基因时代, 什么是生命

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“谁说我们不会是火星人?” ——理查德·扎雷

什么是生命?乍一看,答案似乎很显然,但事实上要完整 而合乎逻辑地回答这一问题却相当困难。

如果说生命就是能够成长,能够运动的东西,恐怕并不贴 切。毕竟。晶体也能够成长——它能产生规则的结构,复制出 与细胞形态极为相似的单元。毫无生命的水或其他液体能够流 动,或者说运动,这显然不足以用来定义生命。

也许稍加思索后,你会说:所有的生命都消耗能量。然而, 从除草机到计算机,从汽车到宇宙飞船,所有这些机器也都消 耗能量。比较确切的定义或许是:生命拥有控制能量的能力。 不过一些高级的机器,特别是近几年来运用模糊逻辑设计的某 些先进的机器也具有这样的能力。

我们通过一个有趣的例子来看看要对“生命”下定义是何 等的困难。请想象一下,如果外星观察者们发现了因特网,假 如他们还没有注意到使用网络的是人类,他们会做出什么样的 判断呢?控制论专家沃里克(Kevin Warwick)描述了外星种族 面对因特网时会提出的一系列问题:

以下7条关于生命的测试中,它真正能通过的有几 条呢?

它成长吗?当然:事实上在过去几年中,这种网络 成长的速度相当惊人。它具有行动能力吗?绝对有:例 如网络中的那些开关路由。对外界有没有反应呢?对外 界刺激的响应原本就是网络的基本职责。需要营养吗? 确实需要:信息(一种或另一种形式的能量)不断输入 网络中。具有排泄功能吗?有啊:信息最终是要送出网 络的。是否呼吸呢?这稍微有些难理解,不过如果考虑 一下电脉冲在网络中的传播,这也是正确的。最后是繁 殖,这也是最难说明的一点。也许我们可以从最初的网 络又在其他地方衍生出新的网络这样一个过程中作出推 论。[1]

另一种对于“生命”的理解是:只有生命处理和存储信息。 但这不就是计算机特有的用途吗?虽然关于将来是否可能利用 复杂的计算机来发展人工智能的争论十分激烈(我们将在第三 章里讨论),至少目前的计算机还不能被看成有生命的东西( 尽管它也处理信息)。那么,我们要如何来清楚明白地抓住要 点,把有生命的东西与无生命的物体区分开来呢?

传统教科书上有这样一条定义:所有生命都呈现出3个“f” 的特性:攻击(fight)、移动(flight)和繁殖(frolic)。它也同 样使我们陷入逻辑上的麻烦。繁殖事实上是“复制”的委婉语, 而且是迅捷的“复制”,有如无机的晶体在溶液中生长。对于 生命,也许我们得出的最准确的说法是:所有的生命,从最简 单的细菌到人类,都进行复制并把它们的基因物质或遗传特征 传递给后代。这些物质在传递过程中经历变异。换句话说,它 们经历了自然选择的进化过程,而不是简单地产生与自身完全 相同的拷贝①。

在萨根意外地辞世之前不久,他把生命定义为“任何具有 复制、变异和变异之复制能力的系统”。这意思是说,生命是 由具有下述特征的实体来表征的:这种实体通过自然选择的进 化机制,允许代与代之间产生变异,它能把自己的特征通过繁 殖而重组,使下一代的特征与自身并不完全一模一样。

在下一章,我们会回到进化问题上进行详细的讨论,现在 则必须先对“生命”的定义进行更深入的分析(这与其说是科 学问题,不如说是语义问题更恰当)。在这里,一个尤为重要 的问题是:生命是如何在地球——一颗生机勃勃的行星上产生 的?

为了探究这个问题,我们有必要了解一下在诸如“生命如 何在早期地球上产生?在宇宙历史的不同时期这样的过程在其 他地方又会如何发生?”之类的疑问背后的几个基本概念。

所有的物质都由原子组成。自然界总共有100 多种不同的 原子,有些是非常普遍的,如氧,氮,铁和铅等;也有一些有 着奇怪名字的不太常见的物质,如铷、锿和硒等。在关于生命 的讨论中,最重要的原子是碳。在许多方面,碳原子有着和其 他原子一样的特性:它很稳定,能与其他原子或其他碳原子产 生键,从而形成小到仅有几个原子,大到含有成百万个原子的 分子。但是,它也有一个与众不同的重要特性。只有碳原子能 够成为大分子(有机分子)甚至更大的聚合物(生化物质)的 中坚。已故作家、化学家莱维(Primo Levi)在他的一部著作中 这样描述碳原子的多样性以及它与生命之间密不可分的关系:

我们的主角已经和3个氧原子、1个钙原子一起以 石灰岩的形式静静地沉寂了数十亿年……十字镐的敲击 将它分离下来,送入石灰窑,进入这变化的世界…它被 风抓住,直落地面,又复飞上10千米的高空。一只鹰把 它吸入体内……在海水中溶解了3次后……它又被排了 出来……然后,它再次被捕获并由此开始了有机之旅… 它幸运地从一片叶子上擦过并钻了进去,一缕阳光将它 牢牢锁住……眨眼间就好像被蜘蛛捕获的昆虫一样,碳 原子和氧原子分离了开来,最终和氢一同进入了生命的 长链……它进入了血液,不断地迁徙。叩响每一个神经 细胞的大门后进入其中,碳原子被排挤了出去。这个细 胞是一个大脑的一部分。其实正是我的大脑……这个细 胞和细胞中的原子在一个从未有人描述过的伟大而微小 的运动中控制着我的书写。它……引导着我的手在纸上 画上一点,对,就是这里,句子后面的这个标点。[2]

