第三十章　生命的起源

關(guān)于地球上生命的起源有許多種理論，現(xiàn)在最流行的或者說(shuō)權(quán)威的理論是生命的化學(xué)進(jìn)化論。是1924年時(shí)由蘇聯(lián)生化學(xué)家?jiàn)W帕林提出的，與他提出了類似觀點(diǎn)的是英國(guó)生物學(xué)家霍爾丹。我們現(xiàn)在要講述的主要就是這個(gè)理論。

—生命起源的第一步：從無(wú)機(jī)物到有機(jī)物—

講生命的起源還得從地球的形成說(shuō)起。

我們前面講過(guò)了地球形成的過(guò)程，地球誕生于約45億年以前，最開(kāi)始是一團(tuán)原始的“均質(zhì)體”，后來(lái)由于受到宇宙間天體的撞擊，內(nèi)部逐漸變熱，直達(dá)約2000℃。這時(shí)候，地球整個(gè)成為了熔巖狀，由于熔巖的分層活動(dòng)，冷卻后就形成了地球現(xiàn)在大致的分層結(jié)構(gòu)：核心是地核，中間是地幔，最上層是地殼。這是距今大約40億年前的事。

此后就是地球大氣的起源了。這時(shí)候年輕的地球還剛剛形成，是非常不穩(wěn)定的，到處是噴泉一樣的眼孔，不停地向空中噴射出各種氣體。例如水汽、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、氯氣、硫化物、氮?dú)狻睔?、氫、氦等。這些被噴出來(lái)的氣體在空中游蕩了一陣后，又漸漸地發(fā)生了變化。例如水汽冷卻下來(lái)后就凝結(jié)成液態(tài)水。久之，大氣中主要的組成部分就成了一氧化碳、水汽、甲烷、氨、氫等。我們可以看到，這時(shí)候空氣中還沒(méi)有或者極少氧氣，這種大氣被稱為“還原性大氣”。

這時(shí)，下面關(guān)鍵性的一步又來(lái)了。我們知道，這個(gè)原始的地球大氣內(nèi)無(wú)疑經(jīng)常有許多劇烈的現(xiàn)象發(fā)生，例如閃電、暴風(fēng)等。更為重要的是，有一種東西正在猛烈地作用著大氣，這就是紫外線。

要知道太陽(yáng)能的主要組成部分之一就是紫外線，每時(shí)每刻都有巨量的紫外線射向地球。紫外線雖然對(duì)現(xiàn)在已經(jīng)形成的生命有破壞作用，是生命之殺手，然而它對(duì)于原始的大氣卻不是這樣，是提供給原始大氣的重要能源。

正是由于有了這些能源——紫外線、閃電、風(fēng)暴等，它們長(zhǎng)久地、一再地作用的結(jié)果，終于使得原始地球產(chǎn)生了一樣新的東西——有機(jī)化合物。我們可以用這樣的公式來(lái)大致表示：

（一氧化碳、水汽、甲烷、氨、氫等）＋（紫外線、閃電、風(fēng)暴）＝有機(jī)化合物

這個(gè)說(shuō)法可不是科學(xué)家們的主觀揣度，更不是空穴來(lái)風(fēng)，而是經(jīng)科學(xué)家們用實(shí)驗(yàn)證明了的。

1952年時(shí)，美國(guó)芝加哥大學(xué)研究生米勒與其導(dǎo)師尤里合作，進(jìn)行了模擬原始大氣的實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)里，米勒設(shè)計(jì)了一個(gè)模擬原始大氣的環(huán)境，他先在特制的玻璃器皿里放上與原始大氣相仿的一氧化碳、水汽、甲烷、氨、氫等，然后模仿閃電對(duì)之進(jìn)行放電，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，再檢查玻璃器皿里的氣體，結(jié)果發(fā)現(xiàn)了多種有機(jī)化合物。

我們知道，有機(jī)化合物與無(wú)機(jī)化合物之間有本質(zhì)的區(qū)別，這里的“機(jī)”就是生命之意，因此，有機(jī)化合物與生命之間的距離較之無(wú)機(jī)物要近得多。

