生命從一開始就不簡單

□ 海 生

當(dāng)?shù)厍蛟?5 億年前形成時，它是一顆荒蕪不毛的巖石質(zhì)星球，經(jīng)常被小行星撞擊，到處都是噴發(fā)的火山。在此后的10 億年里，它變成了適宜微生物居住的處所。今天，從最高的山脈到最深的海洋，生命的足跡遍及每一角落。

然而，太陽系中其他行星似乎都沒有顯示出存在生命的跡象。那么在我們的星球年輕的時候，到底發(fā)生了什么？最早的生命是如何從它那貧瘠的巖石、沙子中涌現(xiàn)的？

對于地球上生命的起源，人們提出了許多解釋。大多數(shù)想法都基于這樣一個假設(shè)：細(xì)胞太復(fù)雜，不可能一次性形成，最初的生命必定是以某個部件為核心，然后以某種方式創(chuàng)造了其他部件。然而，按照這種思路，科學(xué)家在實驗室里百般嘗試，也未能制造出任何類似生命的東西。一些人開始意識到這種想法不可靠，這就好比試圖通過制造底盤來制造汽車，并希望車輪和發(fā)動機能夠自發(fā)地出現(xiàn)。

在四處碰壁的情況下，一些科學(xué)家提出，當(dāng)初認(rèn)為最不可能的事情——生命以完整的形式出現(xiàn)——恰恰是最有可能的。

構(gòu)成生命的三個核心部件

了解生命的起源，困難在于我們不知道首個生命是什么樣子的。目前公認(rèn)的最古老的生物化石，有著35 億年的歷史，但對于我們并沒有多大助益。它們被發(fā)現(xiàn)于澳大利亞西部被稱為“疊層石”的古老巖層。與現(xiàn)代細(xì)菌一樣，它們是單細(xì)胞微生物。但從進(jìn)化上來看，任何單細(xì)胞生物都已經(jīng)相對復(fù)雜：即使是最簡單的現(xiàn)代細(xì)菌也有100 多個基因。第一批生物一定比單細(xì)胞生物更為簡單。但它們又不會是病毒。因為雖然病毒擁有的基因更少，但它們只能靠寄生生活，離開宿主就坐以待斃，所以病毒不可能最早出現(xiàn)。

在缺乏實物證據(jù)的情況下，研究生命起源的科學(xué)家首先提出兩個問題：支撐生命的基本過程是什么？這些過程中使用了哪些化學(xué)物質(zhì)？

下面就是他們的回答。

生命可以歸結(jié)為三個核心系統(tǒng)。第一，它有著完整的結(jié)構(gòu)，每一個細(xì)胞都有一層外膜將其包裹起來。第二，生命需要新陳代謝，涉及一系列從周圍環(huán)境中獲取能量的化學(xué)反應(yīng)。第三，生命需要利用基因進(jìn)行繁殖，基因中含有構(gòu)建細(xì)胞的指令，并能將其傳遞給后代。

生物化學(xué)家也知道支撐這些過程的化學(xué)物質(zhì)是什么。細(xì)胞膜是由脂質(zhì)分子構(gòu)成的。新陳代謝是由蛋白質(zhì)（尤其是酶）推動的，它們有助于催化化學(xué)反應(yīng)。基因則被編碼在一種叫做核酸的分子中，比如脫氧核糖核酸——它更為人知的名字是DNA。細(xì)胞膜、蛋白質(zhì)和基因，構(gòu)成了生命的核心部件，缺一不可。

除此之外，事情就變復(fù)雜了。生命的三個核心過程是相互交織的?；驍y帶著制造蛋白質(zhì)的指令，這意味著有了基因，才能有蛋白質(zhì)。但是蛋白質(zhì)對于維持和復(fù)制基因是必不可少的，這里的關(guān)系似乎又反了過來，要先有蛋白質(zhì)才能有基因。而對于制造構(gòu)成細(xì)胞膜的脂質(zhì)，蛋白質(zhì)又至關(guān)重要，所以要先有蛋白質(zhì)，后才有脂質(zhì)。任何解釋生命起源的假說都必須考慮到上述幾點。

然而，如果我們假設(shè)基因、蛋白質(zhì)和細(xì)胞膜不可能同時出現(xiàn)，那就意味著必定其中一個先出現(xiàn)，然后才“創(chuàng)造”出了另兩個。

