音像生命起源[美]戴维·W.迪默(David W. Deamer)

1如何构建宜居星球1地球上的生命元素已有数十亿年的历史2
比氢原子重的原子是在恒星中合成的5
6种主要的生命元素构成所有生命形式7
星际尘埃为太阳系提供生命的种子——原子和分子10
分子云是恒星和行星的发源地11
太阳系是由环绕在太阳周围的尘埃和气体组成的13
放元素使地核处于熔融状态14
放衰变告诉我们地球的年龄17
生命直到有了海洋才诞生20
地球上的水来自小行星和彗星
2从没有生命到几乎有生命27关于地球上生命起源的不同观点29
所有的生命都是细胞构成的，细胞可能也是生命的初形式39
生命需要液态水44
生命可能起源于火山岛上的淡水45
生命需要单体47
生命由高分子聚合物组成50
有机化合物可用于支持有关生命起源的观点54
为了使反应发生，有机化合物溶液必须浓缩56
能量与生命起源57
自组装和封装是迈向生命的步61
生命起源所需能量的来源63
催化剂是现今所有生命必不可少的，对早的生命形式来说也是如此68
循环是生命起源的必要条件70
一些化学反应增加分子的复杂，另一些则分解复杂的分子73
生命取决于核酸和蛋白质之间的信息传递循环75
已知的古老的生命化石据存在于大约35亿年前77

3我们还需要探索什么81RNA世界是真实的，还是只是猜测？82
什么是新陈代谢，它是如何产生的？85
早的催化剂是什么？87
调控反馈环是如何开始起作用的？91
生命同手是如何发展而来的？93
什么是光合作用？它是如何产生的？97
个核糖体是什么？101
基因密码是如何出现的？102
病毒来自哪里？104
封装的聚合物系统是如何开始演变的？106
什么是始祖生物和的共同祖先？109
原核生命是如何变成真核生命的？111
生命之树真的存在吗？114
我们能在实验室里合成生命吗？117
生命可以在现今的地球上次诞吗？122
行星的环境条件下能出现生命吗？124
我们会知道生命是如何产生的吗？126
延伸阅读129
附图133

[美]戴维·W.迪默（DavidW.Deamer）美国加利福尼亚大学圣克鲁兹分校生物分子工程学研究教授，曾担任国际生命起源研究学会会长，撰有《组装生命》等著作。
冯伟民南京地质古生物研究所二级研究员，南京古生物博物馆名誉馆长，曾任第七届中国科普作家协会副理事长，现担任古生物化石专家委员会委员，中国科学技术协会全国古生物学首席科学传播专家，获特殊津贴。发表科研与科普文章318篇，主编出版科普图书部。荣获科学技术进步奖二等奖（获奖者）、中国好书、全国科普作品、吴大猷科学普及著作奖佳作奖等多个、省部级奖项。

