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现代生命起源研究认为，生命起源是宇宙物质演变的一个部分。它关系到宇宙、太阳系和地球以至整个物质世界所经历的 。生命起源只是宇宙演化的一个阶段，是宇宙演化在特定条件下的必然结果。早期的生命在38亿年前的地球上已经出现。但是，构成生命的化学元素（碳、氢、氧、氮等）的产生和演化则在地球和太阳系形成之初就开始了。所以对生命起源的认识应当追溯到宇宙演化的初期（图 2.1-1）。  有关地球上生命起源的问题，一直是人们感兴趣的话题，也是生命科学研究中重要的理论课题之一。根据对古生物化石的研究以及对现存生物进化痕迹分析和大量相关实验，现在对生命起源问题的研究已经进入到了实质性的阶段。 一、原始的地球和最早出现的生物 地球是地球生命赖以生存的天体。有关地球的起源问题至今只是一些猜测和假设，还没有确切的答案。自哥白尼提出日心说后的200多年间，针对对太阳系的形成和地球的起源先后出现了30多种假说，其中以德国哲学家·康德和法国科学家拉普拉斯提出的星云说最具代表性。该学说认为太阳系是由一个庞大的旋转着的原始星云形成的。原始星云是由气体和固体微粒组成，它在自身引力作用下不断收缩。幸运体中的大部分物质聚集成质量很大的原始太阳。与此同时，环绕在原始太阳周围的稀疏物质微粒旋转加快，向原始太阳的赤道面集中，密度逐渐增大，在物质微粒间相互碰撞和吸引的作用下渐渐形成团块，大团块再吸引小团块就形成了行星。地球就是这些行星之一。行星周围的物质按同样的过程形成了卫星。 地球从形成之时起，一直处于不断地发展演变之中。据放射性同位素测定，地球约诞生于46亿年前，其初期的演变已无迹可寻，只能借助天文学、地球物理、地球化学以及地质学等方面的研究来模拟重现。原始地球模拟如图2.1-2所示。  地球形成之处是由热的氢和氦以及一些固体尘埃聚合而成的内核和外部包围的一层气体构成的。此时的地球根本没有生命。随着地球逐渐收缩，温度也随之升高，氢和氦迅速进入到宇宙空间，地球开始由外往内慢慢冷却，产生了一层薄薄的硬壳——地壳，这时候地球内部还是呈现炽热的状态。地球内部喷出大量气体，通过火山活动喷射出地表，其中带有大量的水蒸气，这些水蒸气就形成了一圈包围在地球外围的原始大气层，其成分主要是CO2、CO、CH4、NH3、H2S等。地球距离太阳的位置不会太近而致使水蒸气被太阳蒸干，地球本身的大小又有足够的引力将大气层拉住，所以地球才会有得天独厚的大气环境，大气层中的饱和水蒸气冷却凝结成雨水，降落至地表下陷及低落处而形成了原始的海洋与河流。在原始海洋里积累了许多溶解到雨水中的大气以及地壳表层的一些物质，包括最原始的有机化合物，如CH4等，原始海洋就成了原始生命的诞生地。 从无生命物质到生命的转化是一个极为缓慢的过程，在太阳的紫外线、大气的点击雷鸣。地下的火山熔岩等作用下，原始大气中的CH4、NH3、H2O和H2转化成简单的有机物，如氨基酸、核苷酸、单糖、脂肪酸以及卟啉等，最终在海洋中产生了生命。 大约40亿年前，诞生了最早的生命——异氧细菌，它们主要依靠水中有机物进行无氧呼吸。当发展到35亿年前，产生了具有光合作用的原核生物，它们利用太阳能吸收矿质营养和CO2，放出氧气。原核生物对地球自然环境的发展产生了重大影响；原始大气成分发生改变，氧的含量增加；原始生物从嫌氧发展成喜氧，逐渐形成生物圈；有机体的发展增加了太阳能在地球表面的储存，改变了地球表层的组成和结构。 二、关于生命的一般概念 生物学家并不注重对生命概念或定义的研究，在生物学的辞典中很难找到“生命”这个条目。可能是很难对生命作出定义，也可能觉得并不需要。正如有一本哲学著作（Sterelng等，1999）中说：“生物学家并不需要一个生命定义来帮助他们识别他们所思考的东西是什么”。其实，对生命的概念或定义的一般认识还是有必要的，它能帮助我们理解研究的对象。 中国古代的哲学家（如王充、朱熹）都把生命归结于“气”，认为“气”的活动即生命现象，“气”一旦消失，生命随之告终。在欧洲从古希腊到18世纪盛行“生机论”（Vitalism）也称“活力论”，认为生物与非生物的区别在于生物体内有一种特殊的生命“活力”，它控制和规定生物体的全部活动。近代甚为流行的是一种“机械论”（mechanistic philosophy）的生命观，这种观点把生命看成是结构非常复杂的机器，并认为它不同于一般的机械，而是由许多机器彼此借皮带和传动杆联结起来而形成一个体系。例如法国哲学家苗卡尔（R.Dwscartes）说，动物是架机器。 现代科学产生以后，试图从生物体的形态特征上归纳出生命的定义。这种一般的特征包括新陈代谢、生长发育、繁殖和对外界刺激的反应等等。后来随着分子生物学的兴起，又从微观和宏观的结合上寻求生命的定义，认为生命是由核酸和蛋白质组成的、具有新陈代谢和自我复制能力并与外界环境不断进行物质和能量交换的多分子体系。目前对生命还没有一个公认的定义。 不同的科学对生命有不同的理解。在生物物理学上把耗散结构与生命结合起来，这对我们进一步认识生命和生物进化应当是有启发的。所谓耗散结构（dissipative structure）是指在宏观世界中除通常处于平衡状态下的稳定有序结构（如晶体、金属）外的远离平衡条件下的另一种稳定有序结构。