在四十多億年前,當太陽系形成之後不久,那時的太陽系與現在有著很大的區別。雖然那時太陽的質量略微高於現在,但光度或者說輻射功率只有現在的五分之四,因為恆星隨著年齡的增長而變得越來越熱。在四顆靠近太陽的巖質行星中,有三個世界看起來非常相似。在那時,金星、地球和火星都有稀薄的大氣層,表面有液態水,以及能夠孕育生命的有機成分。
雖然我們還不清楚生命曾經是否在金星和火星上出現過,但我們知道,在地球形成僅2.6億年之時,地球表面已經有了生命。此後經過數十億年的演變,地球不但成為了生命存在的地方,而且成為了生命繁盛的地方。那麼,生命在地球上起源時是怎樣的呢?
地球上的生命都是碳基生命,並且基本上都依賴於液態水。生命都有著如下的四個共同特徵:(1)生命有新陳代謝,生命會從外部獲取能量和資源供自己使用;(2)生命會對外界環境的刺激做出反應,並相應地改變自己的行為;(3)生命可以生長,並適應它們的環境,或者從它們現在的形態進化成另一種形態;(4)生命可以繁殖後代,把基因延續下去。
這四種特徵必須同時存在,這樣才能被認為是生命。雪花和晶體也可以生長和繁殖,但由於缺乏新陳代謝,它們無法被歸類為活體。蛋白質有新陳代謝和繁殖能力,但它們不會對外界刺激做出反應,也不會根據它們遇到的情況改變行為。另外,病毒究竟是否是生命最具爭議性,因為它們只能通過感染其他細胞來繁殖。
許多有機物質,例如,糖、氨基酸、甲酸乙酯這樣的化合物,甚至像多環芳烴這樣的複雜化合物,它們都存在於星際空間、小行星中,並且在早期的地球上十分豐富。然而,沒有證據表明生命在地球形成之前就已經出現了。
地球是由這些原始成分構成的,核苷酸在那時的地球上或許很常見,蛋白質和蛋白質片段或許是預先組裝好的,脂質層和脂質雙分子層或許可以在水環境中自發形成。然而,從生命前驅體演化到生命,科學家相信這需要適宜的環境。
雖然金星、地球和火星最初都可能有合適的表面重力、稀薄的大氣層、液態水以及生物化學前體分子,然而,地球有一樣東西是其他兩顆行星沒有的,或者說長期沒有的,那就是月球。雖然這三顆行星可能都有機會孕育出生命,但月球給了我們其他行星可能沒有的機會。
這些行星上最初存在的水量很可能足以形成海洋、湖泊和河流,但不足以使它們的表面完全被液態水覆蓋。這意味著它們都有大陸和海洋,在兩者的交界處,有潮汐池。在潮間帶水坑中,水可以穩定地存在於陸地上,並受到各種能量梯度的影響。
太陽光、蒸發和凝結的循環、礦物存在時的多孔流體流動以及水活動的梯度,都有可能使分子以新的方式結合在一起。地球上的潮汐作用會因月球的引力而增強,但金星和火星上也都有潮汐,這是太陽引力作用的緣故。然而,地球上還有一種額外的能源,它有可能促進了地球生命的起源,但這種能源在金星和火星上可能沒有地球那麼多。
研究表明,地球內部的熱活動對生命起源有促進作用。在海底,深海熱液噴口是地質熱點,這是孕育生命的絕佳候選地點。即使在今天的地球上,這些地方仍然是嗜極生物的家園。
深海熱液噴口中含有巨大的能量和化學梯度,那裡有形成生命的合適條件。正因為如此,科學家推測,隱藏在如今木衛二表面之下的液態水海洋中可能有生命存在。
另外,地球上還有一種地方也非常適合孕育生命——陸地上的熱液場。火山活動不僅發生在海洋下面,也發生在陸地上。在淡水中,火山活動提供了額外的化學物質和能量來源。同時,在太陽光的照射下,這些區域就有可能積累起來孕育生命所需的物質。
在地球上,潮汐池、熱液噴口和熱液場都很常見。雖然前體分子起源於地球之外,但它們只有諸如地球這樣的環境中才能從非生命自發地演變為生命。
隨著時間的推移,地球發生了巨大的變化,生命也發生了巨大的變化。生命是否曾經不止一次地出現在不同的地方尚不清楚,但就目前所知的情況來看,如果重建地球上現存的每一種生物的進化樹,它們都會追溯到一個共同的祖先——地球生命最後共同祖先(LUCA),它們生活在距今大約38億至35億年前。
通過研究現存生物體的基因組,生物學家可以瞭解到最後共同祖先。在地球誕生不到10億年的時候,生命已經具備了在DNA、RNA和蛋白質之間轉錄和翻譯信息的能力,這些機制存在於今天所有的生物體中。
雖然地質過程常常會掩蓋遙遠過去的生命化石記錄,但古生物學家已經能夠追溯到非常遙遠的生命起源。人們在可以追溯到35億年前的砂岩中發現了微生物化石,在可以追溯到38億年前的變質沉積岩中發現了生命痕跡。
火星演化想象圖
在更早、更極端的時期,岩石中某些晶體的沉積似乎源自生物過程,這表明地球可能早在43億年前就已經孕育出生命,那時距離地球形成之後才兩億多年。據目前所知,地球有生命的歷史幾乎和地球本身存在的時間一樣長。
雖然金星和火星可能也會像地球一樣有機會孕育生命,但金星大氣的劇烈變化,使它在形成之後兩三億年就變成了一個灼熱的溫室世界。而火星磁場的消失導致其大氣被剝離,使其表面的液態水幾乎消失殆盡。雖然彗星和小行星的撞擊可能帶來了生命所需的有機物,但所有的證據都表明,地球上的生命起源於地球,而非太陽系或者銀河系的其他地方。