地球生命可能起源於火山溫泉而非海洋，新證據表明

一片漆黑。我們正在澳大利亞西北部茂密的灌木叢中艱難跋涉，唯一的指引是GPS螢幕上微弱的光芒。光線太弱，無法照亮佈滿我們所跟蹤的乾涸河床的倒下的樹木，我們不停地被它們絆倒。我們是兩名地質學家，在被稱為皮爾巴拉的該國偏遠地區工作：喬基奇在前面，範克拉嫩東克在後面幾步。我們的卡車停在某個小高原上，似乎遠在天邊。我們不確定GPS的電池是否能堅持足夠長的時間來為我們指路。夜空閃耀著無數的星星，一直延伸到地平線，令人驚歎的景象中，木星與附近的金星共舞。可悲的是，對於兩位在2014年6月在澳大利亞內陸地區摸索前進的科學家來說，這種景象幾乎沒有導航幫助。

當走到河岸邊時，喬基奇突然跌跌撞撞地向山下退去。她失去平衡了嗎？為了阻止她摔倒，範克拉嫩東克伸出手去扶住她，並將她推回山上，這引起了一聲尖叫，一些聽不清的話，最後是一聲結結巴巴的喊叫：“蜘- ... 蜘- ... 蜘- ... 蜘蛛！” 喬基奇根本沒有絆倒。她處於逃跑模式，因為害怕自己的生命，她試圖拍打掉包裹著她的厚厚的蜘蛛網。蜘蛛在澳大利亞名聲不好，這是理所當然的。在黑暗中，假設你發現了一種無害的物種不是一個好主意。

我們晚上在皮爾巴拉地區摸索的原因是，我們白天一直沉浸在喬基奇在34.8億年前的沉積岩層（稱為德雷塞爾組）中的一項新發現中。一些岩石是皺巴巴的橙色和白色層，稱為矽華巖，是由地球表面的火山噴泉形成的。它們揭示了當氣體被困在粘性薄膜中時形成的氣泡，這種薄膜很可能是由一層薄薄的類似細菌的微生物產生的。地表岩石和生物膜的跡象支援了一個關於地球上最古老謎團之一的新觀點：生命是如何以及在哪裡開始的。證據指向陸地上的火山溫泉和水池，大約在35億年前。

支援科學新聞事業

如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞事業： 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保有關當今塑造我們世界的發現和思想的具有影響力的故事的未來。

這與科學家自1977年以來描繪的生命起源圖景截然不同。那一年，研究潛艇阿爾文號在太平洋海底發現了熱液噴口，噴出含有鐵和硫等礦物質以及甲烷和硫化氫等氣體，周圍環繞著原始細菌和大型蠕蟲。這是一個繁榮的生態系統。生物學家此後推測，這些噴口受到大約40億年前地球表面劇變的保護，可能為生命的開始提供了能量、營養和安全港灣。但該理論存在問題。最大的問題是海洋中有大量的水，在水中，所需的分子可能會擴散得太快，以至於無法相互作用並形成細胞膜和原始新陳代謝。

現在我們和其他人認為，反覆乾涸然後又溼潤的陸地水池可能是更好的場所。這些水池有熱量來催化反應，有乾旱期，在此期間，稱為聚合物的複雜分子可以由更簡單的單元形成，有潮溼期，將這些聚合物漂浮起來，還有進一步的乾燥期，將它們困在微小的空腔中，在那裡它們可以相互作用，甚至可以濃縮在脂肪酸的隔間中——細胞膜的原型。

喬基奇發現的強有力的地質證據表明，德雷塞爾組現在是一個乾燥、炎熱和貧瘠的內陸環境，曾經像美國黃石國家公園的蒸汽池和噴發的間歇泉一樣，是一個活躍的地熱田。在德雷塞爾組的每個地方，都有化石化的生命跡象與古老溫泉系統密切相關。儘管德雷塞爾組不是最原始的生命在五十億年前開始的實際地點，但它向我們展示了陸地上的熱液環境在地球歷史的早期就已存在。早在1871年，查爾斯·達爾文就提出，微生物生命起源於“一些溫暖的小池塘”。來自不同領域的許多科學家現在認為，《物種起源》的作者憑直覺就觸及了一些重要的東西。這些想法的含義甚至超出了我們自己的星球：在我們尋找太陽系其他地方的外星生命時，關於起源的陸地理論將引導我們前往與海洋理論不同的地點和行星。

