书城科普读物生命的黑匣子
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第7章 生命的起源:事实与困惑(2)

中国古代也有许多动人的神话传说,其中”盘古开天地“和”女娲造人“的故事最著名。相传在天地未分之时,宇宙不过是混浊不清的一团气,没有光芒,没有声音,更没有生灵和万物。这时有一个睡了很长时间的神从睡梦中醒来,他就是盘古。盘古用神斧把混沌劈成两半。清气上升成为天,浊气下降成为地。盘古因劳累而死,他的身体的各部分变成了日月、星辰、山河、草木。后来又有一个神仙叫女娲。她用黄河中的泥土捏成许多男人和女人,把他们放在地上,泥人慢慢活了,传宗接代,从此就有了人类。特创论又名神创论,主张物种是永恒不变的,自然界的一切生物都是为了一定的目的而创造的(例如,猫被创造出来就是为了吃老鼠,而老鼠被创造出来就是为了供给猫吃等)。因此,特创论常与物种不变论、目的论等结成孪生兄弟。此种宗教式的理论曾在欧洲的中世纪统治了1000多年,亦曾被一些著名的科学家奉为真理,例如瑞典植物学家林奈(1707-1778),法国古动物学家居维叶(1769-1832)。自19世纪中叶以来,相信特创论的人已经愈来愈少。

3.生源论:随缘而生

1668年,意大利一位医生F·雷迪(1626-1698)对”自然发生论“产生怀疑,决心亲自做一个实验,看一下腐肉到底是怎样生出蛀虫的。他把肉分为两份,分别放进两组容器中,其中一组容器是敞开的,一组容器则盖上了纱布。结果,盖了纱布的容器内的肉,没有一块是长蛆虫的;而不盖纱布的、有苍蝇叮过的肉,则生长出了蛆虫。雷迪最先用实验证明了:腐肉不可能自然而然地生长出虫蛆来,虫蛆是由于苍蝇在腐肉上产卵后孵化而生的。但是,仍有一些人,如德国著名动物学家海克尔(1834-1919)就十分相信自然发生论。1860年,法国微生物学家L·巴斯德(1822-1895)决心再次做实验,以判定微生物的来源。巴氏发现,酒和醋的酿造过程是微生物活动引起的发酵过程,一些物质的腐败也是微生物活动引起的发酵过程,并不是发酵或腐败产生了微生物。进而,巴氏创立了发酵原理,指出发酵是微生物在没有空气情况下的一种特殊的呼吸作用。由此证明,不但结构复杂的生物不可能由非生物物质自然地直接生成,即使是结构简单的微生物也只能由其亲代或其孢子产生,亦不能由非生物物质自然地直接生成。接着,巴氏提出无论是结构复杂的生物还是很简单的微生物均只能由其亲代或孢子产生,即”一切生物来自生物“的结论。这理论被称为”生源论“或”生生论“.从此在学术界,自然发生说退出了历史舞台,占统治地位的是生源论。然而,生源论或生生论并没有回答出最早的生命是如何诞生的。

因此,生物只能从生物中来,不能自生。这个小小的实验使自生论发生了动摇。

然而另一件科学史上的重要事件,却使自生论又找到了救命的稻草。这就是荷兰的一位普通职员列文·虎克发现了微生物。

列文·虎克喜欢摆弄玻璃。他学会了用琢磨过的玻璃制造透镜的技术,于是就自制了简单的显微镜。这一下可了不得。在人们肉眼看不见的微观环境下,发现了一个新奇的世界。他于1675年发现了最原始、最微小的”单细胞动物“,如草履虫、鞭毛虫等等,1683年又看到了奇形怪状的细菌。从此,人们在动物、植物以外,又认识了生物界的第三大门类--微生物。

微生物的发现,使陷入绝境的自生论又活跃起来。

4.地球生命论:地球是生命之母

地球生命论认为,地球上的生命是在地球上土生土长的。这里又有两个分说:一是在地球形成之后出现的,一是在地球形成的过程中产生的。

1953年美国大学生唐来·米勒的实验证明,”生命的单位“氨基酸能从几种简单的无机化合物中得到。此后,”地球产生说“分裂成”泥土说“和”脱氧核糖核酸说“两派。

本世纪60年代,英国格拉斯哥大学格雷尼姗博士和英格兰格拉斯大学的凯恩斯·史密斯博士先后提出了生命起源于泥土(粘土)的新学说。他们认为,原始的泥土矿物能”自发“地进行化学反应,这种反应能产生氨基酸,而氨基酸是组成生命的基本单位。大约在40亿年前,正是由于这一原因,地球上才第一次出现生命。从70年代起,美国国家航天局的科学家为了证实这一理论,进行了一系列试验,发现普通粘土确有储存和输送能量的功能,而这两种功能对形成生命是必不可少的。

”脱氧核糖核酸说“是美国斯坦福大学的斯坦利·科林博士与哈佛大学的沃尔塔·吉尔伯特博士在1986年1月20日在日本东京召开的一次国际会议上发表的新见解。根据这种假说,地球上最早出现的生物遗传基因以脱氧核糖核酸形式出现,使下一代能够从上一代那里继承这种基因,从而形成生命。

