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生命的本质,是自然科学长期探索的古老而重大的课题,也是哲学界的重大问题。从原则上讲,正如恩格斯在《反杜林论》中指出的:“生命是蛋白质的存在方式,这种方式在本质上就在于这些蛋白体的化学组成部分的不断自我更新。”具体说来,生命现象是十分复杂的,现代对生命的定义比较流行的是:生命是生物体所表现的自身繁殖、生长发育、新陈代谢(与环境进行物质和能量交换)、遗传变异以及对外界刺激的反应等复合现象。而上述诸特征中任一个单一的特征都不能等同于生命、比如:火焰不断把燃料变成其它物质进行着剧烈的物质能量交换,但人们并不认为火焰具有生命,相反,在适当条件下保存着的植物种子,在一个相当长的时间内都没有物质、能量交换,但它们仍然具有生命;再者“发育生长”这个特征,一些无机晶体在形成过程中(如水结成冰)也有生长过程,但它没有生命,相反有些生命体并不总在生长,一旦形成大小就不变了,而“繁殖”也不是生命体独有的特征,凡自有催化过程的反应系统都有繁殖现象,但这些系统不能认为有生命,相反,一些生命体由于生殖系统的先天缺陷而不能繁殖(如骡子);对外界刺激的反应,自从复杂机器特别是计算机问世以后,也不再是生命体独有的特征了。所以,生命的定义应从全面特征的共有性出发,也正因如此,多年来对生命的定义都未形成定论。根据生命现象的共有特征来讨论生命起源问题才是科学的。
关注生命的起源,从古到今都是科学界和哲学界关注的重大课题曾经出现过若干种生命起源的假说。如:“无生源论(又称自生论)”,认为生物可以随时由非生物产生。中国古代所谓“肉腐生虫,鱼枯生蠢”,亚里斯多德说:“1··…有些鱼由淤泥或砂砾发育而成”等。又有“生源论”,认为生物不能自然发生,只能由其亲代产生;17世纪意大利医生F.雷迪用实验证明了腐肉不能自己产生蛆,而是蝇产卵后孵化而成。但“生源论”并未解决最初的生命是怎样形成的。还有“宇宙胚种论”,认为地球上的生物来自于别的星球或宇宙的“胚种”,它们通过光压或陨石到达地球,此说在19世纪颇为流行,但仍末解决“胚种”(生命)是怎样发生的。真正要解决生命的最早起源,还是当今比较令人信服的化学进化论。至于原始生命出现的发展到高级生命的过程,属于生物进化过程,显然不是本文讨论范围。化学进化论主张从物质的运动变化规律来研究生命的起源。恩格斯在(反杜林论》中指出:“关于生命的起源,自然科学到目前为止所能肯定的只是:生命的起源必然是通过化学的途径实现的”。化学进化理论的核心是,在没有生命的地球上,由于自然的原因,通过化学作用,由非生命物质(无机)逐渐演变成复杂的物质,产生多种有机物和大分子。这是在生命出现以前的一个漫长的过程。下面就化学进化的各个环节逐一讨论。
我们现在的地球周围由一个氧化性大气层包围着,而在远古(初生地球),包围地球的是还原性大气,所谓还原性大气是指无游离氧的大气。还原性大气的产生一般认为是由于早期地球地壳薄弱,内部温度很高,火山活动频繁,由火山喷出的气体构成了还原性大气,其中包括。1书、NH,、比、HcN、HZs、co、COZ和水蒸气等无游离性氧。由于原始还原性大气中无游离氧,当然也未形成臭氧层,所以太阳的紫外线能全部射到地球表面,为合成有机物提供能源。此外,雷鸣闪电、火山爆发所放出的能量等出构成了地面合成有机物的能源。
化学进化论关系生命出现的第一个环节是:无机世界如何产生有机分子?
原始有机小分子的出现,比较可信的说法是:在原始还原性大气中由于一些自然力(比如雷鸣闪电)的作用可以产生氨基酸分子。这是地球上由纯无机世界向有机世界过渡的第一个环节,也是生命起源的第一步,因而这种氨基酸分子的产生来源对于我们讨论生命的起源问题是十分重要
的。
1952年美国芝加哥大学研究生5.L.米勒,在其导师H.C·尤里的指导下,进行了模拟原始大气中雷鸣闪电的实验获得了20种有机化合物,其中有11种氨基酸,有四种(甘氨酸、丙氨酸、天门冬氨酸和谷氨酸)与我们当今生命体蛋白质所含的成份相同。之后其他学者们又进行了大量的模拟实验,用紫外线、日射线、高温、强阳光等作能源,并改变还原性气体的成份(如以HZS代替峡。,以HcN代替CH;和比等)结果都能产生氨基酸。目前我们世界上组成生命的20种所氨基酸中除了精氨酸、赖氨酸、蛋氨酸之外.全部都可用模拟实验产生。但是一旦把还原性气体改为氧
化性气体,则一切实验都不能产生氨基酸。这里我们可以得出这样的结论:原始地球上生命的出现的第一个环节是在地球上的还原性气体中,由一些自然力提供能量产生的氨基酸。这是从无机世界向有机世界迈出的第一步。1969年9月坠落在澳大利亚东南部默奇森镇的陨石,经分析后发现含有多种氨基酸,其种类与含量与米勒放电实验生成的产物相当一致。这个事实说明:原始大气由无机物生成生物小分子的构想是正确的,而且在宇宙间其他星球上(包括我们地球)同样在发生着。
生物大分子的出现,是生命起源中的第二个重要环节。