碳具有可形成与其他原子相连的长链或环的几乎独一无二 的能力。我说“几乎”是因为还有其他一些原子也能形成类似 的链或环,但远不如由碳基产生的分子来得多样化。“硅”是 一个最接近的例子。它有些特征与碳颇为相似,但由于硅原子 之间的键比碳键要弱许多,所以它只能组成长度仅为5到6个 原子的稳定链。

此外,硅也没有碳的另一种惊人的特殊属性。碳能和其他 碳原子或合适的原子组成多重键。这大大加强了它的多样性, 使之能形成大量不同类型的分子,其中有些分子相当大,含有 数百万个原子。相对而言,硅却不能与同类型原子组成多重键, 也很少能和其他原子以多键的形态存在。

因此,尽管有些科幻作家在描写基于硅的生命形态方面做 了不少出色的尝试,但事实上这几乎是不可能的。原因非常简 单,以我们目前的化学知识来看,硅无法形成那么复杂的分子。 碳是这个宇宙中能形成生命砌块的独一无二的原子。

也许你会想,这是不是过于盲目自信了呢?事实上,我根 本没有离开过地球,人类也仅仅到达过月球,对我们这个小小 太阳系中其他行星的探索也不过处在用简单机器探测的起步阶 段而已。究竟为什么我敢下此断言呢?

这个问题的答案对于理解如何用科学的方法推测其他行星 上的生命至关重要。科学理论中极为基本的一条就是“普适性 原理”,它说明了宇宙的同一性——或者换一种说法,“这里 发生什么,那里也会发生”。举个例子,我们不可能莫名其妙 地错过了与碳相似的另一种原子,因为这样一种原子不可能填 进元素周期表——以某种精确的模式列出宇宙中所有不同元素 的精确位置与相互关系的分类方案②。

图 2 碳基分子和硅基分子的比较

元素周期表是一个世纪以前由俄国化学家门捷列夫(Dmitry Ivanovich Mendeleyev)依据元素特性创制的。 他把各种元素按 它们的特性置入相互关联性的模式中——这个网格状的系统被 称为“族”和“周期”。随着原子量的变化,原子的大小也不 同,表中并没有给任何特异的元素(也许这样的元素只有在猎 户座里才会发现)留下“空位”。”此后几十年里,表格中的 空缺逐渐被填补了上去,科学家还扩展了表的长度,但他们始 终没有发现过应插入表的中部的未知元素③。

这样迂回一番是为了要说明,只有碳原子才能形成“生命 分子”这样的大分子,例如,像DNA(脱氧核糖核酸)和RNA (核糖核酸)这样巨大的分子结构,或者甚至较小一些的分子, 如组成前两者的核苷酸等)除此之外,还有蛋白质、酶及其他 维持细胞运作的生化物质。由于宇宙具有的同一性,这样的情 况在“这里”和“那里”都是一样的。

那么这些生化物质又有什么用呢?它们究竟又有什么特别 之处呢?

这些生化物质有着极为广泛的功能,从提供所有生物的每 个细胞运作所需的能量,到完成生命不可或缺的部分——繁殖。 在经历了漫长的进化过程以后,数以千计的这类生化物质均能 以惊人的高效完成各自特定的任务。其中最复杂的任务可能是 由一组特定的大型生化物质通过一系列精密的步骤将遗传信息 从上一代传至下一代。

正如我在本章开头所说的那样,具有复制能力、能在复制 过程中将遗传信息(它还具有变异能力)传递给后代,也许是 我们定义生命的最清晰的方式。在这个过程中需要许多大型有 机分子和生化物质。基于这一原因,很难想象某种生命形式, 特别是某种高级的智慧生命,能以碳元素以外的任何其他元素 为其化学构架的基础④。

好了,既然我们已经明确“生命”的核心在于一代代地复 制和变异,认识到那些生化物质在这一机制中起到了关键作用。 那么,它们又是如何具体参与其事的呢?

其实很简单:所有的生物都是通过印在每个细胞中的遗传 蓝图将特征信息传给下一代的。每个个体的模板全都不尽相同。 正是它区分了猴子和青蛙,区分了斯瓦辛格(Arnold Schwarzenegger) 和布莱尔(Tony Blair)。这种蓝图被称为遗传密码,它由一系 列微小的基因组成,而这些基因又由一种非常大的生化物质—— DNA(脱氧核糖核酸)的片段组成。

遗传学的历史由来已久。19世纪中期,奥地利修道士孟德 尔(Gregor Mendel)认识到代与代之间是通过他称为 “离散因 子”的东西——今天我们称之为基因——而遗传其特征的。他 发现每个个体从上一代那里继承两套完整的基因,分别来自父 母双方,在生物学上叫做“等位基因”。它们在复制过程中并 不发生任何变化,原封不动地从上一代传到下一代。使每个个 体不同的真正原因在于:每一个后代都从双亲两方各自的等位 基因中取一条,也就是说选中任一条的概率为50%,这样一来 就会产生4种组合,任何一种组合出现的概率为25%。 这种基 因的重组产生了多种多样的特征结果,如:肤色、体型、对疾 病的抵抗力,甚至酗酒的倾向性。

