[昆植所]淺談生命的起源-----從米勒實驗說起
生命從哪里來？一代又一代的科學(xué)家不斷地探索地球上的生命起源，而相比而言，人從哪里來？這是人們或多或少都想過的問題，特別是“少不更事”的時候，長大后則理所當(dāng)然丟給哲學(xué)家們?nèi)ニ妓髁?，或者滿不在乎任神學(xué)家手握答案了。這個可大可小的問題，少數(shù)人------科學(xué)家、哲學(xué)家或者只是一個有仰望星空、關(guān)心根源的情結(jié)的普通人，視之為最重要的事絞盡腦汁去思考，甚至耗盡畢生也不放棄；多數(shù)人則毫不觸及或者忙于俗世生活避而不談。筆者認(rèn)為這一基本科學(xué)難題對于人類意義重大，因為真正了解過去才能明白未來，在此問題上，畢竟圣經(jīng)的創(chuàng)造論與漫無目的的物理世界將賦予生命很不同的意義。對于個體而言，或可以喚起童年時的好奇心而激發(fā)思考的火花，或可以讓人在難題面前始終保持謙遜的求知態(tài)度、敬畏大自然，而擁有這種好奇心和對真理不懈追求的愿景，對科研人員而言，無疑是很有益處的。
在此，筆者提不上啟迪讀者思考，只想在了解相關(guān)背景知識的基礎(chǔ)上分享自己的一些想法。
一、化學(xué)進(jìn)化論與米勒實驗
在生命起源問題上，化學(xué)進(jìn)化論目前為多數(shù)人所接受，類似于達(dá)爾文進(jìn)化論中的思想：從簡單到復(fù)雜的生命進(jìn)化樹，該學(xué)說認(rèn)為在原始地球的條件下，無機(jī)物可以轉(zhuǎn)變?yōu)橛袡C(jī)物，有機(jī)物可以發(fā)展為生物大分子和多分子體系，直到最后出現(xiàn)最原始的生命體機(jī)----一個最簡單、最原始的細(xì)胞，既原細(xì)胞(protocell)；這個學(xué)說起初也稱為“原始湯”(primodial soup)生命起源假說，由奧巴林和霍爾丹提出，他們認(rèn)為地球上的生命是由非生命物質(zhì)經(jīng)過長期演化而來的。
原始地球的天空
試圖為化學(xué)進(jìn)化論提供理論依據(jù)的是米勒，1952年美國芝加哥大學(xué)研究生S.L.米勒，在其導(dǎo)師H.C.尤里指導(dǎo)下，進(jìn)行了模擬原始大氣條件（如雷鳴閃電）的實驗，由無機(jī)物混合物（CH4、HO2、H2和少量NH3）得到了20種有機(jī)化合物，其中11種氨基酸中有4種(甘氨酸、丙氨酸、天門冬氨酸和谷氨酸)是生物的蛋白質(zhì)所含有的，而當(dāng)時人們認(rèn)為蛋白質(zhì)是生命的本質(zhì)。米勒的實驗（Miller’s simulated experiment）在當(dāng)時很有創(chuàng)新性，不僅啟發(fā)人們沿著化學(xué)進(jìn)化這一方向進(jìn)行更深入的研究，也啟發(fā)人們?nèi)ヌ剿魃锓肿拥姆巧锖铣伞?/p>
米勒實驗示意圖
另一方面，雖然米勒實驗得到了結(jié)論：由無機(jī)物合成小分子有機(jī)物是完全有可能的，但這還僅僅是觸及化學(xué)進(jìn)化，遠(yuǎn)不能完成揭示生命的奧秘。首先，很難證實米勒模擬的大氣狀況完全符合真實情況，例如無機(jī)小分子的種類、比例是否一致等，據(jù)說米勒自己也曾經(jīng)指出：“這些見解只是推測，因為我們根本不知道地球當(dāng)初形成時，大氣是否處于還原狀態(tài)?！壳斑€沒有直接的證據(jù)證實這一點”①；其次，即使米勒實驗的模擬是成功的，無機(jī)小分子生成生物小分子的反應(yīng)也只是在實驗室里成功地完成了，只是為歷史上的真實過程提供一種可能性，例如化學(xué)進(jìn)化的另一種可能方式是新泛種論” (neopanspermia)，即在地球早期演化過程中，星際有機(jī)分子可能進(jìn)入地球成為前生命化學(xué)進(jìn)化的基本原料。Miller和Urey在發(fā)表關(guān)于該經(jīng)典實驗的文章時，采用的題目為《在可能的早期地球環(huán)境下之氨基酸生成》（A Production of Amino Acids Under Possible Primitive Earth Conditions）②，表明只是一種可能的比較合理的猜測；再者，假設(shè)米勒解決了生物分子形成的問題，他距離生命起源的真正答案仍然很遙遠(yuǎn)，因為隨著科學(xué)研究的進(jìn)展，核酸又“攪進(jìn)了這個局”------19世紀(jì)末期，人們已經(jīng)證明了DNA（少數(shù)為RNA）才是遺傳物質(zhì)，由氨基酸構(gòu)成的蛋白質(zhì)是在其指導(dǎo)下合成的。
二、生物大分子的起源
