浅谈生命的起源-----从米勒实验说起

2017-03-09 13:55 来源:中国科学院昆明植物研究所 
2017-03-09 13:55:50来源:中国科学院昆明植物研究所作者:责任编辑:肖春芳

  生命从哪里来?一代又一代的科学家不断地探索地球上的生命起源,而相比而言,人从哪里来?这是人们或多或少都想过的问题,特别是“少不更事”的时候,长大后则理所当然丢给哲学家们去思索了,或者满不在乎任神学家手握答案了。这个可大可小的问题,少数人------科学家、哲学家或者只是一个有仰望星空、关心根源的情结的普通人,视之为最重要的事绞尽脑汁去思考,甚至耗尽毕生也不放弃;多数人则毫不触及或者忙于俗世生活避而不谈。笔者认为这一基本科学难题对于人类意义重大,因为真正了解过去才能明白未来,在此问题上,毕竟圣经的创造论与漫无目的的物理世界将赋予生命很不同的意义。对于个体而言,或可以唤起童年时的好奇心而激发思考的火花,或可以让人在难题面前始终保持谦逊的求知态度、敬畏大自然,而拥有这种好奇心和对真理不懈追求的愿景,对科研人员而言,无疑是很有益处的。

  在此,笔者提不上启迪读者思考,只想在了解相关背景知识的基础上分享自己的一些想法。

  一、化学进化论与米勒实验

  在生命起源问题上,化学进化论目前为多数人所接受,类似于达尔文进化论中的思想:从简单到复杂的生命进化树,该学说认为在原始地球的条件下,无机物可以转变为有机物,有机物可以发展为生物大分子和多分子体系,直到最后出现最原始的生命体机----一个最简单、最原始的细胞,既原细胞(protocell);这个学说起初也称为“原始汤”(primodial soup)生命起源假说,由奥巴林和霍尔丹提出,他们认为地球上的生命是由非生命物质经过长期演化而来的。 

浅谈生命的起源-----从米勒实验说起

原始地球的天空

  试图为化学进化论提供理论依据的是米勒,1952年美国芝加哥大学研究生S.L.米勒,在其导师H.C.尤里指导下,进行了模拟原始大气条件(如雷鸣闪电)的实验,由无机物混合物(CH4、HO2、H2和少量NH3)得到了20种有机化合物,其中11种氨基酸中有4种(甘氨酸、丙氨酸、天门冬氨酸和谷氨酸)是生物的蛋白质所含有的,而当时人们认为蛋白质是生命的本质。米勒的实验(Miller’s simulated experiment)在当时很有创新性,不仅启发人们沿着化学进化这一方向进行更深入的研究,也启发人们去探索生物分子的非生物合成。

浅谈生命的起源-----从米勒实验说起

米勒实验示意图

  另一方面,虽然米勒实验得到了结论:由无机物合成小分子有机物是完全有可能的,但这还仅仅是触及化学进化,远不能完成揭示生命的奥秘。首先,很难证实米勒模拟的大气状况完全符合真实情况,例如无机小分子的种类、比例是否一致等,据说米勒自己也曾经指出:“这些见解只是推测,因为我们根本不知道地球当初形成时,大气是否处于还原状态。……目前还没有直接的证据证实这一点”①;其次,即使米勒实验的模拟是成功的,无机小分子生成生物小分子的反应也只是在实验室里成功地完成了,只是为历史上的真实过程提供一种可能性,例如化学进化的另一种可能方式是新泛种论” (neopanspermia),即在地球早期演化过程中,星际有机分子可能进入地球成为前生命化学进化的基本原料。Miller和Urey在发表关于该经典实验的文章时,采用的题目为《在可能的早期地球环境下之氨基酸生成》(A Production of Amino Acids Under Possible Primitive Earth Conditions)②,表明只是一种可能的比较合理的猜测;再者,假设米勒解决了生物分子形成的问题,他距离生命起源的真正答案仍然很遥远,因为随着科学研究的进展,核酸又“搅进了这个局”------19世纪末期,人们已经证明了DNA(少数为RNA)才是遗传物质,由氨基酸构成的蛋白质是在其指导下合成的。  