在热力学第二定律中，任何自发过程总是朝着使体系混乱即无秩序的方向发展。若用熵（entropy）来表示这一混乱程度，则上述定律可表述为：任何自发过程总是朝着熵增加的方向变化。但对生命物质来说，其演化过程恰好与上述情况相反。从个体发育来说，一个比较简单的受精卵逐渐成为一个成熟的比较复杂的个体；从系统发育来说，生物由比较简单、低等的类型逐渐发展成比较复杂、高等的类型，也就是说，凡是正常的生物体都有一个向着有序逐渐递增的方向发展的趋势。生命物质所以能保持这种有序状态，因为它是一个开放系统。生命体与外界不但有物质交换，还要能量交换。生命体从外界取得了食物形式的物质，又把废物排除出体外；它从环境中取得了能量又重新把能量释放出去。这一过程使生物维持了自身的有序状态。也就是说，生命体实际上是从环境中取得以食物形式存在的低熵状态的物质和能量，把它们转化成为高熵状态后排除体外，从而保持自身的熵处于比环境较低的水平。正如理论物理学家薛定谔（E.Schrodinger）在《生命是什么》（1944年）一书中所说，“一个生命有机体在不断地增加它的熵——你或者可以说是增加正熵——并趋于接近最大值的熵的危险状态，那就是死亡。要摆脱死亡，也就是说要活着，唯一的办法就是从环境里不断的吸取负熵，我们马上就会明白负熵是十分积极的东西。有机体就是赖负熵为生的。或者，更确切地说，新陈代谢中的本质的东西，乃是使有机体成功地消除了当它自身活着的时候不得不产生的全部的熵”。生命物质作为一种开放系统就在于它是一种耗散结构。这种结构内的物质粒子处在较大范围的活动中，它们不断地流入和流出这个体系，物种和能量不断地消耗（消散）。耗散过程是不可逆的。生物体也是有在与外界交换中才能维持这种结构的存在。而平衡结构体系内的每一粒子都有一定的位置，它们只能在很小的范围内活动，粒子间有一定的空间关系。若无外界干扰，他们会永远保持这种关系。同时，他们的能量也是守恒的，不与外界交换。当然，认为生命是一种耗散结构并不等于说所有耗散结构都具有生命现象。但是，上述见解无疑使我们对生命的认识更为深入、全面。 关于生物进化是否与上述见解相符，有人（朱敏和周明镇，1993）认为，根据Brooks-Wiley理论，“生物进化是熵增加的过程”。薛定谔虽然说明了有序性的源泉，但未触及生物进化的“时间之矢”。但是也有人（阎锡海，1977）持不同观点，认为生物进化实际上是生命系统中熵不断减少的过程，因为生命是一个开放系统。生物在进化过程中同样要与环境发生物质与能量交换。只是它不是从环境中简单地吸取负熵。“而是通过自身的遗传变异（主要是基因突变）产生正熵和负熵，通过自然选择，通常消除正熵，保留负熵，是系统的负熵不断地增加。”用公式可以表示为：  其中ds指整个系统中熵的变化。 三、生命起源的若干条件 根据多门学科和宇宙考察的资料，生命起源的条件大体如下： 1．原始大气 原始大气应当是还原性。在当时情况下也只有还原的条件才能合成。原始大气的形成与火山除气（degassing）有关。我们知道，原始地球在某个时期曾经是一个炽热的球体，它处于熔融状态。在原始地球发展过程中，由于重力的关系，一些重物质沉向地球深部形成地核和地幔，一些较轻的物质则浮于地球表层形成地壳。但是，最初形成的地壳较为薄弱，内部温度仍然很高，因此火山活动十分频繁。地球内部由物质分解产生出大量的气体。这些气体随着火山活动而被驱散到地球外面，形成原始大气的一部分。目前地质学和地球物理学的研究还不能确切说出原始大气的成分，但据多数学者推测，原始大气成分有二氧化碳（CO2）、氮（N2）、氨（NH3）、一氧化碳（CO）、甲烷（CH4）、水蒸气（H2O）、硫化氢（H2S）、氰化氢（HCN）以及少量的氢（H2），当时的氧是以氧化物的形式存在的，空气中没有游离氧。还原性大气大都以化合物的形式存在，相对分子质量大，运动也较慢，在当时的情况下，大气中的各种成分一般不易消失。此后，地球表层温度逐渐下降，水蒸气凝结成雨，降落到地表的低凹处，便成了原始的湖泊和海洋。 2．能源 一般认为，在原始地球上可利用的能源主要有以下几种： （1）热能 在原始地球形成的最初时期，也即在地球的凝聚过程中，原始太阳系仍充满着星际尘埃，太阳能无法射到地球上，化学反应主要依靠由地球凝聚和气体逸散所释放的巨大能量。 （2）太阳能 在原始地球形成后，太阳系内的尘埃逐渐消失。因此大量的紫外光、可见光、电子、质子和X射线参与化学演化的全过程，太阳能被认为是地球的最大能源。一般认为，低于200～180nm的紫外光很容易被CH4、CH3和H2O这样的化合物吸收，紫外光对生命的化学进程起了重大的影响。 （3）放电 现在知道，在火山活动的过程中，当高温气体被喷射到高空时，可使该地区发生雷电和火花放电。雷电的电流是20000A，这种高电流会产生局部高温，从而能放射紫外线，产生冲击波。也就是说，放电（从定性的角度上来看）可以认为是电流、高温和紫外线的混合能源。但是从其作用讲，电流有比紫外线、热能等更优越的地方。一是电能发生的部位可在大气最下层，即地表附近，这样可把生成物直接运进海洋；二是电能发放的过程，极容易使CH4、CH3和N2合成氰化氢（HCN），但用紫外光却所得甚微。而在生命的化学演化中，HCN起着重要的作用。不少人（如米勒等）认为，放电也是化学演化中重要的，甚至是由此产生的更直接能源。 此外，宇宙射线、放射线、陨石冲击的能量等均可促进化学进化。这些能源的可用能如表2.1-1所示。 表2.1-1 现今地球上能源的平均数值（自Miller和Orgel）
