书城科普读物拨开人类生存的迷雾(科普知识大博览)
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第9章 生命的起源之谜(1)

相对于宇宙的年龄来说,地球和它所绕转的恒星(太阳)都是“晚辈”,我们的行星是在46亿年前从太阳诞生后的残余物中形成的。

据推断,那时候整个宇宙已经是110亿~160亿年高龄了。像所有行星的形成一样,地球开始形成时候的壮观程度简直超乎想象,甚至当地球成形后,其表面仍然保持融熔状态达6亿年之久。

地球内受地核加热,外遭小行星撞击,致使温度升高,海水沸腾。地质学家把这个时期称为地球历史上的“地狱”时期,那时的地球确实像地狱。

过了相当长的一段时间后,持续不断的小行星撞击停止了,残余的小行星逐渐在轨道上安定下来,不再对地球构成大的威胁。

这时,碳、氮、氢和氧的各种化合物开始“化合成氨基酸和其他构成生命的基本化合物”。

正如诺贝尔奖获得者克里斯蒂安·德·杜弗在他于1995年所著的《至关重要的尘埃》中所写,“这些化合物随着降雨、彗星和陨石散落在毫无生命的地球表面,形成一张有机物之毯”。

结果,这个富含碳的薄层又受到地球和坠落在地球表面的天体的“搅拌”,并遭到强烈的紫外线辐射。今天的紫外线的强度可不能与当初相比,由于有地球大气的阻挡,今天的紫外线辐射微弱多了。

这些物质最终流入大海,正如著名英国科学家霍尔丹在他1929年的一篇著名论文中写的“原始海洋成为一锅热的稀汤”。这个过程的主要副产品是一些棕红色的黏稠的东西,被命名为“黏性物”或“黏泥”或别的令我们想起童年时的操场之类的名字。

那些长期以来反对查理·达尔文的关于人类是类人猿和黑猩猩近亲的理论的人恐怕受到这个最新的“侮辱”后要发疯了——人类最原始的祖先居然是“黏泥”。

因此,我们现在得到了像稀汤一样的海洋和许多无处不在的黏泥,那么生命是如何从这些原料中产生的呢?这就是谜题的开始之处。大家普遍承认RNA起了关键的作用,RNA即核糖核酸,与决定我们人类和其他所有生物的遗传物质DNA是近亲。

但是,人们对生命是如何、何时、在何处起源的问题一直争论不休,先让我们大致看一下点燃争论之火的几个问题。

生物学家和化学家一直认为自从大约38亿年前地球冷却和小行星雨结束后,生命至少花了10亿年的孕育时间。这意味着地球的生命史不超过28亿年。

但是越来越多的地质学甚至是化石证据表明细菌远在此之前就存在了。格陵兰的IsuaFormation组成了地球上最古老的岩石,据测定,年龄为32亿年,其中含有碳(这是所有已知的生物中最基本的元素)和细菌光合作用的特征。许多地质学家接受了生命存在于比这更早时期的观点——果真如此的话,比细菌更原始的有机体应该存在于更早的时期。

比吉尔·拉斯穆森是澳大利亚西部大学的地质学家,最近在澳大利亚西北部的皮尔巴拉·克拉顿发现了一种存在于35亿年前的微小的线状生物的化石,同时在澳大利亚西部的一个火山口发现了32.35亿年前的“可能”为化石的东西。

这些证据同时带来了一个严肃的问题:生命的起源将被推后到“地狱”时期结束后的20万年,在许多生物学家看来,这段时间对于化学过程来说未免太短了。

拉斯穆森最新的发现公布在1999年6月的《自然》杂志上,这个发现却使科学家陷入了进退两难的境地。

因为生物分子,如蛋白质和核酸等是生命之本,它们比较脆弱,在低温下可以存活很长一段时间,许多化学家始终坚持认为生命应该起源于低温,甚至是零度以下的环境中。

但是拉斯穆森发掘出来的微小的线状生物的化石是在火山口附近,可见构成这种生物的原料也应该来自火山口附近,那可是温度极高的地方啊。

事实上,现在仍然活着的最古老的有机体是生活在火山口和温度高达230°C(110°C)的温泉里的细菌。这些古老火山细菌的存在强有力地支持了由其他科学家提出的高温环境说。

低温环境观点的支持者之一是斯坦利·L·米勒,他于1953年在芝加哥大学做了一系列试验,这些试验为他赢得了声望。然后,他成为一名研究生,在诺贝尔奖获得者、化学家哈罗德·尤里门下学习。

