導(dǎo)讀提示

生命的起源是一個(gè)亙古未解之謎,地球上的生命起源于何時(shí)何地,是怎樣產(chǎn)生的? 千百年來,人們?yōu)槠平膺@一謎底,遇到了不少陷阱,同時(shí)也看到了前所未有的光明。生命的歷程是艱難的,所以要不斷地學(xué)習(xí)和歷練,學(xué)會(huì)感受生命的珍貴。

研學(xué)內(nèi)容

早期,人們都認(rèn)為生命是由上帝或神創(chuàng)造的,人類無力了解生命的本質(zhì)。在中世紀(jì)的西方,大家普遍接受“神創(chuàng)造天地”這個(gè)觀念。在中國(guó),生命的起源也充滿神秘的色彩,神話中就有“女媧造人”的傳說,這就是人們最初對(duì)生命起源的猜想——“神創(chuàng)論”。

19世紀(jì)前關(guān)于生命的起源還廣泛流行另一種學(xué)說,認(rèn)為生命是從無生命物質(zhì)中自然發(fā)生的,這就是“自然發(fā)生論”,這是一種無生源論,例如我國(guó)古代認(rèn)為的腐草化為螢(即螢火蟲是從腐草堆中產(chǎn)生的)、腐肉生蛆等。在西方,亞里士多德(公元前384年—公元前322年)就是一個(gè)自然發(fā)生論者。有人做過這樣的“實(shí)驗(yàn)”,將谷粒、破舊襯衫塞入瓶中,靜置于暗處, 21天后就會(huì)產(chǎn)生老鼠,并且讓人驚訝的是,這種“自然”產(chǎn)生的老鼠竟和常見的老鼠完全相同。然而,這一學(xué)說在1860年被法國(guó)微生物學(xué)家巴斯德用一個(gè)簡(jiǎn)單但令人信服的“肉湯實(shí)驗(yàn)”徹底否定了。

在19世紀(jì)的西方相當(dāng)流行有生源論或生生論,有生源論認(rèn)為,生物只能由親代生物產(chǎn)生,不能自然產(chǎn)生。生命是宇宙生來就固有的,你要問我生命從哪里來,你首先要回答我,宇宙是怎么起源的,物質(zhì)是怎么來的。你回答了我物質(zhì)是怎么來的,我就可以說生命是從哪里來的。其實(shí)這是一個(gè)不可知論。巴斯德實(shí)驗(yàn)否定了“自然發(fā)生論”,但并沒有解決最初生命是怎樣起源的問題。

小資料　巴斯德“肉湯實(shí)驗(yàn)”

巴斯德將肉湯裝入帶有彎曲細(xì)管的瓶中,彎管是開口的,空氣可無阻地進(jìn)入瓶中,而空氣中的微生物則被阻而沉積于彎管底部,不能進(jìn)入瓶中。巴斯德將瓶中的肉湯煮沸,使肉湯中的微生物全部被殺死,然后將肉湯放冷靜置,結(jié)果瓶中不產(chǎn)生微生物。此時(shí)如將曲頸管打斷,使外界空氣不經(jīng)“沉淀處理”而直接進(jìn)入肉湯中,不久肉湯中就出現(xiàn)微生物了?？梢娢⑸锊皇菑臓I(yíng)養(yǎng)液中自然發(fā)生的,而是來自空氣中原已存在的微生物(孢子)。

1864年巴斯德在法國(guó)國(guó)家科學(xué)院報(bào)告了他的工作。原定和他辯論的有名自然發(fā)生論者F.A.Pouchet撤銷了辯論。

關(guān)于生命起源還有許許多多的假說,從近幾年召開的國(guó)際生命起源學(xué)術(shù)會(huì)議提出的研究方向看,當(dāng)代關(guān)于生命起源的假說主要?dú)w結(jié)為兩大類:一是“宇宙胚種說”,二是“化學(xué)進(jìn)化說”。

