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「万物起源传说」生命的起源(一):从无机物到原核生物

2020-02-17  nj200801

古往今来,从无到有从来都不是一件容易或者快速的事情。

地球诞生之后的10亿年之中,除了在漫长的时光中不断进行地质演化和承受天外陨石的撞击之外(月球诞生在这一时期),似乎什么都没有发生。在地球形成之后10亿年或20亿年的某个时间(一些研究者认为是距今35-38亿年前),出于某种原因,海洋中的一些化学物质开始形成生命

这里需要指出的是:生命究竟如何出现至今仍然迷雾重重——科学家依然不能在实验室里重新创造生命(尽管一些人认为他们已经很接近了)。但是科学家们已经学会在实验室制造组成生命的构件,因此我们可以描述惰性物质是如何转变为生命有机体的。

「万物起源传说」生命的起源(一):从无机物到原核生物

一、如何界定“生命”?

现代科学表明,生命物质非生命物质由相同的物质元素构成,这些元素的原子以化学方式结合成分子。那么要想界定生命,就得将它与非生命区分开,这并不容易,因为它们之间存在连续性

病毒正好体现了生命与非生命之间的连续性,他们介于两者之间。当单独存在时,病毒不具有生命的特征。然而,当它通过注射自己的遗传物质而嵌入其他生命有机体中时,他就获得了生命的所有特征。

以流感病毒为例,它比一个典型的现代细胞小很多,它们含有蛋白质(大多数生命形式的基本构件)以及DNA和RNA,然后再没有其他了——没有多余的分子用于获取能量、进行繁殖或从事修复工作。

「万物起源传说」生命的起源(一):从无机物到原核生物

病毒的DNA或RNA会控制被它感染的有机体细胞,然后利用细胞机制制造自己的蛋白质,从而实现增长和繁殖。一些病毒繁殖非常快,最终会杀死被他们入侵的有机体。其他一些病毒则会消极的寄居在寄主内,不会造成直接威胁,因此病毒的生命和非生命状态取决于它的环境因素。

那么生命该如何界定呢?

生命物质的一个基本特征就是,从化学层面而言,它不是平衡的。也就是说,它并不处于一种稳定的、平衡的状态,而是一直伴有相应的反应。事实上,在活细胞中,当细胞膜对一些化学物质的进出做出限制的时候,就出现了能量的流动。生命的其他特征更模糊,比如繁殖能力通常被认为是生命的一个特征,但是也有一些生命体不能繁殖,比如骡子。

「万物起源传说」生命的起源(一):从无机物到原核生物

经过反复的争论,科学家提出了生命的三个普通特征:

1.通过进食、呼吸和光合作用,从环境中汲取能量(新陈代谢);

2.进行自我复制(繁殖);

3.经过许多世代,可以改变自身特征以适应环境的变化(适应性)。

在生命体中,单个原子结合成分子(由几千到几百万个原子构成),分子结合成细胞(由几十亿个原子构成)。随着时间推移,新陈代谢、繁殖和适应开始进入反馈循环过程并且相互强化。生命有机体能够找到更多方法从周围环境汲取能量、更多数量的自我繁殖以及适应周边的环境。

二、生命如何产生?

直到19世纪中期,博物学家们依然相信一种被称为自然发生说的古老观念。这种观念断定,新生命能够突然和自发的从旧生命腐烂的残骸中出现。例如:我们都发现蛆似乎突然出现在动物的死尸中。人们以亲眼见到的现象为证据,还没有认识到只能用显微镜观察到的整个微生物世界的存在。

「万物起源传说」生命的起源(一):从无机物到原核生物

1860年,法国化学家和微生物学家路易-巴斯德设计了一个简单但令人信服的实验,彻底否定了自然发生说。这就是著名的鹅颈烧瓶实验:他把肉汤灌进两个烧瓶里,第一个烧瓶就是普通的烧瓶,瓶口竖直朝上;而第二个烧瓶,瓶颈弯曲成天鹅颈一样的曲颈瓶。然后把肉汤煮沸、冷却。两个瓶子都没有用塞子塞住瓶口,而是敞开着,外界的空气可以畅通无阻地与肉汤表面接触。他将两个烧瓶放置一边。过了三天,第一个烧瓶里就出现了微生物,第二个烧瓶里却没有。他把第二个瓶子继续放下去:一个月、两个月,一年、两年……直至四年后,曲颈颈瓶里的肉汤仍然清澈透明,没有变质和产生微生物。巴斯德认为,肉汤中的小生物来自空气,而不是自然发生的。

「万物起源传说」生命的起源(一):从无机物到原核生物

另一种理论(胚种论)认为,生命来源于太空,由早期撞击地球的陨石和彗星带来。这一理论很容易得到进一步发挥,从而产生外星人为地球带来生命这种激动人心的故事。然而,大多数太空科学家认为生命无法在外太空环境生存,也不可能在穿越地球大气层的烈焰旅程中幸存。退一步讲,微小的生命如果在外来岩石内部受到保护的话,那么,它有可能存活下来,但这并没有解释生命的起源,仅仅是将这个问题转移到了其他的地方。

