《生物学》课程教学资源（教材讲义）第一部分 生命的起源 第4章 生命的起源与早期演化

第4章生命的起源与早期演化要点概述4.1所有生命具有相同的关键特征。生命是什么？总体来说，所有已知的生命具有一些相同的特征，在很大程度上我们正是以这些共同特征来定义生命。4.2对于生命起源的认识众说纷绘。生命起源的理论。对生命起源既有宗教的观点又有科学的观点。下文仅对后者加以讨论一因为只有后者是可以用实验检验的科学家对生命起源的地点存在争议。原始地球大气富含氢，为有机物质的形成提供了大量的高能电子。米勒一尤里（Miller一Urey)实验。科学家们力图用实验再现原始地球产生许多重要的生命物质的条件。4.3最初的细胞只具有很简单的内部结构。生命起源的理论。早期细胞被认为自发产生，但对其具体过程未能达成共识。早期细胞。最早的细胞化石是细菌化石，其外观之小肉眼无法识别。4.4最初的真核细胞比细菌大而复杂。最初的真核细胞。最早的真核细胞化石直到15亿年前才出现一一在细菌出现之后至少20亿年。真核细胞中的四个界是多细胞生物地球之外也发生过生命的进化历程吗？似乎在我们的星球之外也发生过生命的进化过程。这种推测的根据之一，来自木星的一个卫星一一欧罗巴（Europa）。在它表面下的温水中，可能有生命的存在。许多科学家为生命在地球上的起源勾勒了各种有趣的图景，但我们能确切证实的很少。新的假说不断被提出，旧的理论也在不断被重新评价。在本书正式出版之时，本章中提出的一些生命起源的理论已经明显过时了。因此，那些存在争议的观点将以一种开放的形式放在本章中，力求表示这样一个事实：关于地球上的生命起源到现在尚无统一的答案。虽然哈勃天文望远镜最近拍摄到的照片使

第4章 生命的起源与早期演化 要点概述 4.1 所有生命具有相同的关键特征。 生命是什么？总体来说，所有已知的生命具有一些相同的特征，在很大程度 上我们正是以这些共同特征来定义生命。 4.2 对于生命起源的认识众说纷纭。 生命起源的理论。对生命起源既有宗教的观点又有科学的观点 。 。下文仅对后 者加以讨论——因为只有后者是可以用实验检验的。 科学家对生命起源的地点存在争议。原始地球大气富含氢，为有机物质的形 成提供了大量的高能电子。 米勒－尤里(Miller－Urey)实验。科学家们力图用实验再现 。 原始地球产生许多 重要的生命物质的条件。 4.3 最初的细胞只具有很简单的内部结构。 生命起源的理论。早期细胞被认为自发产生 。 ，但对其具体过程未能达成共识。 早期细胞。最早的细胞化石是细菌化石 。 ，其外观之小肉眼无法识别。 4.4 最初的真核细胞比细菌大而复杂。 最初的真核细胞。最早的真核细胞化石直到 。 15 亿年前才出现——在细菌出现 之后至少 20 亿年。真核细胞中的四个界是多细胞生物。 地球之外也发生过生命的进化历程吗？似乎在我们的星球之外也发生过生 ？ 命的进化过程。这种推测的根据之一，来自木星的一个卫星——欧罗巴（Europa）。 在它表面下的温水中，可能有生命的存在。 许多科学家为生命在地球上的起源勾勒了各种有趣的图景，但我们能确切 证实的很少。新的假说不断被提出，旧的理论也在不断被重新评价。在本书正式 出版之时，本章中提出的一些生命起源的理论已经明显过时了。因此，那些存在 争议的观点将以一种开放的形式放在本章中，力求表示这样一个事实：关于地球 上的生命起源到现在尚无统一的答案。虽然哈勃天文望远镜最近拍摄到的照片使

宇宙的年龄又起争议，但有一点很清楚地球是在大约46亿年前形成的。最古老的生命的直接证据一一古岩石中的微生物化石一一形成时间是35亿年前。生命起源似乎仅仅是将物理条件与化学过程正确地结合(图4.1)。4.1所有生命具有相同的关键特征。46亿年前刚刚形成的地球是一大团炽热的熔岩。随着它慢慢冷却，大气中的水蒸汽便凝结成液态水，汇聚在化学成图4.1生命的起源。在恰当的时间分丰富的海洋中。生命起源的场景之一便和地点，物理事件和化学因素联合是这稀释的，散发着难闻气味的“热汤”。作用，创造了地球上第一批有生命的细胞。其中富含氨、甲醛、甲酸、氰化物、甲烷、硫化氢和各种烷烃。无论在大洋的边缘，抑或是深海的水热喷口，还是别的什么地方，科学家们已达成共识，生命就是在不到40亿年前自发产生于这样的早期水体中。然而，生命发生的具体过程还是一个谜，一个疑问总是紫绕在每个人的心头一一生命起源的最初步骤是怎么样的？正是这些步骤产生了后来的这个生物界，包括我们自身在内。生命究竞是怎样从原始海洋中游代着的复杂分子进化来的?生命是什么？

