关于进化论，生物是怎样从无到有的？ 第1页

问：宇宙诞生到现今有多少的岁数？转换为秒有多少秒？

答：根据现有观测数据和理论，可观测宇宙约在138亿年前出现^[1][2]，误差范围约±2000万年。但是，在霍金-哈特尔无边界条件下的宇宙起源阶段，时间如空间般存在。

讨论“整个宇宙”或“多重宇宙”则目前无解。宇宙的不可观测部分的尺寸^[3]与存在状况目前无法确定。

天文、地质、古生物学里所用的年是儒略年，1儒略年=365.25日=31557600秒，138亿儒略年=4.3549488*10^17秒。约四十四亿亿秒。

不要觉得“转换为秒”就能精确到秒。误差两千万年的东西转换为秒之后仍然误差两千万年，这误差是观测对象的实情、观测手段的精度和理论模型的适用性等共同决定的。在天文、地质、古生物学这类领域，人们不会为了“数据看着漂亮”而去追求并不存在的精度。

问：生物从无到有到底是个什么过程？究竟花费了多少年？

环境中随机发生的化学反应产生自组装有机大分子的的过程。

“现存生命的最后共同祖先”是演化生物学假设的一个生物体^[4][5]，它的构造远比细菌和古菌简单。在它之前可能有许多其它生物，但只有水平迁移到最后共同祖先的基因组里的基因能够传到现代。21世纪初，学者一般估计最后共同祖先生活在距今35亿年前~38亿年前，而我们发现的直接的古生物化石证据已经老到了34.8亿年前^[6]。2017年，科学家在加拿大魁北克的岩石中发现了37.7亿年前~42.8亿年前的筒状微小纤维构造，可能是远古海底热泉喷口处生物的活动痕迹^[7]。2018年，有研究根据分子钟将最后共同祖先生活的年代设置到了45亿年前^[8]。

• 在目前的理论下，地球自45.4亿年前形成，冥古宙开始。在45.2亿年前，地球受到体积约等于火星的天体造成的撞击，形成了月球，并从炽热的岩浆球状态逐渐冷却固化（计算表明需时1亿年）。44.1亿年前出现原始海洋。这一时期地质活动剧烈，火山喷发遍布地面、熔岩四处流动。
• 在41亿年前到38亿年前的后期重轰炸^[9]阶段，地球似乎受到了大量小行星与彗星的撞击。根据同时期的月球撞击坑推算^[10]，地球当时形成了22000个或更多的直径大于20千米的撞击坑、约40个直径约1000千米的撞击盆地、几个直径约5000千米的撞击盆地，地形平均每100年就受到显著破坏。冥古宙在38亿年前结束，内太阳系不再有大规模撞击事件。
• 也有一些研究认为“后期重轰炸阶段”地球受到的撞击要少几个数量级，谈不上大规模撞击。

无论如何，最后共同祖先最早可能在地球形成后4千万年就出现了，最晚也不比冥古宙结束来得晚，花不到8亿年。

在远古地球的灼热大气、滚烫液体、冒烟石头、天体撞击和暴风雨里，化学反应是每时每刻都在自然发生的。从无机物产生有机物是非常之普通、在人类的实验室里模拟的远古地球环境中几乎瞬间就完成了^[11]。例如：

