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生命“从无到有”的三大难关是什么?

无生源说是指生命最终是由无生命的东西而来,但从无到有一点也不易,至少要解决三大难关

说到生命起源,不少人立时会想起达尔文的巨著《物种起源》(On the Origin of Species)
。但这只是个误解,因为此书重点从不是有关生命起源,而是探讨“物种的演化”,借此解释“新物种的由来”
。不过达尔文也并非没有思考过生物起源的问题。他曾于1871年给朋友的一封信件中提出著名的“温暖小池塘”假设。

生命“从无到有”的三大难关是什么?

“但假如我们构思有些温暖的小池塘内充满着各种氨气(ammonia)、磷盐(phosphoric

salts),以及光、热或电流等,以致蛋白质化合物得以从化学反应中产生,继而进行更复杂的改变——虽然蛋白质在现今的环境通常会被立即吞噬或吸收,但若以上假设属实,则生物出现前的环境状况应该并非如现今这般。”

一个湖,一些原材料,再加一些能量(譬如电光一闪),
生命就“嘭”的一声出现了——真是那么简单吗?我的答案是:尚待考证。时至今天,我们仍未能完整的、准确的掌握生命出现的进程
。不过由1871年至今,我们的确对生命起源的认识着实增加了不少。

由死物变为生物?

要谈“生命起源”,我们首先要由“生命”谈起。

“生命”的定义至今仍莫衷一是,但其中有一点是被人广为接受的——所有生命都是从其他生命而来,即所谓“生源说”(biogenesis)。自19世纪巴斯德(Louis
Pasteur)以鹅颈樽实验否定了“自然发生”(spontaneous
generation)假设后,科学界便认为生命只能由生命所衍生,不可能凭空出现。但读者只要细心一想:若我们顺着时间向前追溯,最终不也会碰到第一只生物吗?而这位终极祖先又从何而来呢?那就要诉诸由死物变为生物的过程,亦即是“无生源说”(abiogenesis)。

无生源说是指生命最终是由无生命的东西而来。但从无到有一点也不易,至少要解决三大难关:

  • 由无机物产生有机生物分子(biomolecules);

  • 将简单有机物合成为更复杂的有机物,并维持有机化合物间的转换循环,此谓“代谢”。并且从有机物中产生能够自我复制的分子,此谓“遗传”;

  • 产生细胞膜以隔绝于外界,以维持体内平衡。

先处理第一点。在生物体内,我们可以找到不少独有的有机化合物。我们称此等化合物为生物分子(biomolecules),亦即是生命的组件,当中包括氨基酸(蛋白的组件)、核酸、糖、核碱基(DNA的组件)、脂类、还有林林总总的代谢物(metabolites)等。没有这些基本组件,生命是无法存在的。它们是如何出现的呢?

生物分子源自外太空?

就此问题,有一派学者认为这些有机化合物并非由本土所生,而是源自外太空。这种想法称为“伪泛种论”(pseudo-panspermia)。伪泛种论者认为在庞大的外太空里有着各式各样的生物分子,这些分子会随天外来客(宇宙尘或陨石等)降临地球,成为地球生命最初的原材料。此说看似科幻,却非毫无实据。

生命“从无到有”的三大难关是什么?

在1969年,一颗约100公斤的陨石划破天际,它随后碎裂并散落在位于澳洲的默奇森小镇上。这颗“默奇森陨石”成为当时不少科研团队的研究对象。当科学家于1970年分析这颗陨石的构成时,他们发现当中充满着甘胺酸(glycine)、丙胺酸(alanine)、麸胺酸(glutamic

acid)、缬氨酸(valine)、脯氨酸(proline)等化合物。这些都是在生物里常见的氨基酸,亦即是建构蛋白质的重要元件。自70年代起,其他陨石也陆续被人分析,得出结果亦类同:它们身上都带着氨基酸。

此外,当科学家于2008年再次分析默奇森陨石时,他们更发现陨石中含有尿嘧啶(uracil)和黄嘌呤(xanthine)。前者是称为嘧啶(pyrimidine)的化合物,是一种核碱基,是RNA的元件之一。后者则是嘌呤(purine)。它也是核碱基,跟DNA和RNA上的腺嘌呤(adenine)与鸟嘌呤(guanine)结构相近。这些发现均说明“伪泛种论”并非天荒夜谈。
生物的原材料会否真的是搭乘飞越天河的太空船而来?

生命源自“原生汤”?

相对于伪泛种论的就是“原生汤论”(Primordial soup)。原生汤论者认为地球生命的出现是不假外求、完全靠赖原始地球的环境所产生的。

达尔文的“温暖小池塘”也许是“原生汤论”的先驱,但正式建构此理论的却是1920年代的两位科学家——欧帕林(Alexander
Oparin)和哈尔丹(John Burdon Sanderson
Haldane)。欧帕林假设早期地球上是充满着各式各样的无机原材料如氢气(hydrogen)、氧气(oxygen)、氨气(ammonia)及雪明碳铁(iron
carbide)等。
在当时高热的环境中,地球表面是一层鲜红的炽热液体,而这些原材料就像是在热汤中滚熬的汤料般,慢慢结合而成碳氢化合物(hydrocarbon),随后再合成为更复杂的有机化合物。

但假设归假设,现实中这一煲汤真的能产生那么复杂的生物分子吗?在1952年,“原生汤论”得到重大突破,那就是著名的米勒-尤里实验(Miller-Urey
experiment)。芝加歌大学的米勒(Stanley Miller)与尤里(Harold
Urey)尝试照着欧帕林与哈尔丹的理论在实验室中重现原始地球的状态。他们预备了简单的原材料——水(H2O)、甲烷(CH4)、氨气(NH2)并氢气(H2),

在密封玻璃装置内将它们加热,并以电流制造火花(模仿闪电),为化学反应提供能量。最终他们得出惊人的结果——地球生命所需的20种氨基酸竟然全都能在这简单的装置内制造出来。

这一发现固然叫人振奋,但科学发现又怎会这般一帆风顺?事实上,后来科学家开始质疑原始地球状态未必如米勒-尤里实验中所假设的那种还原状态(reducing

environment)。而且当其他团队以非还原状态来重复此实验时,他们也无法得到原先的结果,这令到“原生汤论”的支持者大受打击。尽管如此,后来在近廿多年的大小研究当中,科学家也逐渐发现即使原始地球未必处于还原状态,但各种生物分子却依然可以单靠无机物的化学反应制造出来。所以直到今天,原生汤论与伪泛种论两者不分上下,仍然在角力当中。

就算有了材料,生命如何出现?