图 4.1 生命的起源。在恰当的时间 。 和地点，物理事件和化学因素联合 作用，创造了地球上第一批有生命 的细胞。 宇宙的年龄又起争议，但有一点很清楚， 地球是在大约 46 亿年前形成的。最古老的 生命的直接证据——古岩石中的微生物化 石——形成时间是 35 亿年前。生命起源似 乎仅仅是将物理条件与化学过程正确地结 合(图 4.1)。 4.1 所有生命具有相同的关键特征 4.1 所有生命具有相同的关键特征。 46 亿年前刚刚形成的地球是一大 团炽热的熔岩。随着它慢慢冷却，大气中 的水蒸汽便凝结成液态水，汇聚在化学成 分丰富的海洋中。生命起源的场景之一便 是这稀释的，散发着难闻气味的“热汤”。 其中富含氨、甲醛、甲酸、氰化物、甲烷、 硫化氢和各种烷烃。无论在大洋的边缘，抑或是深海的水热喷口，还是别的什么 地方，科学家们已达成共识，生命就是在不到 40 亿年前自发产生于这样的早期 水体中。然而，生命发生的具体过程还是一个谜，一个疑问总是萦绕在每个人的 心头——生命起源的最初步骤是怎么样的？正是这些步骤产生了后来的这个生 物界，包括我们自身在内。生命究竟是怎样从原始海洋中游弋着的复杂分子进化 来的？ 生命是什么？

在我们回答这个问题之前，必须先考虑一点：什么才可以称之为“生命”。生命是什么？这是一个很难回答的问题，很大程度上是因为生命本身不是一个简单的概念。如果你想对生命下一个定义，你会发现这不是一件轻易的事，因为这个词使用的范围很宽泛。假想两个宇航员在某个行星的表面遭遇一大团没有一定形状的块状物，他们怎么断定那是不是生命？图4.2运动。动物进化出可以在环境中自由移动的机能。有些动物，如长颈鹿，在陆地上运动，有些动物则在水中或空中运动。运动（movement）首先这两名宇航员要做的是就是观察这团块状物能否运动。大多数动物具有运动能力，但能从一处移动到另一处（图4.2）并不能作为是否是生命的判别依据。大多数植物甚至有些动物都不能运图4.3敏感性。这头雄狮子的幼仔在咬它的尾部，它正在对动，而无数的非生物这一刺激作出反应。就我们所知，所有的生物都能对刺激做体，比如云，却可以出反应一一虽然并不总是对同样的刺激，做出的反应也未必相同。如果小狮子去咬树，而不是它父亲，反应就不会这样移动。因此，运动作明显。为判别依据既不是必要的（所有生命都有），也不充分（只有生命才有）

图 4.2 运动。动物进化出可以在环境中自由移动 。 的机能。有些动物，如长颈鹿，在陆地上运动， 有些动物则在水中或空中运动。 图 4.3 敏感性。这头雄狮子的幼仔在咬它的尾部，它正在对 这一刺激作出反应。就我们所知，所有的生物都能对刺激做 出反应——虽然并不总是对同样的刺激，做出的反应也未必 相同。如果小狮子去咬树，而不是它父亲，反应就不会这样 明显。 在我们回答这个问题之前， 必须先考虑一点：什么才可以称 之为“生命”。生命是什么？这是 一个很难回答的问题，很大程度 上是因为生命本身不是一个简单 的概念。如果你想对生命下一个 定义，你会发现这不是一件轻易 的事，因为这个词使用的范围很 宽泛。 假想两个宇航员在某个行星 的表面遭遇一大团没有一定形状 的块状物，他们怎么断定那是不 是生命？ 运动(movement) 首先这两 名宇航员要做的是就 是观察这团块状物能 否运动。大多数动物 具有运动能力，但能 从一处移动到另一处 （图 4.2）并不能作为 是否是生命的判别依 据。大多数植物甚至 有 些 动 物 都 不 能 运 动，而无数的非生物 体，比如云，却可以 移动。因此，运动作 为判别依据既不是必 要的（所有生命都有），也不充分（只有生命才有）

