生命探源：科学家给出的可能框架

生命起源的问题，向来是生物学中的圣杯，也是很难验证的科技前沿问题，它发生在近40亿年前，绝大部分物质证据都早已湮没，同时又不像其他任何可以重复演示的过程，只此一次就没有观察者在自然环境下见证过第二次，同时它横跨了生物、化学、地理、地质、气候、海洋、宇宙学诸领域，涉及的已知和未知千头万绪。然而这丝毫没有驱散各领域科学家对这个问题无休止的兴趣，通过多种技术、多学科的交叉研究，已经可以给出大致的框架和演化范围，以下从多位科学家的论文综述，从何时、何地、如何产生的多角度发展出最有可能的理论。

地球上的生命起源于何处？迄今为止，有各种各样的环境都被认为是生命起源的合理地点。然而，讨论集中在化学进化的有限阶段，或原生物系统特定化学功能出现于何处。从简单的无机化合物的凝结到进化为现代生物体的自我维持系统，目前还不清楚什么样的地球化学环境可以驱动化学进化的所有阶段。

在这篇综述中，我们总结了与这个主题相关的生命前化学的理论和实验发现，包括生物必需元素N和 P，生命构件(氨基酸、多肽、核糖、核酸酶、脂肪酸、核苷酸和寡核苷酸)的非生物合成，它们聚合成生物大分子(多肽和寡核苷酸)，以及复制和区室化生物学功能的出现。

综述表明，完成化学演化至少需要以下八个反应条件: (1)还原气相、(2)碱性 PH值、(3)冷冻温度、(4)淡水、(5)干 / 干-湿循环、(6)与高能反应耦合、(7)水中加热-冷却循环、(8)生命组成单元和活性营养素的输入。这些相互排斥的必要条件清楚地表明，生命的起源不是在一个单一的环境中发生的，而是需要高度多样化和动态的环境，这些环境彼此相连，使反应产物和反应物能够通过流体运输内部循环，模拟目的模型条件下的未来实验研究有望进一步逼近生命起源的过程和机制。

地球上的生命是何时，何地，以及如何起源的？这些关于生命起源的问题，是自然科学中尚未解决的最重大问题之一。最近在地质研究方面的进展为第一个问题——生命起源的时间——提供了重要的制约条件。地球形成于大约45.3亿年前，是由大量的物体引力吸积作用形成的，其中形成月球的撞击是最具灾难性的事件(canup and asphaug，2001，kleine et al. ，2005，wood et al. ，2006)。在巨大的撞击之后，原始地球的表面在1000万至1000万年的时间里，从岩石融化温度(∼2000 k)迅速冷却到液态水的沸点以下(nisbet and sleep，2001，sleep，2010)。因此，水圈和大陆地壳早在43亿年之前就形成了(mojzsis et al. 2001 wilde et al. 2001 harrison et al. 2005)。

在地球历史的最初几亿年里，原始海洋偶尔会被称为“后期重轰炸期”的大规模陨石撞击蒸发(sleep et al. 1989 marchi et al. 2014)。液态水是生命必不可少的，而有机分子在高于100摄氏度的温度下通常是不稳定的，因此生命不太可能在轰炸时期存活下来，特别是在42亿年之前(nisbet and fowler，1996，nisbet and sleep，2001)。尽管如此，对早期太古代沉积岩中石墨碳的地球化学研究表明，地球上的生命起源于38亿年之前(mojzsis et al. ，1996，rosing，1999，ohotomo et al. ，2014)。来自 Isua 地壳带的石墨地质发现表明浮游生物可能存在于37亿年之前(rosing，1999)。如果解释是正确的，生命的起源和早期进化，应该早在那之前就已经发生了。地质证据与古细菌分子分化的系统发育分析结果一致(battistuzzi 等，2004)。分子钟分析表明，古细菌内部的第一次分化可以追溯到41亿年之前，这意味着生物体最后的共同祖先的时间更早。根据这些多重信息线索，推断地球上生命的起源大约在4.1到4.2亿年前，那么，地球上的生命起源于哪里？

