生命起源理論

生命起源理論

生命究竟是怎樣起源的?這個問題存在著多種臆測和假說,並有很多爭議,是現代自然科學正在努力解決的重大問題。現在學術界普遍接受的是由《物種起源》和米勒實驗為理論基礎的化學起源說。隨著認識的不斷深入和各種不同的證據的發現,人們對生命起源的問題將會有更深入的研究。

基本介绍

  • 中文名:生命起源理論
  • 外文名:Theory on life's origin
  • 科學理論:化學起源說
  • 自然發生:又稱“自生論”或“無生源論”
  • 化學起源說:分為四個階段
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生命起源學說

創造論

(或神造說)
創造論認為世界萬物都是由神所創造。比如上帝、阿爾修斯。在《聖經》上說,“起初,神創造天地。
創造論的質疑者認為神造說的根源是類比於人的製造能力,以及對機率論的錯誤套用。比如某宗教徒用手錶自我形成的機率為零必然有造表者來證明人是被創造的。他們認為這種推理的根本錯誤在於他不懂得自然界普遍存在的自組織現象(如雪花、沙丘在一定條件下自動形成某種規則的形狀,這顯然不是被某高級主體有意製造的,而且也不能用機率論來推斷)。生命體的最根本特徵是自組織的,不是被製造的。

宇宙生命論

(或生命外來論)
這一假說提倡“一切生命來自宇宙”的觀點,認為地球上最初的生命來自宇宙間的其他星球,即“地上生命,天外飛來”。這一假說認為,宇宙太空中的“生命胚種”可以隨著隕石或其他途徑跌落在地球表面,即成為最初的生命起點。現代科學研究表明,在已發現的星球上,自然狀況下是沒有保存生命的條件的,因為沒有氧氣,溫度接近絕對零度,又充滿具有強大殺傷力的紫外線、X射線和宇宙射線等,因此任何“生命胚體”是不可能保存的。這個假說實際上把生命起源的問題推到了無邊無際的宇宙中去了,同時這個假說對於“宇宙中的生命又是怎樣起源”的問題,仍是無法解釋的。

自然發生

又稱“自生論”或“無生源論”,認為生物可以隨時由非生物產生,或者由另一些截然不同的物體產生。如中國古代所謂“肉腐出蟲,魚枯生蠹”。中世紀有人認為樹葉落入水中變成魚,落在地上則變成鳥等。自然發生說是19世紀前廣泛流行的理論,這種學說認為,生命是從無生命物質自然發生的。如我國古代認為的“腐草化為螢”(即螢火蟲是從腐草堆中產生的),腐肉生蛆等。在西方,亞里士多德(公元前384~公元前322年)就是一個自然發生論者。有的人還通過“實驗”證明,將穀粒、破舊襯衫塞入瓶中,靜置於暗處,21天后就會產生老鼠,並且讓他驚訝的是,這種“自然”發生的老鼠竟和常見的老鼠完全相同。
路易斯·巴斯德畫像路易斯·巴斯德畫像
1860年,法國微生物學家巴斯德設計了一個簡單但令人信服的實驗,徹底否定了自然發生說。普遍接受的生命起源假說。19世紀時,法國微生物學家巴斯德(LouisPasteur) (1821)—1895)進行了著名的鵝頸燒瓶實驗。鵝頸瓶實驗是假設細菌、微生物的移動需要依靠菌毛鞭毛,並且需要在有液體介質的情況下才能正常移動。他把肉湯灌進兩個燒瓶里,第一個燒瓶就是普通的燒瓶,瓶口豎直朝上;而第二個燒瓶,瓶頸彎曲成天鵝頸一樣的曲頸瓶。然後把肉湯煮沸、冷卻。兩個瓶子都沒有用塞子塞住瓶口,而是敞開著,外界的空氣可以暢通無阻地與肉湯表面接觸。他將兩個燒瓶放置一邊。過了三天,第一個燒瓶里就出現了微生物,第二個燒瓶里卻沒有。他把第二個瓶子繼續放下去:一個月、兩個月,一年、兩年……直至四年後,曲頸頸瓶里的肉湯仍然清澈透明,沒有變質和產生微生物。巴斯德認為,肉湯中的小生物來自空氣,而不是自然發生的。他的實驗為科學家進一步否定“自然發生論”奠定了堅實的基礎。
現代生物學,化學的研究結果更加徹底地否認了自然發生論的可能性,生命的創造只能通過遺傳物質的複製,以及細胞的分裂過程來實現。我們在生活中所直觀觀察到的生命“自生”現象,全部都是某種不易發現的複製過程在起作用。