誰是生命的No.1？

誰是生命的第一號呢？一個早期的看法是蛋白質(zhì)。20 世紀(jì)50年代，生物化學(xué)家發(fā)現(xiàn)，加熱氨基酸可以使它們連接成鏈，形成蛋白。但因為它們不是通常意義上由遺傳密碼指導(dǎo)下合成的蛋白，而是隨機組裝的氨基酸序列，所以被稱為“類蛋白”。此后，又發(fā)現(xiàn)類蛋白可以形成類似細(xì)胞的球體，并能催化某些化學(xué)反應(yīng)。然而，類蛋白沒能走得更遠(yuǎn)，它既不能制造基因，也不能制造脂質(zhì)?，F(xiàn)在，認(rèn)為蛋白質(zhì)單靠自己就能啟動生命的觀點已被大多數(shù)人放棄。

后來，很多研究又集中在一個叫做“RNA 世界”的假說上。和DNA 一樣，RNA（核糖核酸）攜帶基因。某些RNA 甚至還能催化化學(xué)反應(yīng)，這暗示第一批既能自我復(fù)制，又能像酶一樣行催化功能的RNA 分子，可能啟動了生命。然而，生物化學(xué)家花了幾十年的時間，在實驗室里讓RNA 自我組裝或自我復(fù)制，都沒有成功?，F(xiàn)在他們承認(rèn)，單靠RNA 自身啟動生命，似乎也辦不到。

那么， 或許膜是生命的No.1？美國加州大學(xué)的戴維·迪默最初持這種想法。20 世紀(jì)70 年代，他的研究小組發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩種簡單的化學(xué)物質(zhì)氰胺和甘油與水混合并加熱到65℃時，可以制造出細(xì)胞膜中的脂質(zhì)。如果這些脂質(zhì)隨后被添加到鹽水中并搖晃，就會形成像細(xì)胞一樣的小球，外圍有兩層脂質(zhì)（細(xì)胞膜上的脂質(zhì)也分兩層）。膜有了，但基因和蛋白呢？從脂類可產(chǎn)生不了基因或蛋白。所以，現(xiàn)在迪默也承認(rèn)，光有膜也啟動不了生命。

生命起源的“一起出現(xiàn)”假說

于是，迪默和其他人開始探索另一種方案，即構(gòu)成生命的三個核心部件——當(dāng)然是遠(yuǎn)比現(xiàn)在簡單、原始的形式——是同一個時期出現(xiàn)的。此即“一起出現(xiàn)”假說。

這不是什么新主意。1971 年，一位匈牙利生物化學(xué)家寫了一本書，他在書中設(shè)想了一種被他稱為“化學(xué)子”的最簡單的生命形式。“化學(xué)子”能通過酶進(jìn)行簡單的代謝，同時又有基因和膜。當(dāng)基因自我復(fù)制時，導(dǎo)致“化學(xué)子”膨脹，最終分裂，類似細(xì)胞的生長和分裂。然而，直到21 世紀(jì)初，當(dāng)其他人獨立地找到了類似“化學(xué)子”的東西時，這個想法才得到承認(rèn)。現(xiàn)在，支持“一起出現(xiàn)”假說的證據(jù)越來越有力了。

第一個證據(jù)來自生物化學(xué)。人們越來越認(rèn)識到，生命的三個核心部件，核酸在化學(xué)組成上與蛋白質(zhì)有很大的不同，蛋白質(zhì)又不同于脂類。所以它們不太可能一個制造出另外一個來。

墨奇森隕石

第二條證據(jù)來自隕石，許多隕石和地球一樣古老，因此能告訴我們地球在年輕時是什么樣的。被研究最多的是1969 年撞擊澳大利亞的墨奇森隕石。迪默在其中發(fā)現(xiàn)了可以形成膜的類脂分子。稍后，其他人又發(fā)現(xiàn)了氨基酸和組成RNA 的基本單元——核苷酸。雖然這些化學(xué)物質(zhì)在隕石中都不豐富，但它們的存在表明，它們是可以在同一個時期各自形成的。

那么，這種事情在地球上是如何發(fā)生的呢？一個研究小組發(fā)現(xiàn)，如果甲酰胺在石灰?guī)r等礦物的存在下加熱到160℃，就可以制造出RNA 的組件核苷酸。甲酰胺是一種簡單的化學(xué)物質(zhì)，它遍布宇宙，在新形成的行星上很常見。研究人員后來發(fā)現(xiàn)，在一種叫“蒙脫土”的普通黏土幫助下，不必加熱，這一過程也能實現(xiàn)。甲酰胺也能產(chǎn)生氨基酸，而氨基酸是蛋白質(zhì)的基本單元。