尽管孟德尔有了遗传物质的概念,但他并不清楚这个过程 在化学上是如何实现的。在孟德尔死后,大约过了70年,这个 谜终于被解开了。 在剑桥工作的沃森(James Watson)和克里 克(Francis Crick)发现基因由两股复杂的分子组成,这就是现 已广为人知的DNA双螺旋。

现已发现所有生物的每一个细胞中全都含有DNA。虽然它 是非常大的有机分子,但令人惊奇的是,构成DNA的基本化学 单位只有4种。它们分别是:A(腺嘌呤,adenine)、T(胸腺 嘧啶,thymine)、G(鸟嘌呤,guanine)、C(胞嘧啶,cytosine)。 它们数以亿计地散处于DNA分子结构中。这4种物质中的3种便 可以构成一个特定的代码或“词”, 这些由“3个字母”组成 的代码使单个的氨基酸能够按照指定的顺序组合成蛋白质。蛋 白质不单单是组成人体器官的必要物质,所有的生命都要依靠 蛋白质来提供自身所需的复杂化学物质。

使这一过程形象化的最佳办法,莫过于将一个细胞想象成 一大套百科全书。每一册书就是细胞中的一条染色体。人类的 每个细胞中都含有23对染色体,它们由极长并紧密盘绕的DNA 构成。人类身上的这套“百科全书”共有46册,每一册都有数 十亿的词汇量。

就像大百科全书的每一册都讨论大量不同的问题一样,每 一条染色体都控制着生物种种不同的物理特征。打个比方说, 眼睛的颜色就好比是“文艺复兴时期的经济理论”;毛发的类 型就是“第一次世界大战时期伦敦的双层公交车”,身高相当 于“鸭嘴兽的交配习性”。这本百科全书中的每一个条目就是 单个的基因。当然,每个条目都是由段落、单词和字母组成的。 依据我们的类比,段落就是基因中大段的DNA,而单词是DNA 中由3个“字母”组成的“词”(它为氨基酸编码), 其中的 字母就是基本单元:A、T、C和G。

图 3 遗传密码与单词、书和图书馆的类比

除提供组成基因的必要物质外,通过在细胞中复制自身, DNA同样也是生长过程中的重要媒介物。它就像是一块模板那 样产生自身新的拷贝。我们的这本“大百科全书”似乎可以无 限地复印和分送;你只要拆开它就能一份一份地复印出相同的 拷贝。但是正像复印一样,在这一过程中总有些小误差。这些 “小误差”被称为“变异”,它们可能是有益的,但也有可能 会产生不良后果。

在克里克和沃森对DNA结构具有独创性和开拓性的发现之 后15年,科学家们对于“大百科”中的“单词”的形成有了充 分的认识。他们发现在A、T、C和G这4种基本物质中,每次只 要3种即可正确定位氨基酸以形成蛋白质。这样一来,用4个不 同的字母,我们就可以得到64个不同的单词(长度为3)。 举 例来说, “G-A-T”就决定了一种特定的氨基酸——“天冬氨 酸。

然而,这并不是故事的全部。DNA并不是遗传机制中唯一 的生化物质。另一种同样重要的化合物叫做RNA(ribonucleic acid 的缩写,即核糖核酸)。它与DNA的关系相当近。让我们来再 看一看大百科全书和复印机之间的关系。大百科全书的书页通 过复印机复制。复印机扫描书页并用墨将书上的文字和图片在 另一张纸上重复展现出来。在生化反应中,将信息从原件传送 至复制件的正是RNA分子。这种特殊的分子可以被看成信息传 递者——它把DNA编码转送至细胞内另一种叫做“核糖体”( 类似于复印机中的实际复印部件)的生化“装置”中,由后者 来构造蛋白质。

整个过程也可以看成工厂中的一条生产线。DNA将“引物 核苷酸”——一种体内已预先制备好的有机大分子——正确地 连接起来制造出更多的DNA和RNA。用我们的类比来看,引物 核苷酸就像是机器的许多小部件,这些部件可以在机械车间的 装配线上拼装在一起。要完成这项工作,DNA还必须使用酶。 酶是另一种有机分子(蛋白质),它能促成某些化学反应的进 行(加快反应的速度,也就是说,它们是生化催化剂)。RNA 将DNA的设计指令转送到核糖体,核糖体用较为简单一些的化 合物(氨基酸)来制造蛋白质。利用这些蛋白质又可以制造出 更多的DNA、RNA和其他大分子,同时另一部分蛋白质以酶的 形式共同参与到细胞乃至整个生命体的维持运作中(包括所有 以上这些过程)。

图 4 DNA如何制造蛋白质

这可是一条自给自足的生产线。大脑是公司的总裁,每个 细胞的细胞核就是一个生产车间,而这些大分子则是机器,所 有的机器和它们的产品是用同样的零件制造出来的。这一切的 一切都由我们吃的食物来提供能量。车间由我们呼吸的空气来 通风,所有的过程都在水(或一种似水的溶液)中完成⑤。

整个过程相当清晰。它展现了生命维持自身运作的机理。 但是,在这个生命循环的生化过程中是否有些问题呢?想一下 生命的基本要素:生命的定义是能够复制并将变异的信息一代 代传下去或通过自然选择而进化的实体。进化是通过复制过程 中的遗传变异来实现的。遗传密码由DNA携带,DNA是在细胞 内利用RNA生产蛋白质的某种生化过程中产生的。不过,我们 陷入了一个左右为难的困境,如果说进化对“生命”乃是必不 可少的,而这个过程本身又要求一系列相当复杂的变化,那么 生命最初是如何产生的呢?从另一个角度来看,所有能够进化 的实体(按我们的定义就是“活的”)都要具有足够复杂的结 构来运作自身的遗传机制,从而实现进化过程——即便最简单 的细菌也是如此(这就是为什么细菌被认为是有生命的原因)。 但一种实体在没有进化的情况下又是如何变得如此复杂的呢? 它究竟是怎么开始攀上这进化之梯的呢?这是出名的“先有鸡 还是先有蛋”之类令人进退维谷的难题。幸运的是,这个看来 无法解答的谜却是有答案的。

