生命之旅—化学进化（中）

摘要：构成生命的有机物在自然状态下是可以很容易产生的，而精确的有机高分子随机产生的概率则微乎其微，几乎不可能。但在自组织、中间物的迭代进化等机制的作用下也是可以产生的。

有机物的形成

在太古时代的大气中的有大量水蒸汽、氢、碳、氮、氧、硫、磷等多种有机元素，它们在各种能源（如闪电、紫外线、宇宙线、火山喷发等等）的作用下，经过了一段漫长的化学演化，合成有机分子（如甲烷、二氧化碳、一氧化碳、水、硫化氢、氨、磷酸等等）。这些有机分子进一步合成，变成生物单体（如氨基酸、糖、腺甙和核甙酸等）。关于这方面的推测，已经得到了科学实验的证实。1935年，美国学者米勒等人，设计了一套密闭装置(下图)。

米勒实验的装置图

他们将装置内的空气抽出，然后模拟原始地球上的大气成分，通入甲烷、氨、氢、水蒸气等气体，并模拟原始地球条件下的闪电，连续进行火花放电。最后，在U型管内检验出有氨基酸生成。氨基酸是组成蛋白质的基本单位。此外，还有一些学者模拟原始地球的大气成分，在实验室里制成了另一些有机物，如嘌呤、嘧啶、核糖，脱氧核糖，脂肪酸等。
这些研究表明：在生命的起源中，从无机物合成有机物的化学过程，是完全可能的。但这个实验也有很大的局限性，地球诞生之初有长达5亿年的陨石大轰炸，原来大气成分假设中的氢气、甲烷和氨可能早就在狂轰滥炸中消耗光了。而且地质证据表明当时的大气主要含氮气（来自轰击化学和火山活动）、二氧化碳（来自火山活动）、水蒸气和其他微量气体。这样，米勒实验的初始条件被架空了一半，它只是证明了一种从无机物到有机物产生的可能。

有机高分子的形成

不管怎样有机物的出现为组成生命体提供了基本材料。有些学者认为，在原始海洋中，氨基酸、核苷酸等有机小分子物质，由于疏水相互作用（在水中溶解度小的分子有聚集在一起的倾向）经过长期积累相互作用，通过缩合作用或聚合作用，就形成了原始的蛋白质分子、多糖分子、核酸分子。但也有理论认为在粘土或有微小孔洞的岩石表面聚集的水滴可以把分子聚在一起。已经有人模拟原始地球的条件，制造出了类似蛋白质和核酸的物质。虽然这些物质与现在的蛋白质和核酸相比还有一定差别，并且原始地球上的蛋白质与核酸的形成过程与机制还不能肯定，但是这已经为人们研究生命的起源提供了一些线索。在原始地球条件下，产生这些有机高分子的物质是可能的。

生命大分子 酵母核糖核酸的转移3D分子结构

概率疑云

即使我们已经了解有机高分子的形成机制，但还面临着另一个问题：生命所需的高分子物质是非常精确的，什么样的机制下保证恰好出现生命所需高分子化合物？举个例子：“一个含有221个核苷酸的分子，其复杂程度的数学量等于这些核苷酸所能形成的不同排列的总和，总共是4^{221}4221次方或者是10^{133}10133次方”。这么多的随机组合之中，只有一次组合是可以产生这样一个特定的分子。这种概率有多小呢？如果随机组合速率为每秒一万次，假设宇宙的年龄为一百五十亿年，那么从宇宙形成到现在，还不足以产生这样一个有正确核酸排列组合序列的DNA分子！换个形象点的说法，这种概率就象一只黑猩猩通过随机敲打键盘完成本书稿的创作。事实上人们在最简单的原核生物中看到的DNA分子通常含有几千个核酸。可见单靠随机组合而产生第一个生命所必需的DNA分子的可能性微乎其微，几乎等于零。

当然事实上有机分子并不会串行一个个生成并实验，而是数量巨大的分子同时并行的尝试各种可能性。如果我们把这种机制简化为随机组合那么就会认为概率小到不可能。这种思维方式基本就是一口吃成一个胖子的想法。现在我们所检测到的核酸分子是最终的结果，而在形成这些分子的过程中可能还存在中间物，它是一步步迭代进化形成的，而不是完全依靠运气随机形成的。自组织、进化机制等，自然界中存在很多筛选机制最终导致生命大分子的出现成为可能，甚至是必然。

有机大分子是构成生命的物质基石。生命是丰富多彩的但构成生命的都是些常见元素，氧、氢、碳、钙、氮、硫、磷、铁等，没有灵魂、特殊的“活力物质”。但这些普通的元素构成的生命的“砖瓦”却有一些有趣的特性：

• 碳元素构成了高分子的“骨架”可以产生稳定地连接形成巨大的分子结构成为生命的物质基石。

• 这种分子结构灵活多变意味着它可以包含巨大的信息，只要提供合适的能量有机分子就为生命提供了处理信息的机制。

• 第三种特性是酶催化化学反应产生可控的能量可以为生命活动所利用，而不再简单依赖环境中能量。