敏感性(sensitivity)。宇航员还可能试探这团物体能否对刺激做出反应。所有的生命都对刺激产生反应（图4.3）。植物向光生长，动物遇火退缩。但不是所有的刺激都能令生物做出反应，比如去敲击红杉树或是对着冬眠的熊放声歌唱。这个判别依据，虽然优于上一个，但仍不适合用来定义生命。死亡(death)。也许，宇航员会试图杀死那个块团。所有的生命都会死亡，而非生命则不会。死亡与损坏并不容易区分，一辆车的完全损坏并不意味着死亡，因为它不曾有过生命。死亡是生命的失去，那么充其量只是一个循环定义。除非能检测到生，否则死亡只是一个毫无意义的概念，对判断生命来说远远不够。复杂性(complexity)。最终，宇航员可能切开这个块团来看看它是否结构复杂。生命是复杂的，甚至最简单的细菌也包含了令人眼花缭乱的分子排布一一它们形成许多复杂的内部结构。然而，一台电脑也是复杂的，但却不是生命。复杂性是生命必备的，却不能作为充分条件来鉴别生命，因为许多无生命物体同样有复杂的结构。为了最后确定那团物质是不是生命，宇航员必须知道更多关于生命的信息。很有可能，他们所能做的最佳决策是仔细检查它是否与已知生命相似。如果这么做，又该怎么检查呢？生命的基本特征正如我们在第一章中讨论过的，所有已知的生命都具有某些普遍特征，在很大程度上我们正是以这些共同特征来定义生命。以下这些特征是地球生物所共有的：细胞结构(cellularorganization)。所有生物由一个或多个细胞组成，细胞是束缚在膜内的各种分子复杂而有序的集合体（图4.4）。敏感性。所有的生物能对刺激做出反应，虽然每次对于同样的刺激做出的反应未必相同。生长现象(growth)。所有生物都吸收能量用于生长，这一过程称为代谢。植物、藻类还有一些细菌以CO2和H2O为原料，通过光合作用形成共价的C一C键。这一蕴藏在共价键中的能量转移对于生命意义重大。发育(development)。伴随着生长和成熟，多细胞生物在基因调控下进行系统性

敏感性(sensitivity)。宇航员还可能试探这团物体能否对刺激做出反应 。 。所有 的生命都对刺激产生反应（图 4.3）。植物向光生长，动物遇火退缩。但不是所有 的刺激都能令生物做出反应，比如去敲击红杉树或是对着冬眠的熊放声歌唱。这 个判别依据，虽然优于上一个，但仍不适合用来定义生命。 死亡(death)。也许，宇航员会试图杀死那个块团。所有的生命都会死亡，而 非生命则不会。死亡与损坏并不容易区分，一辆车的完全损坏并不意味着死亡， 因为它不曾有过生命。死亡是生命的失去，那么充其量只是一个循环定义。除非 能检测到生，否则死亡只是一个毫无意义的概念，对判断生命来说远远不够。 复杂性(complexity)。最终，宇航员可能切开这个块团来看看它是否结构复 杂。生命是复杂的，甚至最简单的细菌也包含了令人眼花缭乱的分子排布——它 们形成许多复杂的内部结构。然而，一台电脑也是复杂的，但却不是生命。复杂 性是生命必备的，却不能作为充分条件来鉴别生命，因为许多无生命物体同样有 复杂的结构。 为了最后确定那团物质是不是生命，宇航员必须知道更多关于生命的信息。 很有可能，他们所能做的最佳决策是仔细检查它是否与已知生命相似。如果这么 做，又该怎么检查呢？ 生命的基本特征 正如我们在第一章中讨论过的，所有已知的生命都具有某些普遍特征，在 很大程度上我们正是以这些共同特征来定义生命。以下这些特征是地球生物所共 有的： 细胞结构(cellular organization)。所有生物由一个或多个细胞组成 。 ，细胞是束缚 在膜内的各种分子复杂而有序的集合体（图 4.4）。 敏感性。所有的生物能对刺激做出反应，虽然每次对于同样的刺激做出的反应未 必相同。 生长现象(growth)。所有生物都吸收能量用于生长 。 ，这一过程称为代谢。植物、 藻类还有一些细菌以 CO2 和 H2O 为原料，通过光合作用形成共价的 C－C 键。 这一蕴藏在共价键中的能量转移对于生命意义重大。 发育(development)。伴随着生长和成熟 。 ，多细胞生物在基因调控下进行系统性