3．原始海洋 原始海洋同原始大气一起，是由地球内部产生的。在原始地球初期的5亿年中，水量大约只是现在的10%，地下结合水以蒸汽态随地球内部的气体喷射，慢慢地被搬运出来，地上的水量才逐渐有所增加。在这一过程中，一方面由于地壳的不断变动，有些地方隆起形成高原和山峰，有些地方则收缩下陷而成为低地和山谷。另一方面由于火山喷发排除高温气体，而释放出大量热量，使地表温度逐渐降低。当温度降至100℃以下时，地球上的水蒸气从气态转化为液态，并在一定条件下（如寒流袭击、雷电等）形成雨水，经过长期的积累才出现原始海洋。 液态水的出现是生命化学演化中的重要转折点。现在已经清楚，具有高度反应活性的分子虽然在气相中生成，但它们却在水溶液中发生化学反应，因为所有生命物质都涉及液相。因此，一旦雨水把大气中一些生成物降于原始海洋后，原始海洋就成了生命化学演化的中心。 四、生命化学演化学说 关于生命的起源，古代就有很多假说，如神创论、宇生论、自生论等。其中比较盛行的就是自生论，这样学说认为生命能从非生命物质中自然产生。19世纪60年代，法国微生物学家巴斯德（Louis Pasteur）通过精确的“鹅颈瓶”实验，真正证明了生命不能自己产生，但是仍然不能回答“最早的生命是从哪里来的”这一关键问题。 现在普遍认为原始生命的起源与发展需要经过化学演化和生物进化两个阶段，从而生命起源的最早阶段是化学演化阶段。生命的化学演化学说的提出开始于20世纪20年代。它认为最初的原始生命是由地球上非生命物质通过化学作用，逐步从简单物质进化到复杂物质，进而形成原始生命。化学演化过程可分成以下几个主要阶段： 1．从无机小分子到有机小分子 原始大气中主要是CO2、CO、CH4、NH3、H2、H2S以及气态的H2O等还原性的气体，没有游离的O2。它们在强烈的紫外线作用下，不断合成氨基酸、核苷酸和糖类等有机物质。1953年，美国科学家米勒（S.L.Miller/Stanley Miller）在导师尤里（H.Urey）的指导下。设计了一个实验，模拟在原始还原性大气条件下氨基酸产生的过程，并成功的弄清最古老地球上发生的化学反应。米勒等人设计的实验装置如图2.1-3所示。它们首先把200mL水加入到500mL的烧瓶中，抽出空气，然后模拟原始大气成分通入CH4、NH3、H2等混合气体。将入口玻璃管熔化封闭，然后把烧瓶底部的水加热煮沸，迫使水蒸气在整个装置内循环（箭头所示）。烧瓶上部含有甲烷（CH4）、氨（NH3）、氢（H2）和循环的水蒸气组合的“大气”在玻璃管内流动，进入容积为5L的烧瓶中，并在其中连续进行火花放电7d，模拟原始地球条件下的闪电现象，将这些气体暴露在连续放电（闪电）之下，使气体相互作用。然后，这些反应的水溶性产物再经冷凝器冷却后，产生的物质沉积在U形管中，结果得到20种小分子有机化合物，其中有11种氨基酸。此实验从无机物中制造出的这11种氨基酸，有4种氨基酸——甘氨酸、丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸是生物体内蛋白质所含有的。1957年，在地球生命起源研究的国际会议上，米勒发表了他的这项实验结果，引起了各方面的极大重视，并认为他的模拟实验工作开创了生命起源研究的新途径。继米勒的工作后，不少学着重复或仿效米勒实验，例如，他们考虑到原始地球能源的多样性，实验时选择利用多种能源（如火花放电、紫外线、冲击波、丙种射线、电子束或加热等），或变换了还原性大气的个别组分，其结果均先后合成了各种氨基酸，以及组成生物高分子的其他重要原料，如嘌呤、嘧啶、核糖、脱氧核糖、核苷、核苷酸、脂肪酸等。相反，氧化性混合气体实验时却得不出上述结果。这就进一步证实了原始大气的性质。由此可以看出：在原始地球条件下，原始大气成分在一定能量的作用下，完全可以完成从无机物向简单有机物的转化。现在，天然蛋白质中所含的20种氨基酸，几乎全都可以合成。  2．从有机小分子到生物大分子 氨基酸和核苷酸等有机小分子形成后，自然界化学演化仍在继续进行着。原始地球的火山和放射性物质放出大量热能，使原始地球普遍存在于高于水沸点的环境中，这极大地促进了有机小分子聚合成蛋白质和核酸等生物大分子，而生命的物质基础就是蛋白质和核酸。 美国科学家福克斯（F.Fox/S.W.Fox）的模拟实验很好地验证了这一点。微球体学说是由福克斯所提出。1955年福克斯等将各种氨基酸混合在一起，在无水条件下，加热到150～170℃∕140～180℃，经过数小时（1～2h）后就生成一些相对分子质量为3000～20000的具蛋白特性的物质，福克斯称之为类蛋白（类蛋白质）。我国科学家与1965年9月7日在世界上首次人工合成结晶牛胰岛素，开创了人工合成蛋白质的新纪元，这也在一定程度上证明了蛋白质可以由非生命的物质合成。 3．多分子体系的建立和原始生命的诞生 单独的蛋白质、核酸等生物大分子还不是生命，它们必须精巧地组合成高度有序的独立多分子体系，才能表现出新陈代谢、生长、繁殖、复制等生命现象。