化學起源說

化學起源說是被很多學者接受的生命起源假說。這一假說認為,地球上的生命是在地球溫度逐步下降以後,在極其漫長的時間內,由非生命物質經過極其複雜的化學過程,一步一步地演變而成的。
米勒實驗
米勒的實驗裝置米勒的實驗裝置
米勒在他的實驗中假設在生命起源之初大氣層中只有氫氣、氨氣和水蒸氣等物,其中並沒有氧氣等,當他把這些氣體放入模擬的大氣層中並通電引爆後,發現其中產生了些胺基酸,胺基酸是合成蛋白質的基本單元,而蛋白質是生命存在的形式,因此他認為生命從無到有的理論將可以確立了,證明生命是進化而來的。 但米勒的實驗也有很多的疑點,例如所使用的能量大小,不同氣體的配合等。雖然都產生了胺基酸、醣類等物質,但仍不能證明這就是生命的起源。因為他所假設的大氣層不能證明是原始的大氣層,所得的結果就是不確定的。米勒本身也承認他的實驗與自然界生命起源相距仍很遙遠。並且現代科學發現在火星上有氧氣存在卻沒有生命,那么米勒假設大氣層中沒有氧氣存在故沒有生命之說就不成立,因此無法證明生命起源是由單細胞進化而來的。
化學起源說將生命的起源分為四個階段(米勒實驗)。
第一個階段,從無機小分子生成有機小分子的階段,即生命起源的化學進化過程是在原始的地球條件下進行的。需要著重指出的是米勒的模擬實驗。在這個實驗中,一個盛有水溶液的燒瓶代表原始的海洋,其上部球型空間裡含有氫氣、氨氣、甲烷和水蒸汽等“還原性大氣”。米勒先給燒瓶加熱,使水蒸汽在管中循環,接著他通過兩個電極放電產生電火花,模擬原始天空的閃電,以激發密封裝置中的不同氣體發生化學反應,而球型空間下部連通的冷凝管讓反應後的產物和水蒸汽冷卻形成液體,又流回底部的燒瓶,即模擬降雨的過程。經過一周持續不斷的實驗和循環之後。米勒分析其化學成分時發現,其中含有包括5種胺基酸和不同有機酸在內的各種新的有機化合物,同時還形成了氰氫酸,而氰氫酸可以合成腺嘌呤,腺嘌呤是組成核苷酸的基本單位。米勒的實驗試圖向人們證實,生命起源的第一步,從無機小分子物質形成有機小分子物質,在原始地球的條件下是完全可能實現的。
第二個階段,從有機小分子物質生成生物大分子物質。這一過程是在原始海洋中發生的,即胺基酸、核苷酸等有機小分子物質,經過長期積累,相互作用,在適當條件下(如黏土的吸附作用),通過縮合作用或聚合作用形成了原始的蛋白質分子和核酸分子。
第三個階段,從生物大分子物質組成多分子體系。這一過程是怎樣形成的?前蘇聯學者奧巴林提出了團聚體假說,他通過實驗表明,將蛋白質、多肽、核酸和多糖等放在合適的溶液中,它們能自動地濃縮聚集為分散的球狀小滴,這些小滴就是團聚體。奧巴林等人認為,團聚體可以表現出合成、分解、生長、生殖等生命現象。例如,團聚體具有類似於膜那樣的邊界,其內部的化學特徵顯著地區別於外部的溶液環境。團聚體能從外部溶液中吸入某些分子作為反應物,還能在酶的催化作用下發生特定的生化反應,反應的產物也能從團聚體中釋放出去。另外,有的學者還提出了微球體和脂球體等其他的一些假說,以解釋有機高分子物質形成多分子體系的過程。
第四個階段,有機多分子體系演變為原始生命。這一階段是在原始的海洋中形成的,是生命起源過程中最複雜和最有決定意義的階段。目前,人們還不能在實驗室里驗證這一過程。
該理論也並非被所有人所接受。其質疑者認為,僅僅能夠證明蛋白質大分子可以自然形成便宣稱生命可以如此自發產生,就好比給猴子一台印表機,就宣稱它可以寫出一本紅樓夢。形成一個大分子固然簡單,但是形成含有生命信息DNA,蛋白質需要這些有機小分子以一種非常非常特別的方式組合。就好比用打字機打出一本完全隨機的書固然簡單,寫出一本紅樓夢卻難上加難。僅僅依賴於隨機過程,形成有效生命分子的機率可以小到在1億個宇宙的年齡這么長的時間也不太可能發生。生命的信息是怎樣被創造的?在很長時間中,該理論的支持者都沒有對這一質疑給出有效的解答。
但是,最近的研究指出,ATP在生命的信息起源中扮演了重要角色(ATP中心假說):(a)它是光能轉化成化學能的終端;(b)推動了一系列的生化循環(如卡爾文循環等)和元素重組;(c)它通過自身的轉化與縮合將生命過程信息化——篩選出用4種鹼基編碼20多個胺基酸三聯體密碼子系統,構建了一套遺傳信息的保存、複製、轉錄和翻譯以及多肽鏈的生產體系;(d)演繹出蛋白質核酸互為因果的反饋體系,並通過自然選擇,篩選出對細胞內同步發生的生化反應進行管控的體系與規則,並最終建立起了生命的傳遞機制——遺傳。因此,生命的起源是從能量轉化到信息化的過程中實現的,在這個過程中產生了記錄生命過程的遺傳密碼子。
以ATP為核心的遺傳信息的起源以ATP為核心的遺傳信息的起源
如果從能量的普適性以及現代生化系統的結構特徵來看,生命最有可能始於光合系統的演化(生命的光養起源假說)。支持這一觀點的一個重要分子證據就是細胞色素(一類以鐵卟啉血紅素為輔基的電子傳遞蛋白),這是一個存在於幾乎所有生物之中的電子載體,而血紅素可能就是從光合色素——葉綠素衍生而來的(現存生物中兩者生物合成途徑亦十分相似),只是葉綠素含有鎂卟啉環,它可能由卟啉環與長鏈脂肪酸(可能來自膜)加合而成。葉綠素與細胞色素的血紅素輔基之間在結構上的相似性如下圖所示。在從鎂卟啉到鐵卟啉的轉變中發生了去環化作用(紅色標記位置)。從進化上來看,膜耦聯的葉綠素分子可能由磷脂與卟啉環加合而成。帶箭頭的藍色虛線表示可能的演化方向。
葉綠素與細胞色素的血紅素輔基之結構比較葉綠素與細胞色素的血紅素輔基之結構比較

現代學說

有關植物資料

我們知道:將胡蘿蔔搗碎後,將其細胞放入營養液中培養就可以培養出一株完整的胡蘿蔔。植物的克隆技術所要求的條件相對要低和簡單。
植物能通過孢子、種子繁殖,還能進行無性繁殖。人類將植物的種子帶到太空,經太空輻射等作用,一些植物得到了最佳化。一些植物的孢子、種子可在極端條件下長期保存,如低溫條件。可進行無性繁殖的植物其根莖也可在極端的條件下長期保存。

人類的資料

1.借腹生子、試管嬰兒、克隆生命,這些人類生命繁殖技術已成功實現。理論上可以實現由基因複製生命。用一根頭髮絲就能複製出這個生命,當然需要相當的技術和實驗室條件。
2.將動物及人類胚胎、精子、卵子等進行低溫冷藏,解凍後照常具有生命力。

毀滅的影響

為了研究和探討地球上生命的起源,我們先進行逆向思維:如地球毀滅了,其上存在的生命將如何?
一種情況是太陽毀滅了或地球被另一顆大質量體星球捕獲,地球仍然存在。單純太陽毀滅或爆炸,地球除受到一定的衝擊外,保存完好。沒了太陽,地球失去太陽的引力和光及熱,沒了光合作用,變成寒冷,植物或因沒光合作用而死亡,或因寒冷而凍死。動物或餓死或凍死。也可能其他一些原因導致動植物死亡。無論是什麼原因導致動植物死亡,他們都將留在地球上。
另種情況是地球破碎了。
地球破碎後,所有動植物都將或碎或以完好個體漂浮在宇宙中。
動物或因破碎而死亡,或缺氧死亡,或凍死。
地球上水的總量約1.4078×10 km3,占地球質量的萬分之二。如果將水鋪在平坦的地球表面,可形成一個水深 2700多米的海洋。
在地球上,有動、植物的冬眠。
地球破碎後,由於溫度降低,許多動植物將被凍在冰里,漂浮在宇宙中。