從過去到現(xiàn)在,人們已經(jīng)提出了許多關(guān)于“宇宙胚種說”的假說,這一假說來源于“有生源論”,提倡“一切生命來自生命”,認(rèn)為地球上最初的生命來自宇宙間的其他星球,即“地上生命,天外飛來”。這一假說認(rèn)為,宇宙太空中的“生命胚種”可以隨著隕石或通過其他途徑跌落在地球表面,即成為最初的生命起點(diǎn)。如在1993年7月的第十次生命起源國(guó)際會(huì)議上,有人提出,“造成化學(xué)反應(yīng)并導(dǎo)致生命產(chǎn)生的有機(jī)物,毫無疑問是與地球碰撞的彗星帶來的”;還有人推斷,是同地球碰撞的其中一顆彗星帶著一個(gè)“生命胚種”,穿過宇宙,將其留在了剛剛誕生的地球之上,從而有了地球生命。一位空間物理學(xué)家和一位天體物理學(xué)家都把地球生命的起源解釋為:地球生命之源可能來自40億年前墜入海洋的一顆或數(shù)顆彗星,他們認(rèn)為彗星提供了地球生命誕生所需要的原材料(他們將之稱為“類生命生物”)。

然而許多科學(xué)家對(duì)此類假說持強(qiáng)烈的反對(duì)意見,現(xiàn)代科學(xué)研究表明,在已發(fā)現(xiàn)的星球上,自然狀況下是沒有保存生命的條件的,因?yàn)闆]有氧氣,溫度接近絕對(duì)零度,又充滿具有強(qiáng)大殺傷力的紫外線、X射線和宇宙射線等,因此任何“生命胚種”在宇宙星球上都是不可能被保存的?！坝钪媾叻N說”實(shí)際上把生命起源的問題推到了無邊無際的宇宙中去了,同時(shí)這個(gè)假說對(duì)于“宇宙中的生命又是怎樣起源”的問題,仍是無法解釋的。

“化學(xué)進(jìn)化說”是一個(gè)基于科學(xué)技術(shù)發(fā)展到一定程度而形成的假說,具有一定的可信性。這個(gè)假說認(rèn)為核酸和蛋白質(zhì)等生物分子是生命的物質(zhì)基礎(chǔ),生命起源的關(guān)鍵就在于這些生命物質(zhì)的起源。在沒有生命的原始地球上,由于自然的原因,非生命物質(zhì)通過化學(xué)作用,產(chǎn)生了有機(jī)物。“化學(xué)進(jìn)化說”研究的重點(diǎn)就是原始社會(huì)有機(jī)物的起源。1922年,生物化學(xué)家奧巴林提出了一種假說,認(rèn)為在閃電、太陽光能量的作用下,原始地球上的某些無機(jī)物,變成了有機(jī)分子。1953年,美國(guó)化學(xué)家米勒首次用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了奧巴林的這一假說。隨后,我國(guó)又在世界上首次人工合成了胰島素和酵母丙氨酸轉(zhuǎn)移核糖核酸,相繼的一系列實(shí)驗(yàn)也對(duì)“化學(xué)進(jìn)化說”做出了驗(yàn)證。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步提高,人們對(duì)于這個(gè)假說的驗(yàn)證也將進(jìn)一步加強(qiáng)。

根據(jù)科學(xué)的推算,地球從誕生到現(xiàn)在,大約有46億年的歷史。早期的地球是一個(gè)很熾熱的球體,地球上的一切元素都呈氣體狀態(tài),那時(shí)的地球是絕對(duì)不會(huì)有生命存在的。地球上的原始生命是在原始地球條件下,由非生命物質(zhì),在極其漫長(zhǎng)的時(shí)間里,經(jīng)過四個(gè)階段的化學(xué)進(jìn)化過程,一步一步演變而成的。

1.化學(xué)進(jìn)化過程的第一階段:從無機(jī)小分子物質(zhì)生成有機(jī)小分子物質(zhì)