有了原材料,那生命就因此出现了吗?非也!即或你把人体构成的所有物质搅拌在一起,你也是无法完成《钢之炼金术师》里禁忌的人体炼成的。因为生命并不只有静态(材料)的一面,也有动态(过程)的一面。生命起源第二个难关就是——生命的过程是如何发生呢?

就此问题,当今科学界也存在着两个壁垒分明的派别——一谓“复制先说”(replication-first),一谓“代谢先说”(metabolism-first)。前者是指生命出现的第一个重要里程碑是地球产生了第一颗 “自我复制者”(replicator)。

道金斯(Richard

Dawkins)在《自私的基因》一书中曾作出此假设:只要世上有一粒分子(molecule)能自我复制,它就会胜过其余一切的分子,并靠着突变及筛选变得愈来愈复杂。当时Dawkins的理论是面临着一些难以解决的问题。要成为自我复制者,它必须兼具两种特质:

  • 它需要记录着遗传资讯,从而能够被复制(being replicated);

  • 它需要拥有催化能力(catalytic activity),从而能读取资讯并进行复制(have replication activity)。

身处70年代,科学界那时只知道DNA是负责记录着遗传资讯,而蛋白质则负责读取资讯进行复制,那么何方神圣才能将两者结合为一呢?

这位新星终于在80年代出现——原来是RNA。人们其实早知道RNA跟DNA相似,能够遗传资讯,只是没DNA那么稳定。但到了1980年代,科学家才发现RNA有另一方面是远胜于它的兄弟DNA,就是有些RNA是具备催化化学反应的能力。他们把这一类RNA命名为核酶(Ribozyme,即Ribonucleic
acid + Enzyme的缩写)。

这是一个翻天覆地的发现(发现者在数年内便获得诺贝尔奖),而核酶的出现也令复制先说的理论变得实在。假如在远古的地球上偶然产生了一颗能自我复制的核酶,那不就是生命的先行者吗?故此人们渐渐把复制先说命名为“RNA世界假说”(RNA
world hypothesis)。近年不少科研团队更造出真的能自我复制的核酶系统,令RNA世界假说变得更具说服力。

化学反应才是生命起点?

不过并非人人都对复制先说抱持乐观态度,正如“代谢先说”支持者会认为复制先说是过于不设实际。核酶虽然集遗传资讯与复制能力于一身,但其结构是如此的复杂,又怎可能随机出现呢?

代谢先说认为自我复制者固然是生命起源重要的一环,但并非第一步。生命是源于能够自我催化的化学反应(autocatalytic
reaction)。说到底,我们身体内的新陈代谢(metabolism)
也只不过是一连串的化学反应。它们形成庞大的系统,而参与其中的化合物则被分解、被合成,获取能量、失去能量。这些反应周而复始,直至生物死去才寂灭。代谢先说者深信化学反应才是生命的起点。

生命“从无到有”的三大难关是什么?

在原始地球上,那时大概只有简单的化合物存在。但当环境提供了足够的能量(譬如热力),加上附近有着合适的催化剂,这样便可引发出各种化学反应,这些反应甚至有机会形成简单的自我催化循环。若此等系统得以建立,它就会像雪球般愈滚愈大,愈变愈复杂,继续产生更多不同结构的有机化合物,也更有效捕获周遭环境中的能量。这样,要创造像核酶般复杂的生命分子也就变得容易多了。

天然实验室

不过我们尚有一个问题未解决。若在自然世界中没有容器来盛载原材料(假设一切在倘大的汪洋中发生),那些从化学反应中而得的成品便会渐渐向外扩散,降低浓度。这是对自我催化非常不利的。那么原始地球上有没有天然的实验室,让原材料困在一处,发生反应,形成复杂的化合物呢?

答案是有的。在1970年代,科学家在深海中发现海底热泉(hydrothermal

vent)。这些热泉看起来像烟囱,由各种矿物构成,长期喷著如浓烟般的高热海水。海底热泉是绝佳的自然实然室,它提供了能量(热力)、催化剂(矿物如Fe(Ni)S
)及原材料(大量H2及CO2)。但不止如此,海底热泉拥有多孔(porous)结构,那些烟囱上布满了小孔与小通道,这些小孔与通道就好像化学容器般,让化合物在适当的密闭空间下发生反应。

此外,这些小孔更带来一个额外的好处。若脂类成品在化学反应中得以产生,它便会沿着孔的内壁伸展铺设,像气球般把孔内一切东西都包围着。这是什么?没错,就是细胞膜的雏型。这样的话,我们就连第三个难题都顺道解决了。

有机化合物、自我复制与代谢系统、细胞膜——按现今的科学理论来说,早期生命大概就是由此而生。而地球上只需出现第一只能够自我繁衍的生物
(比如像叠层石微生物Stromatolite等简单生物 ),往后生命渐趋多样与复杂的发展则完全可靠达尔文的 “演化论”继续解释了。

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