北京時間2月21日消息，據國外媒體報道，早期地球的環境條件和導致生命產生的化學物質緊密地交織在一起，不可分割。現在，地球科學家和前生命化學家正在以新的方式展開合作，試圖了解生命最初是如何出現的。
在40多億年前的地球早期，由於受到小行星或微行星的撞擊，可能形成了短暫的還原性大氣層，大氣被富含甲烷和有機物的防紫外線煙霧染成橙色，與土衛六的大氣相似。高濃度的溶解鐵可能使海洋呈現出綠色（冥古宙海洋的空間範圍和持續時間尚不清楚，但其存在得到了鋯石顆粒氧同位素數據的支持）。熱點火山作用、板塊邊界的相互作用以及大規模撞擊事件可能會將陸地塊抬升到海洋表面之上，從而支持許多前生命化學模型所要求的乾濕循環。與此同時，外部影響，如太陽耀斑和陽光中更高的紫外線通量等，也可能影響地球的大氣和表面化學。
已知最早的微體化石保存在太古代的岩石中，可以追溯到大約35億年前。不過，即使是如此古老的微生物也有祖先，再往前追溯約6億年，它們所留下的生物活動痕迹可能就保存在地質記錄中，成為某種化學“化石”。地球上第一批生物究竟在何時出現，以什麼樣的方式出現，仍然是難以回答的科學問題。然而，有一個關鍵事實是確定的：生命出現的最初階段與地球最早期環境的化學和物理條件的演變緊密交織在一起。
長期以來，不同領域的科學家們一直在思索一個問題：生命是如何從非生物起源的化合物（即前生物分子）發展而來的？然而，迄今為止所測試的前生命化學條件，包括特定種類的分子及其周圍環境等，都未被證明能夠在現實的行星條件下發揮作用。了解地球最初的化學環境，將有助於確定最終產生生命的非生物化學途徑。由於這一知識空白，以及在早期海洋、大氣和大陸的地質、地球物理和地球化學等方面的細節上還存在諸多未知因素，目前科學家還無法將合成最早期生物分子的實驗工作與闡明早期地球條件的工作之間聯繫起來。
傳統上，對生命起源的研究往往是在界限分明的領域中進行的。現在，研究者們開始合作分析地球的早期岩石記錄，並通過數值模擬獲得新的見解。地球最早期的化學環境越來越受到研究人員的關注，在生命起源的研究中，更加跨學科的方法正變得越來越有前景。
早期地球不同環境之間相互關聯的性質，水-岩界面上發生的化學演變，以及生命的化學構造塊與承載這些分子的局部地質條件之間的相互作用，都是生命起源研究的關鍵。對於研究生命起源基本問題的人來說，越來越複雜的早期地球全球和局部環境演化模型已經成為重要的研究目標之一。因此，在必要的環境背景下探索生命的起源，必須有前生命化學家、生物地球化學家、天體生物學家、大氣科學家、地質學家、地球物理學家、天文學家和行星科學家的通力合作。
聯繫和協調這些研究團隊是一項相當重大的任務，需要科學家們走出舒適圈，並在跨學科合作的過程中積累經驗。
年輕太陽照耀下的地球
這裡展示了一個潛在的早期地球環境，顯示了由微行星撞擊造成的短暫的、富含甲烷的大氣層。在這種大氣中，由於年輕太陽產生的紫外線通量更高，導致光化學反應增強，從而產生沉澱在地球表面的大分子有機凝析物。在新形成的一個較小的撞擊坑內，水通過溫度梯度循環，將活性金屬和其他離子從溶解的岩石輸送到近地表。
在目前的太陽演化模型中，太陽系剛誕生不久時，早期太陽的總能量輸出（光度）被限制在當前水平的70%左右。即便如此，通過觀測其他恆星系中發現的類似年輕太陽的天體，科學家發現早期太陽的紫外線輸出可能高於現在的水平。這些類似天體不僅表現出高能量的釋放，也產生了更頻繁的日冕物質拋射事件。
如果年輕太陽表現出類似的活躍程度，那麼早期地球大氣中的二氧化碳、甲烷、水和含氮物種（如氮氣分子）將以高於今天的速率進行光分解（與光發生相互作用而裂解）。地球表面的紫外線通量也會更大，可能會影響前生物化合物的合成、降解和轉化。此外，這些分子的強光解作用可能貢獻了某些關鍵成分，幫助啟動了原始的化學合成代謝，包括那些利用一氧化碳和氮氧化物（NOx）所進行的代謝。通過計算方法，或者利用早期似太陽天體的觀測研究所建立的早期太陽光譜的精確模型，是開發早期地球大氣光化學模型的關鍵。