生命的起源

由地球毀滅後動植物的存在狀態,以及動植物的繁殖和復活現象,作以下推論:
地球上的植物是由宇宙中漂浮的植物孢子、種子、根莖到地球上的生根發芽。
地球上的動物是由宇宙中漂浮的動物個體(如被凍死或休眠的個體)在地球上的復活。
延伸閱讀

未知生命起源

生命起源是一個亘古未解之謎,地球上的生命產生於何時何地?是怎樣產生的?千百年來,人們在破解這一謎底之時,遇到了不少陷阱,同時也見到了前所未有的光明。在兩千五百年前的春秋時代,老子在《道德經》里寫到,道生一,一生二,二生三,三生萬物。用現在的話說,就是地球上的生命是由少到多,慢慢演化而來。它們有一個共同的祖先,這個祖先就是一,而這個一是由天地而生,用今天的話說,可能就是由無機界所形成。
生命的起源應當追溯到與生命有關的元素及化學分子的起源。因而,生命的起源過程應當從宇宙形成之初、通過所謂的“大爆炸”產生了碳、、氮、磷、硫等構成生命的主要元素談起。
大約在66億年前,銀河系內發生過一次大爆炸,其碎片和散漫物質經過長時間的凝集,大約在46億年前形成了太陽系。作為太陽系一員的地球也在46億年前形成了。接著,冰冷的星雲物質釋放出大量的引力勢能,再轉化為動能、熱能,致使溫度升高,加上地球內部元素的放射性熱能也發生增溫作用,故初期的地球呈熔融狀態。高溫的地球在旋轉過程中使其中的物質發生分異,重的元素下沉到中心凝聚為地核,較輕的物質構成地幔和地殼,逐漸出現了圈層結構。這個過程經過了漫長的時間,大約在38億年前出現原始地殼,這個時間與多數月球表面的岩石年齡一致。
生命的起源與演化是和宇宙的起源與演化密切相關的。生命的構成元素如碳、氫、氧、氮、磷、硫等是來自“大爆炸”後元素的演化。資料表明前生物階段的化學演化並不局限於地球,在宇宙空間中廣泛地存在著化學演化的產物。在星際演化中,某些生物單分子,如胺基酸、嘌呤嘧啶等可能形成於星際塵埃或凝聚的星雲中,接著在行星表面的一定條件下產生了像多肽、多聚核苷酸等生物高分子。通過若干前生物演化的過渡形式最終在地球上形成了最原始的生物系統,即具有原始細胞結構的生命。至此,生物學的演化開始,直到今天地球上產生了無數複雜的生命形式
38億年前,地球上形成了穩定的陸塊,各種證據表明液態的水圈是熱的,甚至是沸騰的。現生的一些極端嗜熱的古細菌甲烷菌可能最接近於地球上最古老的生命形式,其代謝方式可能是化學無機自養。澳大利亞西部瓦拉伍那群中35億年前的微生物可能是地球上最早的生命證據。
原始地殼的出現,標誌著地球由天文行星時代進入地質發展時代,具有原始細胞結構的生命也開始逐漸形成。但是在很長的時間內尚無較多的生物出現,一直到距今5.4億年前的寒武紀,帶殼的後生動物才大量出現,故把寒武紀以後的地質時代稱為顯生宙
在中世紀的西方,《聖經》描繪上帝在七天之內造就萬物之說,也是非常流行。生命起源並不像這些古老傳說或神話描繪。但生命起源是怎樣發生的?科學又是怎樣對這一千古之謎進行探索的?我們已經取得了哪些進展?還有哪些問題沒有解決?
首先,生命起源之說,第一個謎是生命的時間,起源的時間問題。在中世紀的西方,人們對《聖經》的上帝造人的故事是深信不疑的。甚至在1650年,一位愛爾蘭大主教根據聖經上的描述計算出上帝創世的確切時間是公元前4004年,而另一位牧師甚至把創世時間更加精確地計算到公元前4004年10月23號上午九點鐘。也就是說,生命起源距今是六千年前,這樣字面上的解讀當然不可以被任何崇尚科學的人所接受。科學是用保存在岩石中的化石來回答。我們知道,生物死亡後,它們的遺蹟在適當的條件下,就保存在岩石之中,我們把它們稱作化石。地質歷史中形成的岩層,就像一部編年史書,地球生物的演化歷史,就深深埋藏在這些岩石之中,年代越久遠的生物化石,就保存在岩層的最底層。
迄今為止,發現了最古老的生物化石是來自澳大利亞西部,距今約三十五億年前的岩石,這些化石類似於現在的藍藻,它們是一些原始的生命,是肉眼看不見的。它的大小只有幾個微米,到幾十個微米。因此可以說,生命起源它不晚於三十五億年。同時地球形成的年齡大約在46億年前,有這兩個數據就可以看到生命起源的年齡,大致可以界定在46億年到35億年之間。今天,隨著科學的發展,地質學家認為,在地球形成的早期,地球受到了大量的小行星和隕石的撞擊,它不適合生命的生存。與其說當時地球上有生命,還不如說它在毀滅生命,因此地球上生命起源的時間,不早於40億年。另外,在格陵蘭的38.5億年的岩石中發現了碳,我們知道,碳分兩種,一個無機碳、一個有機碳。另外,碳有重碳和輕碳之分,因此可以根據碳之中的輕碳和重碳之比,就可以推測這些碳的來源。科學家根據碳的同位素分析,推測這些碳是有機碳,是來源於生物體。也就是說,生命起源的時間大大縮短了,就是在距今40億年到38億年之間,自從地球上生命起源之後,一直到現在45億年,就是生生不息的生命演化史。
首先已經有了生命起源的時間概念,是距今40億年到38億年之間。那生命是怎樣起源的?它在什麼地方起源的?這樣就不得不回顧一些有關生命起源的假說。
第一個是創世說,在《舊約全書》的第一章寫到,上帝在七天之內創造了世間之萬物,在中世紀的西方人們普遍接受這個觀念,可以說一直到現在,這種觀念還被很多人接受,這當然不是事實,至少,不能從字面上來理解。有人認為這裡的“天”並不是真正的一晝夜,而是指一個紀元。這並非不可能: 由於生命起源至今都是一個未解之謎,我們還不能否定神創說的可能性
第二個是自生論,比如說希臘人認為,昆蟲生於土壤,春天萬象更新,種子從泥土裡萌發,昆蟲從去年留下的卵殼中破殼而出。但這不是生命的起源,而是生命的延續,可以說這個自生論,現在已經被徹底拋棄。與這個類似的說法,還有埃及人認為生命來自於尼羅河,在中國古代也有腐草生螢之說。
