生命的起源
生命是一个行星过程 (Life is a planetary process)
- 生命的起源和功能是行星过程的一个方面，发生在存在适当条件时。
- 生命反映了太阳系的基本化学组成。
- 生命主要由六种元素组成：碳 (carbon)、氢 (hydrogen)、氮 (nitrogen)、氧 (oxygen)、硫 (sulfur)、磷 (phosphorous)。
- 水对生命至关重要：生命在水中演化，依赖水，生物体大部分质量是水，生命化学反应在水溶液中进行。
- 碳是生命的基础：能与自身及其他元素形成键，形成复杂三维结构，可在固液气三相间转换，部分分子溶于水，多种价态支持能量流动和储存。
- 生命中的四种主要有机分子：碳水化合物 (Carbohydrates)、脂质 (Lipids)、蛋白质 (Proteins)、核酸 (Nucleic Acids)。
生命有一个共同起源 (Life has a common origin)
- 生命具有显著的统一特征。
- 生命是细胞性的 (Life is cellular)。
- 所有生命使用有限数量的具有相同手性 (chirality) 的氨基酸 (amino acids)。
- 所有生命使用共同的能量途径：光合作用 (Photosynthesis) 和化能合成作用 (Chemosynthesis)。
- 新陈代谢 (Metabolism) 是生物体维持生命的化学反应集合。
- 追溯生命起源需要回溯到最古老、最简单的生物。
生命起源的概念步骤 (Conceptual steps in the path to life)
生命起源可以看作是通往第一个细胞的一系列步骤：
- 有机分子的非生物合成 (Abiotic synthesis of organic molecules)：形成生命的基本组成部分。
- 早期地球条件：高温，存在 H₂O, CO₂, N₂, H₂S, CH₄, NH₃, H₂，无 O₂ (还原性条件)。
- Miller-Urey 实验证明在模拟早期地球条件下可合成有机分子。
- 有机分子可能形成的地方：星际云、早期地球还原性大气、深海热液喷口 (hydrothermal vents)。
- 单体形成聚合物 (Formation of polymers)：单体（如氨基酸）连接形成聚合物（如蛋白质）。
- 脱水反应可能发生在蒸发环境中。
- 湿-干循环情景：单体在热的岩石/粘土/沙子上脱水聚合。
- 粘土理论 (Clay theory)：粘土晶体可能在生命起源中起作用。
- 手性选择 (Selection of chirality)：聚合物需要具有正确的手性。
- 细胞容器的形成 (Formation of cellular container)：形成细胞膜 (Cell Membrane)，由亲水分子 (hydrophilic molecules) 和疏水分子 (hydrophobic molecules) 组成。
- 可能形成原始容器 (proto-containers)。
- Sidney Fox 的实验：加热氨基酸混合物形成类蛋白质 (proteinoids) 和微球体 (microspheres)。
- 内共生假说 (endosymbiont hypothesis)：真核细胞器（如线粒体）可能起源于内共生细菌。
- 繁殖和自然选择的可能性 (Reproduction and the possibility of natural selection)：遗传物质的出现和复制。
- RNA 世界 (The RNA WORLD)：RNA 可能是第一个遗传物质。
- RNA 可非生物合成，具有催化活性 (核酶 ribozymes)。
- RNA 可通过碱基配对规则复制，实现“早期遗传”。
生命何时开始 (When did life begin?)
- 形态学证据：叠层石 (Stromatolites) 是由微生物形成的层状结构，在现代和古老岩石中均有发现。
- 微体化石 (Microfossil)：在古老岩石中发现的指示细胞生命的特征。
- 最早的生命证据：可追溯到约 3.8 ~ 3.5 亿年前，甚至有研究表明可能更早（约 3.95 亿年前）。
关于生命起源的不确定性
- 早期地球的实际条件是什么？
- 第一个复制系统如何演化和运作？
- 从分子集合到最简单的原核细胞是巨大的飞跃，需要许多小的演化步骤。
- 生命起源于地球何处仍有争议。
生命是否可能起源于地球之外？
- 随着对太阳系的了解增加，生命不局限于地球的假说受到更多关注。
- 木卫二 (Europa) 可能存在液态水海洋。
- 火星 (Mars) 过去可能温暖湿润，现在地下可能仍有生命。
- 火星被视为测试地球生命起源假说的理想地点。
- 地球上的条件可能在银河系中普遍存在。