原料:原始大氣中的各種成分。

能量:大自然不斷產(chǎn)生的含有極高能量的宇宙射線、強(qiáng)烈的紫外線和頻繁的閃電等。

在高能量宇宙射線、強(qiáng)烈紫外線和頻繁閃電等的作用下,原始地球還原性大氣中的CH4、N2、H2及NH3和H2O反應(yīng)生成氨基酸、核苷酸、單糖、嘌呤、嘧啶等有機(jī)小分子物質(zhì)。

圖1-1 早期地球想象圖

1953年,美國(guó)芝加哥大學(xué)的學(xué)者米勒及其助手在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)首次模擬原始地球在閃電下將原始大氣合成小分子有機(jī)物的過程。實(shí)驗(yàn)證明,原始大氣中無機(jī)小分子物質(zhì)生成有機(jī)小分子物質(zhì)不但是可能的,而且這種過程現(xiàn)在仍在宇宙間發(fā)生。

小資料　米勒實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)于1953年由美國(guó)芝加哥大學(xué)研究生米勒在其導(dǎo)師尤利的指導(dǎo)下完成。

實(shí)驗(yàn)假設(shè):

(1)遠(yuǎn)離太陽、歷史上可能變化較小的巨行星(如木星和土星),它們的大氣都是沒有游離氧(O2)的還原性大氣,其主要成分是H2、He、CH4和NH3。由此推測(cè)原始地球大氣也是這樣的還原性大氣。

(2)作用于地球大氣層的能源,主要是太陽輻射中的紫外線、閃電和宇宙射線等。其中宇宙射線不足以合成有機(jī)物,還原性氣體僅吸收短波紫外線,但短波紫外線(波長(zhǎng)<150納米)在太陽輻射紫外線中含量極微,可作有機(jī)合成能源的量極少;而每年閃電次數(shù)較多,可作有機(jī)合成的能量較大,又在靠近海洋表面處釋放,這樣在原始地球還原性大氣中合成的產(chǎn)物就很容易溶于原始海洋之中。

基于上述考慮,米勒模擬原始地球還原性大氣中雷鳴閃電的實(shí)驗(yàn),看看能否合成有機(jī)物,特別是氨基酸、核糖、嘧啶、嘌呤等組成蛋白質(zhì)和核酸的生物小分子。

實(shí)驗(yàn)步驟和結(jié)果:

如圖1-2所示,先將水注入左下方的燒瓶?jī)?nèi)。然后將玻璃儀器中的空氣抽去,泵入CH4、NH3和H2的混合氣體。再將燒瓶?jī)?nèi)的水煮沸,使水蒸氣(H2O)和混合氣體同在密閉的玻璃管道內(nèi)不斷循環(huán),并在另一個(gè)大燒瓶中,經(jīng)受火花放電一周。最后生成的有機(jī)物,經(jīng)過冷卻后,積聚在儀器底部的溶液內(nèi)(模擬原始大氣中生成的有機(jī)物被雨水沖淋到原始海洋中)。

圖1-2 米勒模擬實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

此實(shí)驗(yàn)共生成20種有機(jī)物。其中11種氨基酸中有4種(甘氨酸、丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸)是生物蛋白質(zhì)所含有的。

其中的化學(xué)反應(yīng)原理大致為:

米勒認(rèn)為,設(shè)想原始地球還原性大氣的成分是CH4、N2、微量的NH3和H2O的混合氣體更為合理,因?yàn)镹H3不可能在大氣中大量存在,它會(huì)溶于海水中。

1972年,米勒和他的合作者在上述混合氣體中進(jìn)行火花放電,結(jié)果得到35種有機(jī)物,其中有10種為組成蛋白質(zhì)的氨基酸,即甘氨酸、丙氨酸、纈氨酸、亮氨酸、異亮氨酸、脯氨酸、天冬氨酸、谷氨酸、絲氨酸和蘇氨酸。若在分析之前進(jìn)行水解,還可以生成天冬酰胺和谷氨酰胺;若在混合氣體中增加H2S,則可生成甲硫氨酸;在CH4、NH3、H2O和H2S混合氣體中進(jìn)行光解作用,可以找到半胱氨酸;對(duì)CH4及其他碳?xì)浠衔镌诟邷叵逻M(jìn)行熱解,可以得到苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸。到目前為止,用米勒模擬實(shí)驗(yàn)和其他類似實(shí)驗(yàn),已能合成20種天然氨基酸中的17種,其余3種(賴氨酸、精氨酸和組氨酸)在技術(shù)改進(jìn)之后,相信不久亦能合成。

