生命起源的学说之一（化学进化说）

科学家们认识到，生命起源的必要条件应是：在原始地球上自然条件下的非生命物质，要先通过化学作用产生出多种有机物和生物分子来。这种原始有机物的起源与早期的演化，是一种化学过程，亦即化学进化。化学进化造就了这些化学材料，并构成了氨基酸、核酸等生命分子所通用的结构单元。蛋白质等生命物质就是由这些结构单元组合而成。有了生命大分子物质后，再进一步地进化，也就演变成了原始的生命体，这就是关于生命起源的化学进化学说。

1924年，苏联生物化学家奥巴林（А.И.Опарин）首先提出了一个比较系统的生命起源的假说，他认为生命起源于地球，是一个化学进化过程。地球上最简单的有机物质——烃类，完全有可能由地球上的最初原始气体NH3，CH4，H2O，H2等生成，而最初生成的烃类化合物通过一步一步的演化最终必然会形成类蛋白化合物。以后奥巴林学派又进一步提出了“团聚体”（见图3-2）学说，认为由类蛋白物质形成的胶体状小块颗粒，不溶于水，并能吸附其他有机物而“生长”，最终形成了复杂体系，称之为团聚体。这个团聚体就是前细胞的模型。

图3-2　团聚体示意

奥巴林学说认为地球上最初的原始大气的组成是还原性气体，为什么这样说呢？原来科学家对射电望远镜无线电波谱的分析表明，离太阳较远、变化较小的行星如木星、土星等的大气，都是由H2，He，CH4，NH3等组成的还原性大气；而且地球上也发现远古沉积岩所含的铁是氧化程度较低的磁铁矿（Fe3O4），之后生成的“红层”所含的铁则是氧化程度较高的赤铁矿（Fe2O3），这就证明了地球上最初的原始大气存在着一个从还原性气体向氧化性气体的过渡。科学家已经确认地球的氧化性大气是在蓝藻和植物这些生命出现后，通过长期的光合作用才逐步形成的。

图3-3　米勒的实验装置

1953年，美国芝加哥大学的一位年轻的博士研究生米勒（S.L.Miller）根据奥巴林在20世纪20年代提出的理论，成功地模拟了原始地球大气的条件下氨基酸产生的过程。他把一个专门设计的密封玻璃容器抽成真空，并在130℃高温消毒18小时，注入200毫升水，然后通入H2，NH3，CH4，使它们的比例和科学家认为的原始大气的组成基本相同，接着就在加热的条件下，模拟地球闪电的自然条件连续进行火花放电，并在实验过程中随时取样分析，结果在8天后，装置中的液相由无色变为黄色，并有黄棕色沉淀（见图3-3）。经分析，形成的物质中有甲酸（HCOOH）、甘氨酸（H2NCH2COOH）、乙醇酸（H OCH2COOH）、乳酸（CH3CH OH COOH）、丙氨酸（CH3CHNH2COOH）、丙酸（CH3CH2COOH）、乙酸（CH3COOH），还有痕量的谷氨酸和天门冬氨酸等，居然总共有11种氨基酸之多。这就有力地证明了化学进化过程是生命起源过程中最重要的一环。

在米勒实验（见图3-4）之后的20年中，人们不断地模拟原始地球条件，从无机物合成了众多的生命有机物，包括天然蛋白质中的所有氨基酸，以及各种嘌呤、嘧啶、核糖、脱氧核糖、核苷、核苷酸、脂肪酸、卟啉和脂质，等等。考虑到原始地球能源的多样性，有些学者还改用别的能源如紫外线、太阳光、X射线、γ射线等，也得到了类似的结果。1959年，德国科学家试用紫外线作为能量得到了氨基酸。1959年，中国科学家采用火花放电的办法，在实验气体中加入硫化氢，结果得到比米勒获得的更为复杂的氨基酸，如胱氨酸、半胱氨酸、蛋氨酸等。到了1968年，蛋白质结构中的全部20种氨基酸，都用这样的实验制成了。

图3-4　米勒在实验中

1961年，西班牙生物化学家奥罗（Oro）把氰化钾和甲醛加入模拟的原始大气中，结果除得到氨基酸外，还发现单个的氨基酸能连接在一起形成短链，其连接方式也恰如蛋白质中氨基酸连接的方式。他同时还得到了核酸中的嘌呤、核糖和脱氧核糖。奥罗的研究进一步发展了米勒的实验，也把生命物质的合成向前推进了一大步。