的变化。繁殖(reproduction)。所有的生物都会繁殖，将遗传性状传给下一代。虽然有些生物寿命很长，但就目前所知，没有哪种生物能长生不老。由于所有的生命都难逃一死，没有繁殖是不可能有生命的延续的。调节(regulation)。所有的生物体都具有一定的调节机制，使体内各种代谢过程协调进行。内稳态(homeostasis)。所有图4.4细胞结构（150X）。这些具有复杂的单细胞结构的草的生物体保持相对稳定的履虫属于原生生物。在照片上中它们刚刚春食进一些酵母细胞。照片中红色的酵母细胞被封进膜包裹的囊泡中，这内环境，不受体外环境波种囊泡结构称为食物泡。还可以见到一些其他细胞器。动的影响。遗传扮演关键的角色以上这些特征足够用来定义生命了吗？只要是被膜包裹的，可以生长和增殖的东西就可以说是活的吗？不一定。肥皂泡和类蛋白微球体自发地形成包住少量水分的球体，这些球体可以含有产生能量的分子，同时它们可以长大和分裂。尽管具备这些特征，他们显然不能称为生命。因此，刚才所列举的标准，尽管是生命必需的，却不足够用来定义生命。有一点被忽略了一保持生命进步的机制。遗传(heredity)。基于被称为脱氧核糖核酸（DNA）的一种长链大分子的复制机制，所有地球生命拥有一套遗传系统。这种机制产生了长时期以来的适应和进化同时造成了生物的不同特征。为了理解遗传在定义生命中的作用，让我们回顾一下类蛋白微球体。当我们逐个审视微球体的时候，我们只是看到了它某一刻的形态，而对它的祖先一无所知，同样我们也丝毫不能预测它未来的变化。球体微粒只是被动地受变化的环境影响，从这层意义来讲，它不能被称为生命。生命的精髓是具有产生变异，并能通过繁殖将这种变异的结果永久遗传给后代的能力。因此，遗传成为生命与非生

图 4.4 细胞结构（150X）。这些具有复杂的单细胞结构的草 履虫属于原生生物。在照片上中它们刚刚吞食进一些酵母 细胞。照片中红色的酵母细胞被封进膜包裹的囊泡中，这 种囊泡结构称为食物泡。还可以见到一些其他细胞器。 的变化。 繁殖(reproduction)。所有的生物都会繁殖 。 ，将遗传性状传给下一代。虽然有些 生物寿命很长，但就目前 所知，没有哪种生物能长 生不老。由于所有的生命 都难逃一死，没有繁殖是 不可能有生命的延续的。 调节(regulation)。所有的 生物体都具有一定的调节 机制，使体内各种代谢过 程协调进行。 内稳态(homeostasis)。所有 的生物体保持相对稳定的 内环境，不受体外环境波 动的影响。 遗传扮演关键的角色 以上这些特征足够用来定义生命了吗？只要是被膜包裹的，可以生长和增殖 的东西就可以说是活的吗？不一定。肥皂泡和类蛋白微球体自发地形成包住少量 水分的球体，这些球体可以含有产生能量的分子，同时它们可以长大和分裂。尽 管具备这些特征，他们显然不能称为生命。因此，刚才所列举的标准，尽管是生 命必需的，却不足够用来定义生命。有一点被忽略了——保持生命进步的机制。 遗传(heredity)。基于被称为脱氧核糖核酸（DNA）的一种长链大分子的复制机 制，所有地球生命拥有一套遗传系统。这种机制产生了长时期以来的适应和进化， 同时造成了生物的不同特征。 为了理解遗传在定义生命中的作用，让我们回顾一下类蛋白微球体。当我们 逐个审视微球体的时候，我们只是看到了它某一刻的形态，而对它的祖先一无所 知，同样我们也丝毫不能预测它未来的变化。球体微粒只是被动地受变化的环境 影响，从这层意义来讲，它不能被称为生命。生命的精髓是具有产生变异，并能 通过繁殖将这种变异的结果永久遗传给后代的能力。因此，遗传成为生命与非生

命的分水岭。生物体的变化，必须遗传给下一代才可以称之为进化，而遗传系统是生命的充分条件。一些能够便生物体更好地生存在严酷环境中的变异被保留下来，其余的则丢失了。生命必须进化一一能够进化正是生命的精髓所在。所有的地球生命具有细胞结构、遗传能力和一些其他方面的特征，这些被共同用来定义生命。4.2对于生命起源的认识众说纷绘。生命起源的理论我们无法让时光倒流去亲眼目赌生命的开始，那段历史也没有给今天留下任何目击者，所以到底最初的生命是如何起源的这个问题并不易回答。虽然地球的岩层能提供一些证据，但难以清楚地解读，而面临争端时岩石只会保持沉默。关于生命的起源，在理论上至少有以下三种可能：1.特创论(specialcreation)。某种神力或超自然力使生命形式降临在地球上。2.地外起源论(extraterrestrialorigin)。生命并非起源自地球，而是从地外行星来到地球上。3.自然发生论(spontaneousorigin)。生命由无生命的物质进化而来，在这一过程中，组成生命的化学物质间的联系越来越复杂。特创论。关于上帝或者某种神创造了生命的理论，是绝大多数宗教教义的核心内容。这是最古老同时也是最被广泛接受的生命起源的理论。举个例子来说，相信上帝创造各种生物的美国人数远远多于相信其他两种假说的人数。许多人甚至更为极端地认为，圣经关于上帝创造生命的故事是确凿无误的。这种观点形成了非常不科学的“科学神创论”的基础，将在21章中论及。地外起源论。泛种论（panspermia）或称生源说，认为流星或者宇宙尘埃可能携带着相当数量的复杂有机物质来到了地球，由此引发了生命的进化。成千上万的流星和彗星曾经撞到了早期地球上，最近的发现显示其中一部分的确携带了有机物质。其他行星也不排除存在生命的可能。比如，木星的卫星之一一一欧罗巴（Europa）冰层包裹的表面下液态水的发现，以及火星陨石中的化石所显示的迹象，都增强了这一想法的可信度。关于早期含碳物质的地外来源的假说虽然还