2.化學(xué)進(jìn)化過程的第二階段:從有機(jī)小分子物質(zhì)形成有機(jī)高分子物質(zhì)

原始海洋中的氨基酸、核苷酸、單糖、嘌呤、嘧啶等有機(jī)小分子物質(zhì)經(jīng)過極其漫長(zhǎng)的積累和相互作用,在適當(dāng)條件下,一些氨基酸通過縮合作用形成原始的蛋白質(zhì)分子,核苷酸則通過聚合作用形成原始的核酸分子。生命活動(dòng)的主要體現(xiàn)者——原始的蛋白質(zhì)和核酸的出現(xiàn)意味著生命從此有了重要的物質(zhì)基礎(chǔ)。

小資料　我國(guó)在探索生命起源問題上所取得的重大成就

1965年,我國(guó)科學(xué)工作者首次人工合成了具有生物活性的結(jié)晶牛胰島素,這是一種比較簡(jiǎn)單的蛋白質(zhì)分子,相對(duì)分子量約為5733,由51個(gè)氨基酸、2條肽鏈(分別為21肽和30肽)組成,這在當(dāng)時(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過國(guó)際水平。1981年,我國(guó)科學(xué)工作者又人工合成了酵母丙氨酸轉(zhuǎn)移核糖核酸,這是一種RNA,是酵母菌在合成蛋白質(zhì)時(shí),專門用來運(yùn)送丙氨酸到核糖體上的t RNA。它的相對(duì)分子量約為26000,比牛胰島素的相對(duì)分子量約大3.5倍,結(jié)構(gòu)也復(fù)雜得多。結(jié)晶牛胰島素和酵母丙氨酸轉(zhuǎn)移核糖核酸的人工合成,對(duì)生命起源化學(xué)進(jìn)化過程第二階段的研究有著重要的意義,它反映了我國(guó)在探索生命起源問題上所取得的重大成就。

3.化學(xué)進(jìn)化過程的第三個(gè)階段:由有機(jī)高分子物質(zhì)組成多分子體系

以原始蛋白質(zhì)和核酸為主要成分的高分子有機(jī)物,在原始海洋中經(jīng)過漫長(zhǎng)的積累、濃縮、凝集,從而形成“小滴”,這種“小滴”不溶于水,被稱為團(tuán)聚體或微粒體。它們漂浮在原始海洋中,與海水之間形成了一層最原始的界膜,與周圍的原始海洋環(huán)境分隔開,從而構(gòu)成具有一定形狀的、獨(dú)立的多分子體系。這種獨(dú)立的多分子體系能夠從周圍海洋中吸收物質(zhì)來擴(kuò)充和建造自己,同時(shí)又能把“小滴”里面的“廢物”排出去,這樣就具有了原始的物質(zhì)交換作用,成了原始生命的萌芽,這是生命起源化學(xué)進(jìn)化過程中一個(gè)很重要的階段。但這時(shí)還不具備生命,因?yàn)樗€沒有真正的新陳代謝和繁殖等基本生命特征。

4.化學(xué)進(jìn)化過程的第四個(gè)階段:從多分子體系演變?yōu)樵忌?/p>

具有多分子體系特點(diǎn)的“小滴”漂浮在原始海洋上,經(jīng)歷了更加漫長(zhǎng)的時(shí)間,不斷演變,特別是由于蛋白質(zhì)和核酸這兩大主要成分的相互作用,其中一些多分子體系的結(jié)構(gòu)和功能不斷地發(fā)展,最終形成了能把同化作用和異化作用統(tǒng)一于一體、具有原始新陳代謝作用并能進(jìn)行繁殖的原始生命。這是生命起源過程中最復(fù)雜、最有決定意義的階段,它直接涉及原始生命的發(fā)生,是一個(gè)飛躍、質(zhì)變的階段。所以,這一階段的演變過程是生命起源的關(guān)鍵,但目前僅僅是推測(cè),如果能得到證實(shí)并能進(jìn)行模擬的話,那么就意味著能人工合成生命,這將是生命科學(xué)史上一個(gè)重大的突破。

