出品：科普中國

作者：Denovo團隊

監制：中國科普博覽

在浩瀚的宇宙中，地球生命的起源一直是科學界探尋的謎題。傳統觀點認為，閃電劃破原始大氣，通過電離或高溫生成了有機物，從而創造了生命。然而，最新研究提出了另一個假設：也許，生命的起源并非閃電，而是浪花濺起微小水霧時產生的“微閃電”。

生命起源于水霧中的微閃電

（圖片來源：作者使用AI生成）

追溯經典：從米勒-尤里實驗說起

1953年，年僅23歲的研究生斯坦利·米勒（Stanley Miller）在導師哈羅德·尤里（Harold Urey）的指導下，進行了一個實驗，目的是模擬地球早期的大氣條件，探索生命基本組成部分的可能起源。

他們設計了一個封閉系統，其中包含水、甲烷、氨氣和氫氣——這些氣體在當時被認為是構成原始地球的大氣。為了模擬自然環境中的閃電，他們對這些氣體施加電火花。實驗運行一周后，米勒發現系統中生成了多種有機化合物，包括甘氨酸和丙氨酸等氨基酸，而氨基酸正是蛋白質的基本組成單位。這一發現為有機分子可以在無生命的條件下自發形成提供了實驗支持，極大地推動了關于生命起源的研究。

米勒所設計的封閉的實驗裝置

（圖片來源：參考文獻[7]）

然而，隨著對地球早期環境理解的深入，科學家們開始質疑米勒-尤里實驗的假設條件。后續的研究表明，原始地球的大氣成分可能并不像實驗中設定的那樣富含甲烷和氨，而是以二氧化碳和氮氣為主。在這樣的條件下，閃電誘導的有機分子合成效率可能遠低于米勒實驗的結果。

此外，閃電雖然能量強大，但在地球上的發生頻率相對較低，其直接作用于海洋并高效合成有機分子的可能性受到限制。因此，依賴閃電作為主要能量來源驅動生命前體分子的合成，可能并不現實。

這些質疑促使科學家們探索其他可能的能量來源和環境條件，例如深海熱液噴口、紫外線輻射，以及近期提出的“微閃電”現象等，以解釋生命基本組成部分在地球早期環境中的合成途徑。

新“主角”登場：斯坦福團隊的“微閃電”實驗

在探索過程中，斯坦福大學的研究團隊提出了一種新的假設：地球上的生命可能源于微水滴間的“微閃電”現象。

他們的實驗模擬了早期地球的大氣環境，包括氮氣、甲烷、二氧化碳和氨氣等成分。在此環境中，研究人員將室溫水噴灑進入這些氣體混合物中，形成了帶電的水滴。由于水滴在噴灑過程中會產生電荷分離，較大的水滴通常帶正電荷，而較小的水滴帶負電荷。當這些帶相反電荷的水滴相互靠近時，會產生微小的電火花，即“微閃電”現象。

這些微閃電具有足夠的能量，促使無機氣體分子發生化學反應，生成有機分子。實驗結果顯示，在這種條件下，成功合成了多種含碳-氮鍵的有機化合物，包括例如氫氰酸、甘氨酸和環狀分子尿嘧啶等。這些氨基酸分子和嘧啶分子分別是蛋白質和核酸等生命關鍵組成部分的基礎。

水滴微閃電進行生命起源前的有機化合物的合成

（圖片來源：參考文獻[1]）

這一發現為理解生命的起源提供了新的視角，表明在原始地球環境中，廣泛存在的水霧和氣體混合物可能通過微閃電現象，自發地生成生命所需的基本有機分子。

水為什么還能放電？

水作為日常生活中最常見的液體，我們一般只會聯想到它的導電屬性，但很難讓人將其與“放電”相關聯。那水霧為何會帶電呢？

早在1892年，德國物理學家菲利普·萊納德（Philipp Lenard）通過研究瀑布底部水滴的電荷，首次發現了這一現象。他觀察到，瀑布飛濺的水霧中，較小的水滴通常帶負電，而較大的水滴則帶正電。這一發現被稱為“萊納德效應”（Lenard effect），并在后續的研究中得到證實。

瀑布的水霧中帶有電荷

（圖片來源：作者拍攝）

當水通過噴霧或其他方式霧化時，液體在破裂成微滴的過程中會發生電荷分離。這是因為：在液滴形成時，水分子之間的相互作用導致電荷重新分布。較大的液滴由于表面積較大，可能失去部分電子，從而帶正電荷；而較小的液滴則可能獲得這些電子，因而帶負電荷。

為了在宏觀上驗證這一猜測，科學家們使用空氣作為霧化氣體，將水滴噴入空氣中，使液滴在兩塊帶有相反電荷的平行金屬板之間流動。同時，通過高速攝像機記錄液滴在均勻電場中的軌跡，為萊納德效應提供了視覺證據。

高速相機記錄的微小水滴的運動軌跡

（視頻來源：參考文獻[4]）

水霧帶電了之后，又是如何放電的呢？一項研究表明，當帶相反電荷的水滴靠近時，電子會在它們之間躍遷，從而引起放電并伴有光子發射。

至于導致這種發光現象的機制，有人認為可能是切倫科夫輻射，即當帶電粒子的運動速度超過介質中的光速時就會發生這種輻射。然而，光在空氣中的速度幾乎與在真空中的速度相同，而光在水中的速度約為真空中光速的75%。在氬氣包圍水微滴噴霧的實驗表明，存在的任何切倫科夫輻射都低于我們的檢測限。

科學家們則認為，電子撞擊引發激發電子態的發射，因而產生發光現象。該過程表現出與空氣中的閃電相同的特性，例如，能夠激發、解離和電離分子。因此，這種現象被命名為“微閃電”。這種現象在自然界中也有所體現，例如在瀑布附近的空氣中，水霧的電荷分離可能導致空氣中負離子的增加，使人感到空氣格外清新。

總結

從米勒-尤里的閃電模擬，到斯坦福團隊提出的“微閃電”假說，對于生命最初如何從無機走向有機、從混沌走向有序，我們正獲得越來越準確、可信的解釋。我們期待著，在科學家們孜孜以求的探索下，終有找出生命起源之問終極答案的那一天。

參考文獻：

[1]Meng, Yifan, et al. Spraying of water microdroplets forms luminescence and causes chemical reactions in surrounding gas. Science Advances 11.11 (2025): eadt8979.

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來源: 中國科普博覽

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