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生命的起源(上)

◆ 黄学成

   一、复杂的细胞结构

  在《物种起源》中,达尔文对最初的生命是怎么来的,没有做任何说明。但他在1871年所写的一封信中,做了一些猜测:“经常有人说,产生最初生命组织的所有条件现在都存在,就像它们曾经存在的一样。但是,如果我们能够设想,在某个温暖的小水池里,各种胺基酸和磷酸盐、光、热、电等都有,一个蛋白质化合物通过化学反应形成,并准备经历更复杂的变化,在目前,这样的物质马上会被吞噬或消化掉。但在动植物出现之前,情况并不是这样。”所以,达尔文猜想,最初的生命是在某个“温暖的小水池”里通过无机物的化学反应形成的。

  达尔文有这样的假设,并不奇怪,因为在他那个时代,生命被广泛认为是可以随时随地自然产生的。就如把垃圾仍到门外一段时间后,就自发变出蛆、苍蝇和老鼠来。这就是所谓的生命自然发生论。

  今天,我们已能使用先进得多的电子显微镜观测、研究细胞的结构,发现简单的细胞,其实并不简单。尽管细胞种类繁多,形态、结构与功能各异,但它们基本上是由细胞膜,细胞核和细胞质组成。细胞膜是细胞表面由磷脂双分子层与镶嵌蛋白质构成的生物膜;细胞核是细胞内最重要部分,核表面是由双层膜构成的核被膜,核内包含有由DNA和蛋白质构成的染色体,它们作为遗传信息复制与转录的载体;存在于质膜与核被膜之间的原生质称为细胞质,细胞质之中具有可辨认形态和能够完成特定功能的结构叫做细胞器,如内质网、高尔基体、线粒体、核糖体、叶绿体、溶酶体、过氧物酶体等。由膜围成的各种细胞器,在结构上形成了一个连续的体系,称为内膜系统,它将细胞质分隔成不同的区域,即所谓的区隔化,使细胞内表面积增加了数十倍,使各种生化反应和新陈代谢活动能够有条不紊地进行。除细胞器外,细胞质的其余部分称为细胞质基质或胞质溶胶,其体积约占细胞质的一半。细胞质基质并不是均一的溶胶结构,其中还含有由微管、微丝和中间纤维组成的细胞骨架结构。

  一个单细胞就像一个复杂的分子机器,各组成部分相互协调作用,完成细胞的各种功能。具体说来,由双层膜围成的线粒体与能量代谢有关,主要作用是通过氧化磷酸化合成ATP(三磷酸腺苷),ATP是各种生命活动的能源;由大约50个大分子组成的核糖体像个自动工厂,在DNA所提供的基因信息指导下,合成各种蛋白质;内质网是由膜围成的连续的管道系统,它们的作用是储存和运送蛋白质;由成摞的扁囊和小泡组成的高尔基体,与细胞的分泌活动和溶酶体的形成有关;溶酶体含有多种酸性水解酶,在细胞中起细胞内消化作用,是细胞内的垃圾处理场;DNA像个图书馆,储存着合成各种蛋白质所需要的信息;细胞膜管制任何进入或离开细胞的东西;在细胞膜外层延展的蛋白膜,好像一个监视器向细胞报告外面的情况。

  而且,细胞内的每一项生命活动都涉及到一些非常复杂精细的过程。例如,对细胞内蛋白质的形成过程,新闻纪录片《解开生命的秘密》(Unlocking the Mystery of Life)就有如下的描述:

  在所谓的转录过程中,一个分子机器首先解开一段DNA,使装配某特定蛋白质所需的基因指令显露出来。然后,另一个分子机器复制这些指令,形成所谓的信使RNA。转录完成后,携带生命信息的RNA丝状物,……,离开细胞核,进入一个由二部分组成的分子工厂——核糖体。在核糖体内,分子装配线把从细胞中其它部分输送来的氨基酸组装为有特定顺序、长达数百个结构单元的氨基酸链。它们的顺序安排决定了所制造的蛋白质的种类。当氨基酸链合成结束后,它们被带离核糖体,进入一个桶状的分子机器中,被折叠成精确的形状。被折叠成的形状对其功能具有至关重要的作用。在氨基酸链被折叠成蛋白质后,它被释放,由另一个分子机器引导到需要它的正确地方。