原始海洋是生命的搖籃,是地球上最初產(chǎn)生有機(jī)物的匯總場(chǎng)所。有機(jī)高分子的形成,多分子體系的組成,以及原始生命的誕生都是在原始海洋中進(jìn)行的,而海水具有阻止強(qiáng)烈的紫外線對(duì)原始生命的破壞和殺傷作用。

基于現(xiàn)在的科學(xué)技術(shù),人們認(rèn)為生命起源的途徑可以劃分為化學(xué)進(jìn)化和生物進(jìn)化兩個(gè)層次的五個(gè)階段。這五個(gè)階段分別是:①生命物質(zhì)原料的產(chǎn)生;②生物小分子(如氨基酸、核苷酸等)的合成;③由生物小分子合成生物大分子,如蛋白質(zhì)、核酸;④以蛋白質(zhì)和核酸為主要成分的多分子體系的出現(xiàn),如團(tuán)聚體和微粒體;⑤具有原始細(xì)胞結(jié)構(gòu)和自我更新、自我繁殖能力的原始生命的形成。

內(nèi)容賞析

本文簡(jiǎn)單介紹了生命起源的主要不同假說,并從地球上原始生命不同階段的進(jìn)化史談起,簡(jiǎn)單介紹了“化學(xué)進(jìn)化說”中科學(xué)家對(duì)生命起源的猜想:地球上最初的原始生命是在原始地球條件下,由非生命物質(zhì),在極其漫長(zhǎng)的時(shí)間里,經(jīng)過復(fù)雜的進(jìn)化過程,一步一步演變而成的。當(dāng)然,這種猜想要得到科學(xué)的證實(shí),還需要科學(xué)家們不懈的努力。

1.創(chuàng)世說(神創(chuàng)論)和新創(chuàng)世說

創(chuàng)世說是把生命起源這一科學(xué)命題劃入神學(xué)領(lǐng)域,認(rèn)為地球上的一切生命都是上帝設(shè)計(jì)、創(chuàng)造的,或者是由某種超自然的東西干預(yù)產(chǎn)生的。19世紀(jì)以前,西方流行創(chuàng)世說。近年來,在科學(xué)高速發(fā)展的情況下,創(chuàng)世說的支持者為堅(jiān)持這一非科學(xué)的觀點(diǎn),不得不做出新的努力使圣經(jīng)與科學(xué)調(diào)和,用科學(xué)知識(shí)來證明圣經(jīng)的故事,如用生物學(xué)和古生物學(xué)中的一些“證據(jù)”來證明上帝造物和物種不變的觀點(diǎn),這就是現(xiàn)代的新創(chuàng)世說。這一學(xué)說無論怎樣修飾都是不科學(xué)的。

2.自然發(fā)生論

自然發(fā)生論是19世紀(jì)前廣泛流行的理論。該學(xué)說認(rèn)為生命是從無生命物質(zhì)中自然發(fā)生的。如我國(guó)古人認(rèn)為的“腐草化為螢”“腐肉生蛆”等。在西方,亞里士多德就是一個(gè)自然發(fā)生論者。有的人還通過“實(shí)驗(yàn)”證明,將谷粒、破舊襯衫塞入瓶中,靜置于暗處,21天后就會(huì)產(chǎn)生老鼠,并且讓人驚訝的是,這種“自然”產(chǎn)生的老鼠竟和常見的老鼠完全相同。