第三個有關生命起源的假說,就是有生源論,這個在19世紀的西方也相當地流行,有生源論認為,生命是宇宙生來就固有的。宇宙怎么起源的?物質怎么來的?生命如何從物質中產生?其實這是一個不可知論。在20世紀的後半葉,有生源論逐漸發展到現在的宇宙胚種論,直到現在,有許多科學家認為,生命必須的酶,像蛋白質和遺傳物質的形成,需要數億年的時間,在地球早期並沒有可以完成這些過程的充足時間,因為它只有兩億年,因此他們認為生命一定是以孢子或者其他生命的形式,從宇宙的某個地方來到了地球,這種觀念也是有一定的依據的。
二十世紀四十年代以來,人類用天體物理的手段,在地球之外探測了近百種有機分子,像甲醛、胺基酸等等。其中兩種天體可能與地球上的生命有關,它可能給地球帶來生命或者有機分子。一個是彗星,一個是隕石。這兩顆天體裡邊含有大量的有機分子,比如把一些彗星稱為髒雪球,它們不僅含有固態的水,還有胺基酸、鐵類、乙醇、嘌呤、嘧啶等有機化合物,生命有可能在彗星上產生而帶到地球上。或者在彗星和隕石撞擊地球時,由這些有機分子經過一系列的合成而產生新的生命。當然這種胚種論也存在著不同的觀念,它有兩種致命的弱點,一個是生命是否能在宇宙中進行長期的遷移?還能不能夠存活?天體之間的距離是以光年為計算的,天體之間交流可能需要成千上萬年,從一個星球到了另外一個星球。那在這種真空裡面,暴露在這種大量的宇宙射線之中,活的生命是否在千萬年中還能夠繼續萌發?這是一個最大的問題,從無機分子到有機化合物的這種過程,比如說彗星上有機小分子的形成,在地球上也能夠形成,這是不用置疑的。
1859年,伴隨著達爾文《物種起源》一書的問世,生物科學發生了前所未有的大變革,同時也為人類揭示生命起源這一千古之謎帶來了一絲曙光,這就是現代的化學進化論。生命起源的化學進化論首先在1953年首先得到了一位美國的學者米勒的證實,既然地球早期溫度都是比較高,又充滿了很多還原性氣體、水等等,那么就把這些氣體和水等放在一個瓶子裡面,看它是否能產生生命,或者產生有機化合物。米勒在1953年把氨氣、氫氣、水、一氧化碳等放在一個密封的瓶子裡面,在瓶子裡面兩頭插上金屬棒,完了通上電源,通過這個類似於閃電的作用,確實在幾天之後產生了大量的胺基酸。就是說在地球上面,在閃電和常溫下,也能通過無機分子合成有機分子。我們知道,胺基酸是組成蛋白質的最重要的物質,可以說是組成生命起源最重要的物質。因此,米勒描述的生命起源的事件應該是:在早期地球上因為含有大量的還原性原始大氣圈,比如說甲烷、氨氣、水、氫氣等,還有原始的海洋,當早期地球上閃電作用把這些氣體聚合成多種胺基酸,而這多種胺基酸,在常溫常壓下,可能在局部濃縮,再進一步演化成蛋白質和其他的多糖類,以及高分子脂類,在一定的時候有可能孕育成生命,這就是米勒描述的生命進化的過程。
但是這種溫暖水池說,也遇到一些問題,其中有兩個問題,第一個問題是現在地質學家認為,地球早期大氣圈並不是含有大量的還原性氣體,它含有大量的二氧化碳和氮氣,比米勒的這個氣體多了一些惰性成分。在閃電的情況下,並不能形成大量的胺基酸。第二個問題,溫暖的水池在地球早期並不能長期形成,因為在當時的地球早期,有大量的隕石、流星,還加上地球本身的放射性,溫度很高,溫暖水池一旦產生生命,一個隕星過來,溫度在瞬間之內可能達到上千度、甚至幾千度,生命就會絕滅,只能再來一次生命起源。但是我們現在來想,現今的地球上是否有溫度比較高,還有還原性氣體,還有生物存在?那么,有兩件工作具有劃時代的意義,一個是1967年美國學者布萊克,在黃石公園的熱泉中發現了大量嗜熱生物,蛋白質超過六十度,就會凝固的。生物是否在六十度以上還能存活?這在以前是不敢想像的。
第二個就是1977年克里斯在太平洋底的熱泉中,同樣也發現了大量的嗜熱微生物,這個溫度還要更高,可能達到二百到三百度。壓力也有二百到三百個大氣壓,它的環境確實有大量的還原氣體,有硫化氫、甲烷、氫氣、一氧化碳,這個環境確實非常類似於四十億年前早期地球的環境,那么生命起源是否就在這個時候產生?這是我們現在看到的情況。另外化石中有沒有在火山噴口或者是熱泉中發現的微生物?確實有,我們在化石方面也取得了非常重要的進展,在2000年,澳大利亞科學家羅斯瑪森,在澳大利亞距今大概32億年左右的火山沉積裡面發現了大量的保存完好的絲狀體。這說明在32億年前,生命在熱泉的附近已經大量生存,這是現在最新的、最流行的、迄今為止最科學的有關生命起源的假說,就是生命起源於熱泉,或者海底熱泉,俗稱“黑煙囪”的附近。
海底熱泉和陸地上的熱泉有很多共同的特點。第一個溫度高。第二個它含有大量的還原性氣體,除了二氧化碳以外,還有一氧化碳、氫氣、氨氣、硫化氫。第三個就是它們都含有大量的生物,比如說藍藻、光合細菌、硫細菌,特別是一類古細菌,在高溫下異常地繁盛,它在超過一百度的時候大量繁盛,而離開了這樣的環境,比如溫度一降下來,它馬上就進行休眠,而且並不能正常的生活,這些生物是不是就代表了最早的、最原始的地球生命起源的原始的生命形式
早期地球溫度都很高,產生最早的生命形式,應該是一些能適應高溫的生物,而熱泉中,生物恰恰就是嗜熱的微生物。熱泉的環境與早期的地球環境有很多類似之處,比如說它有高溫,還有大量的還原性氣體、一氧化碳、氫氣、氨氣、硫化氫等。在高溫的熱水環境下,有利於小分子的有機化合物脫水,聚合成有機高分子,比如說現在用有機小分子胺基酸合成蛋白質,就是在熱水中,通過這個熱聚合反應,脫水以後形成了高分子。特別是在這種熱水口附近,形成了黃鐵礦,俗稱“愚人金”,它是由硫和鐵組成的,在它的表面,非常有利於高分子的合成,因為硫化鐵表面是一個非常好的一個天然的催化劑。另外熱泉口向外層海水之間有一個溫度和水化學鑑別的梯度,這個梯度也是有利於各種化學的連續反映。熱泉口噴出來的時候,溫度可能到達二百度到三百度,特別是在海底洋中脊附近,而海底的溫度一般在0到4度。從三百度一直到四百度,有一個溫度梯度,這種溫度梯度,對有機化合物的合成,存在一個連續的反映。最重要的一點,就是現在熱泉中的生物,確實是生物演化速度的最根部的類型,也就是說它的基因是最古老的類型。