實現(xiàn)這一壯舉的并非只有甲酰胺。一種叫氰胺的有機物與其他簡單的化學(xué)物質(zhì)相混合，也能制造出核苷酸。反應(yīng)需要紫外線，加熱干燥，然后用水潤濕。氰胺還可以制造氨基酸和脂類的“初級版”。

所以，生命的三大部件幾乎都可以從同樣的原料中通過化學(xué)反應(yīng)生成。

原始細(xì)胞可能的樣子

那么，這三大部件最初是如何結(jié)合成一個原始細(xì)胞的呢？

美國哈佛醫(yī)學(xué)院的杰克·紹斯塔克在這方面取得了令人矚目的進(jìn)展。從2003 年開始，他的團隊制造了一批原始細(xì)胞，它們的外層由脂肪酸包圍著，里面有可以自我復(fù)制的RNA。這種原始細(xì)胞在蒙脫土微粒的存在下形成得特別快。它們還可以分裂形成子細(xì)胞。

這些原始細(xì)胞離真正的細(xì)胞還缺少一項功能：新陳代謝。在現(xiàn)代細(xì)胞中，新陳代謝是在大量酶的催化下完成的，而酶在生命伊始不可能存在。然而，其他研究人員找到了在缺酶的情況下也能讓代謝反應(yīng)進(jìn)行的辦法。事實證明，許多關(guān)鍵的反應(yīng)不需要酶的參與，可以由鐵、硫等元素的化合物來推動，而鐵和硫在地球上一直很豐富。最近的研究表明，在紫外線的驅(qū)動下，能驅(qū)動代謝反應(yīng)的鐵和硫的原子團，還可以在原始細(xì)胞內(nèi)形成。至于代謝反應(yīng)是否能在原始細(xì)胞中發(fā)生，還有待研究。

紹斯塔克的原始細(xì)胞是我們迄今對第一批生命可能是什么樣子的最好范本。它們很簡單，但有膜，有能自我復(fù)制的RNA，新陳代謝也可能發(fā)生（這一點有待證實）。

生命可能的起源地

如果核心部件“一起出現(xiàn)”的設(shè)想是正確的，那么生命的“創(chuàng)世紀(jì)”應(yīng)該是在特定條件下發(fā)生的。那可能是怎樣一種環(huán)境呢？

利用甲酰胺或氰胺制造生命核心部件的大部分反應(yīng)都依賴紫外線，一些關(guān)鍵步驟需要干燥。這意味著，作為開始，生命需要一個固體礦物的表面，理想情況下包括黏土（如蒙脫土）、陽光與適量的紫外線輻射，以及足夠高的溫度，可以定期蒸發(fā)水分。

這似乎排除了一種流行的觀點，即生命起源于深海的熱液噴口。相反，生命可能起源于陸地上富含化學(xué)物質(zhì)的水池，甚至可能是蓄水的隕石坑，或者火山環(huán)境中的地?zé)岢?。例如，已?jīng)證明，脂類可以在地?zé)岢刂行纬深愃萍?xì)胞的泡，但在海水中卻不能。

除了有助于鎖定地球上的生命起源地之外，“一起出現(xiàn)”假說還為在太陽系其他地方尋找生命提供了建議。生物化學(xué)的要求排除了目前最有希望的兩個候選者：木衛(wèi)二和土衛(wèi)二。這兩顆衛(wèi)星都被認(rèn)為冰層下有深海。但前面說了，海洋或許對于維持生命是有用的，但不是生命起源的理想之地。相反，最有可能找到生命（或者至少是生命曾經(jīng)存在過的證據(jù)）的地方，是火星。盡管今天，它很冷，表面缺乏液態(tài)水，但在數(shù)十億年前，它的巖石上可能有水流過。它上面還曾經(jīng)活躍著火山，所以可能有地?zé)岢亍?/p>

當(dāng)然，這一切都取決于“一起出現(xiàn)”假說是否正確。這一假說雖然贏得了許多人的青睞，但仍有一些謎團未解。不管怎么說，它帶給我們一個新的有益的啟示。