3.宇宙發(fā)生說

這一假說認(rèn)為,地球上最早的生命或構(gòu)成生命的有機(jī)物,來自其他宇宙星球或星際塵埃。持這種假說的學(xué)者認(rèn)為,某些微生物孢子可以附著在星際塵埃顆粒上而落入地球,從而使地球上有了初始的生命。但我們知道,宇宙空間的物理?xiàng)l件,如紫外線等各種高能射線以及溫度等條件對(duì)生命都是致命的。而且,即使有這些生命,在它們隨著隕石穿越大氣層到達(dá)地球的過程中,也會(huì)因溫度太高而被殺死。因此,像微生物孢子這一水平的生命形態(tài)是不大可能從天外飛來的。但是,一些學(xué)者認(rèn)為,一些構(gòu)成生命的有機(jī)物完全有可能來自宇宙空間。1969年9月28日,科學(xué)家發(fā)現(xiàn),墜落在澳大利亞麥啟遜鎮(zhèn)的一顆炭質(zhì)隕石中就含有18種氨基酸,其中6種是構(gòu)成生物蛋白質(zhì)分子所必需的。科學(xué)研究表明,一些有機(jī)分子如氨基酸、嘌呤、嘧啶等可以在星際塵埃的表面產(chǎn)生,這些有機(jī)分子可能由彗星或其隕石帶到地球上,并在地球上演變?yōu)樵嫉纳?/p>

鑒賞升華

生命是珍貴的。在原始地球條件和各類物質(zhì)相互作用下,地球上誕生了生命。在現(xiàn)今的地球條件下,作為生命起源的基本條件不存在的原因主要有以下三個(gè)方面:(1)隨著原始藻類(如藍(lán)藻)以及綠色植物的出現(xiàn),它們?cè)谶M(jìn)行光合作用時(shí)產(chǎn)生了大量的氧氣,使得原始地球大氣逐漸成為含氧豐富的大氣,逐漸喪失了生命起源所必需的還原性大氣;(2)地球上沒有了頻繁的閃電和較高的溫度,并且由于臭氧層的存在而使得地球上沒有了強(qiáng)烈的紫外線,再也沒有高能作用使得組成生命的有機(jī)物合成;(3)目前的海洋中含有大量的微生物(能分解有機(jī)物)和游離氧(能氧化有機(jī)物),這也就導(dǎo)致地球上的有機(jī)物不再能夠大量積累保存。所以,生命起源的條件不再滿足?；谶@樣的情況,地球上不再能產(chǎn)生新的原始生命,也就意味著若地球上的物種一旦滅絕就將永遠(yuǎn)消失。所以,保護(hù)環(huán)境,保護(hù)生物,刻不容緩,尤其是對(duì)瀕危物種的保護(hù)。目前,我國(guó)已經(jīng)建立了700多個(gè)自然保護(hù)區(qū)和植物園、動(dòng)物馴養(yǎng)繁殖中心等,加大了對(duì)野生動(dòng)植物和瀕危物種的保護(hù)力度。大熊貓的保護(hù)就是一個(gè)很好的例子,經(jīng)過數(shù)十年的精心保護(hù),據(jù)國(guó)際自然保護(hù)聯(lián)盟發(fā)表的報(bào)告稱,大熊貓已由“瀕危”物種降為“易?！蔽锓N。

我們要珍惜自然界中的一切生命。從生物學(xué)角度可以發(fā)現(xiàn),生命是物質(zhì)的,無論是人還是其他的生命,都是由蛋白質(zhì)、核酸等物質(zhì)組成的。不能因?yàn)槿司哂兴枷?能夠勞動(dòng),就認(rèn)為人更高貴。自然界中,萬物平等。

人的生命是寶貴的,同學(xué)們正處于青春年華,精力和時(shí)間都很充裕,正是認(rèn)真學(xué)習(xí)知識(shí)、掌握技能的關(guān)鍵時(shí)期。陶淵明說過:“盛年不重來,一日難再晨”,愿每一位同學(xué)都能夠珍惜時(shí)間,熱愛生命。

學(xué)后思考

我國(guó)古代著名思想家老子曾說過:“天下萬物生于有,有生于無”,學(xué)了生命的起源,你對(duì)生命有何感悟?

課外搜集一些關(guān)于生命起源的學(xué)說,并在閱讀的基礎(chǔ)上,探究生命起源的證據(jù)。