化学实验的金凤花条件及生命起源

那么生命最初是如何在年轻的地球上丰富而变化多端的金凤花环境下得以萌生的呢？11

达尔文当初有所不知的是：类似的自然选择机制，即本地规则滤掉随机变化的机制，在大起大落的无生命世界同样适用。只要存在复杂的化学元素混合物，且有足够的自由能，分子团很自然地就会萌生其他分子，并最终创造出反应初始意图得到的分子。这可谓是一种自催化循环（autocatalytic cycle），也就是说，参与反应的元素会促使，或催化（catalyze），循环中其他元素的生成，包括原初的质料，故而实现循环往复。这种循环一旦启动，就会制造出越来越多的组件并汲取更多的食物能量，当然其结果是：其他不甚成功的反应会因食物能源短缺而被迫终止。成功的循环甚至还会伴随新食物的出现修正自身的运行机制。这种循环已经很貌似最成功的化学反应最终胜出的模式，而且有些接近生命的特性，也就是说一旦能够持续下去并通过从周围环境汲取能量实现自我复制的话。“在实现成功复制之前，”丹尼尔·丹尼特这样写道，“一定要能坚持不懈，就是说要有足够的稳定性，直到有一天能够形成自我修正的结构”。12

。这一化学进化的观念有助于说明，至少在一般意义上，生命在年轻地球上诞生所必需的前提条件。

化学进化是有环境要求的，即该环境必须元素丰富多样且能容许反复实验。由此可以想见，这种环境非常罕见。那么，化学实验所需的金凤花条件有哪些呢？为什么说年轻的地球具备这如许多的条件呢？

第一，太阳系处于银河系中一个恰到好处的位置。处于银河系外围的恒星通常有薄薄的一层化学元素团，虽然那时的元素还不是很多。恒星太靠近星系的核心，就会遭到来自中心黑洞冲击波的猛烈冲击，而我们的太阳系处于一个非常适宜的位置：太阳轨道位于距离银河系半径三分之二开外的地带，也就是我们常说的银河系中的“生命适宜带”（habitable zone）。

第二，化学反应比较适合在低温环境下进行。早期宇宙太过炽热，所以原子根本无力合成分子。恒星的中心处也如是。丰富多样的化学反应一般只在相对低温的环境中才有可能，比如在距离恒星不近也不太远的生命适宜带。地球的轨道恰好处于太阳系生命适宜带的正中央附近。金星和火星轨道分别处于太阳系生命适宜带的内外边缘处。不过我们还了解到，远离太阳的某些卫星，比如拱卫土星的土卫二（Enceladus）也可能有萌发生命所需的火炉和多种化学元素。2017年，科学家发现土卫二上面的海洋产生出氢气，而这正是地球上的早期生命赖以为生的气体。13

丰富化学反应的第三个金凤花条件是要有液体。在气体中，原子就像多动的孩子，很难让它们固定下来并与其他原子结合。而在固体中，情况正好相反：原子被锁定了。相比之下，液体更像是舞池，尤其是包含氢键的液态水，可谓最便利原子结合的舞池。在此，原子可以轻柔地滑行，可以跳华尔兹或探戈，电子也可以找到令其心怡的伙伴。液体的存在取决于化学、温度和压力。比如水只能在一个狭窄的温度范围内才呈液态（宇宙中大多数的水以冰的形式存在）。而在同一温度，气体和固体同样能够存在，这样，不同物态化学组合的机会就多多了。所以，大多数有趣的化学反应发生在行星温度在0～100℃之间，也就是水结冰和沸腾的温度。这种条件非常罕见，但地球恰好处于与太阳非常合适的距离，所以拥有丰富的液态水。(www.zuozong.com)

丰富化学反应的第四个金凤花条件是化学元素要多样化。假如只有氢和氦两种元素，那么再合适的温度也无济于事。而直至今日，在多个星系元素颇丰的区域，氢和氦还是占到了所有原子物质的98%。但化学反应需要的是一种少有的环境，即除了氢和氦，元素周期表中的其他元素也要很常见。在太阳系，这种元素多样化的条件只能在靠近太阳且多岩石的行星才具备，因为太阳在青年时期从太阳系的内部轨道蒸发掉了大量的氢和氦，只留下高密度且较重的多种化学元素。

年轻的地球一旦凝结，地球上多样化的化学元素便很快聚合而成了各式各样的岩石，其中许多是不同分子的简单组合。地球上最初的矿物质也出现了，可能只是某种简单的晶体，比如石墨或钻石。14

在这样一种化学元素丰富的环境中，构成生命体的众多分子自然而然地就出现了。我们这里所说的是包含100个原子以下的小分子，包括构成所有蛋白质的氨基酸、构建基因的材料核苷酸（nucleotide）、存储能量的碳水化合物（carbohydrate）或称糖，以及搭造细胞膜所用的油腻的磷脂（phospholipid）。在今天的环境中，这种分子不会自发形成，因为大气中的氧会将其撕裂。但在地球形成的早期，大气中还基本不存在游离氧，所以只要有足够的活化能帮助启动，这种简单的分子就自然形成了。

1952年，芝加哥大学化学系年轻的研究生斯坦利·米勒（Stanley Miller）为证实上述原理，自行设计出一个早期地球大气环境的实验模式，他把水、氨、甲烷和氢气放置进封闭的瓶管系统，然后加热并辅以电击（实验室模拟的火山爆发和电风暴），后者相当于提供活化能。仅几天以后，米勒就在瓶管中发现了一层粉泥状的氨基酸。我们现在很清楚地知道，此类简单的有机分子，包括磷脂，都可以在这种环境中生成。直到今日，米勒实验的结果依然基本成立，虽然现在我们知道了：早期地球的大气并非是由氨和氢主导，而是水汽、二氧化碳和氮气。

从那时起，我们还了解到：多种诸如此类的分子甚至在不那么有利于化学反应的星际空间也能生成，所以说许多简单有机分子有可能是彗星或小行星夹带着直接来到地球上的。比如，1969年降落至澳大利亚默奇森附近的默奇森陨星（Murchison meteorite）就夹带着数种氨基酸及在DNA中才能发现的化学基（chemical bases）。这种陨星在地球史的早期要更常见得多，这提示我们：地球在早期的时候可能已经埋下了生命种子的诸多原料，而地球自身还能够制造更多。

但细胞中大多数分子，比如蛋白质或核酸类，要比上述简单分子复杂得多，是由聚合物——长而精致的分子链——构成的，而形成聚合物本身就不是件易事。这需要恰到好处的活化能，外部环境也必须能让分子以适当的方式聚合到一起。在早期地球上，有一种可能提供聚合物生成的环境是海底的通风口（suboceanic vents），在此，来自地球内部的炽热物质汩汩地渗流到海底。这种环境不受太阳辐射的影响，也免除了地球表面遭受的陨石或小行星撞击。而且这里有相当丰富的化学元素，水源充足，热和酸的梯阶也非常充分，因为总有滚热的、化学元素丰富的岩浆渗入到寒冷的海底。而迟至2000年才被发现的碱性通风口（alkaline vents）更提供了颇为优越的环境，通风口处形成的多孔岩石恰似化学实验的保护装置，如同米勒实验时所用的瓶和管。在此甚至还可以找到黏土状表面上有规则的分子结构，足可以在上面创建物理或电极模板，以供原子在其上缠绕成型并保持静止，直到形成聚合物状链。