|
【撰文／夏皮洛(Robert Shapiro)；翻译／涂可欣】
生命的可能性将比我们以为的大多了，这个宇宙不仅是我们的家，还居住了一些尚未谋面的同伴。 不平凡的发现可以让人提出不平凡的主张。当华生（James Watson）宣布他和克里克（Francis Crick）发现了DNA的结构后，克里克立即「飞奔到老鹰酒吧，告诉附近每个人：『我们已发现了生命的秘密。』」DNA优美的双股螺旋结构，值得科学家投注热情：这种结构让遗传讯息能够以四种化学物质（碱基）构成的字母来传达下去，就像是英文使用26个字母来书写一样。此外，这些信息储存的形式为两条长链，两条长链记录了彼此的内容，这种安排显示了双螺旋的复制机制：DNA双股螺旋的两条长链在复制时会分开，带有碱基的DNA基本单元（核酸）会沿着刚分开来的两条长链排列并连接，形成两个新的双股螺旋结构，这两个都是原本DNA的复制品。 华生–克里克的DNA的结构，激发了排山倒海般有关活细胞运作方式的发现。诺贝尔奖得主缪勒（H. J. Muller）写道，基因成份是「活生生的物质，是最早生命的现今代表」；天文学家萨根（Carl Sagan）想象它是「一个原始、裸露而活生生的基因，处于稀薄的有机物质溶液中。」（这里的「有机」是指含碳原子的化合物，它们存在于生命中，也存在于非生命世界中）虽然人们对生命提出了许多不同的定义，而缪勒的看法和美国航天总署（NASA）的定义刚好一致：生命是能够自我维续、进行达尔文式演化的化学系统。
道金斯（Richard Dawkins）在他的《自私的基因》一书中，详细描述了最早的生命物质：「在偶然的机缘下，一个神奇的分子形成了。这种分子可能不是当时最大或最复杂的分子，但它有一个非常特别的性质：它能够复制自己。让我们称它为『复制子』（replicator）。」道金斯在30年前写下这段话时，DNA是最符合这个角色的候选者，后来研究人员又认为其它分子可能是最早的复制子，但我和一些科学家认为，复制子的生命起源模型有其根本的缺陷，我们倾向另一个比较有道理的概念。
当RNA统治世界 科学家很快就发现「DNA为始」理论的困境。DNA在复制时如果没有一些蛋白质的帮助，就无法进行，而蛋白质是一群化学结构和DNA极为不同的大分子。DNA和蛋白质都是由一些基本单元串连形成的，DNA由核酸组成，蛋白质则由胺基酸组成。蛋白质是细胞内多才多艺的角色，像蛋白质家族中最为人知的酵素，就是扮演推手的角色，来加速原本过慢而无法用于生命的化学反应。今日细胞所用的蛋白质，都是根据储存在DNA内的蓝图所建造出来的。以上的描述让我们回到了一个古老的谜题：先有鸡，还是先有蛋？DNA带有指示组装蛋白质的方法，然而如果没有蛋白质的帮忙，这些信息也无法读取或复制，那么是哪一种大分子先出现？是蛋白质（鸡），还是DNA（蛋）？
当科学家的焦点转移到候选者RNA时，一个可能的解答浮现了。多才多艺的RNA和DNA一样，是由在细胞内担任了许多重要角色的核酸所构成。某些RNA可以将DNA的讯息转达给负责建造蛋白质的核糖体（而核糖体主要由另一类RNA组成）。RNA在执行其各项任务时，可以形成和DNA一样的双股螺旋结构，也可以和蛋白质一样以单股折叠成不同的构造。
1980年代初期，科学家发现了核糖（ribozyme），这是一种拥有酵素功能的RNA分子，此时鸡与蛋的谜题终于有了一个简单的答案：当第一个能自我复制的RNA分子出现时，生命诞生了。诺贝尔奖得主吉尔伯特（Walter Gilbert）于1986年在《自然》发表了一篇富含创意的文章，他写道：「我们可以想象一个RNA的世界，里面的成员仅有可催化自我合成的RNA分子因此当时演化的第一步，就是RNA发挥催化活性，在核酸汤中组装自己。」在这观点下，最早具有自我复制能力的RNA从无生命物质中诞生，执行各种现在是由RNA、DNA和蛋白质负责的功能。其它许多线索也支持在生命演化历程中RNA早于DNA和蛋白质出现。举例来说，许多称为辅、可帮助酵素催化反应的小分子，里面也带有无明显功能的RNA核酸。科学家认为这种构造是「分子化石」，是DNA或蛋白质尚未出现、由RNA统驭生化世界时代留下遗迹。
不过这类线索仅能支持RNA早于DNA和蛋白质，并不能提供有关生命起源的信息，在RNA世界之前，可能还有其它生命物体主宰的阶段。然而科学家将两个观点混淆，统称为「RNA世界」。在此我会用「RNA为始」来表示RNA与生命起源有关的概念，以和「RNA早于DNA和蛋白质」的概念区别。