「万物起源传说」生命的起源(一):从无机物到原核生物

当前一些科学家接受了一种弱化版的胚种论,这种理论认为生命的一些基本组件构成要素可能是那些未在地球大气层燃烧殆尽的彗星和陨石带到地球上来的。我们知道地球上大量的水被认为是由彗星提供的,因此人们很容易认为这种水包含了形成生命的化学成分。众所周知,一些陨石含有创造和细胞所需要的某些化学物质,比如1969年在澳大利亚发现的一块陨石。2000年初,落在加拿大的一块陨石中被发现含有泡状有机小球体,这些发现证明生命所需要的分子也存在于太空之中。

20世纪20年代和30年代早期,前苏联生物化学家亚历山大-奥巴林和英国的物理学家霍尔丹分别提出了相似的生命起源方案——化学进化假说。这一假说认为,地球上的生命是在地球温度逐步下降以后,在极其漫长的时间内,由非生命物质经过极其复杂的化学过程,一步一步地演变而成的。

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他们认为,早期大气富含氢化物(甲烷和氨)和少量自由氧,这种环境有助于日渐复杂的有机分子的合成。霍尔丹强调指出,正在发展的生命必定来自无氧环境,因为氧气极具活性,很可能会摧毁早期地球净化出来的一切简单生命形式(事实上,直到25亿年前能够进行光合作用的细菌兴起,氧气才成为大气的重要组成部分)。

「万物起源传说」生命的起源(一):从无机物到原核生物

现在的地球大气和表面与早期地球的完全不同,因此,我们只能通过在实验室模拟早期地球环境来研究早期生命是如何出现的。1952年,美国芝加哥大学研究生斯坦利-米勒进行了一次重要实验。为了验证穿过早期大气的闪电能否合成生命的原料,米勒在管子中充入他认为与早期大气很接近的气体,再将管子与装了消毒水的长颈拼接在一起,然后通电轰击气体,为了加速这一进程,轰击的强度超过他所估计的早期地球上存在的冲击,在一周之内试管变成暗红。内壁有一层很软的很薄的软泥,经过分析,软泥由很多种有机分子组成(这些分子包含碳-氢键,也存在于活的有机体之中),这些分子至少含有六种氨基酸,而蛋白质就是由氨基酸组成。

「万物起源传说」生命的起源(一):从无机物到原核生物

实验室的这些实验表明,简单的氨基酸核苷很容易在无氧的大气中形成,下一步要做的就是,证明这些简单的化合物能够自我组合形成更复杂的蛋白质和核酸。进一步的实验已经证明,只要条件合适,简单氨基酸就能够形成由成千上万原子构成的长链。因此许多生物学家认为,生命的出现就需要这些原始原子中的一个碰巧发生化学进化,在这种进化过程中(至少经过5亿年),这个原子逐渐演变成一个充分的活细胞。不过这种现象还没有在实验室中得到演示,它是这个故事最大的未解之谜之一。

三、最初的生命是什么样子?

研究表明,地球上最初的活有机体可能是原核生物:一类细胞核无核膜包裹,只有称作核区裸露DNA原始单细胞微生物(包括细菌、放线菌、立克次氏体、衣原体、支原体、蓝细菌和古生菌等)。最小的细菌和古生菌的直径是氢原子直径的1000倍,这个微小的空间挤压着数百万分子。最简单的微生物通过分裂进行复制,因此它们通常不会死亡。利用饥饿、高温、盐、干燥和抗生素等可以将它们杀死,否则他们就会不断分裂和繁殖。

「万物起源传说」生命的起源(一):从无机物到原核生物

早期有机体包括深海火山排气口的古生菌和其他地方的细菌,它们通过食用自己周围简单的分子来获取食物,通过发酵(一种无氧的新陈代谢形式)获得能量(直到今天一些细菌还扮演着发酵槽的角色,比如那种促进乳制品发生代谢反应,从而制造出奶酪的细菌)。与细菌相比,古生菌更适合在极端环境中生存,不管是温暖的水域还是咸水区域,细菌通常以氨基酸和糖之类的有机化合物为食,而古生菌进化出了一种能力:可以利用较简单的无机化合物(比如深海火山所释放出来的)来进行新陈代谢。

「万物起源传说」生命的起源(一):从无机物到原核生物

直至今天,细菌和古生菌依然存在着,它们大约占地球生物量的50%,重量相当于生命物质和最近死亡的物质的总和。在过去,生命主要是微生物,现在依然如此。一个人体所包括的微生物细胞是动物细胞的十倍,每个人的肠道大约有1000种微生物,他们含有差不多300万个基因,相比之下,人的基因大概是1.8万个。所有人类细胞都通过线粒体形式(线粒体制造了细胞所需要的大部分能量)与细菌永久相伴,我们和周围的生命主要由单细胞微生物构成。【本节完】

下期预告:【万物起源传说】生命的起源(二):从原核生物到脊椎动物

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