地球生命可能起源于火山温泉而非海洋，新证据表明

一片漆黑。我们正在澳大利亚西北部茂密的灌木丛中艰难跋涉，唯一的指引是GPS屏幕上微弱的光芒。光线太弱，无法照亮布满我们所跟踪的干涸河床的倒下的树木，我们不停地被它们绊倒。我们是两名地质学家，在被称为皮尔巴拉的该国偏远地区工作：乔基奇在前面，范克拉嫩东克在后面几步。我们的卡车停在某个小高原上，似乎远在天边。我们不确定GPS的电池是否能坚持足够长的时间来为我们指路。夜空闪耀着无数的星星，一直延伸到地平线，令人惊叹的景象中，木星与附近的金星共舞。可悲的是，对于两位在2014年6月在澳大利亚内陆地区摸索前进的科学家来说，这种景象几乎没有导航帮助。

当走到河岸边时，乔基奇突然跌跌撞撞地向山下退去。她失去平衡了吗？为了阻止她摔倒，范克拉嫩东克伸出手去扶住她，并将她推回山上，这引起了一声尖叫，一些听不清的话，最后是一声结结巴巴的喊叫：“蜘- ... 蜘- ... 蜘- ... 蜘蛛！” 乔基奇根本没有绊倒。她处于逃跑模式，因为害怕自己的生命，她试图拍打掉包裹着她的厚厚的蜘蛛网。蜘蛛在澳大利亚名声不好，这是理所当然的。在黑暗中，假设你发现了一种无害的物种不是一个好主意。

我们晚上在皮尔巴拉地区摸索的原因是，我们白天一直沉浸在乔基奇在34.8亿年前的沉积岩层（称为德雷塞尔组）中的一项新发现中。一些岩石是皱巴巴的橙色和白色层，称为硅华岩，是由地球表面的火山喷泉形成的。它们揭示了当气体被困在粘性薄膜中时形成的气泡，这种薄膜很可能是由一层薄薄的类似细菌的微生物产生的。地表岩石和生物膜的迹象支持了一个关于地球上最古老谜团之一的新观点：生命是如何以及在哪里开始的。证据指向陆地上的火山温泉和水池，大约在35亿年前。

支持科学新闻事业

如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻事业： 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保有关当今塑造我们世界的发现和思想的具有影响力的故事的未来。

这与科学家自1977年以来描绘的生命起源图景截然不同。那一年，研究潜艇阿尔文号在太平洋海底发现了热液喷口，喷出含有铁和硫等矿物质以及甲烷和硫化氢等气体，周围环绕着原始细菌和大型蠕虫。这是一个繁荣的生态系统。生物学家此后推测，这些喷口受到大约40亿年前地球表面剧变的保护，可能为生命的开始提供了能量、营养和安全港湾。但该理论存在问题。最大的问题是海洋中有大量的水，在水中，所需的分子可能会扩散得太快，以至于无法相互作用并形成细胞膜和原始新陈代谢。

现在我们和其他人认为，反复干涸然后又湿润的陆地水池可能是更好的场所。这些水池有热量来催化反应，有干旱期，在此期间，称为聚合物的复杂分子可以由更简单的单元形成，有潮湿期，将这些聚合物漂浮起来，还有进一步的干燥期，将它们困在微小的空腔中，在那里它们可以相互作用，甚至可以浓缩在脂肪酸的隔间中——细胞膜的原型。

乔基奇发现的强有力的地质证据表明，德雷塞尔组现在是一个干燥、炎热和贫瘠的内陆环境，曾经像美国黄石国家公园的蒸汽池和喷发的间歇泉一样，是一个活跃的地热田。在德雷塞尔组的每个地方，都有化石化的生命迹象与古老温泉系统密切相关。尽管德雷塞尔组不是最原始的生命在五十亿年前开始的实际地点，但它向我们展示了陆地上的热液环境在地球历史的早期就已存在。早在1871年，查尔斯·达尔文就提出，微生物生命起源于“一些温暖的小池塘”。来自不同领域的许多科学家现在认为，《物种起源》的作者凭直觉就触及了一些重要的东西。这些想法的含义甚至超出了我们自己的星球：在我们寻找太阳系其他地方的外星生命时，关于起源的陆地理论将引导我们前往与海洋理论不同的地点和行星。