尤里因发现重氢(氘)而荣获诺贝尔奖。尤里相信地球早期大气是由氢分子、甲烷分子、氨分子和水蒸气等混合而成的,其中氢分子的含量最为丰富。(注意除了在水分子中含有氧以外,原始大气中不含氧分子。生物必须通过光合作用吸收二氧化碳,放出氧气,从而使得更复杂的生命形式得以形成。)米勒把尤里所提到的那些化学元素放在一个密封的玻璃容器里,然后对它们进行了几天的放电,用于模拟大气闪电。令他惊奇的是,玻璃容器中出现了略带粉色的辉光,在分析最终结果时,他发现了两种氨基酸(所有蛋白质的组成成分),还有一些其他的被认为只有活细胞才能产生的有机物。

他的导师极不情愿地表示嘉许的这个实验不仅使米勒成名,同时还创造了一个新的学科即非生物化学,该学科主要致力于从推测可能是生命出现之前的条件中制造生命物质。

“推测”这个词在这里是至关重要的,关于生命出现之前地球大气是什么样子的推测经常在变化。

自从米勒1953年的实验完成以来,人们又做了很多实验,尽管制造出了一些不同种类的重要的分子,但是没有制造出任何可以称为生命的物质。

正如德·杜弗在《至关重要的尘埃》中所提到的,这种实验是在人为的条件下进行的,在这些丰收成果中,米勒的起源实验堪称典范,实际上是惟一一个为了再现生命起源发生的条件而做的令人信服的实验,实验前根本不知道最终产物是什么。

换句话说,要想把实验调整到可能产生一些产物是很容易的,但是条件本身可能有点太凑巧了。这种实验无论如何也没有制造出生命,甚至生命最简单的形式——没有细胞核的单细胞也没有制造出来。

正如《纽约时报》记者尼古拉斯·韦德在报道拉斯穆森的最新发现时说的“化学家尽最大的努力在实验室中重造典型的生命分子,这种努力只能说明这是一个相当困难的问题”。

探索生命起源的两个主要研究领域都存在较大的问题。不仅仅是生命最早开始出现的年代被一再往前推,以至于似乎没有足够的时间来发生创造生命的化学变化,而且那些化学反应本身也存在着许多谜。

实际上,尽管技术的发展日新月异,我们对遗传物质的了解也日益增多,但是1953年米勒的实验仍然是这类研究中最纯粹的范例。

然而一些新的突破对米勒的实验提出了疑问,许多科学家认为米勒所利用的建立在他的导师哈罗德·尤里的工作基础之上的元素的平衡事实上是不正确的,如果打破这种均衡,正如在实验室所测定的,米勒所得到的氨基酸就不会产生了。

新的问题犹如乌云遮蔽了生物进化图景,这个图景曾经在“种系树”上似乎是如此清晰。种系树反映了生物的进化史,人们可以沿着它的枝干追根溯源。

进化的种系树是达尔文在19世纪为了表示动物群的演化史而提出来的。第一张复杂的种系树图谱是德国博物学家恩斯特·海克尔绘制的,他同时还创造了“生态学”这个词。DNA的发现使人们不仅可以绘制出动物和植物的种系树图谱,而且可以绘制出构成动植物的生命体的遗传物质的种系树图谱,它能使我们更深刻地理解生命的进化过程。

为了绘制这些种系树图谱,研究者利用了一种比较测序的方法,首先测定一种生物体中组成核酸或组成蛋白质的氨基酸的分子的排列顺序,然后把它与另外一种生物体进行比较。

利用这种技术,有可能发现种系树上的两根细“枝”的距离究竟有多远,并揭示出引发种系树“分出枝桠”(因为生物体的进化或突变)的机制是什么。(这种技术也能帮助研究者确定现存的生活在高温火山口的古老的生物体的年龄。)测序任务也许用猜字游戏来形容更容易理解,猜字游戏的游戏规则是,给出一个长的单词,要求游戏者利用这个单词的所有字母组合出许多短的单词,看看最后有多少种不同的组合法。

世纪70年代后期,伊利诺伊大学的卡尔·沃斯把比较测序方法应用到存在于所有生物体的RN分子上,结果得到了一张比以前所猜想的要复杂得多的种系树图谱。

这棵种系树有三个明显的分支,描绘了三类基本的生物体:原核生物、古菌和真核生物。