生命起源的疑难

生命起源问题至今了解甚少。有关生命起源问题的思考和研究可大致划分为三个时期：17世纪前的臆测期、17—19世纪的检验期和20世纪以来的模拟期。在臆测期，西方有神创说和自然发生说，在中国有季真子的“莫为”（即自生）说和接子的“或使”（即有使）说。自文艺复兴以来神创说日趋衰落，生命尤其是简单的生命可于短时期内由无生命物质自然发生的观点日益占据主导地位。200多年来的诸多检验，如意大利医生莱迪希（Franz von Leydig，1821—1908）于1668年所进行的腐肉实验、意大利微生物学家斯帕兰札（Lazzaro Spallanzani，1729—1799）于1767年进行的沸肉汤实验、德国生物学家施万（Theodor Schwunn，1810—1882）于1836年所进行的热空气实验、法国微生物学家巴斯德（Louis Pasteur，1822—1895）于1862年所进行的肉汤消毒实验，最终否定了“自然发生说”。此后赫胥黎（Thomas Henry Huxley，1825—1895）于1870年提出“生源说”（biogenesis），强调生命始终来自先前已经存在的生命。后来有关地球上的生命起源问题，从“自然发生说”和“生源说”演变而形成“化学进化说”和“宇宙胚种说”两种基本观点。随着计算机科学的发展，由计算机生成或构造表现生命系统行为的人工生命研究，对于理解生命起源也获得了进展。考夫曼一直猜测生命的起源可能取决于某一基本原理，它使明显随机的、毫无希望的复杂化学相互作用出现有序。人工生命学家设计的“自催化网络”，即在模拟化学药品中产生类似生命的自繁殖（或自进化）的简单系统，在合适的条件下会发生“相变”，使系统成为“自催化的”，也就是会自发地产生具有更大复杂性和更大催化能力的多聚体。考夫曼相信这种过程会导致生命的出现。

我们在这里主要要介绍“化学进化说”和“宇宙胚种说”，因为1993年在巴塞罗召开的第10次国际生命起源学术会议表明，当代关于生命起源的假说仍可归为这两类。化学进化说追到底，还有一个蛋白质和核酸谁先谁后的问题。宇宙胚种说只是主张地球上的原始生命来自宇宙空间，并不否认其化学起源，蛋白质与核酸谁先谁后的追问也是不能回避的。

●化学进化说

恩格斯在《反杜林论》里就曾指出：“关于生命的起源，自然科学到目前为止所能肯定的只是：生命的起源必然是通过化学的途径实现的。”根据现有知识可知，地球上的生命应该是从无生命的物质产生的。地球上没有生命的阶段，是地球的化学发展阶段，然后才是有生命的阶段。原始地球上碳、氢、氧、氮、磷五种元素的存在，为重要生命物质的形成准备了条件。因此，生命起源问题首先是原始有机物的起源与早期演化问题，这是考虑和研究生命起源的基础和关键。苏联生物化学家奥巴林（Александр Иванович Опарин，1894—1980）和美国化学家米勒（Stanley Lloyd Miller，1930——）对地球生命起源的化学进化说作出早期的贡献。奥巴林于1924年第一个提出了一种可以验证的假说，认为原始地球上的某些无机物质在来自闪电、太阳辐射的能量的作用下变成了第一批有机分子。米勒的功绩在于，他在1953年首次成功地验证了奥巴林的假说，即用氢、甲烷、氨和水蒸气等模拟原始地球上大气成分，通过加热和火花放电合成了氨基酸。继米勒之后，许多通过模拟地球原始条件的实验又合成出了生命体中重要生物高分子的其他组成原材料，如嘌呤、嘧啶、核糖、脱氧核糖、核苷、核苷酸、脂肪酸、卟啉和脂质等有机小分子。由于人工合成蛋白质和核酸的成功使人类进入了开始进行人工合成生命研究的新时代。多肽以及寡核苷酸等生物大分子也在模拟条件下非生物地生成。特别是“泡沫理论”提出以后，核糖核酸RNA分子既有遗传信息功能又有酶功能的发现，又为生命起源的难题的解决提供了新的契机。