后來(lái)，經(jīng)過(guò)進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)，米勒又得到了氨基酸。而蛋白質(zhì)就是由氨基酸組成的，蛋白質(zhì)又是組成生命體的主要成分?，F(xiàn)在組成天然蛋白質(zhì)的20種氨基酸中，除了精氨酸、賴氨酸和組氨酸3種以外，其余17種都可以用這樣的模擬大氣實(shí)驗(yàn)的方法產(chǎn)生。

我們上章剛說(shuō)過(guò)，組成生命最重要的成分是核酸，核酸分為兩種，即RNA和DNA。

RNA與DNA的結(jié)構(gòu)差不多，兩者都是生物大分子，具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，它們都是由堿基、糖、磷酸鹽三種成分構(gòu)成，其中構(gòu)成RNA的糖是核糖，而構(gòu)成DNA的糖則是去氧核糖，它們可以被稱為生物小分子。組成核酸的這些生物小分子也大都能通過(guò)類似的模擬實(shí)驗(yàn)形成。

這些科學(xué)實(shí)驗(yàn)表明，幾乎所有組成現(xiàn)存生命的有機(jī)化合物都可以從不含這些復(fù)雜的有機(jī)化合物甚至不含有機(jī)物的原始大氣中獲得，而獲得的條件也并不復(fù)雜，是原始大氣在當(dāng)時(shí)的情況下幾乎肯定具備的。

我們可以想象，也可以相信，億萬(wàn)年之前，與上面類似的過(guò)程都曾在原始地球上發(fā)生過(guò)。到這一步，原始地球上就產(chǎn)生了氨基酸——它是組成蛋白質(zhì)的基本成分，還形成了核糖、去氧核糖、腺嘌呤、鳥(niǎo)糞嘌呤、胞嘧啶等——它們是組成核酸的主要成分。有了這些可以稱為生物單體或者生物小分子的東西之后，形成生命就是早晚的事了。

—生命起源的第二步：類蛋白的形成—

這些生物小分子，或稱生物單體，被合成之后，下一步會(huì)怎樣呢？那時(shí)地球的生存環(huán)境無(wú)疑是嚴(yán)酷的，這些脆弱的小分子如果被紫外線一照射、或者被閃電風(fēng)暴等一吹打，就會(huì)被重新分解成分子甚至原子。

這樣的過(guò)程的確也發(fā)生在絕大部分生物小分子身上，但也有一些卻逃脫了這樣的命運(yùn)，這些幸運(yùn)兒形成后剛好落在了附近的塵土上，這種塵土在當(dāng)時(shí)的地球必定是非常之多的，而且它們的構(gòu)造也適合于這些小小的有機(jī)分子的吸附，例如它們的表面往往凹凸不平，像一個(gè)個(gè)小避風(fēng)港一樣，這些生物小分子剛好可以鉆進(jìn)去躲災(zāi)。當(dāng)然，這樣小的避風(fēng)港只能暫時(shí)幫一下忙，久了就不行了。不過(guò)不用很久，那時(shí)候，地球表面已經(jīng)形成了遼闊的海洋，這些微塵很容易掉入大海。這下等于說(shuō)是找到了一個(gè)最可靠的大救星。為什么呢？因?yàn)楹Ｋ軌蜃韪糁旅淖贤饩€，空中的閃電與風(fēng)暴也影響不到它們，這樣生物小分子們躲在這里就十分安全了。

在原始海洋里這種生物小分子必定是非常非常之多的，甚至?xí)窕魻柕に裕詈笳麄€(gè)原始的海洋都是一鍋由生物小分子構(gòu)成的“熱而稀薄的湯”了。

請(qǐng)想想吧，在占據(jù)地球表面大部分面積的遼闊海洋里，這鍋由氨基酸、核糖、去氧核糖、腺嘌呤、鳥(niǎo)糞嘌呤、胞嘧啶等組成的湯，在太陽(yáng)照射下、在奔騰咆哮的波浪里怎么會(huì)不產(chǎn)生某種反應(yīng)呢？的確會(huì)。正如科學(xué)家們?cè)趯?shí)驗(yàn)中所得到的結(jié)果，他們?cè)谙♂尩乃芤褐?，即類似于原始無(wú)生命海洋的環(huán)境，將這些生物小分子放進(jìn)去，發(fā)現(xiàn)它們可以形成長(zhǎng)鏈狀的生物大分子，例如蛋白質(zhì)、核酸、多醣類、脂肪等。