关于蛋白质和核酸怎样形成多分子体系有两种学说。一种是前苏联化学家奥巴林（А.И.Опарин）提出的团聚体学说。奥巴林在《地球上生命的起源》（1924）一书中，吸取了恩格斯关于“生命的起源必然是通过化学的途径实现的”思想，提出了生命起源的“化学起源说”，并在他人工作的基础上对有机大分子的胶体凝集现象进行研究。他认为，原始海洋中有机大分子浓缩成为团聚体，是非生命物质向生命物质过渡的一种重要形式。从20世纪50年代末起，奥巴林等用多种生物大分子，如明胶、阿拉伯胶等各种蛋白质以及核酸、多糖、多肽和多核苷酸溶液等放在一定的温度和酸碱度条件下，能形成各种类型有代谢现象的团聚体。它们的实验表明，团聚体具有吸收、合成、分解、生长、生殖等类似生命的现象。据此，奥巴林认为团聚体的形成过程是最早的多分子体系形成过程。另一种则是福克斯提出的微球体学说，他认为干热聚合的类蛋白被雨水冲入原始海洋，会聚结成大小一致直径约1～2μm的微球体，微球体有双层结构的外膜，从而和水分开，并有新陈代谢现象，能出芽繁殖。1960年，福克斯把酸性类蛋白放到稀薄的盐溶液中冷却，或将类蛋白水溶液的温度降低到0℃左右，便出现福克斯称之为的类蛋白微球体。在显微镜下观察微球体，会见到大量直径为0.5～3μm的球状小体，有双层膜，很似细菌。微球体小球并没有生命，但它表现出类似细菌的某些特性，如有膜、能收缩、有群聚倾向、可染色、能分裂和出芽。分裂是1个变2个或彼此连成一串。由于类蛋白微球体比较稳定，同时又是在模拟原始地球的条件下由非酶促合成的类蛋白所产生。当时以为它是一种比较理想的多分子体系或原始细胞模型。但是，早期的微球体模型中没有核酸的成分，蛋白质和核酸如何组合更不清楚。 4．从多分子体系演变成原始生命 多分子体系形成后出现了生命特征，如能够进行不断地自我更新、自我繁殖和自我调节，原始生命即告诞生。最初的原始生命是非细胞形态，经过漫长的历史演变，逐渐发展成为具有细胞形态的原核生物，进而再进化产生真核生物，由真核单细胞进化到真核多细胞。 五、现阶段生命起源研究 现阶段的研究在内容上以核酸和蛋白质为中心，区别于早期以蛋白质为中心的探讨；在生命起源的地点上，除了海上和陆地外还有深海海底。 1．“RNA世界”论 所谓RNA世界，指的是在生命起源早期起关键作用的，不是蛋白质，也不是DNA，而是具有自我催化功能的RNA。RNA世界是相对于现今的受中心法则控制的DNA世界而言的。 20世纪60年代后期，随着分子遗传学的兴起，人们认识到生命体的两种基本物质中，核酸是遗传信息分子，蛋白质是执行功能分子，蛋白质的合成需要核酸作为模板，而核酸又只有在酶（蛋白质）的催化下才能产生。这样便出现了一个前生命化学进化中先有核酸还是先有蛋白质的“蛋鸡悖论”。于是，奥格尔（L.E.Orgel）、沃伊塞（C.R.Woese）、克里克（F.Crick）便把目光指向能自我催化的RNA即核酶（ribozyme）。因为在生物大分子中惟独RNA才具有遗传信息和执行功能的双重性质。据此，吉尔伯特（W.Gilnert，1986）提出了原始生命可能以RNA为主角的“RNA世界”论。 尽管DNA是现代生物遗传信息的主要贮存库，但是学着们认为RNA作为遗传系统的先行作用 超过了DNA。因为RNA的核苷酸比DNA中的脱氧核苷酸容易合成。而且，也能想象得到DNA可能是从RNA进化来的，前者比RNA更稳定。同时，在没有核酸的条件下又无法复制蛋白质。 RNA具有催化功能的发现来之不易，它是经过奥尔特曼（S.Altman）和切赫（T.R.Cech）各自独立地精心研究才证实的。为此他们两人“因为发现核糖核酸（RNA）具有催化的功能”而成为1989年诺贝尔奖得主。早在20世纪70年代奥威特曼就开始研究转移RNA前体及其剪接加工过程。1978年发现细菌核糖核酸酶P由RNA和蛋白质组成，而且其中RNA在酶的催化反应中不可缺少。1982年切赫在研究四膜虫rRNA的剪接加工时，发现四膜虫rRNA前体所含的一段插入序列（由413个核苷酸残基组成）依靠其特殊结构能自我剪接形成成熟的rRNA。整个反应由RNA自身催化完成，并不需要任何蛋白质（酶）参与，体现了核酶的催化功能。此后，他又对蛋白质和RNA的高级结构进行比较，从理论上证明RNA能够达到生物催化剂所必须的结构多样性的要求。1986年又证明rRNA插入序列不仅有催化rRNA前体的自我剪接反应，而且还具有核苷酸转移酶、磷酸二酯酶、RNA限制内切酶、磷酸转移酶等多种活性。 由于RNA催化作用的发现，自然联想到古老的RNA也可能具有催化功能。如果这一判断成立，那么它在远古地球上是最早出现的还是后继产生的呢？如果是后继产生的，它的前身又是什么呢？有关资料表明，在原始地球上RNA也许不是最早的自我复制分子，在它以前还有一个结构更简单的甚至是无机物的复制系统。举例来说，现存生物体内的核糖或脱氧核糖都属于D构型。但是有实验显示核酸在模板链上合成时，若参与合成的核苷酸中的核酸有D和L两种构型，则合成会因此而终止。但在原始地球上等量的D型和L型的核苷酸或许早已存在。由此看来，古老的RNA产生以前，单体分子的构型已被筛选过了。