多年以来,围绕着它,人们从各种不同的角度进行了研究,提出了各自的见解和观点。但直到现在,还没有哪两个人对此有着完全相同的看法。我们能真正了解35亿年前地球上所发生的某些事件的具体细节吗研究者们在至少两点上取得了一致的看法,就是对第一批生命,无论它们以什么形式出现,都必须具有自我复制的能力和必须携带遗传信息。

自我复制是生命的任何定义的基础。我们的进化前辈肯定都是些简单的生物体,它们也必须具备这种功能。为了维持生命,有关自身的信息必须从一代传给下一代,就钦庵忠砸糯性的形式存在的信息,赋予生命以连续性。这些特征在代代相传过程中的偶然的一点改变,都会使进化成为可能。可是,我们远古的祖先是怎样做到这一点的或是它们采取了什么样的存在形式却是我们根本不清楚的。进化论生物学家已经把我们的进化族系树追溯到35亿年前形成的岩层中发现的单细胞生物体时代,但就这些太古代的生物体也已经是很不简单了。它们已经具有了DNA和RNA组成的基因,而且还有了蛋白质、类脂和其他成分,更简单的生物体必然更早于它们。

1981年,当科罗拉多大学的托马斯·塞克发现了一种可自我复制的具有一种酶的功能的RNA时,于是产生了对自我复制机制的新认识。直到那时人们都认为复制是通过DNA这个遗传信息库、RNA这个流动的信息传递者以及由负责催化过程的酶蛋白质之间的协同作用实现的。

而现在塞克已经证明,RNA可以作为一种酶来单独发挥酶的全部作用。这些新的信息激励科学家们描绘出由裸露的RNA基因栖息的远古世界上,这些基因怎样以它们的方式自我复制直到DNA和蛋白质进化出来并参加到复制程序中来的一幅图景,这样就导致了活细胞和被认为是我们的祖先的那些细菌的发展。

即使认为RNA世界更接近于生命的起源的话,它肯定也不是生命的源头。RNA虽然比细菌简单得多,但它仍是一个复杂的分子,在其中的一个链锁片断中就含有30多个相互连接的原子,显然它还不能构成最原始的景观。在它之前,必须是构成全部生命基础的简单碳基分子--有机化合物。关于早期地球条件下这些有机物的形成,已早在1953年由米勒-尤里实验得到证实。在此实验的基础上,有人曾提出了传统的生命起源学说。

美国国家航空和宇航局的艾姆斯研究中心的行星天文学家克里斯托弗·卡波认为,要摆脱这种困难局面,就要利用新发现的事实,这个事实就是小行星和彗星上存在丰富的有机化合物。1986年,欧洲和前苏联的空间探测器飞临哈雷彗星以前,人们强烈怀疑彗星上有丰富的有机物,而这一推测得到了空间探测器的完全支持。陨石中有机物碎片不超过其质量的1/20,而靠近目标的探测器发现哈雷彗星含有1/3的有机物。换句话说,也许生命的始祖来自于星际空间。这种见解并不是牵强附会的,月球、水星上布满了陨石坑,这就表明太阳系在早期遭受过来自太空的非常强烈的轰击。而且不久前木星又遭到了苏梅克-利维9号彗星碎片的连续撞击,这些事实都表明地球早期的许多有机物来自于星际空间。但卡波也担心,彗星以每秒钟16~24公里这样高的速度撞击下来,达到的温度会相当之高,以至于把任何东西都烧焦,而残存下来的有机物也许已经太少且太分散而不能演化成生命。

而行星际尘埃微粒(IDPS)则是有机物的另外一个来源。这些直径小于0.1厘米的细小微粒从太空进入地球大气后会漂浮数月至数年之久,最后才慢慢地落在地球上。几年前,NASA利用减轻负载后的U2飞机,在机翼上安装了胶粘性的采集器,直接在大气中采集行星际尘埃微粒。研究者们已经分析出其中也含有大约10%的有机材料,也许正是这种尘埃为早期地球播下了生命的种子。

克里斯托弗·卡波自己也承认,早期地球表面是一个充满敌意的地方。只要有几次大规模的撞击,就会产生巨大的热量而使原始化学演化阶段的生命绝种。

那么,在这样一个噩梦般的环境里,生命的萌芽能得到足够的保护吗有一个安全的、稳定的环境使生命的萌芽有足够长的时间最终绽出生命之花吗1977年2月,俄勒冈州立大学的海洋地质学家杰克·考里斯及其合作者乘深水探测潜艇艾尔文号对厄瓜多尔以西320公里的太平洋海底进行了考察,发现了许多海底温泉,并且在温泉的喷口附近发现了行动快速的蠕虫以及白色的视力已经退化的螃蟹等一些原始的但却是顽强的生命形态,他为之感到惊奇并产生了一种想法:难道海底温泉是生命起源的真正场所吗杰克·考里斯目前在NASA的戈达德研究中心工作。考里斯和他的同事们不断提出了海底温泉喷口就是生命直正发源地的思想,他认为,这些温泉提供了一切从很简单的分子直到产生细胞和原始细菌的完美、连续过程的条件。