现在已知生命的化学进化过程包括四个阶段：从无机小分子物质生成有机小分子物质，从有机小分子物质形成有机高分子物质，从有机高分子物质组成多分子体系，从多分子体系演变为原始生命。原始生命是最简单的生命形态，它至少要能进行新陈代谢和自我繁殖，才能生存和传宗接代。原始生命形态要从自催化发展成为酶催化需要一定的物质基础，也需要一定的形态结构。人们推断，地球上的生命在发展成为细胞形态以前，得先有非细胞形态，如团聚体或微球体等形态。细胞是生命体具备完整功能的基本结构单位和功能单位，细胞起源问题是生命起源的重要问题。生命起源和细胞起源问题的研究试图重建一个历史过程，完整的起源过程不可能在实验室很快得以重复。

各种有关早期生命演化的假说都需要得到化石记录的验证。地球作为太阳系中的一个行星存在至少已有45亿年。地球上最古老的岩石的年龄大约为40亿年。由距今约35亿年的古老岩石中发现的原始细菌与单细胞藻类的化石推断，生命的历史可能和岩石圈的历史一样久远。在长达35亿年的化石记录中，最令人困惑不解的现象是古生物学家通常所说的“寒武纪大爆发（Cambrian explosion）。以距今5.7亿年的寒武系底部为界，生命演化的化石记录被分为截然不同而且很不相称的两部分：有明显动物化石记录的自寒武纪开始以来的显生宙和缺乏明显动物化石记录的寒武纪以前的”隐生宙“（包括距今25－5.7亿年前的元古宙以及更古老的太古宙）。在寒武系之下的地层中，多细胞生物的化石不仅非常稀少，化石中尚无一种可以确认是已知动物门的直接祖先，寒武纪动物群似乎是突然涌现出来的。寒武纪大爆发成为生物演化史上最突出的重大事件。传统观点认为，如果达尔文的生物进化论是合理的，多细胞动物必定在寒武纪之前就已经历了一个漫长的早期演化阶段。现有的化石证据，尽管很零星，但足以表明多细胞生物演化在寒武纪开始之前至少已有10亿年历史。分子生物学的研究结果也表明多细胞动物的演化分异存在着一个寒武纪以前的漫长过程。对于多细胞生物特别是多细胞动物在寒武纪以前缓慢演化以及寒武纪大爆发的原因，人们尚处于猜测阶段。

●宇宙胚种说

诞生生命的条件不仅存在于地球，也存在于宇宙空间或其他星球。这不仅可以设想，而且是可以检验的。

早在1960年代，人们就已通过微波谱线寻找到四种星际分子，此后40年来又发现了近百种星际分子。在已发现的星际分子中，有机分子多于无机分子，且有相当数量是地球上或实验室中尚未发现的。在大量的星际有机分子中，最主要的是甲醛、氰化氢和氢基乙炔分子，它们恰好是生命前物质中的最主要的成分。研究表明，星际空间有形成生命的物质基础，而且通过几十年来对陨石的分析还发现，其中包含有氨基酸、嘌呤以及DNA成分。这表明，星际空间也有合成有机大分子的物理和化学条件。对星际消光曲线的研究还发现，星际空间还存在病毒和细菌的微粒，这表明有机物质乃至低级生命形式，在太阳系形成前就已存在于银河系了。

据此，对于地球上的生命来源，奥巴林提出生命是由其它星球“传染”到地球来的（1957年），开尔文认为是由陨石带到地球上来的，霍伊尔（Fred Hoyle，1915—）认为由彗星带到来的（1981年）。在1993年召开的第10届国际生命起源学术会议上，有人坚持认为，造成化学反应并导致生命产生的有机物质，毫无疑问是与地球碰撞的彗星带来的。