据J·P·弗里斯发现，有一种普遍的黏土矿物蒙脱石可催化RNA寡核苷酸的合成功能，为催化剂。这样便开始了最初的RNA复制（图2.1-4）。当然，这一工作还需要进一步证实。奥格尔认为，寻找古老RNA的先驱将是未来研究的主要任务。  随着RNA的出现，它将引发蛋白质与DNA的形成。蛋白质的数量和种类将不断增加，并逐渐担负起此前一直由RNA担负的催化功能。RNA也通过新合成的反转录酶逐渐将遗传基因所具有的信息转让给结构稳定的DNA。这样，就形成了DNA、RNA和蛋白质三者共存的生命世界。据此，作为生命起源研究要解决的中心问题，即核酸和蛋白质相互依赖的系统已初步阐明。 2．磷酰化氨基酸起源说 我国有机磷化学家赵玉芬院士通过对N―磷酰化氧基酸及其肽衍生物的研究，发现这些生成物具有磷上酯交换、磷酰基转位以及自身长大等现象。针对以磷酰基为中心的有机协同效应在核酸、蛋白和糖的生化过程中所起的作用，她提出了“磷是生命化学过程的调控中心”的重要论断，开辟了生命起源研究的新思路。1994年，赵玉芬和曹培生发表了“磷酰化氨基酸―核酸与蛋白质的共同起源”的论文，1996年7月在法国召开的第11届国际生命起源大会上，他们有一次发表“生命化学进化的基本模型”一文，全面阐述了这一新的学说。 （1）两个五生命的物质磷和氨基酸结合次年工程磷酰化氨基酸。磷酰化氨基酸是核酸最小单位和蛋白质最小单元的结合体。也就是说，它是生命的最小单位。为此，赵玉芬和曹培生提出“磷酰化氨基酸生成核酸和蛋白质”的化学模型（1994）。 关于磷的来源问题，由于原始地壳已不复存在，但在现有的陨石和月岩中发现有丰富的磷化物，可由此推测地球早期阶段磷的存在形式。 （2）当磷酰化氨基酸与核苷结合时，磷酸和核苷配成核苷，释放出氨基酸；当磷酰化氨基酸与氨基酸结合时形成肽，释放出磷酸。装配核苷酸释放出来的氨基酸又与成肽反应释放出来的磷酸结合，如此不断积累，所形成的核苷酸链和肽链越趋增长，相对分子质量也越来越大，最终形成核酸和蛋白。这便是核酸与蛋白质共同起源与进化的机制。赵玉芬、曹培生将此称之为动力学模型（图2.1-5）。  （3）在磷酸化氨基酸的成核苷酸和成肽的反应体系内，形成了以磷为调控中心的磷酸、氨基酸和糖三者之间特定的相互关系。曹培生就此提出了一个阐明生物分子自装配系统特性的数学模型，即  此模型既反映了生物分子的组成关系，有表达了磷酸（p）、氨基酸（aa）与糖（ch）三者之间的进化关系。当f（p）i，f（ch）j，f（aa）k有小变大时，则物质结构越趋复杂，有机分子由简单到复杂。这样，赵玉芬、曹培生便阐明了磷酰化氨基酸为什么能够成为核酸与蛋白共同起源的原因，解决了生命起源中的一个难题。 六、遗传密码的起源与进化 遗传密码是自然界最伟大的创造之一，关于它的起源问题是目前生命起源研究领域里的热点。人们渴望知道，在地球生命起源的长河里，由4类碱基组成的三联体密码子究竟是如何能够编码20种氨基酸的？ 1、遗传密码起源的假说 在遗传密码全部被破译后，关于遗传密码的起源问题在生物学界主要有两派观点争鸣。一是沃伊塞等人在1966提出的氨基酸与其编码的密码子之间有明显的相关性。例如，第2碱基为C的密码子，它的编码氨基酸都是嫌水性的（丝氨酸，脯氨酸，苏氨酸，丙氨酸），而为A的密码子，则包含仅有的2个为酸性氨基酸（天冬氨酸和谷氨酸）；在组成密码子的3个碱基中，第1位碱基的作用略次于第2碱基；第3碱基的影响最小。它的改变，编码氨基酸或不变，或极性相近。根据这些特性，他们推测在密码子起源之初，以三聚体第2位碱基与决定氨基酸特性的侧链的立体化学结构和为基础，形成密码子与氨基酸的直接配对。 沃伊塞的假说一公开，就立即遭到DNA双螺旋发现者之一的克里克（F.H.C.Crick）的批评。他在1968年提出了冻结偶然性假说，认为密码子的起源是由于tRNA分子上反密码子与其识别的特定氨基酸能够偶然对应，而后在进化过程中被冻结下来这样被冻结下来的对应关系一旦建立就永远保持不变。 在以后的近4年里，陆续有一些学着在如上两个假说的基础上又提出了一些新的理论，影响较大的有伍格（J.Wong，1975）提出的，朱利奥（M.D.Giulio，1998）加以发展的氨基酸―密码子共进化论；艾根（M.Eigen，1981）的试管选择理论；奥格尔（L.E.Orgel，1989）的解码机理起源理论等，形成了众说纷纭、莫衷一是的局面。肖敬平（2002）综合了前人关于遗传密码起源的不同观点，将原始密码子的起源划分成3个阶段里所发生的相应重大事件分别是：氨基酸―寡核苷酸对接体的形成、原始tRNA分子的起源、原始密码子链与有序肽同步起源期。 2．遗传密码起源的阶段 （1）氨基酸―寡核苷酸对接体的形成 如按照沃伊塞关于氨基酸的侧链同密码子第2位碱基相结合的设想，不去追求同三碱基现代密码子全面配对，而是设想氨基酸只同某种寡核苷酸5′端的第1、2位碱基对接，形成某种“对接体”，这可能就是原密码子（反密码子）起源的物理基础：  n表示核苷，n1，n2既可能是原密码子5′端的二核苷，也可能是反密码子3′端的二核苷。这种模式有2个有力的依据：1983年，莱西（J.C.Lacey）等人曾发现氨基酸侧链同其反密码子3′端的二核苷，其极性和疏水性在统计上有显著的相关。1995年，庞南佩鲁马（C.Ponnamperuma）等人实验室的试验结果提供了更为直接的证据。