空泛的原生汤锅 「RNA为始」的理论面对了许多难以回答的问题：最早能自我复制的RNA是如何形成的？吉尔伯特描绘RNA从无生命的核酸汤中形成的景象，有着巨大的障碍。RNA的基本单元核酸是结构复杂的有机物质，它含有一个糖分子、一个磷酸分子和四种含氮碱基中的一种。因此每一个RNA核酸都带有9或10个碳原子、一些氮原子和氧原子，以及一个磷酸基，然后以精确的三维空间模式组合起来。同样的成份可以有许多不同的组合方式，形成数千种可串连的核酸，但这些分子都不是组成RNA的核酸。不过这个数字算小的了，因为大小相当但又非核酸类的稳定有机分子，种类类多达数百万。
这些适合组成RNA的核酸会自行形成的概念，衍生自1953年米勒（Stanley L. Miller）发表的一个著名实验。他在装有当时认为代表了地球早期大气成份的容器中放电，然后发现容器内形成了胺基酸。在1969年掉落于澳洲的莫契逊陨石里，科学家也发现了胺基酸，显然自然界中含有丰富的这类基本单元。一些科学家于是扩大解释这些结果，认为所有生命基本物质都和米勒实验一样可轻而易举形成或存在于陨石中。然而事实并非如此。和米勒实验制造的胺基酸比起来，核酸可要复杂多了。胺基酸的基本特征是含有一个胺基（一个氮原子和两个氢原子）和一个羧基（一个碳原子、两个氧原子和一个氢原子），两个化学基连接在同一个碳原子上。构成天然蛋白质的20种胺基酸中，最简单的仅含有两个碳原子，另外17种胺基酸含有三个到六个碳原子。米勒实验制造的胺基酸或其它物质，只含有两个或三个碳原子。相对的，没有任何放电实验或陨石研究能制造或找到任何核酸，显然无生命世界偏好形成碳原子较少的分子，而不利于产生较多碳原子的分子，因此我们生命所用的核酸并不易形成。
为了弥补「RNA为始」概念的致命缺陷，其倡导者于是提出了一个原生合成（prebiotic synthesis）的学说。他们设想了所有的相关条件和原料，尝试显示RNA和其组成的成份可以在实验室中，以一连串小心控制的反应而形成。
在此我们用一个比喻来描述这学说的问题：想象有个打高尔夫球的人在打完18洞之后，就假设没有他挥杆，球也可以自己完成球赛。这些研究者证明RNA可能形成，并假设只要时间够长，一些自然力量（例如地震、风、龙卷风和洪水）组合在一起，也能制造出相同的结果。自然形成RNA分子并不会违反物理定律，但是它的机会微乎其微。
一些化学家提出在「RNA世界」以前，可能有类似RNA但更简单的复制子存在，并主宰了当时的世界。假设这个复制子也具有RNA一般的催化能力，由于现代生物学找不到任何这个假设中原始复制子和催化子的蛛丝马迹，RNA出现后，一定取代了它所有的功能。
即使自然界提供了一个适合基本单元（不管是核酸或更简单的分子）形成的原生汤，其成份自动组合出复制子的困难度，更胜于制备这锅原生汤。假设我们已经有一锅这样的基本单元汤，条件也利于长链的形成，汤中一定含有大量具有缺陷的单元，任何新链中加进了这类缺陷单元，做为复制子的能力就会遭到破坏，最简单的一种缺陷单元就是只有「单臂」可供连接的分子，它阻断了长链进一步加长。
一个中性的自然世界，理论上各种单元会随机组合，产生大量且多种中断的短链，而不是具有复制和催化功能需要的均匀几何结构长链。在我们可见的宇宙中若能形成这种结构一次，都堪称极度幸运。
由小分子起始的生命世界 诺贝尔奖得主杜维（Christian de Duve）曾呼吁科学家驳斥机率小到可以称为奇迹、其现象落在科学研究范围之外的观念。我们在探讨生命起源时必须排除DNA、RNA、蛋白质和其它精致复杂的大型分子。无生命世界提供了我们各种小分子组合，值得一探究竟。
幸运的是，多年来我们已有一些关于这些小分子的理论。这些理论运用的是热力学的生命概念，而不是遗传观念。萨根在《大英百科全书》整理出了以下的概要：「一个经由能量驱动、可增加其秩序（熵降低）的局部循环反应，应可视为生命。」这种小分子的概念源于俄罗斯生化学家欧帕林（Alexander Oparin），这类生命起源的学说在细节上有一些差异，在此我列出了五项必要条件（以及我个人的一些想法）。