我們先假設(shè)化學(xué)進(jìn)化學(xué)說是對的，那么由無機(jī)物得到簡單的有機(jī)物小分子，后者將進(jìn)一步構(gòu)成有生物功能的大分子，而這些生物大分子又是以什么順序出現(xiàn)？如同眾所周知的雞與蛋的先后之爭，生命機(jī)體形成過程中，DNA和蛋白質(zhì)出現(xiàn)的先后問題也困擾著許多研究學(xué)者。經(jīng)典的遺傳學(xué)中心法則，認(rèn)為DNA通過轉(zhuǎn)錄形成mRNA，mRNA指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成，即通過“翻譯”把堿基序列轉(zhuǎn)變?yōu)榘被嵝蛄?；在生物體內(nèi)，沒有蛋白質(zhì)作為酶的催化作用就不能合成DNA，而沒有DNA作為遺傳信息的指導(dǎo)，氨基酸也不能組合成有特定功能的蛋白質(zhì)分子。
DNA和蛋白質(zhì)出現(xiàn)順序，如同雞和蛋的先后之爭
另外，學(xué)術(shù)界還有一個觀點： 不是DNA先也形成不是蛋白質(zhì)，而是RNA（RNA world hypothesis；“RNA世界”一詞由諾貝爾獎得主沃特 吉爾伯特（Walter Gilbert）于1986年提出）③。隨著RNA作為某些病毒遺傳物質(zhì)載體的發(fā)現(xiàn)，以及對RNA分子的結(jié)構(gòu)和功能的研究，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)它既有DNA的自我復(fù)制能力，又具有蛋白質(zhì)的催化性質(zhì)，從而推測RNA可能是三者中最古老的分子，起初同時承當(dāng)了DNA和蛋白質(zhì)的功能，后來漸漸出現(xiàn)形態(tài)功能的分化，衍生出后兩者。羅德 懷特在1976年觀察到許多酶的必需輔因子是核苷酸或核苷酸衍生物，他提出這些核苷酸輔因子代表了“核酸酶的化石”（"fossils of nucleic acid enzymes"）④。
三、我們的難題
化學(xué)進(jìn)化學(xué)說（包括RNA世界假說）面臨一個著難題：在生命起源前的環(huán)境里，自然界如何把從生物小分子（氨基酸、核苷酸）變成生物大分子（蛋白質(zhì)、核酸）。正如《生命起源的奧秘：再評目前各家理論》指出：“我們在合成氨基酸方面的成就有目共睹，但合成蛋白質(zhì)和DNA卻始終失敗；兩者形成了強(qiáng)烈的對照”⑤。雖然，科學(xué)發(fā)展到今天，我們能以極大地效率在實驗室利用機(jī)器合成出需要的生物大分子，在生命起源前環(huán)境里的合成實驗卻“始終失敗”，這或許是大自然跟人類開的一個玩笑吧，以此提醒人們面對大自然、面對時間長河應(yīng)當(dāng)保持謙遜的姿態(tài)?！ ?/p>
隨著手性分子（其左旋分子和右旋分子互為對映異構(gòu)體）的發(fā)現(xiàn)，又一個謎擺在我們面前------生命對稱性破缺，即大自然神奇地選擇了L-氨基酸（左旋）構(gòu)建蛋白質(zhì)，而構(gòu)建核酸DNA和RNA的則是D-核糖。我們不得不承認(rèn)知識的圈子越大，所碰觸到的未知世界也就越大，人類在大自然面前正如牛頓所說的始終是一個“撿貝殼的孩子”。
氨基酸（除甘氨酸）是有手性的分子
因為沒有人目睹生命形成的過程，科學(xué)家研究的成果應(yīng)該說都只是假說、理論，不是絕對的事實，正如霍金提出的宇宙大爆炸理論（Big Bang theory），不管科學(xué)怎么進(jìn)步，如果這一理論是正確的，它本身意味著我們只能知道大爆炸發(fā)生以后的事情，大爆炸之前的情況根本難以想象，更無法得到百分之百的證明（不管有沒有事物存在或什么事物存在）。
霍金和宇宙大爆炸理論
科學(xué)研究的一般規(guī)律是，把自然規(guī)則研究清楚透徹，然后應(yīng)用到實驗室生產(chǎn)出人類的福利，即從大自然到實驗室，一種對規(guī)律的應(yīng)用；而在化學(xué)進(jìn)化理論試圖解決的“起源”問題上，既然是從無到有，實驗室就不能借用已找到的規(guī)律，而是要生產(chǎn)出規(guī)律去套用到大自然上，一反科學(xué)研究的常道，這是十分困難的。起源問題的論證，在我的視野之下，似乎成了悖論，因此要“證實生命起源”這個命題至少目前我覺得是遙遙無期的。
讓我們保持敬畏大自然的謙遜心態(tài)繼續(xù)“撿貝殼”吧。
參考文獻(xiàn)：
?、貸ournal of the American Chemical Society,1955-5-12
②Miller S. L. Production of Amino Acids Under Possible PrimitiveEarth Conditions. Science. 1953, 117:528. doi:10.1126/science.117.3046.528.
?、跥ilbert, Walter. The RNA World. Nature. February 1986, 319 (6055): 618.
?、躓hite, HB III. Coenzymes as Fossils of an Earlier MetabolicState. J Mol Evol. 1976, 7(2): 101–104.
?、軹he Mystery of Life’s Origin: Reassessing Current Theories。