現代生物學家,通過生物分子學的研究,把熱泉中的一些嗜熱古細菌,跟現在的普通細菌進行了基因的對比,發現它們基因的相同點,不超過60%。那么就是說這些古細菌它們含有非常多的古老的基因,也就是說,它們很有可能就是生命起源時候的類型。研究生命起源最好的證據,還是在地球上40億年到38億年間的岩石和化石所包含的信息。但是,經過40億年的變化,地球已經面目全非,現在的地球即使有40億年到38億年的岩石,也進入了大量的變種,信息也幾乎全無。
因此不要僅局限在地球上,如果說生命是宇宙之中一個普遍的現象,除了地球之外的其他天體上,是否也有類似於地球早期的這樣的環境?如果有,也許能為研究生命起源打開新的窗戶,我們第一個目標是什麼地方?不是火星而是月球。現在地質學家認為,月球是40億年前,一顆大的行星撞擊地球,而從地球上迸發出去。形成了當今的月球,這個時間正好是40億年,如果地球上有生命起源,我們在月球上看看,不就解決這個問題了嗎?在中國的古代神話中有嫦娥奔月的說法,月球上有月桂月兔,還有浪漫的愛情故事,但是二十世紀六十年代到七十年代,隨著前蘇聯和美國的太空人登入的成功,這個神話徹底破滅,月球其實是一個沒有生命,沒有水,沒有氧氣,不適合生命生存的荒漠的星體。
我們的第二個目標是火星,因為火星也許在40億年以前,有著跟地球類似的經歷,火星的物質成分跟地球非常近似,它的軌道也跟地球非常近似,那么火星上是否有生命?尋找生命起源,要從哪幾點入手?一般來說是三點,第一個在火星上尋找是否有活的生命?如果有活的生命,生命可能真是在宇宙中起源的,或者地球上的生物也許來自火星,或者來自其他的彗星。第二個尋找液態水,因為水是萬物之源,水是生命之源。現在地球上的生命形式是離不開水的,所以尋找液態水是非常重要的一個指標。第三個尋找與生命有關的化合物,如果現在沒有活的生物,過去有沒有?過去的生物是否形成了一些化合物?它是不是以化石的形式保存在這些岩石之中?
1957年美國的海盜號太空飛行器發回到地球的信息,火星上沒有生命,沒有液態水存在,它是一個荒蕪乾渴的紅色的星球。但是在20世紀90年代,美國宇航局加大了對火星的探測力度,通過火星探測者號、火星拓荒者號太空飛行器和哈博望遠鏡得到的圖片,和其他的有關天體物理的信息資料顯示,火星上過去很可能有過液態水的存在。一些航天資料顯示,火星上有類似於發生大洪水山前的沖積扇的構造,還有水、河道、乾涸的河床的河道,還有水侵蝕岩石的痕跡。另外在火星的兩極,發現了類似於地球上凍土解凍的情況,這是航天資料提供的信息。
那么對火星的研究,就束手無策了嗎?至少在現階段還不是,我們有來自火星上的隕石。在1984年,人們在南極的冰蓋上面,發現了一顆隕石,對這個隕石進行的元素和氣體化學分析,發現這個隕石的氣體和同位素,跟火星上非常類似。所以認為這個隕石是來自火星,是在一萬年前,掉在南極的冰蓋上。
通過對這個隕石的放射性同位素年齡測定,這個隕石40億年,距現在有40億年左右,正好跟地球上生命起源的年齡一致。幾十年來,科學家通過了大量研究,一些研究者認為,這個隕石上含有生命的跡象,有三個方面的證據。第一個證據:這個隕石裡面含有數種沉積礦物,因為沉積礦物是在有水的情況下形成的,所以科學家從中推斷,火星上可能曾經有水,特別是這些礦物裡面有一種是磁鐵礦物。這種磁鐵礦只能由生命的形式存在。第二個證據:通過對這個隕石表面的化學分析,獲得了多種多環的芳香烴,這種多環的芳香烴與生命的形式有關。第三個證據:通過掃描電鏡仔細觀察,發現了形態非常類似細菌的生物化石,這個化石只有幾百個納米。因此,在1996年,美國宇航局向全世界宣布,在40億年前火星上曾經有過生命,當然這是一家之言。這顆隕石裡面,有關生命存在的信息是否為真?當然有很多學者對這些證據提出了質疑。就磁鐵礦來說,認為這個沉積礦物是由生命生存產生的,是生命有水的形式下才能沉積,這些毫無疑問。但是要知道這個隕石是在南極的冰蓋上找到的,那冰全是水,在隕石撞擊冰蓋的時候,可能有很多的水溶化了,隕石撞擊地球的時候,可能形成很多裂隙,如果有液態溶化的水,從這個裂隙進去,那不也可能形成一個自身的沉積礦物嗎?另外這個磁鐵礦,也並不是生命特有的,在其他物質條件下也可以形成。所以第一條證據就有很多科學家認為它站不住腳。多環芳香烴的問題,同樣在南極冰蓋,是零下40度或者50度等,也有大量的菌藻的生存,是不是污染的?現在的污染,也許是一萬年以前的污染。所以第二條證據,不能說是一個非常可靠的證據。特別是第三個證據更加靠不住,就是把隕石劈開,看見這些所謂的細菌的化石,這些化石太小,直徑只有幾十個納米,我們知道,一個鐵的原子核可能就有0.6個納米,所以這個所謂生物化石的直徑,可能就是幾百個,甚至由上千個原子核組成的。所以現在理解的這個具有細胞膜包裹的原始細胞最小形態是不可想像的。因此有關這個隕石上生命的存在,或者火星上生命的存在,還需要進一步的研究。
我們所觀察的第三個天體,就是木星的衛星,特別是第二個衛星,叫木衛二,它的大小跟地球直徑非常類似,在1997年美國的伽利略號太空飛行器對木衛二進行了觀察,發現在木衛二表面有大量的裂痕存在,並且是多起的裂痕,通過天體物理學方法的研究,這個星球其實全是由水組成的,這個水是固態的冰。從這些很多的裂隙看來,這個星球也許在過去或者某個時候,水曾經溶化過,也就是說曾經有液態水的存在。有液態水存在,是不是也有生命存在?這個還是一個未知數,需要更深入的研究。總之,隨著航天科技和其他相關技術的進一步發展,地外生命的探索,為我們研究生命的起源開闢了一個新的途徑。