• 氢氰酸：在天体撞击和雷电活动中，大气内的含碳化合物和含氮化合物可以反应生成CN自由基和激发态一氧化碳，进而形成氢氰酸^[12]。早已有一些研究显示氢氰酸可以作为地球生命起源过程中氨基酸·核酸·脂质的前体之一^[13]，在这方面的探索还发现了氢氰酸缩合产生有机化合物的新途径。在后期重轰炸阶段的地球表面很可能形成了大量的氢氰酸与甲酰胺。
• 火山活动：溶解有火山气体（一氧化碳、二氧化碳、氨、硫化氢等）的100摄氏度的高压水喷到具有催化性的金属化合物（例如硫化铁、硫化镍）上面，发生化学反应合成有机分子；
• RNA自组装^[14]：在溶解着大量有机分子的海水或淡水温泉里，RNA片段进行自组装；
• 天体撞击^[15]：太阳系里十分常见的含有铁、镍、碳的球粒陨石撞击早期地球的水域，产生的高温高压在铁与镍的催化下让碳、氮和水反应，合成出氨基酸、脂肪酸等有机分子；
• 太空飞来^[16]：在太阳辐射和宇宙射线作用下形成于小行星上的有机分子随着陨石坠落到地球上。
• 现在未知的生物化学反应：2017年，研究人员从美国加利福尼亚2处地方的蛇纹岩化反应涌出水里检出了多种微生物，其中79种的基因组已经被解析。它们是细菌但ATP合成酶基因与古菌相同，一部分物种没有ATP合成酶基因，核糖体构造与已知细菌不同，这之中还有一部分物种也没有糖酵解酶基因，其能量获取途径不明，也许和体表覆盖的纳米级橄榄石/蛇纹岩有关。

最后共同祖先的出现率没有硬算的必要。在诡秘的万古中，死亡自身亦会消逝。

设每秒钟从无机物中不会产生“现存生命的最后共同祖先”的概率为99.999999999999%，经过1亿儒略年，还没有产生该祖先的概率为：

0.99999999999999^(3.15576*10^15)=2.02144902E-14

• 这意味着“现存生命的最后共同祖先”以每秒百万亿分之一的出现率有几乎100%的概率在1亿年内产生。

设每秒钟从无机物中不会产生“现存生命的最后共同祖先”的概率为99.99999999999999%，经过7亿儒略年，还没有产生该祖先的概率为：

0.9999999999999999^(2.209032*10^16)=0.08607655635540815

• 这意味着“现存生命的最后共同祖先”以每秒一亿亿分之一的出现率有约91.4%的概率在7亿年内产生。

在实际的远古地球上，反应物的量和条件是在逐渐改变的，生命需要的有机物会经过一些反应形成并积累下来，例如：

在硼酸的参与下，核糖通过如上的formose反应生成并积累下来。

2009年，Matthew W. Powner等人成功找到了从原始有机物到U、C两种碱基核苷的化学反应过程；2016年，Carell团队破解了从原始有机物到A、G两种碱基核苷的化学反应过程；2019年，Carell团队搞出了能在远古地球的环境条件及简单的无机底物作用下同时产生四种RNA核苷酸的过程。该过程不需要复杂的分离和纯化，即可产生关键的生命组分：

1993年，哈佛大学的科学家在实验室里创造出能执行RNA聚合酶功能的RNA。从那以来，人类制造出的这种RNA的性能不断改善，2016年David P. Horning和Gerald F. Joyce发现的24-3聚合酶几乎能复制任何RNA链并将其扩增万倍。

蛋白质同样可以自然形成并在计算机模拟中自组织成链^[17]。

DNA与RNA结构相似，能形成杂交双链。2018年Angad P. Metha等人^[18]构建并表征了一种含有DNA-RNA杂交基因组的大肠杆菌菌株，其基因组中40~50%是RNA。这种大肠杆菌的存活说明DNA-RNA杂交链并不致死。

综上，地球生物可以在远古地球上以天然形成的RNA和蛋白质为基础自发地产生，并允许其中部分物种逐步将遗传物质从RNA替换为DNA。该过程可能花费至少四千万年到八亿年。