从有机小分子(氨基酸)形成生物大分子的过程,可以归结为两种理论:一是小分子单体经过脱水缩合形成聚合体(即大分子);二是不经过脱水缩合的“聚甘氨酸理论”。前一种脱水缩合形成聚合体的可能方式有:原始海洋中的氨基酸能被海水冲到干燥、且温度较高的陆地上(如火山附近的热地),经过蒸发、干燥而缩合形成类蛋白,而类蛋白再有机会被冲回海洋,获得进一步发生聚合的反应而形成更大的分子。为了证实这个说法,有人将20种氨基酸按酸、碱、中性分别混合,在170℃下加热数小时,得到了具有天然蛋白质的某些特征的类蛋白,另一个令人信服的说法是:原始海洋中的氨基酸是在海边某些特殊的粘土上进行缩合形成多肚,有人在实验室里进行了模拟实验:使氨基酸与腺昔酸相互工作,生成氨基酞腺昔酸,生成物含有自由能被吸附在蒙脱土(一种粘土)表面上时,能缩合成多肤。第二种“聚甘氨酸理论”认为:原始大气中产生的HCHO能与NH3和HcN发生反应形成氨基乙酞氰,后者是先聚合再水解并生成聚甘氨酸、最后与醛类、烃类等物质作用可生成不同的侧基而形成蛋白质。
关于生物大分子的形成方式,目前比较偏向的是在粘土上由有机分子缩合而来,雷鸣闪电、紫外线等是它们聚合的自然能源。
多分子体系的出现是化学论的第三个重要环节。游离的有机大分子并不能产生生命,而必须组成体系(分子团)并且形成界膜与环境明确分开,才可能进一步演变。因为生命的一个重要特征是新陈代谢,此代谢过程就意味着生命体自身与环境之间必有物质、能量的交换,因而多分子体
系是在生命形成之前,化学进化过程中的必然环节。
目前研究多分子体系的摸拟实验主要有团聚体和微球体两种。
我们在显微镜下能看见明胶水溶液和阿拉伯胶水溶液的混合里出现无数的小团,此即团聚体,后来发现蛋白质与糖类、不同种类的蛋白质相互混合,与核酸混合均可产生团聚体。有人把磷酸化酶加到含组蛋白和阿拉伯胶的混合溶液中,可以观察到酶浓缩在团聚体内;再把葡萄糖一1一磷
酸加到该溶液中,后者会扩散进人小团并被磷酸化酶聚合成淀粉,这个聚合反应使小团与小团外的环境发生了物质能量交换,聚合反应的能量由葡萄糖一1一磷酸的磷酸链提供,而反应释出的磷酸根则从小团内扩散到外环境去,这样的小团已是一个开放系统,若周围环境有充分的能量源,则小团不仅可长期存在下去,还会由于合成的淀粉而使小团体积不断增大,过份大时会分裂为较小的小团,这已表现出“生长”和“繁殖”(通过分裂)两个生命的特征,但这还不是生命。
另一说法是微球体理论,将酸性蛋白放人稀盐酸溶液中溶解冷却后可在显微镜下观察到许多微球体,它们是具有双层膜,较稳定,在高渗溶液中收缩,在低渗溶液中膨胀,能通过“出芽”和分裂方式进行“繁殖”,也表现出水解、脱梭、胺化、脱氧和氧化还原等多种酶的活性,这种微球体属类蛋白,因为它身上除了一些肤链外还有存在着其他化学链,所以它还不是真正的蛋白质,故不能被蛋白质酶完全水解,但微球体是由20种天然氨基酸为原料,模拟原始地球的干热条件产生出来的。因而微球体作为地球上最初出现多分子体系的方式,是比较有说服力的。人们最为关注的原始生命如何出现的问题,应该是在地球产生了大量的多分子体系之后的再一步重要的阶段性进化而形成。
多分子体系要进化为真正生命体,首先要具有该体系与周围环境之间的界膜,并且是具有生命通透性的界膜,即生物膜。生物膜形成之后多分子体系才能演变为原始细胞。现代的研究表明,生物膜是由脂质体的分子双层包围着一个含水的小区构成,而磷酸放在水中进行超声处理就得到脂质体。原始地球是通过什么方式产生生物膜的问题,一般认为是原始海洋中肯定有磷脂的存在,有了磷脂就容易形成脂质体,再经过长期演化可能发展形成原始的生物膜。
生命诸特征中另一个重要的特征是遗传机制。关于这个问题,是直至现在还没有模拟成功而也没被人类攻克的最后堡垒。但不少学者认为:最初比较稳定的生命体,主要由蛋白质和核酸组成的团聚体,其中核酸能自行复制并充分当模板,蛋白质的结构和催化作用,在核酸和蛋白质组成
的团聚体继续发展出现原始细胞。
当然,应该看到,核酸和蛋白质的团聚体也只是早期地球上各种各样的多分子体系存在的其中一种,但是其他的多分子体系未能推动生命的形成而被淘汰,核酸蛋白质的团聚体具有复制(遗传)的能力而自身保留下来,这当然也遵守“自然选择”原则。根据目前发现的组成生命体的20
种氨基酸与今天的信使核糖核酸(MRNA)的密码子精确的吻合,我们可以认为最初的原生命细胞是来源于上述的核酸、蛋白质团聚体发展的结果。
至今为止,生命的起源的各个环节上最终还未明白的原因,就在于这一环节—多分子体系到原始生命的过渡机制。若这个最关键的问题能在实验室中模拟成功,那么生命起源间题也就比较好解决了。
我们相信终究有一天人类会彻底认识生命起源中的最关键的环节而突破这个古老而重大的课题,那将是人类认识自然的一次巨大飞跃,可以预言,这个突破一旦实现,其科学价值和社会价值都将会令人惊叹!对社会的文明进步将产生巨大的推动。
参考资料:生命起源浅说 冯西