直至17世纪,所有关于生命起源的思想都深深扎根于宗教 而不是自然哲学(现代科学的先驱)的基础上。神被视为所有 生命的缔造者;人类是由神通过一种无法(或是不该)了解的 神圣方法创造出来的。随着时光的推移,先后出现了一些试图 解释其中奥秘的理论。

“自然发生论”是最早的理论之一。从很久以前,人们就 注意到一些有机物,特别是像奶酪和面包这样的食物,表面常 常会无缘无故地长出生命来。例如,一块放置了几天的奶酪上 会长出霉茵来。同样的现象也会发生在面包和熟透了的水果上。 由此就引出了生命会“自然”产生的想法。

一直到1860年,这种想法的势头才得以遏制。巴斯德(Louis Pasteur)证明如果将这些东西装入密封容器中, 它们并不会长 出真菌或其他可见的薄膜。即使面对这样的事实,那些“自然 发生论”的支持者们仍辩称,巴斯德只是证明了面包或奶酪上 自然产生的生命由于缺少空气而窒息并停止生长罢了。巴斯德 于是又接着说明真菌或细菌的生长是由于空气中不可见的孢子 或微生物引起的。有机物表面出现的那种生命形式正是细菌或 真菌的菌落生长到了肉眼可以观察到的地步,而空气、合适的 湿度和可靠的食物来源也都是促成这一切发生的必要条件。

几乎就在巴斯德的研究成果发表之际,自然发生论的丧钟 敲响了——达尔文(Charles Darwin)和华菜士(Alfred Russel Wallace)几乎同时创建了自然选择的进化理论。在他的革命性 著作《物种起源》中,达尔文证明了生物是如何在一个漫长的 时期中,从简单进化到复杂,而且尽管奶酪上的生物非常简单, 它们决不是随意突然地产生的。鉴于当时的宗教敏感性,达尔 文在《物种起源》中并没有推测生命在地球上产生而不必借助 神的力量。他在书中写道:“造物主”呼出了“一种或几种生 命”。然而,当私下里与他的朋友和同事胡克尔(Joseph Hooker) 通信时,达尔文表达了自己真实的想法——生命从化学中产生: “从充满了氨、硫酸盐、光、热、电等等所有这一切的某些温 暖的小池塘中诞生。”

自然哲学家试图依据早期的实验以自然发生论来诠释地球 乃至其他星球的生命起源。但是,所有的生命都必须经历进化 过程,从定义上来说都要在自然选择法则的支配下运作——它 们要卷入代代相传的遗传变异,并且必须变得复杂到能够参与 这种过程。虽然我们面临着“先有鸡还是先有蛋?”的问题, 自然发生论却不是这个问题的答案,它只是一条死胡同。

有一种避开了这一起源问题的理论叫做“胚种说”。它主 要由瑞典化学家阿雷尼乌斯(Svante August Arrhenius) 之倡导 而在19世纪大为流行。阿雷尼乌斯认为生命是从外层空间以孢 子的形式传到地球上的,他的这种理论得到当时多位著名科学 家的支持,其中包括杰出的物理学家亥姆霍兹(Hermann von Helmholtz) 和开尔文勋爵(Lord Kelvin)。从详细的模型中可以看到, 胚 种说提出“生命的种子”从一颗行星传至另一颗行星,当某颗 行星演化到适宜于生命时,生命就会开始出现。

根据胚种说支持者的说法,地球上的生命是在大约35亿至 40亿年前,生命种子或孢子来到地球以后开始出现的。当时地 球上已经形成了适合这些“种子”生长和进化的大气层和地面 环境。

迄今为止,这种理论仍相当有争议。现代胚种说的积极支 持者霍伊尔(Fred Hoyle) 和维克拉马辛在过去几十年内一直 不懈地进行着论证,而且事实上也没有任何科学推理可以证明 这是不可能的。 即便艾伦山84001是第一块被发现含有生物化 石的火星岩石,它无论如何也决不是唯一含有有机物质的陨石。 我们已经从坠落在地球上的岩石中发现过大量不同的复杂有机 分子。这些岩石中有一部分是从太阳系外历经数千万年来到这 里的。就像彗星一样,从其他恒星的行星系统中诞生(虽然不 常如此),并踏上漫漫旅程前来此地⑥。

胚种说的一个疑点在于:细菌作为最简单的生命,经受不 住宇宙中以百万年计的漫长旅行。不过,新的证据却使持此疑 问的反对者失去了优势。

近几年的研究表明,细菌可以在地球上一些环境非常恶劣 的地方生存。10年前,科学家在活火山口附近发现了细菌的生 长。类似的情况也出现在其他地方。在热泉和南北两极的荒漠 地带也都有能够忍受极端温度的细菌的影踪。更有甚者,在核 反应堆通风口处也有生命在繁茂生长。不过,这些比起1996年 的一项发现来说却又算不了什么了。一群科学家在美国东海岸 的海床上钻了一个深洞后惊奇地发现,在水下11 000英尺(约 3350米)的沉积物下面2500尺(约760米) 的地方也有细菌存 在。

