分子演化、复制和生命的起源_奇点天文奥秘

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分子演化、复制和生命的起源_宇宙时间奥秘
 
 
经过若干年辛苦的实物研究,达尔文得到如下结论:现今所有的物种在几十亿年以前,都有同一个祖先。这个所有生物为其后裔的老祖宗,一定是一个由单细胞或少数几个细胞组成的有机体。达尔文的基于变异  
和竞争选择的进化论,经过生物学家不断搜集资料,日益巩固了。但是,那最简单的生物又来自何处?达尔文没有答覆这个问题。有人提议过上帝,然而现代科学对神的干预的观念,是不太客气的。
 
难道说没有一个自然过程,能使一个单细胞从无机体产生出来吗?早期该观点持有者之一是耶稣会教士泰雅德沙丁(PierreTeilhard de Chardin 1881—1955),他一生的目的是想把科学和宗教融合为一。他认为有机体和无机体都随着时间的流逝,逐渐组织成越来越复杂的形式。这应该是关于自组织最早的想法之一。不幸的是,为了他的观点,泰雅德沙丁付出了很大的代价。1924 年,耶稣会禁止他在巴黎天主教研究所讲课。1926 年,他离开法国去中国流浪,最后死在纽约。
 
关于这种演化可能在何处发生,最有影响的早期想法之一出自达尔文本人。在他 1871 年写的一封信中,他写道:“但假设(当然这是个很大的“假设”)我们可以想象,在一个具有各式各样的氨盐、各式各样的磷酸盐、日光、热、电等等的温暖小池塘里,化学反应形成了一个蛋白化合物,接着又起更复杂的变化,  ”。
 
从现今观点来说,我们原则上可以理解,物质在时间上和空间里的组织——有机体显著的特征,经过远离平衡的不可逆过程,是可以出现的。每个细胞都是一个组织良好的工厂,在里面,惊人的化学反应在化学配料某种极不均匀的分布之下进行。在此层次可以看到的美,对神经系统作过前驱工作的卡哈尔(SantiagoRamónyCajal1852—1934)撰文描述如下,其中生物学术语较多,提及的知识也稍嫌过时,然而文笔确是华美。此文出现于 1937 年出版的卡哈尔自传——实验生物学中的一部经典著作。这里,卡哈尔描写他在显微镜里观测到的世界:
 
气管田里、喉咙田里种满着颤动的纤毛,纤毛由于隐藏着的刺激而波动,好像寒风吹进麦田;精虫不倦的鞭泳,气也来不及喘地奔向它情之所钟的卵子;神经细胞,最高等的有机元件,像章鱼一样伸出巨手长臂,一直伸到紧邻外界的边区,提防物理化学力不住的偷袭;建筑简单而严峻的卵子,看守着有机形态的秘密,它的星云状原形质中,围绕着胚胎旋转的是无数个世界,在未来周期里将要出现;肌肉纤维,一种高度复杂的动电电池,在它齐整的结构里,就像在机车里一样,热能转化为机械能;腺细胞简单地为活化学厂制造酵素,为了兄弟元素的利益,消耗自身的体物;脂肪细胞,家庭经济的模范,为了预防未来的饥荒,把生命宴席剩余的食品储存起来,以防备他日某器官罢工或营养发生危机。此等现象,如此多采,如此协调,强烈吸引着我们,对它们的默想,使我们的精神充溢着最纯洁、最崇高的满足情绪。
 
读过这段对微观世界一气呵成的描述,谁还会怀疑,生命存在于远离平衡的场合,那里到处都是变化?卡哈尔所描述的结构是可以出现的,条件就是四十六亿年前地球形成以后的早期,存在有恰当的自组织  
配方。我们要问:发生了什么事使一个不毛的、无生命的地球变成我们现在见到的样子?完全肯定地,我们知道很少;但是下面讲的,虽然有些地方是推测,还是多少有些道理。
 
