一个与地球生命起源有关的故事:人类是如何解开这个谜题(2)

2017年03月01日 09:25 新浪科技 微博
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恐龙生活的年代距我们其实很近。恐龙生活的年代距我们其实很近。
这些波浪状的图案可能是37亿年前形成的化石。这些波浪状的图案可能是37亿年前形成的化石。

  第一章:初次实验

  在历史上的大部分时间里,生命的起源问题其实并没有什么意义,因为答案看似十分明显。在19世纪之前,大多数人都相信所谓的“活力论”(vitalism),认为生物与无生命的物体的不同之处在于,所有生物都被赋予了某种特殊的、具有魔力的特质。活力论往往与宗教有着密不可分的联系。圣经中写道,上帝用“生命之气”赋予了人类生命,永恒的灵魂也是活力论的一种体现。

  然而活力论本身就是大错特错的。到了19世纪早期,科学家已经发现了几种似乎为生物所独有的物质。其中一种便是尿素,最早于尿液中被发现,并在1799年被成功分离了出来。到这一步为止,它还是符合活力论的。似乎只有生物体内才能产生这些化学物质,因此这些物质中也许也融合了生命的能量。

图为德国化学家弗雷德里希·维勒。图为德国化学家弗雷德里希·维勒。

  但1828年,德国化学家弗雷德里希·维勒(Friedrich W?hler)发现,只需利用一种名叫氰化铵的常见化学物质,便能制造出尿素,而氰化铵似乎与生物没有任何明显的关联。其他科学家也紧随其后,不久便纷纷发现,生物体内的化学物质完全可以用简单的无机物制造出来。

  活力论作为一种科学理念,至此彻底画上了句号。但要想让人们完全摆脱这种观念,并不是一件容易的事情。对于很多人来说,如果承认生物体内的化学物质没有任何特殊的地方,就等于否定了生命的神奇之处,把我们降到了机器的水平上。并且,这种观念也与圣经相违背。

  甚至科学家自己也难以彻底否定活力论。一直到了1913年,英国生物化学家本杰明·摩尔(Benjamin Moore)还狂热地推崇着“生物能量”理论,这只不过是换了个名字的活力论而已,本质上并没有任何区别。如今,活力论依然会以各种令人意想不到的形式出现。例如,很多科幻故事中会描述某人的“生命能量”得到了激发、或流失的情节。这些故事听上去很有未来主义色彩,但其实由来已久。

  1828年之后,科学家虽然有了充分的理由追寻生命起源的真相,但他们并没有这样做。事实上,一连数十年,这个问题都受到了人们的忽视。也许大家仍受到了活力论的牵绊,不忍心迈出下一步。

  19世纪的真正突破是达尔文和他人提出的进化论。在1859年出版的《物种起源》一书中,达尔文解释道,虽然地球上的物种多种多样,但它们也许都源自某个共同的祖先。它们也并不是由上帝创造的,而是由数百万年前的某个原始生命体演变而来的。

达尔文认为生命也许是在一个“温暖的小池塘”中诞生的。达尔文认为生命也许是在一个“温暖的小池塘”中诞生的。

  这一观点在当时引起了极大的争议,因为它违背了圣经中的说法。达尔文和他的理论受到了激烈的抨击,基督徒们表现得尤为震怒。不过,进化论并没有讨论最初的生命从何而来的问题。达尔文深知这个问题的重要性。但也许是因为不想再与教会起争执,一直到1871年,他才在一封信件中对这个问题进行了讨论。而他在信中的语气十分兴奋,也说明他知道这个问题是多么的重要。 “但是如果(这个‘如果’可不简单)有这么一个温暖的小池塘,里面充满了各种各样的氨基酸和磷酸盐,再提供光照、热量、电等条件,蛋白质就会在其中生成,然后经历更加复杂的变化……”

  换句话说,如果有一小片水域中充满了简单的有机化合物、并沐浴在阳光之下,有些化合物也许就会形成蛋白质等生命必备的物质,并进一步演化成更加复杂的东西。这只是一个粗略的想法,但科学家以它为基础,提出了第一批与生命起源相关的假说。

  你也许会认为,该假说肯定源自于某个类似美国这样的言论自由的民主国家。但事实上,首个与生命起源相关的假说其实是在苏联提出的。在斯大林统治下的苏联,一切都处于国家的控制之下,甚至连传统基因学的研究也受到了禁止。但即使是在这样的环境下,由于亚历山大·奥巴林(Alexander Oparin)是一名忠诚的共产党员,因此他依然得以开展生物化学方面的研究。

图为亚历山大·奥巴林图为亚历山大·奥巴林
地球温度降低后,便形成了海洋地球温度降低后,便形成了海洋

  1924年,奥巴林出版了著作《生命起源》(The Origin of Life)。他在书中介绍了自己对生命起源方式的假设,与达尔文的“温暖的小池塘”假说惊人地相似。