很难想象科学家们当时震惊的样子。几乎所有地面上的生 物都不能承受海平面以下13 000英尺(约4000米)处的环境。 那里的温度大约是170℃,而且压力约是地面上的400倍。虽然 这与星际空间中几乎毫无大气压力、并且处在绝对零度(-273 ℃或0K)边缘的环境不完全相同,但这无疑同样是很严酷的 条件。没有理由说,能够在地表以下13 000英尺(约4000米) 处的恶劣条件下生存的细菌,如果在一颗彗星或流星体的中心 部分静静地处于休眠状态的话,就一定不能忍受太空中的环境。

然而,完全没有必要在“是否可能”这上点上大费周章。 在前面的章节里我已说过,DNA和RNA是由一种叫做“引物核 苷酸”的大型有机分子或生化物质产生的,“引物核苷酸”镶 嵌在一起形成更坚实的单元,它们制造出DNA和RNA的组成部 分。有些人认为这种较为简单的“生命前”单元(作为生命前 驱的大型有机分子,但其自身并不是“活的”)可以承受星际 之旅)将生命之种传播到地球上。

这次生命之旅的出发点可能是我们这个太阳系中的某处—— 也许是火星,假如那里确实先于地球有过生命。要不然,它也 可能是从许多光年以外比我们太阳系先有生命的另一个行星系 统出发,长途跋涉才来到这里。

尽管恒星之间相距遥远,封闭在彗星或流星体中的有机物 质往往要在太空中漂泊数百万年,但是生命通过这种方式传播 到地球的可能性依然存在。最近的估计表明宇宙的年龄大约是 150亿年,而地球上最早出现生命的时间是35亿~40亿年前。 可见, 从大爆炸到地球上首次出现生命之间至少有100亿年的 时间。很有可能在银河系或其他星系中有某个行星系统比我们 的太阳系形成和冷却得稍早一些,如果生命在那里开始进化, 哪怕只比这里早了1%,也会给生命之种数千万年的时间飞抵地 球。

20世纪70年代,一群加拿大和英国科学家在胚种说的基础 上提出了一种更精致的思想,称为“生命云”理论。这种理论 展示了星际尘埃云中含有的有机化学成分如何反应生成核糖体 和蛋白质。按照这种理论,当行星穿越这样的云时,生命之种 的传播就完成了,一旦行星上的环境变得适宜,生命就开始繁 盛起来。他们认为地球很有可能在35亿~40亿年前曾穿越过这 样的星云。

基于“胚种说”的种种可能的理论都非常有趣,也没有什 么科学依据可以完全否定地球生命源于某个遥远世界的假设, 但是它同样无法解开生命的起源之谜。这些理论就像移动球门 柱一样,将问题的重心转移了一下而已。就算“胚种说”是正 确的,它确实解释了地球生命的起源,但老问题仍未解决:生 命究竟是怎样在它第一次出现的地方产生的呢?

不管某一天“胚种说”会被证实为对或错,如果我们要认 真地探究生命起源的话,就应该先把它放在一边。取而代之的 是,让我们暂且假设地球上的生命不是来自其他地方,而是在 当时的环境条件下,通过某种途径自行产生的。那么,它会是 如何产生的呢?

1936年,俄国生物学家奥巴林(Aleksandr Ivanovich)在《 生命的起源》一书中首次尝试描述含简单化合物的溶液如何通 过一系列生物化学反应形成非常复杂的分子结构。在那本书中, 奥巴林提出原始的生物有可能是从已有的有机物中产生的,而 那些有机物又是由更为简单的化合物自然形成的。这样,他真 正开始将达尔文的进化论放入前生命系统之中。尽管奥巴林可 以在实验室中用精密的实验来证实他的构想,但不足为奇,他 在当时受到了全体宗教思想家和科学家的怀疑。不过,他的理 论得到了英国大生物学家霍尔丹(John Haldane)的支持。霍尔 丹是第一位提出在原始海洋中发现的某些有机化合物或许能合 成某种可自我复制的物质形式的科学家。他认为富氢的大气环 境会大有帮助,这一系列条件称为“还原性大气”⑥。

20世纪40年代和50年代中,认为生命起源于大气中含氢的 原始地球的想法相当盛行,并且由于1953年两位美国化学家米 勒(Stanley Lloyd Miller)和尤里(Harold Clayton Urey) 进行的 有些传奇色彩的实验而得到了长足的发展。

1953年4月, 全世界都为克里克和沃森所揭示的DNA分子 “双螺旋”结构所震惊。一时间,关于生命的话题以及如何利 用科学技术手段来揭开遗传和进化之谜的各种讨论成为新闻的 焦点。在这样的环境下,一个月之后,也就是1953年5月, 米 勒和尤里公布了他们的革命性发现。

按照试验计划,米勒和尤里决定要验证一下奥巴林和霍尔 丹的理论。他们在实验室中做了一个假想生命出现时地球环境 的模拟实验。首先将氢、水、甲烷和氨混合成某种气体(为了 和史前地球大气的成分相吻合),然后模拟闪电,让这些混合 物经受一星期的放电反应。

一周之后,他们得到了令人吃惊的结果。在烧瓶底部的红 褐色沉淀物中发现了大量的有机化合物。其中包括多种有机酸 (脂肪酸和羟基酸)和尿素,此外还有一系列与糖的结构相似 的化合物。进一步的研究表明,这种方法可以产生大量生命必 需的分子。

