生命的起源过程

生命的起源过程

1       引子

什么是生命？在我的博文《对一些最根本问题的解答》中有一个定义，所有能够具有生存，繁衍，完善进化能力的就是生命。这个定义比较泛，覆盖了精神心理社会等等领域。因研究指向原因，本文特指物质生命，也就是一般意义下的生命。 

生命的产生是一个巨大的秘密。进化论已经进行了一个初步的解释，科学家们也进行了初步的验证，但是仍然存在很多未知之谜。 

进化论说的是，物竞天择，生存竞争。这只是一个大道理，并没有落实到具体的进化步骤上。科学家们进行的验证是利用无机物制成原始汤，然后对之施加闪电雷击，最后从中获得有机物，蛋白质等。但是这与生命仍然存在不小的距离。没能回答生命是如何一步一步从无机物，有机物的世界一步一步的走出来的。 

我这里就开始进行一个分析，算是一个生命诞生过程的假说。生命的存在需要具有一系列的机制，它们分别是：成长机制(反馈机制，新陈代谢机制，生产机制)；复制机制(遗传机制即繁衍机制，演化机制)；隔离机制：生命还需要形成一个与外界相隔离的界限；协同机制：多细胞之间的协同等等。

先把生命产生过程中的需要的机制想清楚。然后构想这些机制是如何一步步产生的，再在根据概率的考虑(生存竞争)剔除一些想法。 

2       生命起源的第一步：复制机制的出现

复制机制的形成过程：演化和寻找到一种合用的物质来实现复制机制。

最开始的生命拥有成长机制，生产机制，复制机制，是在进行物质争夺。遍布全球。然后继续相互竞争。 

生产机制形成的过程：演化和寻找到进行生产的机制，完成对特定物质的生产和制作。这一点在我们的世界里，出人意料地非常简化地就实现了。首先是低错误概率复制(遗传)机制的产生:通过随机过程获得含有制造RNA复制酶的RNA片段，这就是生命出现的第一步。

RNA生产RNA复制酶，RNA复制酶反过来复制RNA片段，从而使含有RNA复制酶基因的RNA分子遍布世界。这个过程实际上还是属于化学反应。这就有点像结晶体的结晶过程一样，从一个晶核出发，把周围满足条件的物质全部变成结晶体。

3       生命起源的第二步：分解机制的出现

我认为，最初的基因就是通过闪电等在原始的有机汤中生成的，仅含RNA复制酶的基因也是通过某种随机的方式：可能是复制的错误，也能是自然界的偶发事件导致新的含RNA酶的基因片段接在了含RNA复制酶的基因片段上。

在具有RNA复制酶的RNA遍布世界过程中时，在含有RNA复制酶基因的基础上当通过随机过程产生具有制造RNA酶和RNA复制酶的RNA分子时。他们可以生产RNA酶用来分解RNA，也可以用RNA复制酶来复制自己。这时，这个基因显然具有比原有基因更具有竞争优势。当这两种基因混合在一起时，只含RNA复制酶的基因既会复制自己，也会复制同时还含RNA酶的基因。而含RNA酶的基因可以生产RNA酶来分解这两种基因，从而减少只含RNA复制酶的基因数量；不含RNA酶的基因无法破坏含RNA酶的基因。所以渐渐地，不含RNA酶的基因逐步被淘汰出局。

这一步演化过程中，直接通过随机事件获得同时含有RNA酶和RNA复制酶的基因的概率应该远小于在仅含RNA复制酶的基因上改造的概率。所以我认为，生命诞生历程中的第二步就是在第一步的基础上发生的。

 4       生命起源的第三步：选择性复制机制的出现

含有RNA酶和RNA复制酶的基因进一步往下演化，通过随机事件提供的演化机制，并通过生存竞争的选择，逐步地完善遗传基因的功能。比如保护自身基因不受RNA酶破坏的选择性分解机制出现，在特定情况下产生复制行为的选择性复制机制，这是生命历程中的第三步。基因在产生的RNA酶和RNA复制酶的结构不断演化，变得越来越复杂，分子量越来越大。其演化的目的是获得控制RNA酶和RNA复制酶生效的合适条件。当拥有这些机制的基因可以容易地战胜没有这个机制的基因，获得更多的生存机会。生命演化中的这一步，实际上是为下一步隔离机制的形成打基础的，也可以合并到下一步去。

5       生命起源的第四步：隔离机制形成(病毒的出现)