命的分水岭。生物体的变化，必须遗传给下一代才可以称之为进化，而遗传系统 是生命的充分条件。一些能够使生物体更好地生存在严酷环境中的变异被保留下 来，其余的则丢失了。生命必须进化——能够进化正是生命的精髓所在。 所有的地球生命具有细胞结构、遗传能力和一些其他方面的特征 、遗传能力和一些其他方面的特征，这些被 共同用来定义生命。 4.2 对于生命起源的认识众说纷纭 4.2 对于生命起源的认识众说纷纭。 生命起源的理论 我们无法让时光倒流去亲眼目睹生命的开始，那段历史也没有给今天留下任 何目击者，所以到底最初的生命是如何起源的这个问题并不易回答。虽然地球的 岩层能提供一些证据，但难以清楚地解读， 而面临争端时岩石只会保持沉默。 关于生命的起源，在理论上至少有以下三种可能： 1.特创论(special creation)。某种神力或超自然力使生命形式降临在地球上 。 。 2.地外起源论(extraterrestrial origin)。生命并非起源自地球 。 ，而是从地外行 星来到地球上。 3.自然发生论(spontaneous origin)。生命由无生命的物质进化而来 。 ，在这一 过程中，组成生命的化学物质间的联系越来越复杂。 特创论。关于上帝或者某种神创造了生命的理论，是绝大多数宗教教义的核 心内容。这是最古老同时也是最被广泛接受的生命起源的理论。举个例子来说， 相信上帝创造各种生物的美国人数远远多于相信其他两种假说的人数。许多人甚 至更为极端地认为，圣经关于上帝创造生命的故事是确凿无误的。这种观点形成 了非常不科学的“科学神创论”的基础，将在 21 章中论及。 地外起源论。泛种论（panspermia）或称生源说，认为流星或者宇宙尘埃可 能携带着相当数量的复杂有机物质来到了地球，由此引发了生命的进化。成千上 万的流星和彗星曾经撞到了早期地球上，最近的发现显示其中一部分的确携带了 有机物质。其他行星也不排除存在生命的可能。比如，木星的卫星之一——欧罗 巴（Europa）冰层包裹的表面下液态水的发现，以及火星陨石中的化石所显示的 迹象，都增强了这一想法的可信度。关于早期含碳物质的地外来源的假说虽然还

未被证实，但具有可检验性。实际上，美国国家航空和宇宙航行局（NASA）正着手一项欧罗巴登陆计划，希望能钻透其表面，再放入探测器来寻找究竞有无生命。自然发生论。大多数科学家目前接受“自然发生论”这一假说，认为生命由无生命的物质进化而来。按照这一观点，导致生命起源的力量是选择。当分子水平的变化增强了其稳定性使之更易长久存在时，这些变化将引发分子之间错综复杂的相互作用，最终进化形成细胞。科学的视角在本书中我们将着重探讨后两种假说，力图弄清楚单纯自然的力量能否导致生命的起源。如果能的话，这个过程又可能是怎样发生的。这并不是暗示第一种假说就肯定是错误，。三种假说都有正确的可能，况且后两种可能性并未排除神学和宗教（比如神力在进化过程中也可能起过作用）。然而，我们必须把我们的研究范围限制在对科学问题的探讨内，而仅有后两种可能性属于能够检验的假说。也就是说，二者的理论能够用实验来检验正确与否。在我们寻求答案时，我们必须回顾生命的早期历史。在35亿年前的岩层中，出现过简单的生命一一细菌的化石，这意味着生图4.5闪电。生命出现以前，地命在我们这个星球第一个10亿年的历史中便球大气中的简单分子相互化合已发生。为确定生命发生的过程，我们将首成较为复杂的分子。推动这些化学反应的能量可能来自雷电和先关注有机物是怎样产生的（图4.5)，然后再各种形式的地热能。考虑这些有机物怎样组成严整的细胞结构。目前仅有地外起源论和自然发生论是可检验的关于生命起源的假说