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参考

1. ^ https://www.sciencedaily.com/releases/2020/07/200715170541.htm
2. ^ 有少数研究得到更年轻的结果，但2020年的观测数据不支持那些想法。
3. ^ 被暴胀带到可观测距离之外的物质距离我们可能有3.5万亿光年，乃至无穷远。
4. ^支持它存在的研究 https://www.nature.com/articles/nature09014
5. ^反对它存在的研究 https://www.nature.com/articles/nature09482
6. ^ https://www.liebertpub.com/doi/10.1089/ast.2013.1030
7. ^ http://eprints.whiterose.ac.uk/112179/1/ppnature21377_Dodd_for%20Symplectic.pdf
8. ^ http://palaeo.gly.bris.ac.uk/donoghue/PDFs/2018/Betts_et_al_2018.pdf
9. ^ 约41亿年前至38亿年前，冥古宙及太古宙前后，月球上发生了密集的大量小行星撞击事件，估计这在地球、水星、金星、火星都有相应撞击强度。
10. ^ 月球面对地球的一面的大部分大型盆地，如危海、宁静海、晴朗海、肥沃海和风暴海，是在这一时期撞击形成的。这是后期重轰炸的主要证据
11. ^ 苏联生化学家Alexander Oparin和英国科学家John Haldane分别在1924年和1929年提出了“原始汤”的概念。这个理论认为，几十亿年前，碳、氢、氨、水蒸气等无机物通过化学反应产生了地球上第一批有机化合物，其中包括糖、蛋白质等构成生命的物质。 1953年，满怀好奇心的博士生Stanley Miller说服了自己的导师Harrold Urey，完成了著名的Miller-Urey烧瓶实验。在这个实验中，两位科学家用烧瓶模拟了古地球的环境条件，亲眼见证无机的“海洋”里自发产生了多种有机化合物，包括氨基酸。
12. ^ https://www.nature.com/articles/s41598-017-06489-1
13. ^ https://doi.org/10.1007%2F1-4020-2522-X_8
14. ^ https://cshperspectives.cshlp.org/content/4/7/a006742.long
15. ^ https://www.nature.com/articles/ngeo383
16. ^ http://www.pnas.org/lookup/doi/10.1073/pnas.1907169116
17. ^ https://www.pnas.org/content/114/36/E7460.full
18. ^ Mehta A P , Yiyang W , Reed S A , et al. Bacterial Genome Containing Chimeric DNA–RNA Sequences[J]. Journal of the American Chemical Society, 2018:jacs.8b07046.

生命的起源，是一部波澜壮阔的史诗。

45.7亿年前，一团氢分子星云汇聚，形成最初的太阳。

45.5亿年前，围绕太阳的无数宇宙尘埃、陨石、小行星，汇聚成几大行星，地球便是其中之一。

此时的地球，表面温度高达1200℃，沸腾的熔岩。没有氧气，充斥着二氧化碳，氮气和水蒸气。

一颗叫做忒伊亚的行星撞击原石地球，融合成今天的地球。原始大气层被摧毁，地球核幔分异。

甩出的物质，1000年后，形成环绕地球的尘埃环，并逐渐演化出直径达到3000公里月球，距离地球仅2.2万公里。潮汐锁定形成。

此时的地球，昼夜只有6小时，虽然开始冷却，但温度依旧还很高，原始底壳和海洋形成。

41亿年前，地球遭遇超级流星大轰炸，一轰炸就是3亿年，月球上的大型陨石坑就是在此时形成，又称为月球灾难。

这些流星带给地表丰富的物质（例如地壳中的黄金），还包括水分，地球第二代大气形成。

液体海洋逐渐形成，地球生命的起源，由此拉开了序幕。

• 也有一定可能，在43亿年前，地球就有最原始的生命。这取决于加大拿魁北克发现的古老细菌化石，究竟是37.7-42.9亿年前哪一个时期^[1]。

不过生命起源的最可能时间，还是在40亿年左右。

此时的地球，天空电闪雷鸣，原始大气中的甲烷、氨、氢气等等，经过一系列的化学反应，形成有机小分子，氨基酸、氰化氢、尿素，以及甲醛等。

早期生命诞生的基石也可能是星际陨石或者彗星所带来，例如67P/Churyumov-Gerasimenko彗星上存在原始有机物。^[2]

总的来说，有机小分子的诞生，自然条件下难度并不会太高。

地球上早期有机小分子的来源，不排除有部分来自更加遥远的宇宙时空。

这些小分子，经过团聚作用互相结合，形成“团聚小滴”的凝胶结构，这又被称为团聚体。一些获得原始催化作用的多肽，催化其中的葡萄糖或者氨基酸，就可以形成原始的代谢。如果团聚体吸收外界物质，它便可以增长。^[3]

富含赖氨酸残基的碱性蛋白，能有选择性地和多聚C（胞嘧啶），以及多聚U（尿嘧啶）结合。而富含精氨酸的类蛋白能选择性地与多聚A（腺嘌呤），以及多聚G（鸟嘌呤）结合……

