生命如何在地球上孕育出来?

在四十多亿年前,当太阳系形成之后不久,那时的太阳系与现在有着很大的区别。虽然那时太阳的质量略微高于现在,但光度或者说辐射功率只有现在的五分之四,因为恒星随着年龄的增长而变得越来越热。


生命如何在地球上孕育出来?

在四十多亿年前,当太阳系形成之后不久,那时的太阳系与现在有着很大的区别。虽然那时太阳的质量略微高于现在,但光度或者说辐射功率只有现在的五分之四,因为恒星随着年龄的增长而变得越来越热。在四颗靠近太阳的岩质行星中,有三个世界看起来非常相似。在那时,金星、地球和火星都有稀薄的大气层,表面有液态水,以及能够孕育生命的有机成分。

虽然我们还不清楚生命曾经是否在金星和火星上出现过,但我们知道,在地球形成仅2.6亿年之时,地球表面已经有了生命。此后经过数十亿年的演变,地球不但成为了生命存在的地方,而且成为了生命繁盛的地方。那么,生命在地球上起源时是怎样的呢?

地球上的生命都是碳基生命,并且基本上都依赖于液态水。生命都有着如下的四个共同特征:(1)生命有新陈代谢,生命会从外部获取能量和资源供自己使用;(2)生命会对外界环境的刺激做出反应,并相应地改变自己的行为;(3)生命可以生长,并适应它们的环境,或者从它们现在的形态进化成另一种形态;(4)生命可以繁殖后代,把基因延续下去。

生命如何在地球上孕育出来?

这四种特征必须同时存在,这样才能被认为是生命。雪花和晶体也可以生长和繁殖,但由于缺乏新陈代谢,它们无法被归类为活体。蛋白质有新陈代谢和繁殖能力,但它们不会对外界刺激做出反应,也不会根据它们遇到的情况改变行为。另外,病毒究竟是否是生命最具争议性,因为它们只能通过感染其他细胞来繁殖。

许多有机物质,例如,糖、氨基酸、甲酸乙酯这样的化合物,甚至像多环芳烃这样的复杂化合物,它们都存在于星际空间、小行星中,并且在早期的地球上十分丰富。然而,没有证据表明生命在地球形成之前就已经出现了。

地球是由这些原始成分构成的,核苷酸在那时的地球上或许很常见,蛋白质和蛋白质片段或许是预先组装好的,脂质层和脂质双分子层或许可以在水环境中自发形成。然而,从生命前驱体演化到生命,科学家相信这需要适宜的环境。

生命如何在地球上孕育出来?

虽然金星、地球和火星最初都可能有合适的表面重力、稀薄的大气层、液态水以及生物化学前体分子,然而,地球有一样东西是其他两颗行星没有的,或者说长期没有的,那就是月球。虽然这三颗行星可能都有机会孕育出生命,但月球给了我们其他行星可能没有的机会。

这些行星上最初存在的水量很可能足以形成海洋、湖泊和河流,但不足以使它们的表面完全被液态水覆盖。这意味着它们都有大陆和海洋,在两者的交界处,有潮汐池。在潮间带水坑中,水可以稳定地存在于陆地上,并受到各种能量梯度的影响。

太阳光、蒸发和凝结的循环、矿物存在时的多孔流体流动以及水活动的梯度,都有可能使分子以新的方式结合在一起。地球上的潮汐作用会因月球的引力而增强,但金星和火星上也都有潮汐,这是太阳引力作用的缘故。然而,地球上还有一种额外的能源,它有可能促进了地球生命的起源,但这种能源在金星和火星上可能没有地球那么多。

研究表明,地球内部的热活动对生命起源有促进作用。在海底,深海热液喷口是地质热点,这是孕育生命的绝佳候选地点。即使在今天的地球上,这些地方仍然是嗜极生物的家园。

深海热液喷口中含有巨大的能量和化学梯度,那里有形成生命的合适条件。正因为如此,科学家推测,隐藏在如今木卫二表面之下的液态水海洋中可能有生命存在。

另外,地球上还有一种地方也非常适合孕育生命——陆地上的热液场。火山活动不仅发生在海洋下面,也发生在陆地上。在淡水中,火山活动提供了额外的化学物质和能量来源。同时,在太阳光的照射下,这些区域就有可能积累起来孕育生命所需的物质。

在地球上,潮汐池、热液喷口和热液场都很常见。虽然前体分子起源于地球之外,但它们只有诸如地球这样的环境中才能从非生命自发地演变为生命。

随着时间的推移,地球发生了巨大的变化,生命也发生了巨大的变化。生命是否曾经不止一次地出现在不同的地方尚不清楚,但就目前所知的情况来看,如果重建地球上现存的每一种生物的进化树,它们都会追溯到一个共同的祖先——地球生命最后共同祖先(LUCA),它们生活在距今大约38亿至35亿年前。

通过研究现存生物体的基因组,生物学家可以了解到最后共同祖先。在地球诞生不到10亿年的时候,生命已经具备了在DNA、RNA和蛋白质之间转录和翻译信息的能力,这些机制存在于今天所有的生物体中。

虽然地质过程常常会掩盖遥远过去的生命化石记录,但古生物学家已经能够追溯到非常遥远的生命起源。人们在可以追溯到35亿年前的砂岩中发现了微生物化石,在可以追溯到38亿年前的变质沉积岩中发现了生命痕迹。

火星演化想象图

在更早、更极端的时期,岩石中某些晶体的沉积似乎源自生物过程,这表明地球可能早在43亿年前就已经孕育出生命,那时距离地球形成之后才两亿多年。据目前所知,地球有生命的历史几乎和地球本身存在的时间一样长。

虽然金星和火星可能也会像地球一样有机会孕育生命,但金星大气的剧烈变化,使它在形成之后两三亿年就变成了一个灼热的温室世界。而火星磁场的消失导致其大气被剥离,使其表面的液态水几乎消失殆尽。虽然彗星和小行星的撞击可能带来了生命所需的有机物,但所有的证据都表明,地球上的生命起源于地球,而非太阳系或者银河系的其他地方。

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