那时,地球的大气由氢、氮、二氧化碳、甲烷、氨、硫化氢和水组成,但很缺氧。一般的想法和其它关于化学演化的看法一致,是考虑这些简单的分子如何可以整理成较复杂的分子。“生命前合成”的经典实验之一,由尤雷(Harold Urey)的一个学生米勒( Stanley Miller) 1953 年在芝加哥大学报道。米勒把他认为与原始大气类似的东西混成汤,放在一个缸里通电模拟闪电,发现缸里形成了某些氨基酸;我们所知道的生命少不了蛋白,而氨基酸是蛋白的基本元件。从那时起,已有大批的证据,说明一整套的生物学上重要的分子,包括基本遗传单元、核酸、酵素和诸如腺苷三磷酸的储能生物分子,都可以用类似的方法制成。这些证据主要是马里兰大学的彭恁帕如摩(Cyril Ponnemperuma),位于圣地亚哥的萨尔克研究所的奥尔格(Leslie Orgel),迈阿密大学的福克斯(Sidney Fox)等人取得的。
 
不足为怪,关于这些有机分子在无生命情况下的形成,别人也提出过另一些理论。其中之一说,这些简单分子先形成于太空,在叫做暗星云的气体和尘埃组成的云里,然后经由流星带来地球,把这些分子丢放在某些像泥塘这类有利的场所。有人进一步建议,说粘土不仅是制造这些简单元件的催化剂,并且本身就是早期生命形式的一部分,就是由遗传物体 DNA(脱氧核糖核酸)和 RNA(核糖核酸)控制的今日生命的铺路者。然而不管形成这些初始的复杂分子走的是哪条路,简单分子如何聚合成细胞总还是个问题。这过程牵涉到至少三个因素的演化:一、必须有一层膜把细胞本身和外界分开;二、必须有一个同化作用,由一套协调的(生物)化学反应组成;三、必须有基因,来指挥这首交响曲。
 
传统的看法是:开始是这些相互作用的分子被关在个别的结构里面,这些结构彼此之间的边界是半渗透性的,这样便允许复杂分子在时间上和在空间演化了。有奥帕林(Alexander Oparin)的“凝聚模型”,那里水滴围绕着带电粒子形成;有福克斯提出的过程,可以使氨基酸自我组织成微观小球;还有哥岱科(RichardGoldacre)的“类脂双层体”模型,那里脂肪分子联合力量,制造简单的膜状结构。目前看法强调 RNA 高分子的自催化功能是细胞膜形成以前的第一推动者。此种功能的发现使得耶鲁大学的阿尔特曼(Sidney Altman)和科罗拉多大学的捷克
 
(ThomasCech)荣获 1989 年的诺贝尔化学奖金;在他们的工作以前,所有生物学催化剂都被认为是蛋白。
 
如果我们从自组织原则出发,我们就可以对可能发生的情况,采取另一种和上述看法互补的看法。如果在生命出现以前的原始浑汤里存在有某种恰当的反馈机制,实现自组织的一般条件便成熟了。例如,如果  
浑汤里某种分子能催化自身的产生,非线性反馈——自组织的标志,便出现了。从而介质的均匀性将被破坏,引发出图案和节奏(可能经过类似杜灵 1952 年提出的途径),就像化学钟能显示时间上和空间中的图案一样。我们由此得到启示:应该力求一种机制,能耦合扩散和适当的非线性(生物)化学反应。
 
原始浑汤里的某个关键成分于是变为催化自我产生的一种或多种分子:自催化提供了非线性所需要的正反馈,虽然也有别种可能,例如更复杂的“互催化”,其中反馈是经由一系列连锁反应间接提供的。原始浑汤的性质究竟如何,仍在激烈争论之中,好在这性质是远在直接观测的范围之外。不过这里重要的只是原则性问题。对此,奥尔格和他加州萨尔克研究所的合作者做了极有意义的实验。他们证明了,上面提到的核酸具有自复制这最重要的性质:在核酸原料的纯粹化学混合体里,会有更多的核酸形成。
 
 

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