迄今为止，各种各样的环境都被认为是生命起源的合理场所，包括海洋、湖泊、泻湖、潮汐池、海底热液系统等等，但是没有一个单一的环境能够为产生生命提供足够的化学和物理多样性。这个观点最近由 stueken 等人(2013)提出，表明化学进化需要不同的地球化学过程之间复杂的相互作用。根据这个建议，Dohm 和 Maruyama (2015)提出了一个宜居环境的新概念。

“环境三位一体”的概念，涉及到存在的大气、水和陆地，它们之间由太阳驱动进行连续的物质循环。这个环境是生命出现的最低要求之一。由生命体(C、 H、 O、 N 和营养素)组成的元素由三个组成部分提供: 大气(C 和N)、水(H 和 O)和陆地(营养素)。虽然原始大陆的存在和组成一直处于激烈的争论之中(Harrison，2009年) ，丸山等人(2013年)推测在哈迪恩地球上曾经存在过一个巨大的陆块(图1)。

它由几十公里厚的斜长岩地壳和覆盖物以及 KREEP(钾、稀土元素和磷)的岩脉组成，类似于在月球上观察到的玄武岩。在大陆表面，蛇纹石热液系统分布于局部的富氢碱性环境中。在地热田附近的一个池塘里，风化、侵蚀和富营养化的岩石运输，提供了持续和丰富的营养元素(例如K和P)。池塘的岸上有利于通过干湿循环导致生物分子聚合的脱水反应(马尔基贾尼安，2012a，马尔基贾尼安，2012b，Stueken 等人，2013)。地热田也使太阳光作为能源，促进各种有机物质的参与，这些物质是通过大气反应产生或由外星物体传递的。以上提出的环境似乎包括了迄今为止提出的几乎所有有利于生命化学进化的地球化学环境。因此，值得考虑的是，陆地环境是否足以推动化学进化的所有阶段，从简单无机分子(如二氧化碳)的凝聚到最早生命的出现。

生命通常拥有以下三个属性: (1)区室化：将其组成成分保持在一起并从环境中把自己区分开，(2)复制：处理和传递遗传信息给后代的能力，(3)新陈代谢：获取能量和物质资源的能力，远离热力学平衡(图2; nakashima et al. ，2001，ruiz-mirazo et al. ，2004，ruiz-mirazo et al. ，2014)。所有这些功能都是由 Dna、 Rna、蛋白质和磷脂等生物聚合物控制的(图2)。磷脂是由两种脂肪酸酯化成的甘油磷酸酯分子组成。 DNA和 RNA 是由核苷(由(脱氧)核糖和核酸酶组成)与磷酸二酯键结合而成，而蛋白质是由肽键连接在一起的氨基酸组成(图2)。通常认为这些重要成分是无机合成的，聚集在某个地方，凝聚成聚合物，相互作用，最终通过原始地球上的自然现象进化成一个自我维持的系统。为了探索这些过程的最合理条件，各个实验室对有机单体的合成、积累和聚合等多个步骤，已经进行了大量的模拟。

迄今为止，多个不同的环境被认为有利于生命前化学起源(deamer 等人，2006，ricardo and szostak，2009，benner 等人，2012，mulkidjanian 等人，2012a，mulkidjanian 等人，2012b)。然而，这些讨论集中在化学进化的有限阶段，或原生物系统特定化学功能的出现。

为了涵盖所有阶段，总结了已报道的生命起源前化学的实验和理论发现，包括生物必需元素N和 P，生命构件(氨基酸、多肽、核糖、核酸酶、脂肪酸、核苷酸和寡核苷酸)的非生物合成，它们聚合成生物大分子(多肽和寡核苷酸)，以及复制和区室化生物学功能的出现，提出这些关键用来表明从头到尾完成化学进化所必需的反应条件，正如下图所示。