但無論怎樣,生命的起源有三個過程:第一個是從無機物到有機小分子,這種過程,如一氧化碳、二氧化碳、水、氫氣、氨氣、甲烷等,這些東西合成有機小分子,像胺基酸、嘌呤、嘧啶、核苷酸、高能化合物、肪酸、卟呤等這些東西。因為地球生命的起源是從無機界到有機界,所以這個過程無論在什麼地方——在海底,在熱泉,在火星上或者在木衛二,都是必不可少的。
第二個是從有機小分子到有機大分子形式,就是胺基酸、嘌呤、嘧啶等。有機大分子像蛋白質、多糖、核酸,因為蛋白質是組成生物體的主要的物質,還有多糖、糖類都是組成很多細胞的骨架,細胞壁的主要成分,還有核酸,這是遺傳物質,所以這個過程也是不可或缺的。
第三個生物的大分子演化到原始單細胞的生命。一個原始的單細胞,外面有一個膜包裹,裡面有遺傳物質,要進行新陳代謝的交換。所以生命起源的過程其實可以簡單地分成這三個過程:對這三個過程我們現在做到哪一步?我們還有什麼沒有解決的?第一從無機物到有機小分子的過程,在熱泉中,在深海的海底“黑煙囪”中,還是在實驗室中,都能夠合成這個米勒的實驗,就是一個最經典的實驗,就是把無機物合成了有機小分子,這個過程也是必不可少的。
第二個過程是有機小分子到有機大分子的過程,這個過程其實在熱泉,像海底熱泉口,還有陸地上,像黃石公園,中國雲南的熱泉都有這種過程,因為溫度很高,有機物在裡面可以進行熱聚合脫水反應,能形成蛋白質。在實驗室裡面,這個過程也是可以重複的,所以生命起源的第二個過程也不是很難的事情。
最難的是生命起源的第三個過程,就是生物大分子到原始單細胞的過程,可以說這個過程是迄今為止科學家們研究上遇到的最大難題,也是無機生命到生命,無機化合物到有機生命不可跨越的一個鴻溝,這個過程包括哪幾部分?換句話說,要研究生物大分子,到原始單細胞生命,從哪幾個部分來入手?第一,要研究自我遺傳系統。一個遺傳系統,就是能自我複製的生物大分子系統的建立,DNA、RNA這種系統的建立。它是怎么建立的?它怎么合成的?它們怎么有遺傳功能?第二,蛋白質的合成,要納入到自我複製系統的控制,就是新陳代謝,是能量和物質在細胞內的交換,接受太陽光、接受化學能,產生有機物,再用這有機物分解而產生能量,這個能量像一個馬達一樣,來運轉這個細胞。這個過程是非常難的一個過程,第三個過程,生物膜系統的形成,比如說像細胞壁、細胞膜,生物膜的系統,為什麼重要?因為我們知道無機界是沒有隔離的,只有在生物裡面有一個膜跟外界隔離,同時這個膜也不是絕對隔離,而是跟外面進行物質的交換。它有一些小的空隙,所以這個生物膜系統是一個非常精密的生物機構,在生命起源之中這三個階段缺一不可,也是非常難的三個步驟。
迄今為止,生命的起源可以描述成:在40億年前的地球上,由無機分子合成的有機小分子,聚集在熱泉口或者火山口附近的熱水中,通過聚合反應,形成了生物的大分子,這些大分子進行自我複製,自我選擇,進而通過分子的自我組織,並複製和變異,從而形成核酸和活性蛋白質,同時分隔結構同步產生,最後在基因控制下的代謝反應,為基因的複製和蛋白質的合成提供能量,這樣一個由生物膜包裹著的具有能自我複製的原始細胞,就在地球上產生了。這個原始細胞可能是異養的,或者是化學自養的,可能類似於現代生物在熱泉附近的嗜熱古細菌。這個短短的描述,就把生命起源的過程基本上描述了。但它有四個無法逾越的鴻溝,一個是自我選擇,因為組成生物大分子或者RNA、DNA,這些分子都是非常有限的幾種分子。在無機條件下,或者在閃電情況下、或者在熱水中,它形成很多這樣的分子,這些分子怎么自我選擇,合成DNA、RNA,把其他的大分子拋棄掉,這個過程我們並不知道。第二個是自我複製,DNA、RNA它自己能夠複製,能夠為下一代遺傳下去,這個過程我們也並不知道。第三個是分隔結構,就是細胞膜或者細胞內部的膜結構,這個過程我們也不是很清楚它是怎么形成的?像磷脂、精細的生物結構怎么形成的,我們也並不是很清楚。另外一個是新陳代謝的問題,先是吸收外面的能量,這個過程我們並沒有解決,但不管怎樣這種熱泉中生命起源的假說,確實有很多有利證據的支持,特別是近年來,取得了一系列最重要的進展。
熱泉中含有大量的一氧化碳、硫化氫和硫化金屬礦物,特別是黃鐵礦物和硫,一方面硫化鐵和硫,有新陳代謝的出現。硫化鐵是一種非常重要的催化劑,很多化學反應在它的表面或者說在它的晶體骨架里,進行得非常順利,一些重要化合物已在熱泉中被發現。例如一種活性物質,像硫化脂就發現在熱泉之中,它與一種非常重要的化合物和一些複合物非常類似,這種化合物提供了能量新陳代謝的一種途徑。
所以說新陳代謝的途徑可能跟熱泉中的黃鐵礦和硫,以及它們的聚合物有一定的關係。另一方面,遺傳物質核糖核酸(RNA)的出現的話,與硫化脂和硫的化學過程有著非常密切的關係。而脫氧核糖核酸(DNA)還可以直接用RNA脫氧演變而來。像黃鐵礦的聚合物,就是這個熱泉口中的黃鐵礦聚合物。其實,存在於很多重要的生化酶的中心,那些生化酶可能就產生於含有大量的硫熱泉之中。由此看來,地球上的生命也許就產生在距今38億年到40億年間這些充滿硫磺味的熱水池或者軟泥之中。但是應該清醒的明白,我們距離揭開生命起源這一亘古之謎,還有一段遙遠的科學歷程。從無機物到有機物,到有機化合物再到有機生命體的演化,同時還具有很多的偶然性,並不是有這種環境,有這種形成條件,它就能產生生命。有人曾經比喻說,這些無機物好像一個垃圾堆,裡面什麼都有,塑膠、塑膠瓶子、鐵、廢棄金屬、油,而生命,一個單細胞,就像一輛精美的賓士車,在一陣颱風過後,這些垃圾組裝成了一個賓士車。因此可以想像,生命起源的過程是非常艱難的。也許我們的這個藍色的星球,是生命惟一的樂園!因此請保護我們的地球,珍惜地球上的生命,不能奢望地球上第二次生命的起源。