图 4.5 闪电。生命出现以前 。 ，地 球大气中的简单分子相互化合 成较为复杂的分子。推动这些化 学反应的能量可能来自雷电和 各种形式的地热能。 未被证实，但具有可检验性。实际上，美国国家航空和宇宙航行局（NASA）正 着手一项欧罗巴登陆计划，希望能钻透其表面，再放入探测器来寻找究竟有无生 命。 自然发生论。大多数科学家目前接受“自然发生论”这一假说，认为生命由 无生命的物质进化而来。按照这一观点，导致生命起源的力量是选择。当分子水 平的变化增强了其稳定性使之更易长久存在时，这些变化将引发分子之间错综复 杂的相互作用，最终进化形成细胞。 科学的视角 在本书中我们将着重探讨后两种假说， 力图弄清楚单纯自然的力量能否导致生命的 起源。如果能的话，这个过程又可能是怎样 发生的。这并不是暗示第一种假说就肯定是 错误，。三种假说都有正确的可能，况且后两 种可能性并未排除神学和宗教（比如神力在 进化过程中也可能起过作用）。然而，我们必 须把我们的研究范围限制在对科学问题的探 讨内，而仅有后两种可能性属于能够检验的 假说。也就是说，二者的理论能够用实验来 检验正确与否。 在我们寻求答案时，我们必须回顾生命 的早期历史。 在 35 亿年前的岩层中，出现 过简单的生命——细菌的化石，这意味着生 命在我们这个星球第一个 10 亿年的历史中便 已发生。为确定生命发生的过程，我们将首 先关注有机物是怎样产生的(图 4.5)，然后再 考虑这些有机物怎样组成严整的细胞结构。 目前仅有地外起源论和自然发生论是可检验的关于生命起源的假说

科学家对生命起源的地点存在争议虽然绝大多数研究人员一致认为，最初形态的生命随着原始地球的冷却和岩层的形成而出现，仍有少数人对此持有异议。生命起源于大洋边缘吗？随着对地球早期历史了解的增多，我们发现最早的生命极有可能出现并生活于高温环境下。从46亿年前到38亿年前的这段时间内，来自正在生长的太阳系的碎石不断撞击地球，使其表面保持高温熔化状态。当这一轰击逐渐停息，温度随之下降。到大约38亿年前，海水温度据推测降到了49℃到88℃之间（华氏120到190度）。在38亿年前到35亿年前期间，地球刚刚冷却到可以定居时，生命就出现了。也就是说，早期地球那种炼狱一般的高温，尽管今天的我们决不能忍受，当时却产生了生命。地球化学家们对原始大气的确切组成很少达成共识，一种普遍的观点是它主要包含二氧化碳（CO2）和氮气（N2），同时含有相当数量的水蒸汽（H2O）。原始大气可能还含有氢气（H2）以及氢元素与其他一些轻元素（硫，氮和碳）共价结合而成的化合物，如硫化氢（H2S），氨气（NH3）和甲烷（CH4）。因为它具有充足的能提供电子的氢原子，我们把这样的大气称作还原型的大气。在这种还原型大气中，形成生命必需的含碳有机物所消耗的能量要少于今天的大气。这种还原型的大气的成分，主要是根据当时环境中氧气的贫乏所做的推断。在含氧大气中，氨基酸和糖类会自发地与氧气发生反应，生成二氧化碳和水。这样的话，作为生命基石的氨基酸将不能稳定存在，也就不能聚合成有机大分子。一旦生命开始进行光合作用，大气的成分便发生了改变。光合作用利用太阳的光能在裂解水的同时形成复杂的有机分子，这一过程中会有气态氧气的放出。今天大气中约含21%的氧气。这一假说的批评者指出，在地球早期岩层中并无碳酸盐类的存在。这意味着当时的二氧化碳被都局限在大气内。如果是这样的话，生命出现以前的大气就不会是还原型的。这一假说的另一个问题是，生命出现以前的大气如果没有氧气存在的话，也就不会有臭氧。而没有臭氧层的保护，任何形成的有机物都会在紫外线的照射下

科学家对生命起源的地点存在争议 虽然绝大多数研究人员一致认为，最初形态的生命随着原始地球的冷却和岩 层的形成而出现，仍有少数人对此持有异议。 生命起源于大洋边缘吗？ 随着对地球早期历史了解的增多，我们发现最早的生命极有可能出现并生活 于高温环境下。从 46 亿年前到 38 亿年前的这段时间内，来自正在生长的太阳系 的碎石不断撞击地球，使其表面保持高温熔化状态。当这一轰击逐渐停息，温度 随之下降。到大约 38 亿年前，海水温度据推测降到了 49℃到 88℃之间（华氏 120 到 190 度）。在 38 亿年前到 35 亿年前期间，地球刚刚冷却到可以定居时， 生命就出现了。也就是说，早期地球那种炼狱一般的高温，尽管今天的我们决不 能忍受，当时却产生了生命。 地球化学家们对原始大气的确切组成很少达成共识，一种普遍的观点是它主 要包含二氧化碳（CO2）和氮气（N2），同时含有相当数量的水蒸汽（H2O）。原 始大气可能还含有氢气（H2）以及氢元素与其他一些轻元素（硫，氮和碳）共价 结合而成的化合物，如硫化氢（H2S），氨气（NH3）和甲烷（CH4）。 因为它具有充足的能提供电子的氢原子，我们把这样的大气称作还原型的大 气。在这种还原型大气中，形成生命必需的含碳有机物所消耗的能量要少于今天 的大气。 这种还原型的大气的成分，主要是根据当时环境中氧气的贫乏所做的推断。 在含氧大气中，氨基酸和糖类会自发地与氧气发生反应，生成二氧化碳和水。这 样的话，作为生命基石的氨基酸将不能稳定存在，也就不能聚合成有机大分子。 一旦生命开始进行光合作用，大气的成分便发生了改变。光合作用利用太阳的光 能在裂解水的同时形成复杂的有机分子，这一过程中会有气态氧气的放出。今天 大气中约含 21％的氧气。 这一假说的批评者指出，在地球早期岩层中并无碳酸盐类的存在。这意味着 当时的二氧化碳被都局限在大气内。如果是这样的话，生命出现以前的大气就不 会是还原型的。 这一假说的另一个问题是，生命出现以前的大气如果没有氧气存在的话，也 就不会有臭氧。而没有臭氧层的保护，任何形成的有机物都会在紫外线的照射下