生命历程中的第四步：外壳的形成，也即隔离机制的形成。外壳的生产和组装也是最初始的合成代谢机制。

这一步也是属于非常重要的一步。通过RNA生成蛋白质，这种蛋白质不是用于催化生化反应的酶，其作用是隔绝外界，保护脆弱的基因，通过蛋白质构建成基因的外壳。这时的生命已经是接近病毒的结构了，成为一种原始生命体。核酸位于它的中心,称为核心(core)或基因组(genome),蛋白质包围在核心周围,形成了衣壳(capsid).衣壳是病毒粒的主要支架结构和抗原成分,有保护核酸等作用. 隔离机制包含：脱壳、装配，两个机制。病毒均须经脱壳，即脱去外被的蛋白质释放核酸，才能进行下一步复制。病毒核酸和结构蛋白是分别复制的，然后装配成完整的病毒粒。最简单的装配方式（如烟草花叶病毒）是核酸与衣壳蛋白相互识别，由衣壳亚单位按一定方式围绕RNA聚集而成，不借助酶，也无需能量再生体系。

这一步在生命演化历程中具有绝对意义。这一步骤进一步完善了原始生命的生存机制，和繁殖机制，开始正式向生物领域迈进。病毒是原始生命，在进化为细胞的途中，有从细胞退化后形成的病毒，也有直接从原始病毒进化的情形。

 6       生命起源的第五步：向DNA－蛋白质世界转变

生命历程中的第五步：向DNA－蛋白质世界转变。虽然RNA很适合做遗传分子并能发展演化形成广泛的催化活性，但它化学功能性的限制使其没法装备起来迎接环境中的挑战和机遇。地球上生命的一个重要革新是单个大分子的发展，即使这种分子中包含一些很不适合复制的亚单位，它们仍具有众多的催化功能。由RNA指导和催化下的蛋白质合成是RNA世界的最高成就，但也随即开始消亡。

DNA遗传比RNA遗传的优势在于，DNA更稳定，且能容纳比RNA更丰富的遗传信息。随演化的继续往后发展，RNA已足以容纳更多的遗传信息了。里面的过程只有简单的几个演化步骤就能完成，这一步转变应该是通过随机概率，自然选择获得的。

 

RNA具有的几个特点使得它适合作为简单达尔文系统的基础：它只有4个不同亚单位，每个亚单位的化学特性非常相似，亚单位被激活并连接在互补模板上后就能聚合，它是多聚阳离子，不论序列如何易溶于水它形成的简单的二级结构对序列变异高度容忍，同时在引进一些关键性突变后能采取完全不同的结构。所有这些共同点使得RNA与它的DNA和蛋白质后继者相比更显简单。DNA的低活性、高稳定性使得它更适合作为遗传物质，而亚基（包括阴性、阳性、疏水性基团）的巨大的化学多样性使得蛋白质更宜于作为催化功能的基石。而没有RNA打下的基础，这些更复杂的分子也不会产生上。

RNA世界对地球的统治大约起至42亿年前，终止于36亿年前。它可能只占了那个时期中的一小部分，因为在此之前是前体RNA的世界。在已知的有关RNA的化学和生化特征的基础上，对DNA世界进行的研究很大程度上具有推断性。

 

隔离机制可以保护基因不受RNA酶或DNA酶的破坏，增加基因的存活概率。

7       从病毒到原核细胞

7.1    内部物质合成代谢机制出现

合成代谢机制是在病毒演化过程中已经实现，也就是蛋白质外壳的生产和组装。往下一步就是生命体内部物质合成代谢机制的出现(替代病毒的脱壳组装机制):主要是废弃物的排泄机制出现。

7.1.1   进入机制

最原始的进入机制，其实就是蛋白质外壳上的缝隙，通过渗透压的作用，进入原初细胞体内。当然随着排泄机制的形成和完善，这个机制也不断演化，最后演变成细胞的口器。

 

7.1.2   排泄机制

最原始的排泄机制，也是通过蛋白质外壳上的缝隙，利用渗透压的作用，将废弃物排出原初细胞体内。这个机制不断完善的结果是形成高尔基体。利用专门的分泌泡与外壳作用而排泄出去。

7.1.3   生产机制

这个机制最初是将在外面的蛋白质外壳的生产过程，简单地搬到壳体内部。在内部由DNA指导下完成蛋白质的分解和合成。

这个机制最后完善成为核糖体。

7.1.4   动力机制

最初是就像是在壳体外部一样直接利用化学反应产生的能量帮助进行蛋白质合成，DNA转录复制等生理活动。后来，逐步演化形成专门的膜结构，以帮助更加高效便利地获得化学能。