他们将氨基酸同核苷酸单体或二核苷酸之间存在着显著的、可重复的结合，而且二核苷酸的结合强度远较单体为高。重要的是，正确连接的几何体必须是3′―5′连接。 （2）原始tRNA分子的起源 持进化观点的学着，大都强调原始tRNA分子在遗传密码的起源上起着关键作用。在艾根（1981）的研究中曾发现，在试管系统里，没有任何酶和模板的参与，仅仅依靠Zn2+的催化，核苷酸单体就能聚合成寡核苷酸，并通过彼此互为模板的复制、扩散，最终在不同条件的继代培养下，优选出不同的±RNA克隆，然后形成RNA分子的准种群。这个试验系统也因此被称为“试管选择理论”。他们推测，原始RNA分子链内的碱基配对形成的臂，和非配对顺序形成的环，构成平面的发夹结构，然后再进一步折叠成三维结构的立体RNA分子。这样，就逃避了迅速被水解的厄运，形成比较稳定的结构，其中就包含着tRNA前体分子（和它们的模板）。 在生命起源前期，tRNA前体分子是偶然出现在艾根推测的三维结构RNA分子群体中的。与众不同的是，它们还另具有两个特点：①在有催化的条件下，具有同特定氨基酸相结合，并进行氨酰反应的能力；②在它的环状结构上有一个恰当位置，可与三核苷酸配对。这两个特点一般是彼此独立的，并不存在专一的对应关系。然而，重要的是，在其中少数分子上，这两个特点“偶然”存在着同对接体上“氨基酸―二核苷”相一致对应关系。这样，随机分布在RNA分子中的tRNA前体分子，就被相关的对接体通过碱基配对和相继的氨酰反应所“钩出”，形成了某种嵌合体形式的“氨基酸―tRNA―寡核苷酸”复合体（图2.1-6）。在这里，对接体上的寡核苷酸起到了类似氨酰―tRNA合成酶的作用。通过这种嵌合作用，“氨基酸―二核苷”的配对关系便从对接体转到了tRNA前体分子的结构上，变成了信息对应关系（为了叙述上的方便，可将对接体上的二核苷看作是原密码核苷）。于是，遗传密码子的起源使迈出了最关键的一步：识别专一氨基酸和原密码的原始tRNA分子及其模板出现了。由于同寡核苷酸配对的环上只有接纳3核苷酸的位置，多出1个也会被水解掉，这3个与原始tRNA通过碱基配对的核苷酸即成为与特定氨基酸对应的3联体原密码子。在以后的进化历程中，这种关系被“冻结”下来。  （3）原始密码子链与有序肽同步起源期 在1975年，伍格在分析了遗传密码表后，认为密码子是氨基酸进化的印记。如果将每相差一个碱基的密码子串联起来，就构成由生物合成前体氨基酸，逐步进化为产物氨基酸的路线图。例如：Gly（GGU）→Ala（GCU）→Asp（GAU）→Asn（AAU）。前一氨基酸均为后一氨基酸的前体，而密码子之间只有一个碱基只差。据此，他认为二者是以tRNA为依托而共同进化的。 奥格尔（1989）在探索密码机理的起源时，提出一个双原密码子与有序二肽同步起源的模型（图2.1-7A）。他设想两个负载着氨基酸的原始tRNA分子先并联，对部位的构型，决定它们只能按“3中读2”的方式，同RNA链上碱基配对。这样，两个相邻的原密码子，同时也是最简单的阅读框，便同有序二肽同步起源了。此时，两个并联的原始tRNA分子扮演了催化肽键形成的核酶角色。  然而，从迄今所进行过的有关试验表明，在模拟的原始条件下从未能合成过足够长的，能编码有序肽的RNA链。因此，肖敬平推测，此前还应存在一个密码RNA的起源机理。其实，奥格尔的模式里已经隐含着这个机理的起源线索。只要将图2.1-7A中并联的分子，换成前一阶段形成的RNA复合体（“氨基酸―tRNA―寡核苷酸”复合体），就自然形成了一个编码机理起源的构象（图2.1-7B）。在此，并联的tRNA分子不仅催化肽键的形成，还同时扮演了催化核苷酸聚合的双重聚合酶角色。于是，原始tRNA便现具有编码器的功能，催化原密码子RNA链（mRNA链）与有序肽同步起源，而后在执行解码器的任务。 3．遗传密码进化的方向 原始tRNA在最初执行解码器任务时，在开始时可能是不精确和容易产生错误的，以后的进化是从不精确到精确、从容许错误到减少错误的方向进行。这一点在现代分子遗传学的研究中，还可以找到某些可资证明的线索。早在1964年，尼雷伯格（M.W.Nirenberg）在三联体结合试验中就曾发现，一种tRNA能识别不只（止）一种密码子。因此1966年克里克提出了摆动假说。他认为tRNA反密码子与相应密码子第三位碱基的配对，在某种程度上是不精确的。但是，在进化过程中，由于具不同第三位碱基的密码子简并为同义密码，就可使tRNA在识别相应密码子时发生的摆动，不致引起多肽链中氨基酸的更换。这就是密码子从容许错误向减少错误、从不精确到精确的一种进化。 在蛋白质合成试验中，已知密码子中的第一位碱基也是容易读错的。但如果按照沃伊塞把氨基酸分为功能氨基酸和非功能氨基酸两类，那些R侧链上具有极性基团的氨基酸，如酪氨酸（Tyr）、组氨酸（His）、赖氨酸（Lys）、谷氨酸（Glu）等属功能氨基酸，那些不具极性基团的氨基酸，如苯丙氨酸（Phe）、丙氨酸（Ala）、亮氨酸（Leu）、异亮氨酸（Ile）等属非功能氨基酸。那么，只要密码的进化能使密码子第一位碱基读错的情况下，也能由同类氨基酸所代替，转译的结果也就不致于影响蛋白质的功能。