生命起源說

奧巴林的生命起源說
研究人員發現,溶解在水中的生物大分子,在一定濃度、溫度和酸鹼度條件下,可以聚集成小顆粒,這種小顆粒就是著名生命起源學者奧巴林所說的團聚體。奧巴林認為,在原始海洋中首先產生的形態實體就是這種團聚體,他的理論稱為團聚體生命模型。
前蘇聯物化學家奧巴林前蘇聯物化學家奧巴林
然而用於團聚體研究的大分子物質都是通過生物合成的,在這種情況下也不可能完全遵循古地質條件下的進化情景,因為模擬地球原始條件下,到目前為止,還沒有能夠成功地通過非生物的途徑合成出當今的生物大分子。
相比之下,微球體生命模型可能更接近生命誕生之初的進化情景。模擬原始地球的火山環境,科學家合成了一種類似蛋白質的物質,把這種物質溶解在沸騰的鹽水或水中,冷卻後溶液中形成了大量小球。這種小球就是美國科學家弗克斯所說的微球體。微球體結構穩定,大小跟細胞相似,具有細胞那樣的膜,也能以出芽方式繁殖……表現出了原始的生命活性,這說明微球體可能就是今天地球上所有生物的共同祖先,那么到底是不是這么回事呢?
形形色色的細菌是現代細胞中最簡單的,又是目前地球上能夠獨立生存和繁殖的最原始生物。我們不妨把微球體和大腸桿菌作一下對比。 微球體是從一端出芽進行繁殖,大腸桿菌則是從中間分裂進行繁殖;大腸桿菌在分裂前首先進行遺傳物質複製,把完全相同的一份生命信息傳到子代中去,保證孩子和父母具有完全相同的血緣,微球體則是空泡,裡面根本沒有遺傳物質。
實際上,微球體是在實驗室裡面相對容易製得的,但是生命在地球上是經過億萬年的漫長歷史才能誕生的,因此我們試圖在實驗室裡面一步登天地獲得原始的生命,這本身就不太可能。
儘管人們還不清楚最原始的生命究竟是什麼,但是生命在剛剛誕生的時候結構是極其簡單的,甚至還沒有細胞結構,經過了相當漫長的進化,才誕生了具有細胞結構的細菌。
地球上最古老的生命證據是在澳大利亞西部發現的,就在澳洲大陸西北角。(國際生命起源協會主席 院士 夏弗)
澳洲大陸是地球上最古老的大陸,在這裡我們可以找到原始生命留下的蛛絲馬跡。在西海岸的這個海灣里,有一些很像腳踏石的石頭,摸起來又軟又粘,是生活在上面的藻類形成的,叫疊層石。這是35億年前形成的疊層石,上面布滿了藍綠藻。它們樣子很像髮菜,是目前發現的最古老的原始生命。

生命與大氣層

過去人們一直認為,生命是在原始海洋表面誕生的。然而在生命誕生的時候,大氣中還沒有臭氧層,陽光中強烈的紫外線可以直接照射到地球表面,稚嫩的生命怎樣躲過紫外線這個無孔不入的殺手,迄今還是一個謎。
厄瓜多海岸的加拉巴戈群島是達爾文創立進化論的地方。在這裡,研究人員潛入了海底的火山縫,發現在噴出的溫泉附近有大量奇異生物,大為驚訝,火山口充滿了紅色的多毛蟲,大螃蟹以細菌為食,高熱產生的化學物質則是細菌的美餐。這個奇特的海底世界不禁使人聯想起,原始生命可能就誕生在海底。
在原始地球上,海底已具備了生命誕生的條件,海底的硫磺、氫氣、甲烷、二氧化碳為生命的誕生提供了物質條件,海底火山爆發產生熱量,為生命的誕生提供了能量,而且厚厚的海水擋住了陽光紫外線對原始生命的傷害。
後來,人們找到了更多的生命在水下極熱環境中生存的證據。在太平洋海底2,600公尺深的地方,研究人員發現了一股上噴的火山湧泉。這裡的溫度高達攝氏350℃,然而竟然也發現了細菌群落。
在我國雲南西部邊陲的騰衝縣,有個叫“熱海”的著名旅遊區。這裡有多處滾燙的熱泉,一年四季不停噴涌著,到處熱氣繚繞。其中最吸引人的是大滾鍋,裡面因溶解有礦物質而呈現美麗的藍色。熱泉水表面溫度高達攝氏100多℃,然而就是在這樣令人膽戰心驚的環境裡,也發現了大量極端嗜熱的細菌。
在美國,科學家從滾燙的熱泥漿中發現了一種叫嗜硫菌的微生物,直徑稍大於千分之一厘米,看起來細菌似乎能自由遊動,實際上這是細菌周圍的水分子在推其運動,電子顯微鏡顯示,這些細菌的細胞不含細胞核,顯得古老而原始。
這裡是北極,科學家們在這些不起眼的岩石中發現了遙遠的過去的生命。顯微鏡下隱約可見的是放大一千多倍的藍綠藻,它們保持著35億年前的本來面貌。看起來,細胞結構複雜,生活狀態十分正常。
這種充滿了生命的神奇的石頭叫疊層石,不僅澳洲有,在美國、南非和世界其它地方也有。儘管年代久遠,但是疊層石上藍綠藻的痕跡還是清晰可見,說明這種生物在當時的地球上是相當普遍的。
藍綠藻的繁盛產生了大量氧氣,這深刻改變了大氣成分,使原始大氣中誕生了臭氧層,擋住了陽光中的紫外線殺手,生命得以在海洋表面繁衍和生息,同時大氣層就像穿在地球身上的厚厚外衣,使照射到地球表面的太陽光不至於散發出去,給生命以溫暖,正是由於大氣層細緻入微的呵護,搖籃里的生命才得以生存下來。