诸如此类的联系，原始蛋白可以把信息传递给原始核酸，在一系列相互作用中，原始的遗传密码可能由此开端。

不过也有依据证明，RNA的复制，不依靠酶也能完成。例如，1967年，美国植物病毒学家Diener发现，马铃薯纺锤形块茎病的致病因子，是一种没有外壳蛋白的RNA裸体分子。

早期的原始生命起源，可能先有蛋白质，也而可能先有核酸。

无论怎么样，蛋白质和核酸的相互作用，诞生了最初一批能够自我复制，传递遗传信息的介于生命和非生命之间的物质。

这些原始类生命物质最开始，是不存在真正细胞膜的。当遇到环境的变动，它们极其容易分肢解体，遗传信息便无法传承下去。

但一些原始类生命物质，和一类薄层膜状，封闭流体的有机化学物质结合在了一起。这些类似脂的物质，也是自我汇聚形成。但与类生命结合之后，成为了更有优势的组合。细胞膜诞生了。^[4]

细胞膜的形成，也标志着真正生命的诞生。

原始细胞膜，令原始生命在与环境的物质、能量交换，还是自我新城代谢、生长复制，都更加的具有优势。

当前所有生命理论上的共同祖先LUCA，极有可能只是无数原始生命中的一个。

最初的原始生命，可能是在深海海底热泉中的一系列反应中诞生。即便真正的生命是从热泉起源，最初主要的有分子质来源，也可能是原始地球诞生或者天外而来。

其它原始生命在物质交换、新城代谢、生长复制方面，可能拥有一些缺陷。它们最终没有传下后代，传下后代的仅仅只有LUCA。

38亿年前，剧烈活动的原始地壳逐渐稳定，温度下降。轰炸了3亿年的超级流星也在此时停止，为生命的存续提供了最基本的保证。

此时的原始海洋中没有氧气，LUCA传下的早期后代只能是无氧代谢的古细菌。原核生命最迟在35亿年前，就已经出现。

自然状态下，形成有机物的效率是极低的。最开始的所有原始生命，都可以认为是消费者。它们消费的，全部都是自然状态所生成的有机小分子，以及一些无机物质。并在厌氧作用下，产生大量的甲烷气体。

32亿年前，在基因的随机突变中，一些原始细菌，例如紫菌和绿菌的祖先，偶然间捕获的硫化物（例如硫化氢），在光照下与二氧化碳发生了无氧光合作用。

由于光合作用生产有机物的效率，远远高于自然状态下，所以这些无氧光合作用生物，很快成了早期生命界的主流。

这些无氧光合作用的原始生命，继续发生着一系列原始的随机突变，一些演化成了今天的紫菌和绿菌，也有一些原始光合生命的还原剂发生了改变，从硫化物变成了水（氧化氢），它们则通过光合作用产生了氧气。^[5]

由于这部分细菌的光合作用效率更高，以及早期硫化物的消耗，它们渐渐成为了早期生物界的主流。

30亿年前，蓝细菌（蓝藻）出现了。

• 蓝细菌最早可能在35亿或者33亿年前，就已经出现。^[6]

早期大气中的氧气比率，开始逐渐增加，第三代大气逐渐形成。

此时的原始地球，几乎全部都是厌氧生命。随着蓝藻的繁荣，一场前所未有的大洗牌开始了。

无数厌氧古细菌灭绝，随机演化出来的少量有氧呼吸细菌得以繁衍生息。

因为蓝藻的繁荣，在接下来的长达十亿年的过程中，地球环境和大气比例，发生了天翻地覆的改变。

高温高盐环境中的一类原核生命，遗传物质发生了一系列的改变，演化成了古核生命。^[7]

由于大气中甲烷等温室气体的大量消耗，23亿年前发生了休伦大冰期。全球温度下降到-50℃，整个地球出现长达1.6千米厚冰层，化身大雪球。绝大部分的原始生物灭绝，仅仅只有热泉附近的生命才得以生存。

休伦大冰期的持续时间，长达3亿年。

然而在极端低温下，大量的古核生命也逐渐灭绝。不过一些后代的遗传物质，进一步发生了改变，形成核膜，演化成真核生命，在低温低盐的环境中生存了下来。

3亿年的休伦大冰期灭绝了绝大部分的原始生命。

随着火山活动，释放大量的二氧化碳，地球冰川融化.

