模拟早期大气环境，发现“微闪电”可能是地球生命起源！

在浩瀚的宇宙中，地球生命的起源一直是科学界探寻的谜题。传统观点认为，闪电划破原始大气，通过电离或高温生成了有机物，从而创造了生命。然而，最新研究提出了另一个假设：也许，生命的起源并非闪电，而是浪花溅起微小水雾时产生的“微闪电”。

生命起源于水雾中的微闪电

（图片来源：作者使用AI生成）

追溯经典：从米勒-尤里实验说起

1953年，年仅23岁的研究生斯坦利·米勒（Stanley Miller）在导师哈罗德·尤里（Harold Urey）的指导下，进行了一个实验，目的是模拟地球早期的大气条件，探索生命基本组成部分的可能起源。

他们设计了一个封闭系统，其中包含水、甲烷、氨气和氢气——这些气体在当时被认为是构成原始地球的大气。为了模拟自然环境中的闪电，他们对这些气体施加电火花。实验运行一周后，米勒发现系统中生成了多种有机化合物，包括甘氨酸和丙氨酸等氨基酸，而氨基酸正是蛋白质的基本组成单位。这一发现为有机分子可以在无生命的条件下自发形成提供了实验支持，极大地推动了关于生命起源的研究。

米勒所设计的封闭的实验装置

（图片来源：参考文献[7]）

然而，随着对地球早期环境理解的深入，科学家们开始质疑米勒-尤里实验的假设条件。后续的研究表明，原始地球的大气成分可能并不像实验中设定的那样富含甲烷和氨，而是以二氧化碳和氮气为主。在这样的条件下，闪电诱导的有机分子合成效率可能远低于米勒实验的结果。

此外，闪电虽然能量强大，但在地球上的发生频率相对较低，其直接作用于海洋并高效合成有机分子的可能性受到限制。因此，依赖闪电作为主要能量来源驱动生命前体分子的合成，可能并不现实。

这些质疑促使科学家们探索其他可能的能量来源和环境条件，例如深海热液喷口、紫外线辐射，以及近期提出的“微闪电”现象等，以解释生命基本组成部分在地球早期环境中的合成途径。

新“主角”登场：斯坦福团队的“微闪电”实验

在探索过程中，斯坦福大学的研究团队提出了一种新的假设：地球上的生命可能源于微水滴间的“微闪电”现象。

他们的实验模拟了早期地球的大气环境，包括氮气、甲烷、二氧化碳和氨气等成分。在此环境中，研究人员将室温水喷洒进入这些气体混合物中，形成了带电的水滴。由于水滴在喷洒过程中会产生电荷分离，较大的水滴通常带正电荷，而较小的水滴带负电荷。当这些带相反电荷的水滴相互靠近时，会产生微小的电火花，即“微闪电”现象。

这些微闪电具有足够的能量，促使无机气体分子发生化学反应，生成有机分子。实验结果显示，在这种条件下，成功合成了多种含碳-氮键的有机化合物，包括例如氢氰酸、甘氨酸和环状分子尿嘧啶等。这些氨基酸分子和嘧啶分子分别是蛋白质和核酸等生命关键组成部分的基础。

水滴微闪电进行生命起源前的有机化合物的合成

（图片来源：参考文献[1]）

这一发现为理解生命的起源提供了新的视角，表明在原始地球环境中，广泛存在的水雾和气体混合物可能通过微闪电现象，自发地生成生命所需的基本有机分子。

水为什么还能放电？

水作为日常生活中最常见的液体，我们一般只会联想到它的导电属性，但很难让人将其与“放电”相关联。那水雾为何会带电呢？

早在1892年，德国物理学家菲利普·莱纳德（Philipp Lenard）通过研究瀑布底部水滴的电荷，首次发现了这一现象。他观察到，瀑布飞溅的水雾中，较小的水滴通常带负电，而较大的水滴则带正电。这一发现被称为“莱纳德效应”（Lenard effect），并在后续的研究中得到证实。

瀑布的水雾中带有电荷

（图片来源：作者拍摄）

当水通过喷雾或其他方式雾化时，液体在破裂成微滴的过程中会发生电荷分离。这是因为：在液滴形成时，水分子之间的相互作用导致电荷重新分布。较大的液滴由于表面积较大，可能失去部分电子，从而带正电荷；而较小的液滴则可能获得这些电子，因而带负电荷。

为了在宏观上验证这一猜测，科学家们使用空气作为雾化气体，将水滴喷入空气中，使液滴在两块带有相反电荷的平行金属板之间流动。同时，通过高速摄像机记录液滴在均匀电场中的轨迹，为莱纳德效应提供了视觉证据。

高速相机记录的微小水滴的运动轨迹

（视频来源：参考文献[4]）

水雾带电了之后，又是如何放电的呢？一项研究表明，当带相反电荷的水滴靠近时，电子会在它们之间跃迁，从而引起放电并伴有光子发射。

至于导致这种发光现象的机制，有人认为可能是切伦科夫辐射，即当带电粒子的运动速度超过介质中的光速时就会发生这种辐射。然而，光在空气中的速度几乎与在真空中的速度相同，而光在水中的速度约为真空中光速的75%。在氩气包围水微滴喷雾的实验表明，存在的任何切伦科夫辐射都低于我们的检测限。

科学家们则认为，电子撞击引发激发电子态的发射，因而产生发光现象。该过程表现出与空气中的闪电相同的特性，例如，能够激发、解离和电离分子。因此，这种现象被命名为“微闪电”。这种现象在自然界中也有所体现，例如在瀑布附近的空气中，水雾的电荷分离可能导致空气中负离子的增加，使人感到空气格外清新。

总结

从米勒-尤里的闪电模拟，到斯坦福团队提出的“微闪电”假说，对于生命最初如何从无机走向有机、从混沌走向有序，我们正获得越来越准确、可信的解释。我们期待着，在科学家们孜孜以求的探索下，终有找出生命起源之问终极答案的那一天。

参考文献：
[1]Meng, Yifan, et al. Spraying of water microdroplets forms luminescence and causes chemical reactions in surrounding gas.Science Advances11.11 (2025): eadt8979.

[2]Lin, Shiquan, et al. Size-dependent charge transfer between water microdroplets.Proceedings of the National Academy of Sciences120.31 (2023): e2307977120.

[3]Zilch, Lloyd W., et al. Charge separation in the aerodynamic breakup of micrometer-sized water droplets.The Journal of Physical Chemistry A112.51 (2008): 13352-13363.

[4]Xia, Yu, et al. Visualization of the charging of water droplets sprayed into air.The Journal of Physical Chemistry A128.28 (2024): 5684-5690.

[5]Lenard, Philipp. Ueber die electricität der wasserfälle.Annalen der Physik282.8 (1892): 584-636.

[6]Kumar, Anubhav, et al. Water microdroplets in air: a hitherto unnoticed natural source of nitrogen oxides.Analytical Chemistry96.26 (2024): 10515-10523.

[7]Miller, Stanley L. A production of amino acids under possible primitive earth conditions.Science117.3046 (1953): 528-529.

出品：科普中国

作者：Denovo团队

监制：中国科普博览