例如UUU是苯丙氨酸的密码子，如果第一位碱基错读成CUU、AUU或GUU，则相应于苯丙氨酸的位置会出现亮氨酸、异亮氨酸或缬氨酸，它们都属于非功能氨基酸。这也是密码进化从容许错误到减少错误的一种方式。 4．遗传密码数量演变的过程 美国生化基础研究所的戴霍夫（M.O.Dayhoff）等，根据200多种tRNA核苷酸顺序分析的资料，应用电子计算机统计学程序，研究了这些tRNA的系统进化。他们发现不同生物的同一种tRNA是由共同的祖先RNA分子分支演化而来的；而同种生物体内的不同中tRNA，则找不出这种系统进化的关系。例如他们比较了10多种生物包括不同细胞器中用于转移起始的甲酰胺酸tRNA，也都可以得到类似的结果，并各自推算出它们祖先分子的可能序列。戴霍夫综合研究了所得各种tRNA祖先分子的核苷酸序列，发现所有tRNA祖先分子C、G的含量远远超过A、U的含量。在每个tRNA祖先分子的近70个核苷酸中，C、G的含量约占2/3以上，随着生物的进化，A、U的含量才逐渐增加。其中，线粒体tRNA中A、U的增加尤其显著。 戴霍夫在研究tRNA祖先分子的基础上，结合前人的研究，提出了三体密码进化过程的假说。戴霍夫认为在tRNA祖先分子中C和G的含量远远超过A和U，最原始的三体密码大概是GNC三体密码。第一位碱基G和第三位碱基C决定转译的方向，第二位碱基N代表G、C、A、U中任一碱基，分别决定4种氨基酸。按照现代生物的密码字典，GGC、GCC、GAC、GUC4种密码分别指配甘氨酸（Gly）、丙氨酸（Ala）、天冬氨酸（Asn）和缬氨酸（Val）。这4中氨基酸是蛋白质分子中最常见、含量最多的氨基酸，也是米勒模拟早期地球条件用H2O、H2、NH3、CH4混合气体最早合成的几种氨基酸。大概在地球早期的化学进化中，最初的氨基酸不过是这几种，最初的蛋白质也只是由这几种氨基酸组成，因此有这4种三体密码就足以指配原始蛋白质的合成。而且密码子和反密码子中的第一位碱基G和第三位碱基C共同控制转移的方向，当信息RNA正链复制为它的互补链时，同样可以按3′―5′的方向使用同样的GNC密码，并不改变蛋白质中氨基酸的顺序和组成。这样的三体密码，在原始生命体系中，看来是相当合理和相当有利的。 戴霍夫认为，随着地球上早期化学进化过程中氨基酸种类的增加，三体密码的种类也随着扩展。第一次扩展是由GNC扩展为GNY，Y代表C或U两种嘧啶〔表2.1-2（2）〕。这是由于祖先tRNA的GNC反密码子在转移过程中跟密码子配对时的摆动，它的第一位碱基G可以跟密码子第三位碱基C配对，有时也可跟U配对，因此信息RNA上的密码子GNC便有可能扩展为GNY。按照现代三体密码字典，密码子的这种扩展仍然只指配4中氨基酸参加蛋白质的合成，并不会改变蛋白质中氨基酸的序列和组成。因此这种扩展只是增加了信息RNA的突变可能性，并不改变它原先的功能。 表2.1-2 三体遗传密码的进化
三体遗传密码的第二次扩展是由GNY扩展为RNY，R代表G或A两种嘌呤［表2.1-2（3）］。这是由于信息RNA正链上的密码子扩展为GNY以后，它的互补负链上的密码子就必然相应地扩展为RNY。在这期间，如果tRNA祖先分子通过突变选择逐步扩大了种类，反密码子也逐步扩大为RNY，那么按照现代三体密码字典，密码和反密码的这种扩展和相互配对，转译的蛋白质便可相应地包含8种氨基酸。这时，密码和反密码中的第一位和第三位碱基不仅控制着转译的方向，而且第一位碱基还跟第二位碱基共同参与氨基酸种类的决定。这次扩展，增加了原始生命体系中蛋白质的多样性，并且仍然保持原先GNY密码的本来意义，因此也是有利而无害的。 三体密码的第三次扩展是由RNY扩展为RNN［表2.1-2（4）］，这是由于tRNA祖先分子扩大了种类，反密码子也已相应地扩展为RNY，它们的第一位嘌呤碱基R在转移配对时摆动，不仅跟密码子第三位嘧啶碱基Y配对，有时也可跟嘌呤碱基R配对，因此信息RNA上的密码子便有可能扩展为RNN。按照现代三体密码字典，密码子的这种扩展，能指配13种氨基酸参与蛋白质的合成。而且出现了起始密码AUG，可以指令甲酰甲硫氨酸作为蛋白质合成中多肽链的开端。这时，反密码子和密码子的所有三位碱基都程度不同地参与氨基酸的决定，既保留了原先RNY的意义，又增加了密码的数量，从而增加了蛋白质的多样性。与此同时，由于起始密码的出现，一个信息RNA就可包括不止一个基因，这对于信息RNA的进一步复杂化显然是有利的。 三体密码最后一次扩展是由RNN扩展为NNN，如表2.1-2（5）所示。与第二、三次扩展一样，这次扩展一方面由于信息RNA密码子的扩展，对tRNA祖先分子的突变扩大了选择范围；另一方面，tRNA祖先分子种类的增加和反密码子的扩展，又对信息RNA密码的扩展提供了可能。它们互相促进，终于逐步发展为NNN密码，也就是现在生物所共有的三体密码。这次扩展，使参与蛋白质合成的氨基酸增加到20种，那些具不同侧链基团的氨基酸，例如具苯环的苯丙氨酸、具苯环和酚基的酪氨酸、具巯（qiu）基的半胱氨酸、具吲哚基的色氨酸、具胍（gua）基的精氨酸、具咪唑基的组氨酸以及具吡咯烷结构的脯氨酸都是在这次扩展中逐步参与蛋白质合成的，从而大大地增加了生命系统中蛋白质结构和功能的多样性。