奥巴林的学说显然取得了很大的成功，但是，他的假说还是有着两个主要问题引起人们的质疑：一是团聚体形成需要有蛋白质的存在，那么在原始地球上，具有复杂分子结构的蛋白质是怎样形成的呢？这一问题尚未解决；二是团聚体形成需要在极浓的有机物溶液中，而地球上海洋中那稀薄的“有机汤”又是如何浓缩到能形成团聚体呢？有人补充说，火山附近的小水池在高温影响下会蒸发，从而使“有机汤”浓缩。但也有人反驳说，由于蒸发，盐的浓度会比有机物的浓度升高得更厉害。

这以后，美国生物化学家福克斯（S.W.Fox）又提出了生命起源的“热聚合假说”。他认为，在海洋附近的火山地带，氨基酸经过加热就会变成类似蛋白的类蛋白质，它们溶解于海水后，就成为“微球体”，并有着与细菌相似的形态和结构，这种微球体和团聚体一样可能成为原始细胞的基础。

福克斯将一些天然氨基酸混合后，在无水的条件下加热至160～200℃，经0.5～3小时后合成出一种淡琥珀色的透明物质，称为类蛋白质（见图3-5），其相对分子质量在3000～20000，有天然蛋白质的显色反应，红外光谱显示出有肽链结构，水解后能生成氨基酸，能被某些蛋白酶水解，有的还具有微弱的酶的活性。福克斯继续将酸性类蛋白物质放到稀薄的盐溶液中加热溶解，结果冷却后就在显微镜下观察到无数的微球体。

图3-5　类蛋白微球体（直径约2微米）

微球体有双层膜，较稳定，在高渗溶液中收缩，在低渗溶液中膨胀，能通过“出芽”和分裂方式进行“繁殖”，并表现出水解、脱羧、胺化、脱氨和氧化还原等类酶的活性。由于类蛋白质是以20种天然氨基酸为原料、模拟原始地球的干热条件产生出来的，较之团聚体是来自生物体产生的现成物质（如白明胶、阿拉伯胶等）有更大的说服力，所以该学说受到广泛的重视。

至此，我们已完全可以设想，由原始大气产生的有机物或是由其他途径产生的有机物，如团聚体或是类蛋白微球体以及其他等，在它们进入海洋之后，就会在漫长的岁月里，不断地绵延着化学和生物化学的进程，最终也就形成了地球上最早的生命。

综合以上的学说可知，化学进化学说所描述的生命起源的过程实际上包括了以下4个阶段：

1.从无机小分子物质生成有机小分子物质

大约45亿年前，在原始地球条件下，某些无机小分子物质（如氢、甲烷、氨、水等）在闪电和太阳照射的条件下生成了一些有机小分子物质，如核苷酸、氨基酸等，它们在海洋里或是其他水域里形成了“有机汤”。

2.从有机小分子物质生成有机大分子物质

由无机分子合成、在原始海洋里形成的有机小分子“有机汤”（它也可能是聚集在热泉口或者火山口附近的热水中）最终就通过聚合反应，形成了生物的大分子，经过长期的积累和相互作用，在适当的条件下再通过缩合或其他化学反应形成了重要的生命物质——原始的蛋白质分子和原始的核酸分子，该阶段的变化已有了实验的验证。

3.从有机大分子组成能自我维持稳定并发展的多分子体系

含有蛋白质和核酸的聚集体，在海洋的表面渐渐地在其外部形成界膜，从而跟海水分隔开来，形成了多分子体系，并逐步地与外界开始进行原始的物质交换活动。

4.从多分子体系演变为原始生命

这些多分子体系进而通过分子的自我组织，并自我复制和变异，经过漫长的岁月，不断地演变和进化，从而形成核酸和活性蛋白质，分隔结构同步产生，最后在基因的控制下进行代谢反应，为基因的复制和蛋白质的合成提供能量，这样一个由生物膜包裹着的能自我复制的原始细胞（原始生命），就在地球上产生了。这个原始细胞可能是异养的，或者是化学自养的，它很可能类似于现代所发现的在热泉附近的嗜热古细菌。

尽管生命起源的化学进化学说有着那么多的事实和实验的支持，但无法否认的是，到目前为止，实验室里还不能做到全面验证生命起源的化学进化的全过程。