生命從一開始就不簡單

□ 海 生

當地球在45 億年前形成時，它是一顆荒蕪不毛的巖石質星球，經常被小行星撞擊，到處都是噴發的火山。在此后的10 億年里，它變成了適宜微生物居住的處所。今天，從最高的山脈到最深的海洋，生命的足跡遍及每一角落。

然而，太陽系中其他行星似乎都沒有顯示出存在生命的跡象。那么在我們的星球年輕的時候，到底發生了什么？最早的生命是如何從它那貧瘠的巖石、沙子中涌現的？

對于地球上生命的起源，人們提出了許多解釋。大多數想法都基于這樣一個假設：細胞太復雜，不可能一次性形成，最初的生命必定是以某個部件為核心，然后以某種方式創造了其他部件。然而，按照這種思路，科學家在實驗室里百般嘗試，也未能制造出任何類似生命的東西。一些人開始意識到這種想法不可靠，這就好比試圖通過制造底盤來制造汽車，并希望車輪和發動機能夠自發地出現。

在四處碰壁的情況下，一些科學家提出，當初認為最不可能的事情——生命以完整的形式出現——恰恰是最有可能的。

構成生命的三個核心部件

了解生命的起源，困難在于我們不知道首個生命是什么樣子的。目前公認的最古老的生物化石，有著35 億年的歷史，但對于我們并沒有多大助益。它們被發現于澳大利亞西部被稱為“疊層石”的古老巖層。與現代細菌一樣，它們是單細胞微生物。但從進化上來看，任何單細胞生物都已經相對復雜：即使是最簡單的現代細菌也有100 多個基因。第一批生物一定比單細胞生物更為簡單。但它們又不會是病毒。因為雖然病毒擁有的基因更少，但它們只能靠寄生生活，離開宿主就坐以待斃，所以病毒不可能最早出現。

在缺乏實物證據的情況下，研究生命起源的科學家首先提出兩個問題：支撐生命的基本過程是什么？這些過程中使用了哪些化學物質？

下面就是他們的回答。

生命可以歸結為三個核心系統。第一，它有著完整的結構，每一個細胞都有一層外膜將其包裹起來。第二，生命需要新陳代謝，涉及一系列從周圍環境中獲取能量的化學反應。第三，生命需要利用基因進行繁殖，基因中含有構建細胞的指令，并能將其傳遞給后代。

生物化學家也知道支撐這些過程的化學物質是什么。細胞膜是由脂質分子構成的。新陳代謝是由蛋白質（尤其是酶）推動的，它們有助于催化化學反應。基因則被編碼在一種叫做核酸的分子中，比如脫氧核糖核酸——它更為人知的名字是DNA。細胞膜、蛋白質和基因，構成了生命的核心部件，缺一不可。

除此之外，事情就變復雜了。生命的三個核心過程是相互交織的。基因攜帶著制造蛋白質的指令，這意味著有了基因，才能有蛋白質。但是蛋白質對于維持和復制基因是必不可少的，這里的關系似乎又反了過來，要先有蛋白質才能有基因。而對于制造構成細胞膜的脂質，蛋白質又至關重要，所以要先有蛋白質，后才有脂質。任何解釋生命起源的假說都必須考慮到上述幾點。

然而，如果我們假設基因、蛋白質和細胞膜不可能同時出現，那就意味著必定其中一個先出現，然后才“創造”出了另兩個。

誰是生命的No.1？

誰是生命的第一號呢？一個早期的看法是蛋白質。20 世紀50年代，生物化學家發現，加熱氨基酸可以使它們連接成鏈，形成蛋白。但因為它們不是通常意義上由遺傳密碼指導下合成的蛋白，而是隨機組裝的氨基酸序列，所以被稱為“類蛋白”。此后，又發現類蛋白可以形成類似細胞的球體，并能催化某些化學反應。然而，類蛋白沒能走得更遠，它既不能制造基因，也不能制造脂質。現在，認為蛋白質單靠自己就能啟動生命的觀點已被大多數人放棄。

后來，很多研究又集中在一個叫做“RNA 世界”的假說上。和DNA 一樣，RNA（核糖核酸）攜帶基因。某些RNA 甚至還能催化化學反應，這暗示第一批既能自我復制，又能像酶一樣行催化功能的RNA 分子，可能啟動了生命。然而，生物化學家花了幾十年的時間，在實驗室里讓RNA 自我組裝或自我復制，都沒有成功。現在他們承認，單靠RNA 自身啟動生命，似乎也辦不到。

那么， 或許膜是生命的No.1？美國加州大學的戴維·迪默最初持這種想法。20 世紀70 年代，他的研究小組發現，當兩種簡單的化學物質氰胺和甘油與水混合并加熱到65℃時，可以制造出細胞膜中的脂質。如果這些脂質隨后被添加到鹽水中并搖晃，就會形成像細胞一樣的小球，外圍有兩層脂質（細胞膜上的脂質也分兩層）。膜有了，但基因和蛋白呢？從脂類可產生不了基因或蛋白。所以，現在迪默也承認，光有膜也啟動不了生命。