与此同时，这次扩展还出现了3个无义密码，担当了肽链合成中的终止信号，这对于信息RNA的进一步复杂化，一个信息RNA可以包含几个基因也是完全必要的。 以上就是戴霍夫提出的密码进化的假说。戴霍夫认为密码是按照GNC→GNY→RNY→RNN→NNN的路线进化的。这种假说认为密码进化的一开始就是三体密码。目前该假说被认为是最合理的假说，正受到各方面的关注并引起极大的研究兴趣。相信不久的将来，必将有更多的研究成果，使它日臻完善。 七、生命起源研究中的其他问题 1．地球外是否存在生命 常有人问：在地球以外的茫茫宇宙中是否存在生命？要回答这个问题，首先要明白什么地方可能存在生命？生命只可能在行星上，因为恒星太热。约20多年前才发现太阳系以外的很多恒星都有行星。但是到目前为止已经发现的行星上都不适合生命的存在。在太阳系中离地球最近的是月球。那里大气极其稀薄，没有氧也没有水。白天温度高达127℃，晚上降至零下180℃.科学测定未发现任何生命存在。尽管火星、金星上曾经有类似存在生命的某些条件（如火星上发现有水的痕迹），但后来又消失了（图2.1-8）。由于宇宙间行星数量极其巨大，应当说适合生命起源的星球是存在的。  如果具备适合生命存在的条件，要产生最简单的生命形态似乎不太困难。宇宙中分布着很多生命起源所需要的分子，如嘌呤、嘧啶、氨基酸。通过实验，在模拟原始大气等条件下，也可产生复杂的有机分子。在自然条件下，如果这种演化能够成功的话，有可能产生出类似细菌样的生命。 2．关于生命起源的地点问题 到目前为止有3中假说： （1）陆相起源论 认为由有机小分子聚合成大分子的反应，是在火山附近局部地区的高温条件下发生的，生成的大分子在经雨水冲刷到海洋中。1968年以后，福克斯等做过这方面的模拟实验，主要是将氨基酸或核苷酸的混合物，即各种类蛋白微球体，绕过原始海洋的条件，在无氧的干燥环境下加热到一定的温度使其发生热聚合。 （2）海相起源说 认为原始海洋中氨基酸和核苷酸可附着在黏土等物的活性表面上，在有适当的缩合剂的条件下可发生聚合反应。卡恰尔斯基（A.Katchalsky）等做过这方面的实验，使用氨酰基腺苷酸盐并用蒙脱土（天然黏土）作催化剂，使氨基酸发生聚合作用形成多肽。 （3）深海海底起源说 认为原始地球表面火山频繁爆发、紫外线辐射强烈，那里的环境对生命的存在极为不利，而深海海底相对比较稳定、安全。联系到现今海底奇异生物的发现，认为那里也许是古老生命的起源和藏身之地。 ·专题· 深海海底“黑烟囱（cong）”与生命起源 1976年春，3名学者乘坐美国载人深潜器下潜到东太平洋上的加拉帕戈斯群岛附近2700m的深海，他们意外地看到大洋中脊上高高耸起一排“黑烟囱”，“烟囱”里不断冒出滚滚浓烟，有黑色、白色、黄色的，景象极为壮观。再细看这些“烟囱”绵延几千米并分别排列在高低不一的小山丘上。每个“烟囱”3～5m高，中空，它们一般是由金属化合物沉淀堆积形成直立的柱状园丘，浓烟就从这些空心的圆柱中向外冒出（图2.1-9A）。它们下面的小丘直径为25～30m，高30～50m。后又发现全球各大洋洋底有约150个“黑烟囱”，主要分布在大西洋、太平洋、印度洋、红海、日本海的底处，位于1000～4000m的海底。更令人惊奇的是烟囱周围居然还有生物，其中原细菌尤其引人注目。近期，据李江海等（2003）报道①，烟囱周围有一个“密集的生物群落”，“主要生物有细菌、管状蠕虫、蛤、贻贝、虾、螃蟹、鱼等”，“生物种类已经达到10个门的500多个种属”。 深海海底，水深数千米，温度350℃，又终年不见阳关，居然会有如此密集的生物群落，这是颇有兴味也很值得研究的问题。从目前的基因组测序看来，这类生物有着特殊的遗传基因，它们与地表、浅海已知的生物类型在适应机制、组织结构、代谢类型等方面都有明显差异。例如，它们极端嗜热、耐高压、耐盐，并以化能无机自养为代谢方式，通过“烟囱”排放的硫化氢、硫化铁获得所需的生物能。联想到早期地球表面存在一些对生物不利因素，相对于深海海底可能适宜、安全得多。有关资料显示，远古海底的生态特点，酷似现今大洋底部“烟囱”周围环境。现今该地区存在的那些生物可能就是原始古老生命的孓（jue）遗。深海海底的新奇发现与生命起源的关系也许正是从这里开始的。 1985年，美国地质古生物学家斯坦利（S.M.Stanley）提出生命的深海底烟囱起源说。在洋中脊，直接安在炽热岩浆上面的海底烟囱温度高达1000℃（图2.1-9B）。烟囱口的热水温度是350℃，它周围的海水形成一个350℃～0℃温度渐变的梯度，与此同时，喷出的物质浓度也从喷口向外逐渐降低，形成一个化学渐变的梯度。正是这两个渐变梯度，提供了满足各类化学反映的条件。例如，由海底喷出的H2、CH4、NH3、H2S、CO等，经高度化合可能形成氨基酸，继而形成含硫的复杂化合物，多肽、多核苷酸甚至类似细胞体的化学合成物也可能产生。此外，J·莱克（1992）曾在大洋底“黑烟囱”附近发现过在美国黄石公园热泉里生存的嗜硫细菌，表明深海热泉生命起源学说有它的合理性。张昀（1984、1986）曾以前寒武纪古生物与现代嗜热微生物作为比较研究，认为地球早期水热环境和嗜热微生物可能相当普遍，地球早期生命可能就是这些嗜热的微小生物。 |
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