霍伊尔是宇宙胚种说的代表。他对星际云中的有机分子如何进到太阳系作出了猜测，认为天王星和海王星是孕育生命孢子的“温床”，而彗星是将这些“生命孢子”运到地球上来的“搬运夫”。

天王星和海王星何以有温床的作用？按有些太阳系起源假说，天王星和海王星的形成要比地球晚，在地球诞生后的一段时期内，它们所在的区域仍是弥漫的星云物质，经3—5亿年才凝聚成了星体。在凝聚过程中，先是形成大量彗星似的冰质星云，其核径约为10公里，外层可能保留着从星际来的有机物质。在形成天体的过程中，星云由于受到小物体的冲击，可能形成局部“热塘”。由于离太阳系太远而没有致命的辐射，有机物在这里有可能由简单形式发展为相当复杂的生命形式，然后再由彗星带到地球上来。

彗星把生命物质带到地球附近，由于引力的作用，带有生命物质的部分星云可能形成椭圆轨道。它们在接近太阳时就会蒸发而进入星际空间，当它们接近地球时就有可能落入地球大气的上部而最终达到地球表面。

由于彗星挥发含量的成分与细菌和哺乳动物的含量很接近，且与星际霜也很近似，使得许多人觉得宇宙胚种说可以作为假说接受。

●蛋白质和核酸孰先孰后？

蛋白质是按核酸中编码的结构生成的，没有酶的作用核酸也不能进行工作，包括形成更多的核酸。简言之，没有核酸蛋白质就不能形成，而没有蛋白质也不能形成核酸。基于这样的思考，生命起源的问题就如同古老的“先有鸡还是先有蛋”的问题。蛋白质和核酸究竟哪个在先?

如果按分子生物学中心法则推测生命起源，必然得出核酸先于蛋白质的结论。然而这样的结论也许是不能接受的。因为迄今为止的有关生命起源的研究都表明，在原始地球的条件下，核酸或类似核酸的物质是难以按非生命的途径生成的。而且一些研究还表明，在没有核酸的情况下，细胞是能够产生并继续繁殖的。1971年，诺贝尔化学奖得主，德国生物化学家艾根（M.Eigen）提出生命进化的超循环论以避开蛋白质和核酸究竟哪个在先的问题，认为蛋白质和核酸在一个超循环中共同进化。这个模型要求以高度有序（事实上已富含生物信息）的多肽和多核昔酸作为起点。

在1980年代，生命起源于RNA的学说被提出。分子生物学家凯奇和奥特曼通过过许多实验发现，某些RNA自身可以起酶的作用，把它们自己一分为二，并把分开的各部分再次结合起来。这一结果使凯奇和奥特曼获得了1989年度的诺贝尔奖。从而人们认识到，既然RNA可以起到酶的作用，那么它就可以在没有蛋白质的帮助下自我复制。RNA可以起着基因和催化剂，因而RNA可能是最早出现的能自我复制的分子。事实上，许多病毒只含单链RNA而不含DNA，能直接利用RNA的核苷酸顺序，既是载体又是模板地合成蛋白质。于是人们猜想，在原始的“有机汤”中，有些具有酶活性的RNA分子和核苷酸连在一起，自我复制核苷酸顺序；互容共生的RNA分类群彼此互相催化；一些新催化的RNA进化为能与氨基酸结合的分子并继而作为模板合成氨基酸多聚体。这样，生命的起源的过程被归结为：由RNA世界到，再由RNA-蛋白质世界到DNA世界。要证实这种进化图景仍有许多困难，其中最大的困难是RNA的起源。

基于上述的进展和困难，视蛋白质的最初形式视为原始生命的最初形式的观点在增强，核酸和蛋白质共存的原始生命形态，最可能形式是RNA、蛋白质、DNA的三角关系。这样就使得生命起源和进化的自组织观点更加值得重视。