  所以,有人说,细胞像个高科技的现代化工厂:例如,它有完善的人工语言和代码系统;储存和检索庞大信息资料的中央记忆库;调节各元件自动装配的精密控制系统;防止错误发生的校验和质检机制;使用预制和组合建筑原理的装配系统;以及容许该单细胞组织以极快的速度复制自己的完善复制系统。也有人说,细胞像个有整体的复杂运作系统的城市:它有通讯系统和政府,有发电厂生产细胞所需的能源,有工厂生产生命所需的消化素和荷尔蒙,复杂的运输系统引导特定的化学物质从一处到另一处,细胞膜好像路障一样管制进出口物资……。总之,细胞具有极复杂的结构,它的每一部分都有其特定的功能。实际上,如果细胞内任何一个微小的部分出现问题,都导致整个细胞不能正常工作。这样一个复杂的分子机器能够通过纯自然的途径,由无生命的物质自发组装而成吗?

  二、米勒实验

 1952年,芝加哥大学的博士生米勒(Stanley Miller)在一个烧瓶中加入氢气、甲烷、氨和水蒸气。他将烧瓶密闭后插入两支电极,通电后可以产生火花。7天后,他从烧瓶中收集到一些有机物,其中竟有几种氨基酸。这就是著名的米勒实验。米勒实验在当时产生很大轰动,因为氨基酸是构成蛋白质结构的基本单元,有了蛋白质,在当时的人们看来,生命的产生就不应该是个问题了。米勒因而进一步推论,他所得到的有机物,随着雨水流入海洋,与海洋中的各种矿物质结合,形成稀的热汤。其中的水份,藉炎热的阳光,不断蒸发,在浓缩的热汤中,原始有机物藉粘土的催化作用,合成为有精细结构的原细胞。

  米勒及其他的科学家随后做了更多的类似实验。他们使用光感反应,陨星进入大气层所产生的震荡波,高能化合反应等,从还原性气体中,得到更多的有机物,包括合成蛋白质所需要的二十种氨基酸中的十九种,以及核酸中所有的五类杂环碱基,还有一些主要的糖类物质如葡萄糖、核糖和去氧核糖。据此,一些科学家相信,生命能够通过化学途径从无生命的物质产生,实际上,生命很可能遍布宇宙。天文学家沙普利(Harlow Shapley)说,米勒证明,“生命之出现本质上是,当物理条件具备时,即自然而然发生的生物化学过程”。

  果真如此吗?米勒实验真的解决了生命起源的问题吗?答案当然是没有。米勒实验并没有平息生命起源问题的争论。相反,随着该领域的研究的进一步深入,争论越来越激烈。对米勒实验,不少科学家指出,其至少存在如下几个问题:

  首先,米勒在其实验中所使用的气体是由氨气,甲烷和氢气组成的还原性气体,但米勒和其他人都没有真正的证据表明,地球原始大气层具有这一组成。实际上,从上世纪80年代开始,美国宇航局(NASA)的科学家们就已经指出,原始地球大气层中,甲烷,氨气或氢气的含量甚微。相反,它是由水,二氧化碳和氮气组成的。特别值得指出的是,1976年,海盗号(Viking)宇宙飞船在火星登陆后发现,火星没有生物存在,但火星却有氧化性的大气层。因此,地球原始大气层含有氧气的可能性,不能排除。Charles B. Thaxton指出:“若原始大气层如火星表面一样,含有氧气的话,那么化学进化就从来未曾发生过。即使原始大气层只有轻微氧化作用,那么分解作用必超过合成作用。”

  其次,有人指出,按米勒所假设的原始大气环境计算,其实验中获得最多的甘胺酸的分解速度比合成速度快,因此在原始大气层中形成的甘胺酸,百分之九十七在抵达地面之前就分解了,剩下的少量甘胺酸要扩散到30英尺深的深海中,才不会被紫外光分解。

  再者,有人推算,米勒实验中的电火花,在两天内提供的能量,相当于原始地球表面4000万年所接受的能量的总和。也就是说,米勒在烧瓶中观测到的化学反应,在实际的原始大气层中是难以发生的。

  所以,我们看到,米勒及其他人是依据其已有的物理化学知识,设计了一个能发生反应的反应,以得到他们想要得到的结果。在探寻生命起源的问题上,米勒实验毫无意义。(未完待续)