来自俄罗斯的生命

在乔基奇与蜘蛛网遭遇的十年前，我们中的另一位（迪默）表明，火山池可以促进由膜组成的隔间的组装，这是所有细胞生命的基本边界。迪默带领一群科学家前往俄罗斯远东地区堪察加半岛的穆特诺夫斯基火山。该小组正在探索一个前生物类比地点，一个可以让研究人员了解40亿年前地球的样子的区域，那时生命还没有开始。迪默的想法是，当暴露于陆地温泉特有的干湿循环时，简单的分子构建模块可能会连接成更长的携带信息的聚合物，如核酸——这是原始生命生长和复制所必需的。其他关键聚合物，肽，可能会在相同的条件下由氨基酸形成。至关重要的是，其他称为脂质的构建模块可能会组装成微小的隔间，以容纳和保护携带信息的聚合物。生命需要所有这些化合物才能开始，而穆特诺夫斯基拥有丰富的温泉和间歇泉，可以在其中测试这个想法。

迪默带来了一瓶白色粉末，其中包含原始地球上可能存在的原材料，包括四种氨基酸和四种组成天然核酸的化学碱基，以及磷酸盐、甘油和一种脂质。他将这种混合物倒入一个小小的沸腾的泉眼中。几分钟之内，泉眼边缘周围出现了一层白色的泡沫。泡沫由无数微小的囊泡组成，每个囊泡都含有原始汤中存在的化合物。

如果隔间在水坑边缘周围干燥，它们的内容物（已经紧密相邻）是否可以连接在一起形成聚合物？这是否可能是迈向第一个生命的垫脚石？回到他的实验室，迪默和他的同事通过将简单的核酸（称为核苷酸）与脂质混合来测试这个想法。将混合物在堪察加池塘中发现的酸性条件和高温下进行湿润和干燥循环。结果：长度从10到100多个核苷酸不等的更长聚合物。后来的X射线衍射研究表明，这些聚合物类似于核糖核酸，或RNA。此外，这些聚合物被脂质包裹，形成大量称为原细胞的微小隔间。虽然不是活的，但它们显然是迈向生命的重要一步。

迪默在他的实验中只使用了几个干湿循环，并获得了相对简单的分子。他在加州大学圣克鲁兹分校的同事，计算机科学家布鲁斯·达默怀疑，更多的循环可能会增加另一个关键特征：适者生存。达默认为，每个干燥循环都会导致囊泡的脂膜打开，使聚合物和营养物质混合。在重新湿润时，脂膜会重新包裹不同聚合物的混合物，每种混合物代表一种自然实验。更复杂的原细胞将有更好的生存机会，因为它们更多种类的分子混合物可能会在各种条件下稳定原细胞——一组分子在一种环境中有所帮助，另一组分子在另一种环境中有所帮助。然后，这些完整的原细胞将存活下来，并将这些聚合物组传递给下一代，从而攀登进化阶梯。达默意识到，这个模型类似于一种化学计算机“启动”生命的功能，从以聚合物形式编写的随机“程序”开始。

2015年，达默在两部分循环中添加了第三阶段：湿和干之间的中间阶段。这个想法是在与合著者一起前往德雷塞尔组进行实地考察期间产生的，目的是寻找叠层石，叠层石是细菌垫的化石层，也是地球上最早的生命证据之一。达默在沙漠中穿过花岗岩露头，该露头被称为画廊山，上面覆盖着被称为岩画的土著岩石雕刻。在路上，他注意到露头小凹陷处有棕色的干涸微生物垫。出于好奇，达默将水倒在垫子上，它们又恢复了生机，变成绿色和凝胶状。他意识到，如果起源池塘中的干湿循环也包括一个潮湿阶段，在这个阶段中，幸存的原细胞聚集在一起形成类似的凝胶，那么聚合物和营养分子就可以在脂膜屏障之间混合和交换。这个合作原细胞群将有更多机会找到最适合生存的分子。事实上，早在四十年前，科学家乔治·福克斯和已故的卡尔·沃斯就提出了“原基因组”这个术语，来描述生命的这种公共原始阶段；福克斯告诉达默，这与他的原细胞凝胶相符。