很快分解。其他观点如果生命不是在起源于还原型大气的覆盖下的大洋边缘，它起源于哪里呢？在大洋的冰层下。一种假说认为生命起源于大洋的冻层下，仿佛现在覆盖未星的卫星一—Europa的冰层。然而，一切已有的证据都表明，原始地球温度之高，使冰冻层存在的可能性极小。在地壳的深处。这一假说认为生命起源于地壳的深处。GunterWachtershauser于1988年提出，生命可能是作为火山活动的副产品而出现的。在铁和镍的硫化物作为催化剂的作用下，火山喷发出的气体经过一系列重组，形了生命的结构原料。在后来的工作中，他和他的同事利用这一不导常的化学过程合成了氨基酸的前身（虽然他们并未成功地合成出氨基酸），并且将氨基酸联结成多肽。这一假说的批评者指出，他们实验中所使用的化学试剂的浓度，远远高出自然界所能形成的情况。在粘土中。另一些研究者们提出一种不寻常的假想一一生命是硅酸盐表面的化学反应的终产物。粘土的表面带有足以吸引有机分子的正电荷，加上它的斥水性，为生命的化学进化过程提供了潜在的反应场所。虽然听起来很有趣，但鲜有证据表明这一过程确实发生过。在深海的水热喷口。这一观点正变得越来越流行。它认为，构成生命的化学物质，在海底的水热喷口中的金属硫化物上被合成，生命随后就起源于那里。硫化物的作用，可能是本身带有的正电荷吸引了带有负电的有机物分子。一定程度上，这种观点的流行是由于一门新兴学科一一基因组学研究的结果，它表明目前地球上原核生物的祖先和栖息在深海水热喷口的细菌具有最近的亲缘关系，没有人能确定生命的起源究竟是发生在大洋边缘、大洋的冰层下、地壳的深处、粘土中还是深海的水热喷口。也许终有一天，其中之一会得到确证；或者，也许真正正确的理论还没有被提出

很快分解。 其他观点 如果生命不是在起源于还原型大气的覆盖下的大洋边缘，它起源于哪里呢？ 在大洋的冰层下。一种假说认为生命起源于大洋的冻层下 。 ，仿佛现在覆盖木 星的卫星——Europa 的冰层。然而，一切已有的证据都表明，原始地球温度之 高，使冰冻层存在的可能性极小。 在地壳的深处。这一假说认为生命起源于地壳的深处 。 。Gunter Wachtershauser 于 1988 年提出，生命可能是作为火山活动的副产品而出现的。在铁和镍的硫化 物作为催化剂的作用下，火山喷发出的气体经过一系列重组，形了生命的结构原 料。在后来的工作中，他和他的同事利用这一不寻常的化学过程合成了氨基酸的 前身（虽然他们并未成功地合成出氨基酸），并且将氨基酸联结成多肽。这一假 说的批评者指出，他们实验中所使用的化学试剂的浓度，远远高出自然界所能形 成的情况。 在粘土中。另一些研究者们提出一种不寻常的假想——生命是硅酸盐表面的 化学反应的终产物。粘土的表面带有足以吸引有机分子的正电荷，加上它的斥水 性，为生命的化学进化过程提供了潜在的反应场所。虽然听起来很有趣，但鲜有 证据表明这一过程确实发生过。 在深海的水热喷口。这一观点正变得越来越流行 。 。它认为，构成生命的化学 物质，在海底的水热喷口中的金属硫化物上被合成，生命随后就起源于那里。硫 化物的作用，可能是本身带有的正电荷吸引了带有负电的有机物分子。一定程度 上，这种观点的流行是由于一门新兴学科——基因组学研究的结果，它表明目前 地球上原核生物的祖先和栖息在深海水热喷口的细菌具有最近的亲缘关系。 没有人能确定生命的起源究竟是发生在大洋边缘、大洋的冰层下、地壳的 深处、粘土中还是深海的水热喷口。也许终有一天，其中之一会得到确证；或者， 也许真正正确的理论还没有被提出