7.2    二分法繁殖机制

二分法繁殖机制就是环状DNA在壳体内部繁殖成两份后，分别移动到不同的位置，细胞外壳变形，从中间形成凹陷，最后断裂开。随即各自在新的DNA指导下，重新修补外壳，成为两个生命体。

这个机制的形成，最初的情形应该是由于原初细胞内部的生产机制和进入机制导致壳体内部空间越来越小，无法容纳全部物质，内部渗透压越来越大。在渗透压的作用下，发生断裂，随即对断裂部位进行修补。

这个过程通过遗传物质的复制过程保留下来，并不断固化完善。就获得了二分裂繁殖手段。

 

隔离机制可以保护基因不受外界其它生命物质的RNA酶或DNA酶的破坏，增加基因的存活概率。生产机制提高有机物的产量和数量，新陈代谢机制，保障生物体不受外界过多干扰地成长。动力机制，增加了能源的非唯一性，解决了生物体的能量来源。二分裂繁殖，可以更加有保障地完整繁殖后代。这一切都大大提高了生物体的生存竞争能力。

当这些机制都完善之后，病毒也就演化成了原核生物。原核生物就形成了一种高效繁殖的生命形态。拥有极大的竞争优势，和数量优势，改变了病毒数量上的弱势，和生存能力上的弱势，从而占据了整个世界。

当然，也有病毒跟随原核生物一起继续演化，和存活。利用原核生物高效制造出的有机物质和提供的场所，增加了病毒的生存机会。病毒也为原核生物提供了另一种可能的演化工具和手段。

7.3    原核生物在生命起源史上的重要意义

形成物质能量代谢机制：有保障地为生命活动提供一个合适的内环境，加快生命活动的速度。二分裂方式实现繁殖机制，解决了壳体丢失的问题，保障了遗传物质的安全性，促使生命体稳定快速繁衍后代。对比病毒听天由命的繁衍过程来说，生物体第一次努力地为自己创造了生存条件，强化了生存能力。

原核生物的诞生，正式宣布了生命的诞生。随着原核生物的诞生，生命演化的脚步不断提速。

 

由于原核生物带来的成熟和繁殖过程的加快，移动机制产生成为必要。鞭毛就是一种移动原核生物所处位置的方法，它可解决了如何更好地传播扩散遗传物质的问题。

 

根据考古发现，最早的原核细胞生物在35亿年前就已经出现，其后种类越来越多。在最早的原核细胞生物分化过程中，最重要的是古细菌与真细菌的分化。

 

此时吞噬机制尚未诞生。

8       原核生物向真核生物的演化

8.1    吞噬机制的诞生

最原始的吞噬机制是，通过细胞膜折叠，内陷，将食物包裹其中。折叠部分两端各形成一层膜，并相互分离。包裹食物的分离部分就形成食物泡进入细胞体内。

 

吞噬机制的诞生是源自于为了更好更快地获得食物，更快地成长，加快繁殖的步伐，进一步增强竞争能力。当然它的诞生，也是基于随机产生，通过生存竞争存活下来的。

 

8.2    协作共生机制出现

吞噬机制还带来了细胞器的产生。一些原核生物被吞噬进去之后，并未被溶菌酶分解，而是和吞噬者一起共生，构成一个复合体。被吞噬者，比如线粒体，叶绿体等，形成了细胞中的重要细胞器。

宿主通过核膜对自己的遗传物质进行保护，协助和控制寄生体的生产和繁殖。寄生体通过宿主提供的条件，为宿主提供特定高效的服务。

协作共生机制的产生，实际上加快了生物演化的过程，减小了随机变异的苦难程度。通过这种方式，生物快速地获得了一些独立进化的高效功能，并淘汰了一些低效的功能实现。

8.3    转录和翻译分离机制的诞生

因为通过吞噬机制进入内部的这些被吞噬者也会争夺无保护的遗传物质，核膜也就因此而出现。进一步通过核膜分离，使得遗传物质的转录和翻译必须分别在核膜内外进行。

8.4    无丝分裂和有丝分裂繁殖机制的出现

因为细胞器的出现，使得繁殖方式必须演化才能与之相适应。这就是无丝分裂和有丝分裂的出现。

首先演化出的是无丝分裂。

无丝分裂比较简单，分裂后遗传物质不一定能平均分配给子细胞，这涉及到遗传的稳定性等问题。无丝分裂具有独特的优越性，比有丝分裂消耗能量少；分裂迅速并可能同时形成多个核；分裂时细胞核保持正常的生理功能；在不利条件下仍可进行细胞分裂。

 