创新之池

乔基奇在德雷塞尔组中发现的气泡和矿物成分使其成为三部分循环发生的可能地点，我们在2017年5月在《自然通讯》上发表了证据。在我们意识到德雷塞尔组曾充满地热系统中的地表温泉后，很明显它也包含了生命起源所需的许多关键成分和组织结构。它有一种能量来源，以循环热液的形式存在，热液富含氢，由来自地下的岩浆加热。岩石中含有大量的硼元素，硼是核糖合成（核酸如RNA所必需的）的关键成分。德雷塞尔组还含有从下层岩石中溶解出来的磷酸盐矿物质，并加入循环的酸性地热流体中。磷酸盐是核酸的重要组成部分，但也被所有生命以ATP（三磷酸腺苷，细胞内供应能量的分子）的形式使用。此外，在热液喷口和蒸发火山湖沉积物中发现了高浓度的锌和锰，它们是已知生命所有分支的细胞质中许多酶的成分。最后，德雷塞尔组还含有粘土，由于它们含有的矿物表面的带电层，粘土可以作为催化剂来创造复杂的有机分子。

也许德雷塞尔组作为起源类比地点最令人兴奋的事情是它惊人的多样性，因为在科学领域，多样性非常重要。德雷塞尔组现在是干燥多岩的，但在它们年轻的时候，像这样的地热温泉田包含数百个水池，每个水池的pH值、温度、溶解离子和其他化学变化略有不同。化学复杂性在这些领域中很丰富，因为它们包含三个高度活跃的界面——水和岩石之间，水和空气之间，以及岩石和空气之间。这些区域在不同的地点也有不同的温度。将所有这些因素相乘：每天多次发生的湿润-干燥循环（想想黄石公园的老忠实泉），可变的水池化学性质，高度活跃的界面，水池通过间歇泉来回喷溅其内容物来交换化合物的能力，以及相互连接的、充满液体的地下裂缝网络。当你进行计算时，看起来一个拥有100个泉眼的陆地地热田每年可以产生一百万种或更多种新的条件组合！

每个温暖的池塘都变成了一个“创新之池”，一个试验台，适应性分子组合在其中迅速出现并找到生长和繁殖的方法，或者不适应性组合被淘汰，无法跟上步伐。可能需要大量的组合才能组装生命的第一个原始版本，在这种情况下，这个过程将需要数亿年。但是，陆地地热田中的组合数量表明，生命可能在短短1000万年内起源并开始进化，最早的阶段在40多亿年前，当地球上出现稳定的地壳，其中散布着火山陆地时就开始了。

不同意见的表达

并非所有人都同意地表温泉是生命起源最有可能的地点。深海喷口假说仍然活跃且充满活力。在NASA的喷气推进实验室，生物化学家迈克·罗素将阿尔文号最初发现的热液喷口发展成了一种替代的、优雅的——但尚未证实的——模型。在他的方案中，在喷口岩石内形成微小孔隙的矿物膜最初将碱性水与更酸性的海水隔开。这产生了几个pH单位的梯度，类似于家用氨溶液和一杯橙汁之间的差异。梯度是一种可以利用的能量形式；现代细菌细胞正是这样做来产生它们所需的ATP。喷口中还有另一种能量来源，即氢气和二氧化碳等溶解气体的混合物。罗素和他的同事提出，当古代海水中的二氧化碳与来自喷口的氢气混合时，电子从氢气转移到二氧化碳可以合成更复杂的有机化合物。他们认为，矿物隔间类似于细胞，pH梯度和氢气的能量最终可以进化成最早生命形式所需的原始新陈代谢。

温泉田和深海喷口假说有一些深远的影响。除了指导进一步探索地球上的生命起源外，它们还指出了在其他行星及其卫星上寻找生命的不同方法。如果深海喷口起源理论是正确的，那么土星的土卫二和木星的木卫二的冰冷海洋世界可能是寻找生命的好地方。另一方面，如果我们的波动温泉模型是正确的，那么这些世界不太可能孕育生命。

火星呢？尽管有充分的证据表明火星在遥远的过去存在浅海，但很少有全球海洋或构造扩张带的迹象，而构造扩张带会在地球上产生热液喷口。如果生命依赖喷口开始，那么它不太可能在红色星球上开始。但是，如果地球上的生命起源于陆地温泉，那么它也可能在火星上开始，火星具有广泛的火山活动和水等温泉成分。事实上，2008年，勇气号探测器在火星哥伦比亚山丘发现了36.5亿年前的温泉沉积物，与我们的德雷塞尔温泉的年龄大致相同，德雷塞尔温泉在保存地球上早期生命证据方面做得非常出色。