生命來源

早在1907年,著名瑞典化學家阿累尼烏斯提出,生命的種子在宇宙中廣泛存在,第一批地球生命可能來自天外。到了1968年,科學家們在太空中發現了星際分子。有的星際分子在適當條件下可以轉化成胺基酸,而胺基酸是生命的基礎分子。這使更多科學家投身到星際分子觀測研究中來。
到目前為止,天文學家在星際雲中共發現了100多種分子,而且在銀河系中心附近正在形成恆星的雲中,還發現了最簡單的胺基酸——甘氨酸,這些新奇發現大大激發起了人們探索天外生命的熱情。天外來客隕石的研究則從另一個方面證明了太空中存在生命的可能性。我們的地球每天接收數噸來自地球之外的宇宙物質,這些物質進入大氣層摩擦生熱而化為灰燼,但是大的隕石會衝進大氣層,來不及完全燃燒而砸向地球。隕石坑是地球接隕石坑是地球接收天外物質的最好證據。隕石有石質的,也有鐵質的,還有一種隕石叫碳質球粒狀隕石,在地球上十分稀少。有人認為它是由小行星碎片組成的,因為含有較高的碳而呈黑色。在碳質球粒狀隕石中發現了極其豐富的生命物質,其中就有胺基酸。
生命在原始湯中光養起源假說示意圖生命在原始湯中光養起源假說示意圖
在隕石中發現的胺基酸超過了100種,而地球上所有蛋白質的胺基酸僅由20種組成(且全部由α胺基酸組成),在Murchison隕石中發現有10種胺基酸與地球上的蛋白質胺基酸相同:甘氨酸、丙氨酸、絲氨酸、蘇氨酸、纈氨酸、亮氨酸、異亮氨酸、天冬氨酸和谷氨酸。在其他隕石和生物圈中都有發現的有機物還有:菸鹼酸(以煙酸形式存在,是一大類氧化還原酶的輔酶)、一些單羧酸(如蟻酸、乙酸、丁酸)、類糖物質(許多地球上的多糖的組成)及複雜的兩親物質(同時具有疏水端和親水端),它們是用氯仿從隕石粉末中抽提出來的,在水中能形成膜狀囊泡。隕石几乎備齊了原始生命及光合作用起源用的一些核心的有機化合物構件。
Murchison隕石中的可溶性有機化合物Murchison隕石中的可溶性有機化合物
彗星的研究似乎更為誘人。早在1864年,著名宇宙化學家哈金斯利用光譜觀測就已推測出彗星中含有像石油氣的成分。他說,彗星雖然像獅身人面獸那樣狡猾,但是終於泄露了它的秘密。著名荷蘭天文學家奧爾特則說,在太陽系外緣有一彗星倉庫,由原始星雲形成的彗星,處於太陽和其它恆星之間。
彗星由於運行軌道不規則,往往像飛蛾撲火那樣撞擊太陽系天體。1994年夏天發生的極其壯觀的天象給了人們深刻印象。一顆名為蘇維克——利維——9號彗星,按照天文學家事先推測,如期撞擊木星,這次規模宏大的星體撞擊被媒體戲稱為“世紀之吻”。
彗星是茫茫宇宙中極為普通的天體,法國天文學家克卜勒說,“天上的彗星就像水中游魚一樣數不勝數。”
相隔76年後,1986年哈雷彗星又進入內太陽系,使科學家們能夠再次一睹神秘的彗星真面目。在這次觀測成果的基礎上,科學家們提出了彗星塵埃模型,認為彗星是由約1微米的顆粒組成,中心是矽酸鹽,外面包裹著25%的有機物,再外面是水、冰、自由基、各種粒子,正是這些物質進入地球,為地球生命起源準備了豐厚的物質條件。有人斷言,在大約45億年前,宇宙中流浪的彗星不小心撞擊到地球,地球用了1億年時間,把數千度高溫降下來,又過了數百年,彗星帶來的生命的種子萌發出了第一批既能繁殖又能變異的細菌。不過問題是,太空中的生命從哪裡來?這樣的解答只是把問題轉移到了別的地方,對於回答究極的問題沒有任何幫助。

“初酶”

在地球上出現細胞之前,簡單微小的催化劑最有可能具有加速和同步創造生命所必需的化學反應能力。但是這些催化劑如何在同一時間出現,又是怎樣演變成兩個現代超級酶家族的?美國北卡羅來納大學醫學院的研究人員首次提供直接的實驗證據,闡明了原始蛋白是如何具有加速合成蛋白質必需的中樞化學反應的能力,從而創造生命。該研究成果刊登在《生物化學》雜誌上。
據物理學家組織網報導,該研究提供的證據表明,在現代生物進化中轉化遺傳密碼的兩個主要超級酶家族進化自同一祖先基因的相反鏈。
北卡羅來納大學的查爾斯·卡特博士說:“我們發現,一個古老的基因可能利用其相反的兩股DNA為不同的兩個活性胺基酸催化劑編碼。其中一個負責激活蛋白內所需胺基酸,另一個負責激活蛋白外所需胺基酸。”
創造生命的一個主要障礙是如何加速各類化學反應,以使這些反應能在細胞內以相同速率發生。通常它們不僅反應速度慢,且速率各異。將胺基酸與三磷酸腺苷或者是ATP(一種在細胞內傳送化學能量的分子)結合的化學反應是生命形成的關鍵。這種結合使蛋白質能夠自組裝。若沒有催化劑,這種結合反應會比蛋白質合成中任何其他步驟要慢約千倍。
在現代生物細胞中有一個稱為氨醯-tRNA的合成酶,可以大大加快這一反應。在設計的實驗中,卡特團隊將合成酶物理拆開,以顯示所有合成酶家族所必有的催化活性——與ATP結合的能力源自哪一部分。結果發現,僅占酶總數量約5%至10%的46個胺基酸鏈,卻表現出超過總量40%的活性。
卡特將這些酶片段稱為“初酶”。研究團隊發現,“初酶”的酶活性集中在與ATP的活化反應上。這意味著在形成蛋白質的化學反應轉化中,這些酶能與最不穩定的緩慢成型結構結合成緊密複合物。卡特說,這些酶複合物為蛋白質形成過程中的催化環節所必需,進而也成為地球生命形成的關鍵。

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