早期地球的大氣和海洋
這是另一種可能的早期地球環境，天空呈現藍色，表明大氣較少被還原，可能主要由二氧化碳和分子氮組成。新爆發的火山噴出的火山灰雲將玻璃、粘土和其他礦物質沉積到液態水池中。熱液泉中的水由於溶解了鐵而呈現綠色，與來自不同水池的淡水混合，形成了化學梯度，這種化學梯度可能在前生命化學和早期生命演化中至關重要。蒸發和降水補給（即乾濕循環）導致了一個動態環境，驅動了在許多前生命化學場景中十分重要的化學反應。冥古宙時期地磁場的存在和強度，可能部分屏蔽了太陽耀斑及其高能帶電粒子的影響。
來自固體地球的揮發性排放在很大程度上組成了早期的地球大氣，其他因素——如小行星和微行星的頻繁和較大規模的撞擊——的影響仍存在爭議。撞擊事件導致的化學相互作用可能產生了甲烷和氫分子等還原性氣體，而早期的火山活動可能產生了二氧化碳和氮氣等相對氧化性的氣體。
這些氣體在大氣層中隨時間和空間的分佈，決定了前生命化學過程中所必需的化學反應物的可得性。在太陽能輸入可能減弱，以及大規模日冕物質拋射期間可能出現的高紫外線輻射情況下，這些氣體還有助於調節地表溫度和宜居性。地磁場也是備受關注和辯論的主題，其存在和強度會進一步調節氣體在大氣層的滯留和逃逸。
來自最古老鋯石的地球化學數據表明，早先在液態水存在時已被改變的地殼物質在冥古宙（即從地球誕生到大約40億年前）期間發生了早期再循環。這一觀測結果為水文循環提供了證據，並表明當時地表溫度相對較低；早期地殼分異形成富硅岩；甚至在這一時期，初始板塊發生了邊界相互作用，可能包括俯衝作用。此前認為，冥古宙時期溫度太高，地球表面不可能存在液態水。現在，關於該時期可能存在早期海洋的觀點已經使地球最早期環境的討論轉向一個共識，即這些環境條件可能有利於生命的出現。
儘管研究者們在理論上取得了進展，但冥古宙海洋的組成及其在地球歷史最初幾億年間的演變在很大程度上仍是未知的，我們甚至不了解液態水是否一直存在，或者普遍存在。現代海洋中的氧化化合物，如硫酸鹽等，很可能在冥古宙海洋中並不存在；當時的海洋可能是酸性的，富含還原鐵，這是大氣層富含二氧化碳，同時缺少氧氣的結果。冥古宙海洋主體的化學過程、水-岩相互作用和熱液作用等，決定了所有近地表和深海海洋流體的性質，同時有助於調節氣候，並設定前生物反應可能發生的條件。
構造板塊和微行星撞擊
這一假想的地球早期海底場景描繪了一個大洋中脊擴張中心，“黑煙囪”在這裡釋放高溫熱液，金屬離子和硫化物（黃點）與較冷的海水相互作用，在海底形成沉澱物。圖中還顯示了“白煙囪”排放的冷卻液體，各種碳酸鹽和蛇紋石礦物組合從中沉澱下來，並可能產生氫，有助於有機化合物的非生物合成。由於溶解鐵的存在，海洋主要呈綠色。上部水柱中的光化學作用導致溶解的鐵氧化為不溶的鐵相，如圖所示為赤鐵礦（紅點）或“綠銹”（綠點）。
另一個重要的問題是地殼何時出現在海洋表面之上。一些構造模型表明，冥古宙時期可能出現了有利於新生大陸形成的條件。熱點的火山活動和大規模撞擊事件也可能導致了高出海平面的地形高地。
除了影響陸地的出現，構造過程還會影響海洋和大氣組成、地球氣候，以及可能塑造前生命化學的各種熱液景觀。例如，原始地殼的風化作用會降低大氣中的二氧化碳水平，抑制全球溫室效應，改變海洋化學成分。隨着更多的陸地暴露在海平面以上，風化的速度也會加快。
暴露的陸地也可能是前生命化學演變的關鍵。暴露在大氣中的陸地經歷了乾濕循環，使化合物蒸發、濃縮。這些過程可能驅動了細胞基礎構件的組裝，如形成封閉囊泡的類脂化合物，使遺傳信息的封裝和代謝網絡的建立成為可能。類似的過程也可能支持這些前體逐漸向自我維持的功能系統過渡。然而，儘管陸地在一些關於前生命世界的觀點中處於中心地位，但冥古宙時期是否有可能出現陸地，目前仍然沒有確切的結論。