深海喷口模型和陆地温泉池模型在被认为是正确模型之前，都还有很长的路要走。生命的起源就像一个有很多不同碎片的拼图游戏，我们还不够了解，无法将每个碎片放在正确的位置。例如，在德雷塞尔组，我们不了解是什么原因导致某些元素在不同的水池中浓缩，地热田如何随时间演变，或者它们不同的化学物质如何相互作用以合成或降解有机分子。我们需要在一系列温暖的小池塘中构建更复杂的益生元化学实验，研究复杂的有机分子是如何形成的，以及当它们被包裹在膜内时是如何相互作用和结合的。

无论是在陆地上还是在海洋中，化学和物理定律都为这个特殊的谜题提供了一个非常有用的框架，这里描述的地质和化学发现填补了不同的领域。但在我们能够看到生命起源的清晰图景之前，还需要放置更多的碎片。然而，令人兴奋的是，现在我们可以看到通往解决方案的道路。

穿越时间的土地之旅

当我第一次踏上西澳大利亚的皮尔巴拉时，这片土地蕴藏着35亿年前的生命起源线索，我感到非常失望。那是1994年。我兴奋地开车驶出西海岸小镇黑德兰港，但我看到的只是最初150公里内的一些枯萎、难看的树木和烟雾弥漫的尘土旋风在焦灼的平原上游荡。我感到荒凉。我把自己置于何地？还有这热！我以前从未经历过如此残酷的事情。或者呼吸过如此充满叮咬苍蝇的空气。

但是，当我们继续沿着高速公路向南前往澳大利亚最热的城镇大理石酒吧时，一些低矮、宽阔的山丘开始从地平线上升起。我们开始穿过沙质小溪和河流，包括强大的肖河，肖河的河岸装饰着郁郁葱葱的库拉巴树，它们具有独特的亮白色树干。

当我们继续沿着土路进入山丘时，焦灼的平原让位于覆盖着草皮的小丘。这种草被称为刺针草，是一种令人惊叹但又令人讨厌的创造物。它以直径达一米的灌木丛形式生长，具有圆形、细长的叶片，叶片逐渐变细成几乎由纯二氧化硅制成的针状尖端。尖端几乎可以穿透任何一块织物。我的主管拿出厚厚的护腿来保护他的腿。但他没有告诉我这种危险。没有任何护腿，我在几分钟内变成了一只行走的豪猪——我的皮肤被多根二氧化硅针尖刺穿，针尖断裂并留在我的肉中数月。

最终，这片土地证明了这种不适是值得的。我正行走在地球上一些最古老、保存最完好的岩石上，这些岩石包含着我们星球上几乎从时间开始就有的生命证据。当我看着一些位于古代沉积物涟漪之上的褶皱结构时，我意识到我正在看着我们伟大的、伟大的、伟大的祖先——地球上所有复杂生命的先驱的遗迹！

这个地区从35亿年前首次形成以来发生了很大变化。那时，它本应是一片黑色的火山陆地，没有植被的色彩。在山丘上，我可能会瞥见一片绿色的、富含铁的海洋，下方是橙色的天空，天空充满了二氧化碳，没有氧气。在附近的景观中，我会遇到温泉田，在这里我开始看到一些色彩。在冒泡的泥潭和喷溅的间歇泉周围会有条纹和红色，那是硫磺、粘土和铁的颜色。在一些水池和沟渠中，可能还会出现一些米色、红色和紫色：嗜热和嗜化学微生物的菌落。甚至可能还有一些来自非常早期的光合生物的绿色。

如果我能够乘坐时间机器向前推进十亿年，我会看到皮尔巴拉被数公里厚的火山熔岩和沉积物掩埋；我会看到这片陆地在地球表面移动，并与其他地壳碎片相撞，碰撞形成了山脉。大约在25亿年前，我会看到海洋充满了生命，浅海沿岸地区被由称为蓝细菌的原始微生物组成的大型珊瑚礁占据，蓝细菌堆积成称为叠层石的垫状物。当天空中光合作用蓝细菌吸入碳并向大气中泵出氧气时，天空会变成蓝色。几乎又过了20亿年，世界将变得寒冷，并被全球冰盖覆盖，几乎消灭了所有生物。当冰盖融化后，氧气水平再次上升。生命真正开始蓬勃发展。动物慢慢地在陆地上定居，新型植物也随之而来。我们星球的绿化开始了，各种各样的生物出现了——包括，不幸的是，对我来说，刺针草。——M.J.V.K.