1.在生命和无生命之间必须有分隔。 高度组织化是生命的特点，然而根据热力学第二定律，宇宙会朝乱度（熵）增加的方向发展。不过这个定律有一个漏洞，它允许一个有限区域内的熵降低，只要这区域外的熵增加得更多。就像细胞生长和繁殖时，会将化学能或辐射能转化为热，释放出的热增加了环境中的熵，以弥补生命系统内熵降低。生命系统必须维持这道分界，划分出有生命的区间和无生命的环境。
现代的细胞有脂质构成的复杂双层膜，区隔了生命体和外在环境。当生命刚开始时，有些自然环境可能提供了相同的功能。美国加州大学圣塔克鲁斯分校教授狄默（David W. Deamer）的发现，支持了这个观点：狄默在陨石中观察到了膜的构造。还有人提出了一些今日生物并未利用但是可做为分界的物质，像是硫化铁膜、岩石表面（岩石的静电可分隔特定分子和周遭的环境）、小池塘以及悬浮微沫。
2.形成秩序的过程中需要能量供应。 人类会摄取碳水化合物和脂肪，将这些分子与我们吸入的氧气结合，以维持生命。微生物则有更多方法来利用环境中的矿物质或氧气为食物。不管是人类或微生物，这种将食物转化为生命的过程都牵涉了氧化还原反应：将富含电子（还原态）的物质的电子，转移给缺乏电子（氧化态）的物质。植物可直接将太阳能转变为生命可用的能量型态，而特殊环境中的细胞则能利用其它能量形式，像是膜两侧酸性的差异。在宇宙其它角落的生物，或许还能利用辐射和剧烈的温度变化。
3.释放的能量必须要透过某个机制，与制造和维持生命组织的过程连接起来。 释放的能量不见得会产生有用的结果，例如在汽车汽缸内燃烧的石油所释出的化学能，并不一定会驱动汽车，除非能用这能量来带动轮子，因此需要一些机械来连接两者。我们身体的细胞每天不断分解着一种叫做ATP的核酸，释出的能量可用来驱动体内的生化反应，若没有这些能量，那些效率极差或根本无法进行的反应就不会发生。如果两者使用相同的中间物，彼此就可连接起来，酵素介入则更可使反应加速。这种小分子起源概念的假设之一，是结合了数个反应，加上原始的催化剂，就足以让生命开始能够存于自然。
4.它必须形成一个化学网络，才能够适应和演化。 现在我们要进入问题的核心了。举例来说，让我们想象有一个能量为顺差的矿物氧化还原反应，可让某一区隔内的有机化合物A转换为化合物B，我称这关键转化反应为驱动反应，因为它就像引擎一样可带动形成组织的过程；如果化合物B很容易又变回化合物A，或从分隔的区域内散出，那么整个系统的组织程度就无法提高。相反的，假设B能转换成C，C能转换成D，最后D再转换成A，那么这个循环步骤就较可能继续运转下去，因为它能够补充原料A，让矿物的化学反应能够持续提供有用的能量（参见43页〈化学网络的演化〉）。
反应过程可能会出现分支，例如分子C可能转化为D和另一种不属于ABCD周期的化合物E，由于反应循环是靠能量驱动的，因此有利E变回D的反应，让物质重回周期，而增加驱动反应的能量释出。
这样的反应循环也可因应环境改变而调整。我小时候常惊讶地看着从消防栓渗漏出来的水，顺着斜坡流入最近的下水道，当有落叶或物体挡住了水流时，水就会积起来，直到水流绕过物体找到另一条路径。同样的，如果环境中的酸性或其它条件改变，阻碍了B到A的反应路径，这些化合物会累积起来，直到发现另一条路径。这些改变让原本的循环形成一个网络，化合物这种尝试错误的探索，可能会产生可催化循环内重要步骤的化合物，增加网络使用能量的效率。
5.网络必须成长和复制。为了生存和成长，网络取得物质的速度必须快于它流失物质的速度。 根据热力学熵增加的定律，多少会发生网络物质从隔离的区域渗漏到外面的情况；还有些副反应会产生气体，气体会散逸；或形成沉积物质，脱离溶解的状态。如果这些物质流失的速度加起来超过网络取得物质的速度，整个网络最后就会消失，当外界能量来源耗尽时也会产生相同结果。我们可以想象，在地球早期一定有许多不同的反应循环网络出现，利用不同的能量来源，最后会有一个特别坚韧的网络，能站稳脚步，维持下去。
最后一定发展出来一个能复制的系统。如果我们的系统是位于脂质膜中，当它们成长到一定体积时，物理力量即会将它们分开来。美国普林斯顿高等研究院的戴森（Freeman Dyson）形容这样的系统是「垃圾袋里的世界」，不像RNA世界的景象整齐而美丽。一个在岩石中运作的隔离系统可能会流到邻近区域。无论其复制机制为何，这种区隔出分离单元的过程，可保护系统不会因区域性的破坏事件而消失。独立单元建立后，可以有不同的演化方式，并彼此竞争原料，于是这个从无生命物质中衍生出来、能利用能量的生命，可透过达尔文演化而适应环境的变化。
|
|
|