生命起源的“一起出現”假說

于是，迪默和其他人開始探索另一種方案，即構成生命的三個核心部件——當然是遠比現在簡單、原始的形式——是同一個時期出現的。此即“一起出現”假說。

這不是什么新主意。1971 年，一位匈牙利生物化學家寫了一本書，他在書中設想了一種被他稱為“化學子”的最簡單的生命形式。“化學子”能通過酶進行簡單的代謝，同時又有基因和膜。當基因自我復制時，導致“化學子”膨脹，最終分裂，類似細胞的生長和分裂。然而，直到21 世紀初，當其他人獨立地找到了類似“化學子”的東西時，這個想法才得到承認。現在，支持“一起出現”假說的證據越來越有力了。

第一個證據來自生物化學。人們越來越認識到，生命的三個核心部件，核酸在化學組成上與蛋白質有很大的不同，蛋白質又不同于脂類。所以它們不太可能一個制造出另外一個來。

墨奇森隕石

第二條證據來自隕石，許多隕石和地球一樣古老，因此能告訴我們地球在年輕時是什么樣的。被研究最多的是1969 年撞擊澳大利亞的墨奇森隕石。迪默在其中發現了可以形成膜的類脂分子。稍后，其他人又發現了氨基酸和組成RNA 的基本單元——核苷酸。雖然這些化學物質在隕石中都不豐富，但它們的存在表明，它們是可以在同一個時期各自形成的。

那么，這種事情在地球上是如何發生的呢？一個研究小組發現，如果甲酰胺在石灰巖等礦物的存在下加熱到160℃，就可以制造出RNA 的組件核苷酸。甲酰胺是一種簡單的化學物質，它遍布宇宙，在新形成的行星上很常見。研究人員后來發現，在一種叫“蒙脫土”的普通黏土幫助下，不必加熱，這一過程也能實現。甲酰胺也能產生氨基酸，而氨基酸是蛋白質的基本單元。

實現這一壯舉的并非只有甲酰胺。一種叫氰胺的有機物與其他簡單的化學物質相混合，也能制造出核苷酸。反應需要紫外線，加熱干燥，然后用水潤濕。氰胺還可以制造氨基酸和脂類的“初級版”。

所以，生命的三大部件幾乎都可以從同樣的原料中通過化學反應生成。

原始細胞可能的樣子

那么，這三大部件最初是如何結合成一個原始細胞的呢？

美國哈佛醫學院的杰克·紹斯塔克在這方面取得了令人矚目的進展。從2003 年開始，他的團隊制造了一批原始細胞，它們的外層由脂肪酸包圍著，里面有可以自我復制的RNA。這種原始細胞在蒙脫土微粒的存在下形成得特別快。它們還可以分裂形成子細胞。

這些原始細胞離真正的細胞還缺少一項功能：新陳代謝。在現代細胞中，新陳代謝是在大量酶的催化下完成的，而酶在生命伊始不可能存在。然而，其他研究人員找到了在缺酶的情況下也能讓代謝反應進行的辦法。事實證明，許多關鍵的反應不需要酶的參與，可以由鐵、硫等元素的化合物來推動，而鐵和硫在地球上一直很豐富。最近的研究表明，在紫外線的驅動下，能驅動代謝反應的鐵和硫的原子團，還可以在原始細胞內形成。至于代謝反應是否能在原始細胞中發生，還有待研究。

紹斯塔克的原始細胞是我們迄今對第一批生命可能是什么樣子的最好范本。它們很簡單，但有膜，有能自我復制的RNA，新陳代謝也可能發生（這一點有待證實）。

生命可能的起源地

如果核心部件“一起出現”的設想是正確的，那么生命的“創世紀”應該是在特定條件下發生的。那可能是怎樣一種環境呢？

利用甲酰胺或氰胺制造生命核心部件的大部分反應都依賴紫外線，一些關鍵步驟需要干燥。這意味著，作為開始，生命需要一個固體礦物的表面，理想情況下包括黏土（如蒙脫土）、陽光與適量的紫外線輻射，以及足夠高的溫度，可以定期蒸發水分。

這似乎排除了一種流行的觀點，即生命起源于深海的熱液噴口。相反，生命可能起源于陸地上富含化學物質的水池，甚至可能是蓄水的隕石坑，或者火山環境中的地熱池。例如，已經證明，脂類可以在地熱池中形成類似細胞的泡，但在海水中卻不能。

除了有助于鎖定地球上的生命起源地之外，“一起出現”假說還為在太陽系其他地方尋找生命提供了建議。生物化學的要求排除了目前最有希望的兩個候選者：木衛二和土衛二。這兩顆衛星都被認為冰層下有深海。但前面說了，海洋或許對于維持生命是有用的，但不是生命起源的理想之地。相反，最有可能找到生命（或者至少是生命曾經存在過的證據）的地方，是火星。盡管今天，它很冷，表面缺乏液態水，但在數十億年前，它的巖石上可能有水流過。它上面還曾經活躍著火山，所以可能有地熱池。

當然，這一切都取決于“一起出現”假說是否正確。這一假說雖然贏得了許多人的青睞，但仍有一些謎團未解。不管怎么說，它帶給我們一個新的有益的啟示。