由于原始海洋中經(jīng)常有大風(fēng)大浪，這些風(fēng)浪會(huì)將海水與氨基酸一起沖上岸邊，在岸邊可能有一些坑坑洼洼，海水就留在了這里，同時(shí)，它附近可能有火山口、地?zé)峄蛘邷厝?，不久這些熱量便將池子里的水蒸干了，溫度將繼續(xù)升高到120℃左右，這時(shí)氨基酸就會(huì)被變成像蛋白質(zhì)的聚合物。以后，再一次大潮又將海水送到了這個(gè)坑里，于是已經(jīng)變成某種類蛋白的氨基酸再次進(jìn)入了大海。它們?cè)诖蠛＠飳⒖梢耘c那里的無(wú)數(shù)生物小分子或者別的類蛋白之間發(fā)生無(wú)數(shù)可能的反應(yīng)，而這反應(yīng)的結(jié)果之一將是生命的萌芽。

類蛋白產(chǎn)生之后，還有一個(gè)過(guò)程必須完成，那就是過(guò)渡到真正的生物大分子，乃至過(guò)渡到真正的細(xì)胞。這一過(guò)程是怎么完成的呢？

這是由類蛋白自己完成的。

這些類蛋白具有這樣的性質(zhì)，就像上面的自我催化一樣，它們也能夠自我聚合，形成一些特殊的小球狀物質(zhì)。奧帕林和美國(guó)化學(xué)家福克斯都成功地做過(guò)這樣的實(shí)驗(yàn)。

也許到這里您會(huì)產(chǎn)生這樣一個(gè)疑問(wèn)：為什么這些并不是生命的東西會(huì)這么聚在一起呢？這個(gè)問(wèn)題看起來(lái)很復(fù)雜，其實(shí)并不如此。這種將不同物質(zhì)與不同元素結(jié)合在一起的力量我們?cè)谇懊嬷v化學(xué)時(shí)就已經(jīng)說(shuō)過(guò)了。即19世紀(jì)中期凱庫(kù)勒提出的鍵與價(jià)這兩個(gè)有機(jī)化學(xué)中關(guān)鍵的概念。所有化合物的分子都是由不同元素的原子組成的，它們是由其組成的原子通過(guò)“鍵”結(jié)合而成的，鍵可以用一條小橫杠來(lái)表示，即“－”。在這里不妨把鍵設(shè)想成為一條繩子，是它將不同種類的原子捆縛在一起的。而生命形成過(guò)程中所有這些與生命有關(guān)的有機(jī)化合物的形成過(guò)程，歸根到底都是一些化學(xué)反應(yīng)，因此它們都必須遵循化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)特征。即依然是元素之間互相取舍電子后，結(jié)合在一起形成了各種各樣的化合物，從最簡(jiǎn)單的水到最復(fù)雜的、由少則數(shù)十、多則數(shù)十億個(gè)核苷酸通過(guò)特定的途徑形成的一種長(zhǎng)鏈狀的生物大分子——核酸，就其本質(zhì)而言都是這樣構(gòu)成的。

前面已經(jīng)形成了類蛋白，這個(gè)類蛋白已經(jīng)有了類似于生命的跡象，例如有了類似于細(xì)胞膜的屆膜，能夠自我繁殖等。有的人認(rèn)為它們已經(jīng)是生命了，即一種非細(xì)胞的生命。但至少，類蛋白已經(jīng)算得上是生物大分子了。

它要成為真正的生命還要具備一個(gè)基本條件——成為真正的細(xì)胞。我們知道，細(xì)胞是構(gòu)成生物體的基本單位，生物是由細(xì)胞構(gòu)成的，從微生物到植物到動(dòng)物一直到人都是如此。因此，一旦真正的細(xì)胞誕生，那么就可以宣告生命已經(jīng)誕生了。

—生命起源的第三步：真正的細(xì)胞—

類蛋白要成為真正的細(xì)胞，即由生物大分子進(jìn)化成原始的生命，還必須解決兩個(gè)重要的問(wèn)題：

一是產(chǎn)生生物膜。我們知道，類蛋白已經(jīng)有了界膜，界膜與生物膜——也可以稱為細(xì)胞膜，有些相似，然而畢竟不是真正的生物膜，只有界膜真正變成了生物膜，類蛋白才可能真正演變?yōu)樵嫉募?xì)胞。