  二、生物大分子的起源

  我们先假设化学进化学说是对的,那么由无机物得到简单的有机物小分子,后者将进一步构成有生物功能的大分子,而这些生物大分子又是以什么顺序出现?如同众所周知的鸡与蛋的先后之争,生命机体形成过程中,DNA和蛋白质出现的先后问题也困扰着许多研究学者。经典的遗传学中心法则,认为DNA通过转录形成mRNA,mRNA指导蛋白质的合成,即通过“翻译”把碱基序列转变为氨基酸序列;在生物体内,没有蛋白质作为酶的催化作用就不能合成DNA,而没有DNA作为遗传信息的指导,氨基酸也不能组合成有特定功能的蛋白质分子。

浅谈生命的起源-----从米勒实验说起

DNA和蛋白质出现顺序,如同鸡和蛋的先后之争

  另外,学术界还有一个观点: 不是DNA先也形成不是蛋白质,而是RNA(RNA world hypothesis;“RNA世界”一词由诺贝尔奖得主沃特·吉尔伯特(Walter Gilbert)于1986年提出)③。随着RNA作为某些病毒遗传物质载体的发现,以及对RNA分子的结构和功能的研究,科学家发现它既有DNA的自我复制能力,又具有蛋白质的催化性质,从而推测RNA可能是三者中最古老的分子,起初同时承当了DNA和蛋白质的功能,后来渐渐出现形态功能的分化,衍生出后两者。罗德·怀特在1976年观察到许多酶的必需辅因子是核苷酸或核苷酸衍生物,他提出这些核苷酸辅因子代表了“核酸酶的化石”("fossils of nucleic acid enzymes")④。

  三、我们的难题

  化学进化学说(包括RNA世界假说)面临一个着难题:在生命起源前的环境里,自然界如何把从生物小分子(氨基酸、核苷酸)变成生物大分子(蛋白质、核酸)。正如《生命起源的奥秘:再评目前各家理论》指出:“我们在合成氨基酸方面的成就有目共睹,但合成蛋白质和DNA却始终失败;两者形成了强烈的对照”⑤。虽然,科学发展到今天,我们能以极大地效率在实验室利用机器合成出需要的生物大分子,在生命起源前环境里的合成实验却“始终失败”,这或许是大自然跟人类开的一个玩笑吧,以此提醒人们面对大自然、面对时间长河应当保持谦逊的姿态。

  随着手性分子(其左旋分子和右旋分子互为对映异构体)的发现,又一个谜摆在我们面前------生命对称性破缺,即大自然神奇地选择了L-氨基酸(左旋)构建蛋白质,而构建核酸DNA和RNA的则是D-核糖。我们不得不承认知识的圈子越大,所碰触到的未知世界也就越大,人类在大自然面前正如牛顿所说的始终是一个“捡贝壳的孩子”。 

浅谈生命的起源-----从米勒实验说起

氨基酸(除甘氨酸)是有手性的分子

  因为没有人目睹生命形成的过程,科学家研究的成果应该说都只是假说、理论,不是绝对的事实,正如霍金提出的宇宙大爆炸理论(Big Bang theory),不管科学怎么进步,如果这一理论是正确的,它本身意味着我们只能知道大爆炸发生以后的事情,大爆炸之前的情况根本难以想象,更无法得到百分之百的证明(不管有没有事物存在或什么事物存在)。

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霍金和宇宙大爆炸理论

  科学研究的一般规律是,把自然规则研究清楚透彻,然后应用到实验室生产出人类的福利,即从大自然到实验室,一种对规律的应用;而在化学进化理论试图解决的“起源”问题上,既然是从无到有,实验室就不能借用已找到的规律,而是要生产出规律去套用到大自然上,一反科学研究的常道,这是十分困难的。起源问题的论证,在我的视野之下,似乎成了悖论,因此要“证实生命起源”这个命题至少目前我觉得是遥遥无期的。

  让我们保持敬畏大自然的谦逊心态继续“捡贝壳”吧。(林丽莎)

  参考文献

  ① Journal of the American Chemical Society,1955-5-12

  ③ Gilbert, Walter. The RNA World. Nature. February 1986, 319 (6055): 618.

  ④ White, HB III. Coenzymes as Fossils of an Earlier MetabolicState. J Mol Evol. 1976, 7(2): 101–104.

  ⑤ The Mystery of Life’s Origin: Reassessing Current Theories。

[责任编辑:肖春芳]

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