有了第一次的成功之后,这两位科学家又在先前那种混合 气体中加入火山气体中含有的一种简单分子——氰化氢(HCN)。 这样,他们最重要的发现诞生了。在沉淀物中出现了氨基酸, 它在生物化学反应中起着重要的作用,是生命起源绝对不可缺 少的成分。

图 5 米勒和尤里的实验

自然界中有20种不同的氨基酸,它们能以多种多样的方式 形成蛋自质,其中也包括参与形成(组成DNA和RNA的)核苷 酸的酶。简单他说,氨基酸是生命的基本砌块,是一种在细胞 所有活动中都据关键地位的分子。米勒和尤里在烧瓶中总共发 现了不下8种的氨基酸。

他们得出的结论是,形成生命的各种分子完全有可能是在 地球大气中孕育而成的。最近,米勒更是声称形成足够复杂的 结构并产生活细胞的过程大约只要1万年。米勒不顾那些宣称 地球生命是宇宙中唯一生命的反对言论,而根据自己的实验结 果非常肯定地认为,如果有适宜的环境条件以及恰当的化学混 合物,任何一颗行星上就都可以产生生命。

8年后,米勒和尤里的研究结果得到了进一步的支持。1961 年,在休斯顿大学工作的生物化学家奥罗(Juan Oro) 尝试用 更简单的化合物形成氨基酸。他只采用了米勒和尤里当时用的 混合物中的两种成分——氰化氢和氨。结果令他惊奇的是,产 生物中除了大量不同的氨基酸外,还有许多腺嘌呤(DNA和RNA 的4种基本组成成分之一)。 腺嘌呤同时还是在所有生物的所 有细胞活动中提供能量的主要分子腺苷三磷酸(ATP)的组成 部分。

但是,米勒-尤里模型以及所有相关的后续尝试都存在着 一个缺陷。这种缺陷近来更是引起了对基于这些实验的地球生 命起源解释的怀疑。在实验时有一个默认的假设,即早期地球 大气中含有高浓度的氢和低浓度的氧。现在看来,这种假设是 完全错误的。

早期地球大气中非但没有米勒-尤里实验(采用富氢混合 物)中所有的分子种类,而且地球大气似乎也从未如此稀薄过。 我们并不能因此就说尤里和其他一些人所描述的机制不可能发 生,不过,它的确给这种早期地球上产生氨基酸的理论敲了警 钟。

此外,许多陨石中都含有大量与实验结果相同的氨基酸。 这使许多评论家更加相信,这些生命之砖在大约40亿年前来到 地球,并逐渐演变发展到今天的地步。

就像我先前说过的那样,不论哪种过程是正确的,我们的 问题仍未解开。简单的氨基酸究竟是如何发展成为生物学物质 或简单的生命物质,并进而形成一个自我维持的生态系统—— 共同生活在地球上的各种各样的生物呢?其中的难点并不完全 在于氨基酸如何一步步地形成蛋白质,最后产生像RNA那样的 大分子(当然这个转变过程也不应该被忽略);真正的难解之 处在于“无生命的”或前生命的分子(如RNA)是如何发展到 一个具有进化能力的系统(如细菌)的。事实上,这才是吸引 众多生物化学家和进化生物学家的科学前沿,他们希望彻底揭 开生命在地球或其他地方进化发展的奥秘。

目前有两种试图解释从前生命系统到生物学系统之转变如 何发生的理论。第一种叫做“RNA世界假说”。这一假说是在 20世纪60年代后期,由生物化学家沃斯(Carl Woese)、 克里 克和奥格尔(Leslie Orgel)首次提出的。 他们和当时的其他研 究者一样,都注意到了这一转变中一个基本的佯谬——制造DNA 和RNA要有蛋白质,而只有DNA和RNA中具有正确的核苷酸序 列才能制造出蛋白质。面对这样的情况,我们要么假设蛋白质 和DNA、RNA在早期地球上是同时产生的,要么找出一种理论 来解释如果两者之中先出现某一种的话,会如何导致生命创生。

这些科学家的回答是:在整个过程启动的时候,可能有某 种尚不清楚的机制少量地产生了某种类型的RNA。他们猜想这 种RNA具有比今天的RNA更多的功能。它或许可以在不存在蛋 白质(也许是利用自身结构中的蛋白质)的情况下进行复制( 产生其自身的拷贝),而且还能在产生蛋白质的过程中起到催 化作用。

乍一看,这似乎是不可能的。先前我们已经看到,如今在 每个生命的每个细胞中进行的过程是何等复杂,它需要大量各 式各样的重要有机分子的共同参与。这个运作系统中包括DNA 和RNA,还有既是原材料又是催化剂的蛋白质(起催化作用的 蛋白质称为“酶”)。显然,这种理论中所假设的是一种结构 上近似RNA,但更加复杂、具有更多功能的分子。

自从30多年前提出这种理论之后,科学家已在这一领域中 进行了大量的研究工作。1983年,在科罗拉多大学工作的切赫 (Thomas Cech)和耶鲁大学的阿尔特曼(Sidney Altman)独立 发现了一组他们称之为“核糖酶”的分子——一种RNA催化剂, 或者说由RNA形成的酶(核糖酶在英语中称为ribozymes,其中 ribo-代表核糖核酸(ribonucleic acid)或RNA,-zymes则是酶(enzymes) 的后半部分)。尽管这一发现大大支持了“RNA世界假说”, 但是仍没有迹象表明有哪种RNA曾经执行过而如今已不再执行 另一项实质性的任务——自我复制。