关键是”连续“这个词。温泉除了提供给生命发展以安全的避难所以外,还提供了一个自然温度梯度。温泉喷口下部连接温度高达1300℃的灼热岩石,而上部则到达40℃的海底,也就是说,生命的形成需要什么样的温度,都可任意选择。任何一位化学家都知道,存在温度梯度的地方就是将会发生一系列化学反应的地方--也许甚至是生命发源的地方。

考里斯重视的地方是温泉喷口0.8公里深处的裂隙前锋,那儿海水碰到了热岩浆,变成了一口沸腾的大锅,像碳、氧、氢、氮和硫这样一些元素就会相互作用形成新的有机化合物。

但困难依然存在,热仍然是一把双刃剑,它推动了化学反应,但也可以同样毁坏这些反应的生成物。如果暴露在高热下太久,生成的有机化合物就又会分解掉。

尽管如此,考里斯仍然有一张王牌:这就是温泉喷口的温度梯度。他认为循环的海水冷却时会立即形成新的有机化合物,最终有机化合物会沉积于喷口边缘的粘土矿脉上,并在那里停留下洋中简单地漂浮直至消散。在那里浓集的有机分子中,它们能够在相互间以及和温泉中不断上升的新的化合物分子间起作用,直到原始生命终于出现的激动人心的那一时刻。

考里斯描绘的这一图景是建立在假定骚动不安的早期地球上有着比现在更多的海底温泉的基础之上的。这一假定也得到了一些学者的支持,他们认为原始地球上分布着许多更热的海底温泉,而且这些温泉确实能够成为生命得以进化发展的安全避难所。

英国格拉斯哥大学的化学家格雷姆·卡尔斯-史密斯对这一理论进行了深入的研究,认为温泉喷口的粘土矿脉确实可以作为简单有机物跳越一些过程发展形成能自我复制的材料的一种理想的载体。卡尔斯-史密斯甚至认为粘土自身就可以当作第一批遗传特性物质,他称这种特性的物质为”结晶基因“.他进一步解释道,粘土矿物就是由水风化的岩石中形成的结晶,而粘土像任何结晶一样靠自己生长--就像窗玻璃上扩张的霜形成的结晶一样。换句话说,结晶过程就是自我复制。因此,如果自我复制是关键性环节的话,生命就不会和有机分子一起开始,而是伴随着结晶开始,也就是说生命在粘土中发生。

现在将卡尔斯-史密斯以及考里斯的观点结合起来再次描绘出一幅原始生命起源的图像:浓集于粘土矿脉结晶的挫伤处的有机化合物分子是形成生命的原材料,这些有机分子碰巧发生有机反应的结晶表面是非惰性的、有活力的、生长的、甚至是可以协助这些反应的。当这些结晶生长的时候,从热水喷口中上升的有机分子会在晶体上合适的凹角处及裂缝中发展,就像用木楔楔入带孔木板的孔洞中一样合适,这些有机分子就会在这样的表面上的孔穴中制造它们自己,有时它们又会与以同样方式躲在相邻壁龛中的其他分子发生反应。因为位置是如此地精确,相似的化学反应就会反复地进行。这样,这些结晶实际上催化了新的有机化合物的合成。当这些有机化合物完成一系列反应进入RNA阶段时,就反过来用它那强有力的链锁结构来回报厚爱,去帮助正在生长着的粘土结晶,使这些结晶粘在一起,因此这些RNA首先具有了结构功能,再反复与粘土结晶发生相互作用才又具备了遗传功能。最后,当变为自我复制分子时,RNA就抛弃了粘土结晶这个”脚手架“而进入独立复制阶段,早期生命就这样诞生了。

这个描述生命起源的”剧情“是很动人的,但海底温泉喷口理论和结晶理论的拥护者们必须从实验上来模拟和验证他们的推测,也就是说必须在实验室中再造一个远古的温泉喷口及早期条件下的粘土结晶来进行一系列的模拟实验,从而拿出可靠的证据以给该理论提供支持。

实际上,温泉喷口研究者们正在忙于进行实验设计,与此同时,卡波也正在跟卡尔·萨根一起合作研究,试图进一步明确地外物质和生命起源的可能联系。而卡尔斯-史密斯也正在紧锣密鼓地调查粘土矿物和有机化合物之间的化学联系,同时也在进行这方面的模拟实验。

但在有关各方提出令人信服的实验证据以前,生命之源依然是一个难解的谜。当然,我们也盼望有那么一天拥有新技术并做出突破性发现的人们告诉大家,生命是怎样在各种偶然环境条件下发生的,这将会是我们人类在探索自然奥秘方面交上的又一个大好运。

5.宇宙胚种论:猜想与臆说

自然发生说退出了历史舞台,生源论或生生论又没有提出地球上最初的生命是如何由来的,于是一些学者提出”宇宙胚种说“,以解释地球上最早的生命之由来。