放衰变告诉我们地球的年龄我们的地球大约有45.7亿年的历史，是宇宙年龄的1/3。
我们是怎么知道的呢？
地球年龄有几种方式可测定。理解的是，铀具有放，并以一定的速率衰变成铅。例如，设我们有一个铀同位素92U的纯样本，并测量了其放随时间的变化。通过外推法计算，结果显示它会在44.68亿年后衰变成铅(20682Pb)。44.68亿年即92U的半衰期。元素符号左下标的数字是原子中的质子数，它是固定的，左上标的数字是相对原子质量，是质子数和中子数之和。一种元素的几种同位素有着不同的相对原子质量。例如，52U是用于核反应堆的铀同位素，极不稳定，它比9U少个中子，半衰期也更短，约为7.04亿年。下一步是设在锆石矿物的古老晶体中发现的铀一开始就是纯的。我们知道它是纯的，因为铅不适合氧化锆矿物的晶格，但铀适合。当我们用古老的锆石测定92U和20682Pb这两种同位素的数量时，会发现两者的比例接近1∶1，这意味着一半的铀已经衰变成铅了，锆石肯定有45亿年的历史了。当我们对陨石中的铀和铅做同样的测量时，会发现它们的比例也是1∶1。，设太阳系中的陨石与行星是在同一时间形成的，精细的测量表明它们的年龄为45.7亿年，因此我们将其作为地球的年龄。有意义的是，我们可以了解到这些事件到底发生在多久之前。想象一下你正坐在可以带你回到遥远过去的时光机里。你把刻度盘调到40亿年前，速度是每秒1000年，然后按下标有“开始”的按钮。5秒后，你从窗户往外看，会看到古埃及人正在建造金字塔，而10秒后，中东地区的部落在幼发拉底河沿岸种植庄稼。30秒过去，你可以看到艺术家在法国的洞穴壁上画野牛。在第72秒的时候，智人离开非洲，向欧洲迁徙。3分钟后，智人出现在了非洲。之后，恐怕你需要坐18个小时时光机，直到有一道巨大的闪光，紧接着是一段短暂的完全黑暗的时间，这是由直径6英里1英里≈1.61千米。——译者注的小行星撞击中美洲尤卡坦半岛附近的海域引起的。这次撞击导致了统治地球达1.6亿年之久的恐龙灭绝。一些小型的温血哺乳动物幸存了下来，否则我们就不会在这里了。接下来是漫长的等待。6天半之后，你来到了寒武纪，批动物统治了海洋，变成了三叶虫化石。陆地也刚刚开始变绿，因为植物“学会”了如何利用阳光这一能源，在没有水的情况下生存。更长的等待。这太无聊了！29天后你会呼吸急促，因为大气中几乎没有氧气。生命的主要形式是微生物，你可以看到海洋被染成绿色，因为蓝细菌都在其中茁壮成长。它们在制造氧气，但还不足以供人类呼吸，所以你需要戴上氧气面罩。，46天后，你向窗外望去，只能看到海洋和火山。没有鲜活的生命，因为你来到了生命出现前的地球。当你更仔细地观察火山时，你会看到温泉周围形成了小水坑，小水坑边缘是一圈泡泡。当泡泡干了之后，就会留下一层薄膜，看上去像“浴缸环”。当雨水再次填满水坑时，薄膜中的化合物就会以微小囊泡的形式分散到水中。它们不具有活，但它们是迈向细胞生命的步。只要给它们一点时间，比如1亿年，它们就会设法找到一条走向生命的路。
生命可能起源于火山岛上的淡水我需要提醒读者，这个标题是有争议的。由于海洋中有如此多的水，因此人们一直认为生命一定是在那里形成的。但是，当我们更仔细地研究此设时，就会发现两个重大问题。一个问题是，海洋容量巨大，因此生命形成所需的有机化合物溶液会被极大地稀释，以至于有机化合物彼此之间无法发生化学反应。生命可能始于火山岛上的淡水，因为当水从火山温泉的淡水小池中蒸发时，即使是稀溶液也会高度浓缩。另一个问题是，海水由于含有较多钙离子和镁离子而被称为硬水。如果用肥皂在硬水中洗手，效果会不佳，原因是钙离子和镁离子与肥皂发生反应，导致肥皂聚集成块，而不会形成肥皂泡沫。然而，我们发现膜囊泡很容易在火山温泉的淡水中聚合而成。，可能也是重要的一点是，单体不可能在海水中形成聚合物，因为在这种环境中发生聚合反应在热力学上是困难的。换句话说，形成聚合物需要能量，而在溶液中向聚合反应注入能量的方法是通过化学方式激单。今天，所有生命的代谢过程都能激活氨基酸等单体，并利用酶将其聚合为蛋白质，但还没人能通过实验明这种机制可能存在于生命起源前的海洋中。相较之下，多年前人们已经知道，只要通过蒸发单体溶液并加热干膜，就可以向淡水中引入足够的能量。
我们是怎么知道的呢？
在我们的研究中，我们将装有RNA单体的小瓶放入新西兰一处温泉的边缘，并使用温泉中的水对它们进行了4次干湿循环。在实验室分析结果时，我们发现类似RNA的聚合物的产量很高。这一结果支持这样的观点：生命的核酸聚合物可以在类似于生命起源前的地球条件下合成，而不仅仅是在实验室合成。附图10展示了艺术家对生命起源时地球模样的描绘。
病毒来自哪里？
病毒在生物圈中无处不在。事实上，海洋中病毒的生物量极其大。几乎每个人都有过与普通感冒和流行冒病毒有关的亲身经历，而像人类免疫缺陷病毒和埃博拉病毒这样的新型病毒一旦引发流行病，就会成为头条新闻。我们看不到的是细菌与正在我们周围不断蔓延着的被称为噬菌体的病毒之间的持久战争。如果现今的病毒如此普遍，那么生命诞生时它们也已经很丰富了？病毒可能是后来产生细胞生命的分子复制的种形式？一些科学家就是这样认为的，但更普遍的看法是，它们是一种分子寄生虫，通过利用活细胞的蛋白质合成机器进化出繁殖的能力。类病毒甚至比病毒更简单，之所以被发现是因为它们能感染并侵害马铃薯、鳄梨、桃子和椰子等植物。事实明，类病毒是仅具有大约350个核苷酸的环状RNA分子。图3.2类病毒是已知的的感染因子，由含几百个核苷酸的单链环状RNA组成。如图所示，类病毒比典型的病毒小得多。
资料来源：作者根据公共领域图像重新整理。图3.2中显示了类病毒和用来比较的一种引起普通感冒的病毒。典型的病毒由蛋白质和核酸组成，在活细胞中通过利用细胞的蛋白质合成机器自我复制。类病毒的生命周期要简单得多。进入植物细胞后，它们会被一种称为RNA聚合酶的酶复制，这种酶通常会合成mRNA。RNA聚合酶释放出数百个类病毒副本，然后开始干扰蛋白质合成过程。类病毒是由西奥多·迪纳(TheodorDiener)于1971年发现的，他在1989年提出，类病毒可能是RNA世界遗留下来的一种分子化石。尽管当今的类病毒需要活细胞才能繁殖，但我们可以推测，核酸的原始形式在早期地球可能是自发合成的，然后开始通过非酶催化进行繁殖。在某些时候，它们被封装在膜室中，这是迈向RNA世界的步。