來自俄羅斯的生命

在喬基奇與蜘蛛網遭遇的十年前，我們中的另一位（迪默）表明，火山池可以促進由膜組成的隔間的組裝，這是所有細胞生命的基本邊界。迪默帶領一群科學家前往俄羅斯遠東地區堪察加半島的穆特諾夫斯基火山。該小組正在探索一個前生物類比地點，一個可以讓研究人員瞭解40億年前地球的樣子的區域，那時生命還沒有開始。迪默的想法是，當暴露於陸地溫泉特有的乾溼迴圈時，簡單的分子構建模組可能會連線成更長的攜帶資訊的聚合物，如核酸——這是原始生命生長和複製所必需的。其他關鍵聚合物，肽，可能會在相同的條件下由氨基酸形成。至關重要的是，其他稱為脂質的構建模組可能會組裝成微小的隔間，以容納和保護攜帶資訊的聚合物。生命需要所有這些化合物才能開始，而穆特諾夫斯基擁有豐富的溫泉和間歇泉，可以在其中測試這個想法。

迪默帶來了一瓶白色粉末，其中包含原始地球上可能存在的原材料，包括四種氨基酸和四種組成天然核酸的化學鹼基，以及磷酸鹽、甘油和一種脂質。他將這種混合物倒入一個小小的沸騰的泉眼中。幾分鐘之內，泉眼邊緣周圍出現了一層白色的泡沫。泡沫由無數微小的囊泡組成，每個囊泡都含有原始湯中存在的化合物。

如果隔間在水坑邊緣周圍乾燥，它們的內容物（已經緊密相鄰）是否可以連線在一起形成聚合物？這是否可能是邁向第一個生命的墊腳石？回到他的實驗室，迪默和他的同事透過將簡單的核酸（稱為核苷酸）與脂質混合來測試這個想法。將混合物在堪察加池塘中發現的酸性條件和高溫下進行溼潤和乾燥迴圈。結果：長度從10到100多個核苷酸不等的更長聚合物。後來的X射線衍射研究表明，這些聚合物類似於核糖核酸，或RNA。此外，這些聚合物被脂質包裹，形成大量稱為原細胞的微小隔間。雖然不是活的，但它們顯然是邁向生命的重要一步。

迪默在他的實驗中只使用了幾個乾溼迴圈，並獲得了相對簡單的分子。他在加州大學聖克魯茲分校的同事，計算機科學家布魯斯·達默懷疑，更多的迴圈可能會增加另一個關鍵特徵：適者生存。達預設為，每個乾燥迴圈都會導致囊泡的脂膜開啟，使聚合物和營養物質混合。在重新溼潤時，脂膜會重新包裹不同聚合物的混合物，每種混合物代表一種自然實驗。更復雜的原細胞將有更好的生存機會，因為它們更多種類的分子混合物可能會在各種條件下穩定原細胞——一組分子在一種環境中有所幫助，另一組分子在另一種環境中有所幫助。然後，這些完整的原細胞將存活下來，並將這些聚合物組傳遞給下一代，從而攀登進化階梯。達默意識到，這個模型類似於一種化學計算機“啟動”生命的功能，從以聚合物形式編寫的隨機“程式”開始。

2015年，達默在兩部分迴圈中添加了第三階段：溼和幹之間的中間階段。這個想法是在與合著者一起前往德雷塞爾組進行實地考察期間產生的，目的是尋找疊層石，疊層石是細菌墊的化石層，也是地球上最早的生命證據之一。達默在沙漠中穿過花崗岩露頭，該露頭被稱為畫廊山，上面覆蓋著被稱為巖畫的土著岩石雕刻。在路上，他注意到露頭小凹陷處有棕色的乾涸微生物墊。出於好奇，達默將水倒在墊子上，它們又恢復了生機，變成綠色和凝膠狀。他意識到，如果起源池塘中的乾溼迴圈也包括一個潮溼階段，在這個階段中，倖存的原細胞聚集在一起形成類似的凝膠，那麼聚合物和營養分子就可以在脂膜屏障之間混合和交換。這個合作原細胞群將有更多機會找到最適合生存的分子。事實上，早在四十年前，科學家喬治·福克斯和已故的卡爾·沃斯就提出了“原基因組”這個術語，來描述生命的這種公共原始階段；福克斯告訴達默，這與他的原細胞凝膠相符。