当一部分生物化学家专注地寻找那些特异分子(它们能够 完成通常由DNA实施的功能)时,另一部分人也努力尝试着从 其他途径找到问题的答案。其主要思想是:原始地球上的RNA、 DNA和酶与今天的不同。换句话说,就是希望我们能接受分子 也在某种意义上进化的观念。

这种观点看起来也不算很牵强附会。一条潜在的原则是, 原始的DNA需要原始的RNA和简单形式的酶来催化当时的生物 化学进程。如果事实果真如此,那么有可能早期RNA的部分功 能已渐渐被其他更适合的分子取代了。而且据估计,催化剂( 加快反应速度的化学成分)的角色也可能在相同环境下已由某 种无机物质替代了。⑦

由于没有切实的证据,也没有人成功地制造出能自我复制 的RNA分子,这种理论迄今仍只是地球生命起源众多可能解释 中的一种罢了。

另一些有力的竞争者将非生命物质到生命物质的飞跃建立 在一种完全不同而很有争议的理论上。

在克里克、奥格尔和沃斯形成RNA世界假说的同时、另一 位生物化学家——格拉斯哥大学的凯恩斯-史密斯(A. Graham Cairns-Smith)提出了一种令人耳目一新的革命性观点。他认为 导致生命形成的有机物最初是从无机物质演化而来的。

起初,这听起来有些令人咋舌。毕竟,对于我们大多数人 来说,无机物和有机物之间是存在着巨大差异的。一切生命都 是有机的,当然包括我们的所有食物在内。遍布全球的森林、 动物、植物全都是有机的。而像岩石和组成大气的气体等一般 视为“无生命”的东西则均是无机物。

尽管碳具有一些与众不同的特性,但对于化学家而言也只 不过是元素周期表中100多个元素之一员, 况且有机物(常常 与“有生命的”相联系)与无机物(总是与“无生命的”联系 着)之间的界限实际上是一个概念问题。

凯恩斯-史密斯指出,就像利用DNA和RNA的生物化学系 统一样,复杂的无机系统也可以复制和传递信息——虽然是以 简单得多的方式。让我们回顾一下现代生物圈的运转过程,DNA 携带着一整套复杂得令人难以置信的复制蓝图——遗传密码。 我们已详加讨论的RNA和蛋白质则为此各司其职。现在,凯恩 斯-史密斯提出的全新观点却是:40亿年前某种更简单的系统 在运转,它最初并不需要DNA和RNA,甚至不需要蛋白质。

在这个系统中(在有史以来最受欢迎的科学书籍之一—— 《生命起源的七条线索》中有很精彩的描写),凯恩斯-史密 斯展现了地球生命的两条迥然不同的演化途径。第一步是利用 存在于粘土中的晶体结构产生他所称的“低技术”组织,这种 晶体在当时应该(和现在一样)相当普遍。这些粘土在结构上 虽然远不及DNA分子来得复杂,但却能产生自我复制系统,以 此将信息从一“层”传到下一“层”。这与DNA的复制过程有 着异曲同工之妙。

凯恩斯-史密斯相信,从这种“低技术”开始,渐渐演化 出了结合成有机分子的更为复杂的系统。它有可能就像米勒、 尤里和其他人主张的那样,是在早期的地球上产生的,或者也 有可能从另一个已有生命的世界远道而来。这些不甚复杂的结 构经过漫长的时间,进化到今天这种包含了DNA、RNA和蛋白 质的“高技术”组织,从而促成了目前这样通过自然选择不断 进化的遗传机制。凯恩斯-史密斯把从“低技术”迈向“高技 术”的转折点称为“1号基因”诞生。自此之后,地球上生命 的进一步发展都以其为原始模板。这种理论超越了达尔文的生 命起源于“温暖的小池塘”的假说,将我们引向一个甚至不是 有机物的共同祖先。

凯恩斯-史密斯的想法相当大胆,它处在人们通常接纳的 科学范畴的边缘,但事实上它并不见得比RNA世界假说更令人 惊讶,而且也有相当多的证据支持它。关于通往“生命”之途 的最终思考与这两个过程都有联系。

图 6 粘土的“复制”

化石记录告诉我们,在很久以前地球上就开始出现生命了。 1980年,在澳大利亚的沙漠中发现了一种名叫叠层岩或“活石 头”的生物化石,这种生物大约生活在35亿年前,在过去16年 中它一直被视为地球上最古老的生命形式。然而,在1996年底, 圣迭戈斯克里普斯海洋学研究院的科学家们又将这一时间往回 推了一些,他们成功地分离出一种碳的同位素的混合物⑧。据称 这种同位素是由38亿年前的生物产生的。我们知道,地球上的 环境是在大约40亿年前才开始变得适宜生物形成的,所以,这 样看来,在此之后仅仅过了几亿年时间,最简单的生命就已经 出现了。

当然,所有这些并没有给出在地球外的其他行星上也有生 命进化的证据,但它至少向我们表明,一旦有合适的条件生命 就会出现。卡尔·萨根曾经写道:“现有的证据充分表明,只 要给出初始条件和10亿年的演化时间,就应该会出现生命。在 适宜的行星上产生生命似乎构成了宇宙化学的一部分。”他在 这里所描述的就是自组织原理。