  奥巴林对地球在形成之初时的模样进行了想象。当时的地表温度极高,到处都是半融化状态的岩石,其中含有大量碳基化学物质。最终,地球逐渐冷却下来,水蒸气凝结成了液态水,以雨水的形式落到了地球上。不久,地球上出现了海洋,海水温度很高,富含碳基化学物质。而接下来可能出现两种情况:

  第一种情况:各类化学物质可能会进行相互反应,形成大量新化合物,包括一些更加复杂的物质。奥巴林认为,生命的必需物质(如糖和氨基酸等)可能都是在地球上的液态水中产生的。

  第二种情况,有些化学物质可能会形成某种微型构造。许多有机物无法溶于水,但当它们与水接触时,便会形成微小的液滴,又被叫做“凝聚层”(coacervates),直径最大约为1毫米。

  在显微镜下,它们就像活生生的细胞一样。它们会变大,会改变形状,有时甚至还会分裂成两个。它们还会从周围的水中吸收化学物质,因此这些液滴内部富含生命所需的化合物。奥巴林指出,这些液滴也许正是现代细胞的祖先。

图为英国基因学家J·B·S·霍尔丹图为英国基因学家J·B·S·霍尔丹

  五年之后,英国生物学家J·B·S·霍尔丹(J. B. S. Haldane)也在一篇短文中独立提出了相似的观点。霍尔丹为生物进化理论做出了巨大的贡献,并将达尔文的理论整合进了当时刚刚出现的基因科学之中。和奥巴林一样,霍尔丹也对有机化合物在水中形成的过程进行了描述。“原始海洋为最初的生物、或者类似生物的东西提供了诞生的场所,所有物质都被封在一层‘油膜’中。”

  这一想法在当时是非常激进的。就像达尔文提出进化论时一样,他们也受到了基督教的猛烈抨击。但苏联的情况还好,因为苏维埃政权都是无神论者。“当时,是否接受这一观点主要取决于个人性格,取决于某个人相信宗教、还是相信共产主义。”德国奥斯纳布吕克大学(University of Osnabrück)的生命起源专家阿尔曼·穆尔基加尼安(Armen Mulkidjanian)指出,“苏联人愉快地接受了这一观点,因为他们不相信上帝的存在。但在西方世界则不然。”这一观点被称作奥巴林·霍尔丹假说。它思路清晰、论证有力,但缺乏实验作为佐证。一直到将近25年之后,才有人开展了这方面的实验。

  1934年诺贝尔化学奖得主、原子弹的研制者之一哈罗德·尤里(Harold Urey)后来也对生命的起源产生了兴趣。他还将目光投向了外太空中的化学物质,特别是太阳系形成之初究竟经历了怎样的过程。一天他在讲座中指出,地球刚形成时,大气中也许是没有氧气的。这对于奥巴林和霍尔顿假设的情况而言倒是十分合适,因为氧气会对那些脆弱的化合物造成破坏。

图为史丹利·米勒在实验室中图为史丹利·米勒在实验室中
图为米勒·尤里实验装置。图为米勒·尤里实验装置。

  一名叫做史丹利·米勒(Stanley Miller)的博士生也去听了这次讲座。他后来找到尤里,提议和他一起验证这个假说。尤里一开始还抱着怀疑态度,但米勒成功说服了他。1952年,米勒开展了在生命起源学界最著名的一次实验。

  米勒的实验装置很简单。他将一组玻璃烧瓶连在一起,让他认为早期地球上存在的四种物质在其中不断循环:沸水、氢气、氨气和甲烷。然后他不断地电击这四种气体,以此模拟地球形成早期、常常出现的闪电。米勒发现,“一天之后,烧瓶中的水变成了肉眼可见的粉红色;而一周之后,瓶中的混合物变成了浑浊的深红色”。显然,瓶中已经形成了各种各样的化合物。

  米勒分析了这些混合物,发现其中包含两种氨基酸:甘氨酸和丙氨酸。氨基酸常常被称作生命的基石,它们能构成各种人体所需的蛋白质。而米勒就这么凭空造出了其中两种最重要的成分。米勒的研究结果发表在了1953年的《科学》期刊上。虽然尤里无私地将此次研究全部归功于米勒,但该研究还是被称作“米勒-尤里实验”。“米勒·尤里实验证明,只需简单的大气便能创造出许多生命所需的分子。”剑桥分子生物实验室的约翰·萨瑟兰德(John Sutherland)表示。虽然后续研究显示,早期地球的大气组成并非如此。但此次研究依然具有重要的意义。

  受到米勒实验的启发,其他科学家也开始尝试凭空创造出简单的有机分子。生命的起源之谜看似就要揭开了。但随后人们发现,生命比我们之前所认为的还要复杂。细胞并不只是一个个装满了化学物质的小包裹,而是复杂精密的微型机器。这样一来,凭空造出细胞就显得更加棘手了。

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