創新之池

喬基奇在德雷塞爾組中發現的氣泡和礦物成分使其成為三部分迴圈發生的可能地點，我們在2017年5月在《自然通訊》上發表了證據。在我們意識到德雷塞爾組曾充滿地熱系統中的地表溫泉後，很明顯它也包含了生命起源所需的許多關鍵成分和組織結構。它有一種能量來源，以迴圈熱液的形式存在，熱液富含氫，由來自地下的岩漿加熱。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）的關鍵成分。德雷塞爾組還含有從下層岩石中溶解出來的磷酸鹽礦物質，並加入迴圈的酸性地熱流體中。磷酸鹽是核酸的重要組成部分，但也被所有生命以ATP（三磷酸腺苷，細胞內供應能量的分子）的形式使用。此外，在熱液噴口和蒸發火山湖沉積物中發現了高濃度的鋅和錳，它們是已知生命所有分支的細胞質中許多酶的成分。最後，德雷塞爾組還含有粘土，由於它們含有的礦物表面的帶電層，粘土可以作為催化劑來創造複雜的有機分子。

也許德雷塞爾組作為起源類比地點最令人興奮的事情是它驚人的多樣性，因為在科學領域，多樣性非常重要。德雷塞爾組現在是乾燥多巖的，但在它們年輕的時候，像這樣的地熱溫泉田包含數百個水池，每個水池的pH值、溫度、溶解離子和其他化學變化略有不同。化學複雜性在這些領域中很豐富，因為它們包含三個高度活躍的介面——水和岩石之間，水和空氣之間，以及岩石和空氣之間。這些區域在不同的地點也有不同的溫度。將所有這些因素相乘：每天多次發生的溼潤-乾燥迴圈（想想黃石公園的老忠實泉），可變的水池化學性質，高度活躍的介面，水池透過間歇泉來回噴濺其內容物來交換化合物的能力，以及相互連線的、充滿液體的地下裂縫網路。當你進行計算時，看起來一個擁有100個泉眼的陸地地熱田每年可以產生一百萬種或更多種新的條件組合！

每個溫暖的池塘都變成了一個“創新之池”，一個試驗檯，適應性分子組合在其中迅速出現並找到生長和繁殖的方法，或者不適應性組合被淘汰，無法跟上步伐。可能需要大量的組合才能組裝生命的第一個原始版本，在這種情況下，這個過程將需要數億年。但是，陸地地熱田中的組合數量表明，生命可能在短短1000萬年內起源並開始進化，最早的階段在40多億年前，當地球上出現穩定的地殼，其中散佈著火山陸地時就開始了。

不同意見的表達

並非所有人都同意地表溫泉是生命起源最有可能的地點。深海噴口假說仍然活躍且充滿活力。在NASA的噴氣推進實驗室，生物化學家邁克·羅素將阿爾文號最初發現的熱液噴口發展成了一種替代的、優雅的——但尚未證實的——模型。在他的方案中，在噴口岩石內形成微小孔隙的礦物膜最初將鹼性水與更酸性的海水隔開。這產生了幾個pH單位的梯度，類似於家用氨溶液和一杯橙汁之間的差異。梯度是一種可以利用的能量形式；現代細菌細胞正是這樣做來產生它們所需的ATP。噴口中還有另一種能量來源，即氫氣和二氧化碳等溶解氣體的混合物。羅素和他的同事提出，當古代海水中的二氧化碳與來自噴口的氫氣混合時，電子從氫氣轉移到二氧化碳可以合成更復雜的有機化合物。他們認為，礦物隔間類似於細胞，pH梯度和氫氣的能量最終可以進化成最早生命形式所需的原始新陳代謝。

溫泉田和深海噴口假說有一些深遠的影響。除了指導進一步探索地球上的生命起源外，它們還指出了在其他行星及其衛星上尋找生命的不同方法。如果深海噴口起源理論是正確的，那麼土星的土衛二和木星的木衛二的冰冷海洋世界可能是尋找生命的好地方。另一方面，如果我們的波動溫泉模型是正確的，那麼這些世界不太可能孕育生命。

火星呢？儘管有充分的證據表明火星在遙遠的過去存在淺海，但很少有全球海洋或構造擴張帶的跡象，而構造擴張帶會在地球上產生熱液噴口。如果生命依賴噴口開始，那麼它不太可能在紅色星球上開始。但是，如果地球上的生命起源於陸地溫泉，那麼它也可能在火星上開始，火星具有廣泛的火山活動和水等溫泉成分。事實上，2008年，勇氣號探測器在火星哥倫比亞山丘發現了36.5億年前的溫泉沉積物，與我們的德雷塞爾溫泉的年齡大致相同，德雷塞爾溫泉在儲存地球上早期生命證據方面做得非常出色。

