瓶，里面含有氢气、甲烷和氨气。电火花模拟闪电。第二根玻璃管会冷凝蒸汽，使潮湿的大气雨水滴回海洋。

不到一周，清澈的液体就变黑了。米勒分析了这种混合物，发现了五种氨基酸，它们是蛋白质的有机组成部分。

这项成果于 1953 年 5 月 15 日发表在《科学》杂志上，它极大地激发了科学家的热情，并引起了全球的关注。《纽约时报》称米勒和尤里发明了“实验室里的地球”。《时代》杂志将这项实验称为“半创造”。

事实证明，米勒低估了他的生命前汤的丰富程度。2007 年米勒去世后，当巴达的实验室继承了他留下的残渣时，巴达使用现代仪器进行了检查。他检测到的氨基酸数量是米勒发现的八倍多。

米勒-尤里实验的惊人成功使其成为许多教科书中的经典，但其核心也存在一个问题——即尤里关于早期大气富含甲烷和氨的假设。“事实上，那是二氧化碳和氮气，或者二氧化碳和少量甲烷，”巴达说。米勒知道这个问题，当他在 20 世纪 80 年代使用更可信的气体混合物复制他的实验时，大多数实验都没有产生氨基酸。

播种 RNA 世界

在米勒第二次不成功的尝试大约十年后，欧洲航天局将一位名叫乌韦·迈耶尔亨里希的年轻德国化学家加入到其罗塞塔号探测器任务中，该任务旨在探测 67P/丘留莫夫-格拉西缅科彗星。迈耶尔亨里希帮助开发了能够让菲莱着陆器探测彗星表面的有机物的仪器。但要测试菲莱的能力，他需要地球上的彗星。

迈耶尔亨里希在荷兰莱顿大学找到了他需要的东西，那里的天体化学家正在制造人造彗星冰，以测试这些肮脏的雪球是如何形成的。他们的技术类似于米勒模拟的原始汤。莱顿的科学家们模拟了星际空间的寒冷真空，然后引入了彗星冰中的化学物质，并用恒星发出的紫外线照射它们。这个过程只产生了微克的彗星物质，但足以测试罗塞塔号的仪器。设备运行得无可挑剔——并检测到了 16 种氨基酸。

尽管研究人员曾怀疑他们会在 67P 上看到氨基酸——因为他们已经在某些原始陨石中检测到过——但没有人预料到这些有机物会在地球上简单的冰类比物中瞬间形成。随着米勒-尤里实验的疑虑日益加深，迈耶尔亨里希的研究有力地支持了一个替代性假设：生命的有机成分来自外太空。

自迈耶尔亨里希于 2002 年发表初步研究结果以来，对彗星起源的支持不断增加。十二年后，菲莱着陆器降落在 67P 上，并检测到了与莱顿冰相匹配的有机物。

今年早些时候，迈耶尔亨里希在尼斯索菲亚·安提波利斯大学的实验室在《科学》杂志上发表了另一项重大进展。他们利用一种名为多维气相色谱的新技术分析冰类比物，检测到了化学物质核糖——一种非普通的有机物。这种复杂的糖是 RNA 的化学骨架，RNA 被广泛认为是 DNA 之前的生命遗传调控者。许多研究人员甚至推测存在一个比我们自己的“RNA 世界”。这些分子会进化成第一个有生命的有机体。

核糖也难以生产。活细胞可以很好地做到这一点，但制造复杂糖的主要无机过程称为甲醛反应。它需要仔细地在实验室制备浓缩的甲醛。迈耶尔亨里希认为，类似的反应自然地发生在星际空间——没有繁琐的化学过程。“你在彗星冰中可以看到这一点，”他说。“你在早期地球表面看不到这一点。”

化学花园

然而，科学家们确实在至少一种陆地环境中看到了甲醛反应。2011 年，马克斯·普朗克胶体与界面研究所的研究人员在模拟热液喷口的环境中合成了核糖。

碱性热液喷口位于构造板块交汇处附近的海底。热水从地壳下方渗出，携带大量矿物质，为微生物群落提供化学营养。21 世纪初，探险家们在北大西洋中脊附近首次看到了这些白色烟囱的簇群。从那时起，研究人员就推测这样的喷口可能孕育了早期地球上的生命。

“你有一种‘一站式购物’的感觉，”伦斯勒理工学院的化学生物学家琳达·麦高恩说。喷口提供了能量来源、原材料和环境，使化学物质得以浓缩并发生反应。

麦高恩的实验室正在通过在玻璃容器中培育矿物烟囱并用有机物对其进行播种来检验这一想法。去年，她的团队证明，生活在喷口中的核糖核苷酸——RNA 的分子前体——可以形成短链的 RNA。将她的“化学花园”置于高压下，以模拟海底的条件，只会提高 RNA 的形成效率。尽管麦高恩的台式实验需要对烟囱的原材料进行实验室准备才能获得 RNA 连接，但她的最新研究表明，在加压条件下，未准备好的矿物质也可以起到作用。

尽管如此，麦高恩仍不愿断定达尔文的“温暖小池塘”实际上可能是一个热热液喷口。鉴于早期地球条件的持续不确定性，她认为应该保持开放的心态。

她的务实态度得到了卡内基科学研究所矿物学家罗伯特·哈森的认同，他是生命起源研究领域最受尊敬的研究人员之一。他认为，与其将不同的理论视为相互竞争，不如说“有机分子来自许多来源。”宇宙和地球都为生命做出了贡献。

新的可能性甚至正在旧的米勒装置内部酝酿。巴达重新审视了米勒 20 世纪 80 年代不成功的实验，他发现高酸度会抑制在二氧化碳大气中氨基酸的形成。通过增加碳酸盐矿物，提高了早期地球模拟的真实性，他成功地提高了 pH 值，并大量产生了氨基酸。

所有这些潜在的生命途径可能意味着我们永远无法找到达尔文最初谜题的最终答案。然而，丰富的机会有助于解决一个同样深刻的相关问题。“宇宙充满了随时可以形成和组织的分子，”哈森说。米勒和尤里在寻找地球生命来源的过程中，发现了生命在整个宇宙中的可能性。

[本文最初发表时标题为“酿造生命”。]