最近的研究表明,某些物理或化学系统可以自发地从较简 单的状态跃变为高度复杂或高度有组织的结构。有些人认为这 种组织原理是“反熵”(一种从有序转化为无序的过程之逆过 程)的一种表现,而且有可能与生命有着某种神秘的联系。

熵是一个系统中的“无序程度”,在自然界中它总是增长 的——放着的水果会渐渐腐败,它的细胞分解开来,“干净”、 “有组织”的新鲜水果就变成了一堆无组织的物质。据信自组 织原理是宇宙中熵不断增长这一趋势的逆过程。由此看来,由 太空中的简单分子或“低技术”无机系统发展出有机分子;尔 后又由这些有机分子最终形成生命的可能性就大大增加了。

由于宾夕法尼亚州立大学的物理学家斯莫林(Lee Smolin) 教授最近的一项提议,生物学界和物理学界正陷入一场激烈的 辩论之中。引起这场骚动的具体原由是斯莫林教授提出,宇宙 也有可能像生命那样通过达尔文的自然选择而演化。他称这项 原理为“宇宙学选择”。按照这一理论,我们所处的宇宙乃是 从时间开端以来一直在演化着的一系列宇宙中年代最近的一个。 更有甚者,我们宇宙中的生命则是黑洞的副产品。在这个达尔 文式的系统中,黑洞的创生乃是真正的动力,斯莫林指出这样 说的依据是:一个宇宙拥有的黑洞数量越多,这个宇宙就越稳 定。

不过最值得注意的是,该理论表明只有存在碳的宇宙才有 可能形成黑洞。根据宇宙学选择理论,生命恰巧也依赖于碳纯 粹只是一种巧合。[3]

很显然,要找到生命起源——甚至只是找到地球上生命起 源的确切答案仍有很长一段路要走。假若我们在不久的将来真 能有幸研究外星生命,这就能使我们有更多的机会揭开简单生 命在地球或其他地方发生发展的奥秘。不论最后究竟会是哪一 种理论获胜,也不论最终的解答是本书中已经提及的或是至今 尚未出现的,要解开这个科学史上最大的疑谜之一,找到切实 的证据把现时尚属臆测的想法变为真实的答案,我们要做的工 作还很多很多。


① 这自然引起了许多伦理上的思考,特别是近期在遗传方面 关于克隆技术的一些突破。比方说,根据上面的说法,克隆羊 “多利”算不算是有生命的呢?克隆出来的子代和它们的亲代 完全相同。这虽然非常有趣,但却不是一个章节的内容可以涵 盖的,如此复杂的、谜一样的问题完全可以写一本书来讨论一 番。

②  你们中的有些人也许仍然无法相信,并怀疑这不过是我们 一厢情愿的想法罢了。要想真正地论证这个复杂的问题恐怕需 要整整一个章节才行。不过在这里将给出一个例子,我希望这 已经足够说明问题了。运用一种叫做“光谱分析”的技术,天 文学家可以探恻遥远恒星的光波并分析它们的组成。研究结果 表明,它们的光与我们的太阳光相似(主要区别在于不同颜色 成分的比例)。光的差异由组成这些恒星的化学元素所确定, 这些元素都可以在我们的太阳中或在地球上找到。就像前面提 及的莱维所说的那样。从根本上来讲,所有的东西——从高楼 大厦的砖瓦,到我们眼睛的细胞和这本书的每一张纸——都是 从恒星而来;而所有恒星的基本组成都是相同的。

③  根据最近的统计,元素周期表中共有109种元素。 随着对 核反应的进一步研究,这个数字还在不断增长。这些新增的不 稳定元素叫做超铀元素,它们的寿命很短,很快分解成原子量 较小的其他元素。最重要的是,它们都是元素周期表尾部的重 元素,与那些主要构成元素周期表的稳定元素相比,它们的原 子序数大,原子量也大。

④  对有些人来说,这样的断言听起来有些过于主观。这样的 意见在此时此刻应该说是有一定道理的,毕竟,在浩瀚宇宙中 存在某些以目前我们还不甚了解的机制进化而来的生命形式也 是有可能的。不过这样的情况不在眼下讨论的范围之内,它将 在第四章中讨论。

⑤  最后的这一点正是含水的环境对于生命的出现和维持至为 重要的原由(参见第三章)。

⑥  迄今观测到的大部分彗星都来自太阳系边缘的两个区域, 即奥尔特云和柯伊伯云。有理由相信, 在过去的46.5亿年中周 期性地造访地球的某些天体也许来自遥远的、环绕其他恒星运 行的世界。

⑦  有些读者可能会奇怪,为什么科学家选择了RNA而非DNA 作为最原始的导火索?原因是制造RNA所用的核苷酸要比制造 DNA的脱氧核苷酸更加容易合成。而且这样也更容易想象DNA 如何从RNA演变成今天这样的遗传信息的保卫者和储存者的角 色。

⑧  几乎所有的元素都至少有两种同位素形态,它们的质子数 相同,但是中子数不同,这就导致了原子量(原子核内中子与 质子之和)的不同。

【三思言论集】→【三思藏书架】→《地外文明探秘》         〖本书由碧声扫校〗 第二章 什么是生命?

http://www.oursci.org/archive/lib/LifeOut/03.htm

基因时代, 什么是生命
https://cn.chinese-blog.org/ji-yin-shi-dai/

作者 tuenhai:这个星球上对大道理解最为深刻的人,著有《道解相对论》《圣医治国——黄帝内经客观点评》《理性即慧根》《父母怎么教育孩子》。咨询微信或QQ (备注 tuenhai.com)

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