在浩瀚的宇宙中，生命如何从无机物中诞生，是困扰人类最深邃的科学谜题之一。复杂的生命大厦需要基石，而这些被称为“生物分子”的基石——如构成遗传密码的核苷酸和构建蛋白质的氨基酸——又是如何从早期地球简单、混乱的化学“原始汤”中出现的？长期以来，科学家们假设这一过程需要剧烈的外部能量，例如来自闪电、火山爆发或强烈的紫外线辐射。然而，一项于2025年6月29日发表在顶级期刊《科学》上的突破性研究，为我们描绘了一幅截然不同、却又无比优雅的画卷。苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）的科学家们发现，生命的关键前体分子——尿素，竟然可以在没有任何外部能量输入的条件下，在微小的水滴表面自发形成。这一发现不仅为生命起源理论提供了至关重要的缺失环节，也暗示着生命的萌芽或许比我们想象的更为普遍和自然。

被忽视的界面：微观液滴中的化学奇迹

领导这项研究的苏黎世联邦理工学院物理化学教授露丝·西格诺尔（Ruth Signorell）及其团队，将目光投向了一个遍布地球、却常被忽视的微观世界：气溶胶液滴。这些悬浮在空气中的微小水滴，构成了我们星球上的云、雾和海浪的浪花。研究团队发现，正是在这些液滴的空气-水界面上，一个意想不到的化学反应正在悄然发生。

在他们的实验中，研究人员模拟了早期地球可能存在的大气环境，其中包含丰富的二氧化碳（CO₂）和一定量的氨（NH₃）。当这两种简单的气体与水滴接触时，惊人的一幕发生了。在液滴的表层，二氧化碳和氨自发地结合，形成了尿素分子（(NH₂)₂CO）。这个过程的革命性之处在于它的“自发性”。在传统的化学认知中，从二氧化碳和氨合成尿素是一个高耗能的过程。现代工业生产尿素（主要用作化肥）需要在高温高压的严苛条件下进行，这个过程被称为哈伯-博施法（Haber-Bosch process）的延伸，是全球能源消耗的主要来源之一。在生物体内，这个反应同样需要复杂的酶作为催化剂才能在温和的条件下进行。

然而，西格诺尔团队的发现表明，大自然利用了一个巧妙的物理化学技巧，绕过了这些能量壁垒。秘密就隐藏在液滴的表面。与内部均质的块状水不同，液滴的表面是一个独特的化学环境。由于表面张力的作用和与周围气体的持续相互作用，水分子和溶解的气体分子在界面处以一种高度有序但又极不稳定的方式排列。这种不稳定性导致在仅有几个分子厚度的表层形成了一个强大的化学浓度梯度和pH值梯度。简单来说，液滴的“皮肤”变得比其内部更酸。这个天然形成的酸性微环境，恰好为二氧化碳和氨的反应提供了一条“能量捷径”，使得尿素的形成在热力学上成为一个可以自发进行的过程，完全无需外界提供额外的光、热或电能。

为了验证这一实验观察的可靠性，研究团队与奥本大学的理论化学家伊万格洛斯·米利奥多斯（Evangelos Miliordos）和安德烈·埃夫多基莫夫（Andrei Evdokimov）合作。通过复杂的量子化学计算，他们从理论上证实了在水-气界面上，尿素的形成确实是一个能量上可行的自发过程。实验与理论的完美契合，为这一新发现的反应途径提供了坚实的证据。

解开生命起源的“先有鸡还是先有蛋”难题

这项发现对生命起源领域具有深远的影响。尿素分子虽然结构简单，但它在所谓的“前生命化学”（prebiotic chemistry）中扮演着至关重要的角色。它是构建更复杂生命分子的理想起点。例如，尿素被认为是合成嘧啶的潜在前体，而嘧啶是构成RNA和DNA中遗传字母（核苷酸）的核心骨架。

在“RNA世界”假说中，RNA被认为是地球上第一个能够自我复制并催化化学反应的生命分子，先于DNA和蛋白质出现。然而，这个假说面临的一个巨大挑战是：在早期地球的混乱环境中，构成RNA的核苷酸是如何产生的？许多已知的合成路径都需要高浓度的尿素，但科学家们一直未能找到一个足够普遍、且不依赖极端条件的机制来解释早期地球上尿素的来源。

西格诺尔团队的发现完美地填补了这一空白。它描绘了一个极其普遍的场景：早期地球拥有一个富含二氧化碳的大气层，火山活动和地质过程释放出氨气。广阔的海洋在风的作用下不断产生大量的浪花和水雾。在每一滴微小的水珠表面，尿素都在持续、安静地自发合成。这些富含尿素的液滴最终落回海洋、湖泊或潮汐池中，逐渐积累起足够浓度的生命“种子”，为后续更复杂的化学演化——例如核苷酸和氨基酸的形成——提供了充足的原料。

这个机制的优雅之处在于它的简单性和普遍性。它不再需要依赖小行星撞击带来的特殊化学物质，也无需等待数百年一次的超级雷电。生命起源的引擎，可能就内嵌在水、空气和简单气体之间最基本的物理化学相互作用之中。正如西格诺尔教授所说：“我们的研究表明，看似平凡的界面如何变成动态的反应空间，这表明生物分子的起源可能比以前认为的更常见。”

通往未来的绿色化学之路

除了对揭示生命起源的 фундаментальное 意义外，这一发现也为未来的化学工业开辟了全新的想象空间。目前，全球每年生产超过两亿吨尿素，其生产过程是能源密集型和碳排放密集型的。如果科学家能够完全理解并掌握在水滴界面上发生的这种自发反应的机理，并将其放大到工业规模，就有可能开发出一种在环境条件下直接从二氧化碳和氨中合成尿素的颠覆性技术。

这无疑是一个长远的目标，面临着将微观界面反应转化为宏观工业生产的巨大挑战。但它代表了一条通往“绿色化学”和可持续发展的光明路径，有望在未来极大地减少化肥和其它化学品生产对环境造成的影响。

总而言之，苏黎世联邦理工学院的这项研究，让我们对生命的起源有了全新的、更为质朴的理解。它告诉我们，创造生命的火花，或许并非源于惊天动地的宇宙事件，而是隐藏在拂过海面的微风、笼罩山谷的晨雾中。在每一滴平凡的水珠里，都可能上演着宇宙中最深刻的创世故事——一个从简单化学到复杂生命的、持续了数十亿年的宏伟叙事。

参考：