深海噴口模型和陸地溫泉池模型在被認為是正確模型之前，都還有很長的路要走。生命的起源就像一個有很多不同碎片的拼圖遊戲，我們還不夠了解，無法將每個碎片放在正確的位置。例如，在德雷塞爾組，我們不瞭解是什麼原因導致某些元素在不同的水池中濃縮，地熱田如何隨時間演變，或者它們不同的化學物質如何相互作用以合成或降解有機分子。我們需要在一系列溫暖的小池塘中構建更復雜的益生元化學實驗，研究複雜的有機分子是如何形成的，以及當它們被包裹在膜內時是如何相互作用和結合的。

無論是在陸地上還是在海洋中，化學和物理定律都為這個特殊的謎題提供了一個非常有用的框架，這裡描述的地質和化學發現填補了不同的領域。但在我們能夠看到生命起源的清晰圖景之前，還需要放置更多的碎片。然而，令人興奮的是，現在我們可以看到通往解決方案的道路。

穿越時間的土地之旅

當我第一次踏上西澳大利亞的皮爾巴拉時，這片土地蘊藏著35億年前的生命起源線索，我感到非常失望。那是1994年。我興奮地開車駛出西海岸小鎮黑德蘭港，但我看到的只是最初150公里內的一些枯萎、難看的樹木和煙霧瀰漫的塵土旋風在焦灼的平原上游蕩。我感到荒涼。我把自己置於何地？還有這熱！我以前從未經歷過如此殘酷的事情。或者呼吸過如此充滿叮咬蒼蠅的空氣。

但是，當我們繼續沿著高速公路向南前往澳大利亞最熱的城鎮大理石酒吧時，一些低矮、寬闊的山丘開始從地平線上升起。我們開始穿過沙質小溪和河流，包括強大的肖河，肖河的河岸裝飾著鬱鬱蔥蔥的庫拉巴樹，它們具有獨特的亮白色樹幹。

當我們繼續沿著土路進入山丘時，焦灼的平原讓位於覆蓋著草皮的小丘。這種草被稱為刺針草，是一種令人驚歎但又令人討厭的創造物。它以直徑達一米的灌木叢形式生長，具有圓形、細長的葉片，葉片逐漸變細成幾乎由純二氧化矽製成的針狀尖端。尖端幾乎可以穿透任何一塊織物。我的主管拿出厚厚的護腿來保護他的腿。但他沒有告訴我這種危險。沒有任何護腿，我在幾分鐘內變成了一隻行走的豪豬——我的皮膚被多根二氧化矽針尖刺穿，針尖斷裂並留在我的肉中數月。

最終，這片土地證明了這種不適是值得的。我正行走在地球上一些最古老、儲存最完好的岩石上，這些岩石包含著我們星球上幾乎從時間開始就有的生命證據。當我看著一些位於古代沉積物漣漪之上的褶皺結構時，我意識到我正在看著我們偉大的、偉大的、偉大的祖先——地球上所有複雜生命的先驅的遺蹟！

這個地區從35億年前首次形成以來發生了很大變化。那時，它本應是一片黑色的火山陸地，沒有植被的色彩。在山丘上，我可能會瞥見一片綠色的、富含鐵的海洋，下方是橙色的天空，天空充滿了二氧化碳，沒有氧氣。在附近的景觀中，我會遇到溫泉田，在這裡我開始看到一些色彩。在冒泡的泥潭和噴濺的間歇泉周圍會有條紋和紅色，那是硫磺、粘土和鐵的顏色。在一些水池和溝渠中，可能還會出現一些米色、紅色和紫色：嗜熱和嗜化學微生物的菌落。甚至可能還有一些來自非常早期的光合生物的綠色。

如果我能夠乘坐時間機器向前推進十億年，我會看到皮爾巴拉被數公里厚的火山熔岩和沉積物掩埋；我會看到這片陸地在地球表面移動，並與其他地殼碎片相撞，碰撞形成了山脈。大約在25億年前，我會看到海洋充滿了生命，淺海沿岸地區被由稱為藍細菌的原始微生物組成的大型珊瑚礁佔據，藍細菌堆積成稱為疊層石的墊狀物。當天空中光合作用藍細菌吸入碳並向大氣中泵出氧氣時，天空會變成藍色。幾乎又過了20億年，世界將變得寒冷，並被全球冰蓋覆蓋，幾乎消滅了所有生物。當冰蓋融化後，氧氣水平再次上升。生命真正開始蓬勃發展。動物慢慢地在陸地上定居，新型植物也隨之而來。我們星球的綠化開始了，各種各樣的生物出現了——包括，不幸的是，對我來說，刺針草。——M.J.V.K.