每一处瀑布和海浪，都可能是最初生命诞生的温床
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撰文｜科迪·科捷（Cody Cottier）
翻译｜张宇哲
在刚刚诞生的时候，地球便具备了合成生命所需的全部元素。不过这些元素无法自发形成关键的生命分子——最早的复杂生命分子需要被称作“前生物合成”的过程才能形成，而这需要外部条件的激发。闪电自然而然地成为了候选者。于是在1952年，年轻的美国化学家斯坦利·米勒（Stanley Miller）进行了一项实验。他向烧瓶中装入半瓶水，接着充入甲烷、氨气和氢气以模拟地球早期大气环境，最后向这瓶原始生命汤中引入了一道微型闪电。
在这项堪称里程碑的实验中，米勒在导师哈罗德·尤里（Harold Urey）的指导下，用无机分子合成了几种氨基酸（氨基酸可以组合成蛋白质，并进一步形成生命）。他的实验揭示了原始汤中诞生生命的可能性。然而在真实环境中，闪电发生的频率较低，更不太可能反复出现在同一个位置，难以持续推动前生物合成过程。
大约七十年后，一项新研究提出了一种可能性更高的激发条件：水。美国斯坦福大学的化学家理查德·扎雷（Richard Zare）和同事发表在《科学·进展》（Science Advances）上的研究指出，只需将水雾喷入大气就能产生含碳-氮键的有机分子。研究人员用更可靠的能量来源复现了米勒实验中的化学反应。 “不同于闪电，水雾无处不在。”扎雷表示，每一处瀑布和海浪，都可能是生命诞生的温床。
这种能量来源于水滴间的电势差：带负电的小水滴在靠近带正电的大水滴时可能会放电，产生一道短暂的闪光，研究人员将这种现象称作“微闪电”（microlightning）。事实证明，这些微闪电与米勒在实验中人为制造的闪电类似，也能制造有机副产物：扎雷团队在稀薄的原始汤中检测到了甘氨酸（也称氨基乙酸）和尿嘧啶——后者是RNA的一种关键组分。
美国斯坦福大学的博士后研究员孟一凡是该研究的第一作者，他完成了这项实验。孟一凡回忆道，一开始他和同事主要关注的是“微闪电”本身，“但后来我们看到了碳-氮键形成的明确证据，”孟一凡补充道，“这是生物分子的基本特征之一，真的让人非常兴奋。”
要最终形成生命，仅偶尔合成一次有机物是远远不够的，这也是随机发生的闪电无法成为理想激发条件的原因。单体分子需要持续不断地生成，才能为彼此间相互连接创造足够的时间，并形成被称作聚合物的长链分子：合成一个蛋白质需要许多氨基酸，合成一条RNA也需要很多碱基。
扎雷表示：“这些生命的基础‘组件’需要在某处聚集。”扎雷认为理想的环境可能是在靠近水雾的岩石裂隙中。因为已经有研究表明，这类地形中的“干-湿循环”有利于聚合反应发生，从而可能促进复杂结构形成，最终诞生第一个单细胞生命。美国加利福尼亚大学圣克鲁兹分校的生物物理学家戴维·迪默（David Deamer）也认同这个观点。他曾与扎雷合作，但没有参与这项研究。迪默指出：“只要是存在波浪或瀑布的地方，这些有机分子就可能聚合起来。”
初步实验并未生成生命所需的全部前体物质，但孟一凡认为其他重要的化合物可能已经形成了，只是含量太少没能检测到：“如果实验持续更久，应该会检测到更多化合物。”正如继米勒实验之后的大量研究形成了更多种类的分子，未来的研究也可能证实，微闪电确实能够充分推动前生物合成过程。
关于地球早期有机分子的起源，科学界众说纷纭。有学者认为它们起源于深海热液喷口，也有观点认为它们是从银河系的其他星球搭“便车”来到地球的。美国航空航天局（NASA）的科学家在今年1月宣布，贝努（Bennu）小行星样本中发现了14种氨基酸，以及形成RNA和DNA所需的全部五种核苷酸。迪默解释称，考虑到地球形成之初曾频繁遭受地外天体撞击，“从根本上说，这些生命必需的化合物的确来自天外”。
没有人能够确定大约40亿年前生命是如何诞生的。但这些发现再次佐证了米勒在20世纪50年代提出的观点——尽管激发条件有了些许变化。正如米勒在1996年接受采访时所说，“没有人质疑实验中的化学原理……这些化学反应非常可靠。”也许现在，启动这些反应的“火花”也同样可靠。