然后演化出有丝分裂过程：

有丝分裂是一个连续的复杂过程，为了描述方便起见，习惯上按先后顺序划分为间期、前期、中期、后期和末期四个时，在前期和中期之间有时还划分出一个前中期。

有丝分裂的重要意义:是将亲代细胞的染色体经过复制（实质为DNA的复制）以后，精确地平均分配到两个子细胞中去。由于染色体上有遗传物质DNA，因而在生物的亲代和子代之间保持了遗传性状的稳定性。可见，细胞的有丝分裂对于生物的遗传有重要意义。

 

在有丝分裂过程也会一定需要解决外源细胞器的分配问题。这就是一个多源生物体的内部协调机制，多套遗传物质之间形成协调机制，保障各自的生存和整体的生存。实际上这个机制就是细胞质的分配机制，可能的解决方法是：1、利用外源细胞器的数量优势，自然地随细胞分裂，带到不同的子代细胞中去。2、利用内部协调机制，进行繁殖，保持一个合适的比例。 

9       单细胞生物向多细胞生物的演化

1+1>2说的是一个集体力量大于个体力量的道理。实际上，是作为集体来说，拥有个体所不存在的一些性状特征。

通过分工协作可以极大地提高整体的效能，简化个体所需要执行任务的复杂性，减少不必要的浪费，从而提高整体的生存竞争能力。

这一步演化的关键在于协作机制的诞生：通过协作机制，协调和解决个体自私和整体生存的矛盾。

这个机制在真核生物的诞生过程中已经出现。通过协作，达到双方共赢的局面，也达到增强整体生存竞争能力的效果。 

 
多细胞生物存在两种形态：

9.1    群体单细胞生物

特点：由多个单细胞个体聚合而成的群体，但绝大多数群体内的单细胞个体具有相对独立性。如盘藻、空球藻、实球藻、团藻等。  

9.2    多细胞生物

通过协作，达到双方共赢的局面，也达到增强整体生存竞争能力的效果。这对多细胞生物来说也是一样：通过整体形成的相互影响的信息控制链条，使得不断分裂的细胞实现分化，获得特定的功能和性状。通过对整体形态的目标定义，调整各个细胞的分裂速度和剥离情形。 

协作机制主要包括：分化机制，互利机制，抑制机制。(相关文章应该存在，这里不再详细论述。)

多细胞生物必须解决从一个生殖细胞来产生整个生物的问题，来完成生物繁殖的任务。

9.2.1 多细胞生物繁殖的先天解决方案

 一种方式是先天解决方案：这就是生物发育过程中的分化机制，和固定形态机制，这些都是被非常精巧地进行控制的。

细胞的基因组通过细胞分泌的一些发育调节因子进行开启和封闭控制。是一个自己对自己的闭环控制，非常精妙，也非常复杂，这会带来较大的演化代价。但是这种方式可以保证比较精确地得到繁衍复制。

 

细胞通过分裂增生，逐步扩大细胞群的数量，在一定条件下，细胞开始分泌发育调节因子。开启和关闭一些基因组，指导细胞向不同的方向分化。通过生长激素的调节，控制生长形态，构成特定形状不同的部件。

 

9.2.1 多细胞生物繁殖的后天解决方案

另一种是后天结合，就是共生关系：通过共生一方提供特殊的环境为共生的另一方提供共生条件，人和阑尾、肠道中的益生菌，比如白蚁与鞭毛虫，地衣中的真菌和蓝藻/绿藻。独立繁殖，相互依存。因为他们是独立演化，各自的优点通过共生等关系互相补充，这样的演化代价相对会小一点。所以共生、共栖和寄生关系，在生物界非常普遍。他们通过相互结合补充，带来的是快速演化，但是这种方式存在的是繁殖和后代重新组建问题。

 

分化机制带来的细胞功能单一高效，同时不产生过多的浪费。当然会浪费一点遗传物质。分化机制主要是降低了了多源繁殖方式演化时的复杂度。共生机制，降低了遗传物质的浪费，避开了细胞分化、诱导、控制等的演化法复杂度，降低了功能演化上的复杂度，可以尽可能地利用演化得到的已有功能低代价地组合出具有更强竞争优势的物种出来。带来的是多源生物共同繁殖的问题，但可以用习俗偏好、甚至文化等方式进行解决。 

10  进一步的研究方向：

建立更加详细的远古世界的数字模型，通过进一步的理论分析，计算出各个机制出现所需要的时间，并与化石证据相互映证。

通过这里的分析得到一些结论，和实际的生物研究情况进一步进行对照和分析。