18亿年前，真核生命出现，并逐渐发展壮大。

由于地球环境的恶劣变化，一些掌握休眠能力^[8]的原始生命能够躲过一些大灭绝事件，它们更多的传承下了后代，成为早期生命的优势物种。

• 因为生命演化的迭代本质，此时的真核生命已经比原核生命更加的复杂。且对于当时的环境适应性来说，已经表现出“高等”。生命的演化的本质，仅仅只是迭代。而环境在淘汰不适应的生命体的过程中，存活下来的生命体只要比以前的生命更加具有竞争优势，它就能成为优势物种。这便给人一种，生命由此「进化」的表象。

可能因为共生、细胞分裂误记，或DNA纠错等原因，环境对劣势物种的不断淘汰的过程中，最终导致了有性繁殖的出现。

随后不久，真核生命吞噬革兰氏细菌共生，同化为线粒体；吞噬蓝藻共生，同化出叶绿体。这两大分支，都因为新陈代谢的效率空前提升，成为了优势物种。

15.6亿年前，多细胞生物诞生。

12亿年前，罗迪尼亚大陆形成，早期的真核生命聚集在一起，出现了海绵、变形虫等原始多细胞生命。随着细胞个体之间联系的加强，由简单的连接，变成神经连接，生命体的形式变得更加的完整和复杂。

8亿年前，地球再次出现一次大冰期，被称为雪球地球。又一次生命大清洗。

在这样恶劣环境变化之下，只有再次经历一系列变化的生命，才能生存下来。

在不断的迭代之下，出现了原始腔肠动物，蠕形动物，成在6.3亿年前的埃迪卡拉纪繁荣。

• 代表物种有：狄更逊水母、三分盘虫、查恩盘虫、球栉水母、斯普利格蠕虫。

埃迪卡拉纪末期，地球环境再次出现恶劣变化，发生灭绝事件。

一些偶然间演化出甲壳的生物，获得生存了优势。于是在5.4亿年后成为了优势物种，由于坚硬甲壳、口器、身体分节、中枢神经的改变，这些生物有着前所未有的生存优势。

于是出现了寒武纪物种大爆发。

在随后的5亿年中，地球经历5次生命大灭绝。

灭绝了数以亿万的生命，才有今天人类的出现，并由此展开了宇宙和生命起源的探索之路。

至于宇宙的寿命138.2亿年，是通过宇宙微波辐射观测，并推算的数据，实际误差高达1.2亿，或者3700万年等等，根本不可能精确到秒。而且宇宙年龄还有其它推测方法，通过宇宙微波辐射推测的宇宙年龄，只是其中接受度最广的推算方法。最低100亿年，最高甚至有340亿年的说法。

了解更多关于人类和神经系统的演化， 可以看我这两个回答：

参考

1. ^ http://www.uua.cn/show-10-7926-1.html
2. ^ http://www.cas.cn/kj/201712/t20171205_4625778.shtml
3. ^ 何自珍.蛋白质和核酸起源的研究进展[J].云南农业大学学报,1989(04):316-320.
4. ^ 滨. 基于十二烷基硫酸囊泡、蛋黄卵磷脂质体的原始细胞膜模型研究[D].山东大学,2018.
5. ^ 梅冥相,高金汉.光合作用的起源:一个引人入胜的重大科学命题[J].古地理学报,2015,17(05):577-592.
6. ^ 叶澍. 地球上最早出现的藻类——蓝藻[J]. 海洋世界, 2016, No.499(02):8-9.
7. ^ 黄艳萍,肖义军.极端环境中的生命——古核生物概述[J].生物学教学,2019,44(01):2-3.
8. ^ 谢平.从生态学透视生命系统的设计、运作与演化——生态、遗传和进化通过生殖的融合.北京：科学出版社，2013