在早期地球的天空、海洋和地殼發生演變的過程中，地球也受到了小行星和微行星的撞擊。早期的撞擊可能破壞了近地表環境，但也可能向地球提供了關鍵的前生命化合物，如氨基酸、糖、嘌呤（構成現代DNA和RNA基礎的含氮有機化合物）和活性磷。還有研究者認為，這些撞擊創造了一個短暫的、高度還原性的大氣層，與今天高度氧化性的大氣層迥然不同。大多數前生命化學模型都認為，還原條件是產生基本前生命化合物的最可能途徑。
撞擊事件除了輸入或產生必要的有機分子外，還可能以其他方式幫助了生命的起源，特別是通過刺激熱液活動。早期撞擊事件產生的各種結果，可能既有利於生命的起源，也對生命的起源構成挑戰。這仍然是一個重要的研究課題。
合作填充空白
與生命起源相關的研究和假說充滿了不確定性和爭論，這並不令人驚訝，畢竟科學家們追溯了40多億年的時間跨度，希望拼湊出這些高度複雜的過程。與這些過程有關的不確定性、影響和相互關係，都需要進一步加以研究。
事實上，這裡所討論的過程或假說都不能孤立存在。迄今為止，不同的研究團體都各自對生命起源和地球早期環境展開研究，並且通常只進行表面上的跨學科合作和互動。對於一些非常困難的問題，他們都沒有取得里程碑式的進展。美國國家航空航天局（NASA）天體生物學計劃提出了新的“前生命化學和早期地球環境（PCE3）研究協調網絡（RCN）”，目的就是為了填補這一空白。這是一個研究聯盟，旨在通過加強地球科學家和前生命化學家之間的跨學科交流，來改變生命起源的研究現狀。
PCE3的主要目標是培養一種新的研究文化，在這種文化中，我們將在現實的行星條件下測試潛在的前生命化學途徑，並將早期地球環境的動力學和限制條件完全納入起源假說。例如，在化學合成信息聚合物的過程中，此類實驗的產物往往定義了下一步的研究步驟，很少或根本沒有考慮導致成功反應的條件（如鹽度、pH、氧化狀態、溶解物質等）是否可能存在於早期的地球環境中。考慮到我們已經對冥古宙的情況有所了解，相關的地球科學知識能夠並且應該為這項工作的下一步提供幫助。在新的合作方案中，我們可以通過減少假設並提高環境合理性，來對可能的前生命化學場景進行篩選。
新的討論和方向
PCE3研究協調網絡的成員來自一個不斷壯大的群體，其中包括許多剛剛開始職業生涯的科學家，他們已經準備好將早期地球的環境知識與前生命化學模型更好地結合起來。2020年秋季，來自不同學科的科學家參加了PCE3的研討會，主題包括地球的行星形成；地殼與揮發性儲層的相互作用；生命基礎構件的性質、來源和數量；早期地球的地質環境；可能導致越來越複雜的前生命分子的反應途徑；以及如何通過對現代生物化學的研究，來追溯地球生命起源的方法。
研討會參與者探討了早期地球環境及其與前生命化學關係研究中的關鍵未知因素，對每個主題中最重要的開放性問題進行了匯總。他們特別感興趣的課題包括前生命化學模型和實驗所必需的化學和物理條件，以及可能存在於行星現實之外的前生命化學情景。例如，有與會者強調了局部環境動態特性的若干方面為“關鍵的未知因素”，這些方面包括乾濕循環、溫度-壓力梯度、凍融循環、關鍵分子的大氣生成速率、氧化還原波動和火山排氣等。與會者還確定礦物表面和溶液中金屬離子的成分和濃度為重要的未知因素；這些因素可能影響了局部環境中前生命化學反應的類型、速率和複雜性。
儘管對地球歷史及其共同進化的生物圈的研究取得了巨大的進步，但生命的起源仍然是未解之謎。前生命化學領域的實驗需要解釋目前在全球和局部尺度上對早期地球的理解，並且將我們對冥古宙的理解轉化為這些實驗的精細邊界條件。與此同時，科學家們必須質疑以往的假說，並重新審視關於早期地球的未知因素，並將這些不確定性整合到他們的實驗和模型中。
生命是如何開始的，這是人類經驗中一個不可或缺的核心問題，它與一個更大的問題——我們宇宙中是否是孤獨的——有着內在的聯繫。隨着人類對行星宜居性、其他行星和衛星上的生命以及太陽系外行星系的探索逐漸深入，早期地球研究的重要性也被放大。在這項研究中，確定導致生命出現的特定環境條件和化學途徑，無疑是最為重要的目標之一。（任天）