当生命首次在地球上出现的时候，环境温度相当高。所有自然发生论的假说都假定，构成生命的有机物是在那个时候自发产生的。其具体过程则存在争议。米勒一尤里实验Electrodes在早期探求有机物的最dischargeWatersparksvapor初形成过程的尝试中，斯坦(lightningsimulation利L·米勒(StanleyL.Miller）StopcocksCondensorMixture和哈罗德C尤里HaroldCfortestingofgasessamplesWaterC"primitiveUrey)曾在1953年做过这样atmosphere")一个实验。在这个被后世奉Condensed liguid为经典的实验中，两名实验withcomplexHeated watermolecules者力图重现在还原型大气下("ocean")原始海洋边缘的自然状况。图4.6米勒一尤里实验。装置包括密封的导管连接的两即使将来有一天证明实验的个容器。上部容器装入了类似原始地球大气的气体混合物，电极通过放电不断在其中产生电火花来模拟闪假设前提是错误的（至少目电。冷凝器然后将混合气体冷凝，形成水滴，再通入前还没有），这个实验的价值第二个被加热的容器一一“原始海洋”。在上部容器中形成的化合物分子溶解在液滴中随之进入“原始海也无可置疑——它无疑是很洋”，然后从中取样进行成分分析。关键的，因为它开辟了关于watervapor水蒸气，stopcocksfortestingsamples用来检测样品的活塞，heatedwater（ocean）热水（海洋），生命出现以前的化学这一新electrodes discharged sparks(lightning stimulation)电极的研究领域。放电产生火花（模拟闪电），mixtureofgases(primitiveatmosphere）气体混合物（原始为了进行实验，他们(1)大气），condensor冷凝器，water水，在容器中充入了不含氧气而condensedliquidwithcomplexmolecules含有复杂分子的冷凝水富含氢气的还原性气体；(2)在容器的下部也就是气体的下方加入液态水，来模拟原始海洋边缘；（3)将这一混合物保持在稍低于100℃：（4)同时有电火花模拟天空的闪电放能（图4.6）。他们发现，在一周之内，15%原来以甲烷气体（CH4）形式存在的碳转变成了其他简单的含碳化合物，其中包括甲醛(CH,O)和氢氰酸（HCN，图4.7)。这些化合物之间又进一步结合形成另外的有机物，如甲酸（HCOOH）和尿素

图 4.6 米勒－尤里实验。装置包括密封的导管连接的两 。 个容器。上部容器装入了类似原始地球大气的气体混 合物，电极通过放电不断在其中产生电火花来模拟闪 电。冷凝器然后将混合气体冷凝，形成水滴，再通入 第二个被加热的容器——“原始海洋”。在上部容器中 形成的化合物分子溶解在液滴中随之进入“原始海 洋”，然后从中取样进行成分分析。 water vapor 水蒸气， stopcocks for testing samples 用来 检测样品的活塞， heated water（ocean）热水（海洋）， electrodes discharged sparks(lightning stimulation) 电极 放电产生火花（模拟闪电）， mixture of gases(primitive atmosphere)气体混合物（原始 大气），condensor 冷凝器， water 水， condensed liquid with complex molecules 含有复杂分子 的冷凝水 当生命首次在地球上出现的时候，环境温度相当高 ，环境温度相当高。所有自然发生论的假说都 。所有自然发生论的假说都 假定，构成生命的有机物是在那个时候自发产生的 ，构成生命的有机物是在那个时候自发产生的。其具体过程则存在争议 。其具体过程则存在争议。 米勒－尤里实验 在早期探求有机物的最 初形成过程的尝试中，斯坦 利·L·米勒(Stanley L. Miller) 和哈罗德·C·尤里(Harold C. Urey)曾在 1953 年做过这样 一个实验。在这个被后世奉 为经典的实验中，两名实验 者力图重现在还原型大气下 原始海洋边缘的自然状况。 即使将来有一天证明实验的 假设前提是错误的（至少目 前还没有），这个实验的价值 也无可置疑——它无疑是很 关键的，因为它开辟了关于 生命出现以前的化学这一新 的研究领域。 为了进行实验，他们⑴ 在容器中充入了不含氧气而 富含氢气的还原性气体；⑵ 在容器的下部也就是气体的下方加入液态水，来模拟原始海洋边缘；⑶将这一混 合物保持在稍低于 100℃；⑷同时有电火花模拟天空的闪电放能（图 4.6）。 他们发现，在一周之内，15％原来以甲烷气体（CH4）形式存在的碳转变成 了其他简单的含碳化合物，其中包括甲醛(CH2O)和氢氰酸（HCN，图 4.7）。这 些化合物之间又进一步结合形成另外的有机物，如甲酸（HCOOH）和尿素