現(xiàn)在科學(xué)家們一般認(rèn)為，一種“脂質(zhì)體”可能是原始生物膜的模型。脂質(zhì)體是一種人工制造的細(xì)胞樣結(jié)構(gòu)，由脂質(zhì)分子雙層包圍著一個(gè)含水的小室構(gòu)成。如下圖：

脂質(zhì)體用人工方法不難得到，只要將磷脂放在水中進(jìn)行一些處理就成。磷脂是廣泛分布于動(dòng)植物組織中的一種有機(jī)化合物，屬于含磷的類脂化合物，之所以稱為“類脂”，是因?yàn)樗鼈兊姆肿咏Y(jié)構(gòu)都與脂肪相似。一般磷脂分子中都含有一分子飽和脂肪酸、一分子不飽和脂肪酸、一分子磷酸和一分子甘油。這些并不是復(fù)雜的化合物，科學(xué)家們一般認(rèn)為原始海洋中肯定有磷脂形成，有了磷脂就容易形成脂質(zhì)體。脂質(zhì)體如果再嵌入已經(jīng)形成了的類蛋白，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期演變就可能發(fā)展為原始的生物膜。

生物膜的出現(xiàn)，使生命有機(jī)體的內(nèi)環(huán)境與外環(huán)境之間建立起一層半滲透性的屏障，提高了生命有機(jī)體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，對(duì)外界環(huán)境具有更大的相對(duì)獨(dú)立性。這就是具有生命的細(xì)胞產(chǎn)生的正式前奏。

但僅有生物膜是不夠的。我們知道，對(duì)于一個(gè)生物體而言有兩樣?xùn)|西最為重要，一是蛋白質(zhì)，它是構(gòu)成細(xì)胞體的主要材料；二是細(xì)胞核中的核酸，即DNA與RNA，它們具有遺傳的功能，能夠?qū)⑸男畔⒋鄠?，這是生命延續(xù)與進(jìn)化之基礎(chǔ)?，F(xiàn)在蛋白質(zhì)可以說(shuō)已經(jīng)形成，剩下的就是核酸了。

前面說(shuō)過(guò)，一度整個(gè)原始的海洋都是一鍋由生物小分子構(gòu)成的“熱而稀薄的湯”，科學(xué)家們認(rèn)為，事實(shí)上，在這個(gè)時(shí)候，海洋里并不僅僅在形成類蛋白。由于那時(shí)海洋中已經(jīng)充滿了各種有機(jī)化合物，各種有機(jī)化合物都可能碰到一塊，如果有可能結(jié)合或者產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)的話，就會(huì)結(jié)合或者產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)。這些結(jié)合形成的有機(jī)化合物之中就包括蛋白質(zhì)與核酸，并且還有蛋白質(zhì)與核酸之間相互結(jié)合以及產(chǎn)生的新物質(zhì)，當(dāng)然還會(huì)有無(wú)數(shù)種別的化學(xué)反應(yīng)或者化合物之間的結(jié)合并且產(chǎn)生的無(wú)數(shù)各種各樣的新物質(zhì)，它們具有各種各樣的結(jié)構(gòu)與特性，但有的由于不大適應(yīng)環(huán)境，從而被淘汰了，但有的卻被保存下來(lái)。這保存下來(lái)的最重要的一種就是由蛋白質(zhì)與核酸結(jié)合起來(lái)而形成的原始細(xì)胞。

在蛋白質(zhì)與核酸結(jié)合之后，就共同組成了一個(gè)新的、有強(qiáng)大生命力的東西——細(xì)胞。

細(xì)胞產(chǎn)生之后，它不但有了自己復(fù)雜而獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，是一種與以前地球上的任何物質(zhì)完全不同的新物質(zhì)——生命，而且能夠?qū)⑦@個(gè)特色一代一代地遺傳下去，并且在遺傳之中還會(huì)不斷地完善自己——這就是生命的演化。

由上可見(jiàn)，蛋白質(zhì)與核酸的結(jié)合可謂天作之合，它們互相補(bǔ)充、共同形成了地球誕生以來(lái)最偉大的一次新的誕生——生命之誕生。