第二章第三节

第三节生命的起源

“生命是从哪儿诞生的?”古往今来，许多哲学家和科学家都致力于寻求这个答案。一种观点认为，生命是自然界自然而然地产生出来的；另一种观点认为，生命是从其它星球上飞来的；第三种观点则认为，生命是上帝创造的……因而形成了各种各样的设想和假说。

一、关于生命起源的各种假说

1．神创论

在古代，“神创造生物”的宗教思想很流行，基督教圣经的“创世记”是“神创论”的主要代表。按照“创世记”的说法，天体、大地以及各种生物，包括人类，都是由一个“万能”的上帝在6天之中分别创造的。这种宗教迷信的邪说虽然是极其荒诞的，可是在欧洲中世纪的漫长年代里，它和亚里士多德(L·Aristote)的灵魂观念结合在一起，被奉为当时科学的“最高圣典”，统治欧洲的精神生活长达千年之久。很明显，“神创论”是发展科学的枷锁，它严重地阻碍了对生命起源问题的科学探讨。

2。自然发生论

在科学不发达的古代，人们根据表面现象的观察，认为生命是自然发生的。“自然发生论”主张，地球上的一切生物，包括结构复杂的高等生物在内，最早都是直接从非生命物质中突然产生出来的。在中国、埃及、希腊、罗马等国家的古老文献中，都有这种观念的记载。例如，在我国有流传至今的“腐草化萤”、“腐肉生蛆”、“汗液生虱”等观念。

欧洲文艺复兴之后，科学精神得到发扬，自然科学有了迅速发展。1668年，雷地用科学实验证明古代那种生命自然发生说是不科学的，虱、蛆虫等等是不能自然发生的。雷地的实验是这样做的：用一块纱布盖在有鱼、肉的瓶口上，以便使腐肉同生物(苍蝇等)隔开。这样，不管瓶中的肉腐臭多久，招来多少苍蝇，瓶中也生不出蛆虫来。因为苍蝇不能把卵产在腐肉上。雷地的实验令人信服地说明，动植物不可能自然发生。雷地使那种认为现在生存的动植物甚至高等哺乳动物都可以自然发生的思想，受到了毁灭性的打击。但是，雷地的工作只是否定别人的错误观点，并没有科学地回答生物到底是从哪里来的这个根本问题。

3．生源论

大约同雷地做实验的同时，列文虎克(A·V·1eeuwenhoek)发现了人们过去从来不知道的微生物世界，如各种细菌、鞭毛虫、酵母菌等等。法国细菌学家巴斯德(L·Pasteur)通过一系列的实验证明：和其他现存的生物一样，渺小的微生物也是不能自然发生的；微生物只能由散存于空气、土壤、水流和各种物件上的微生物孢子(胚种)而产生。巴斯德的实验是这样做的：把肉汁注入到一个曲颈瓶内，然后用火将肉汁煮沸，以达到杀死其中微生物和微生物孢子的目的。经过这样处理后，瓶内肉汁就再也不会腐败了，也就是说不再有微生物产生了。巴斯德断言生物只能由同类生物产生。这就是流行一时的生命只能来自于生命的“生源论”。巴斯德把有机界和无机界绝对地割裂开来，断然否定地球上的最初生命是从非生命物质发展来的可能性。他的实验也并没有证明最原始的生命不管在什么条件下都不能从非生命物质产生，而只是证明现存的任何简单的生物不能一下子从非生命物质中直接产生。

4．宇宙生命论(生命永恒论)

一些生物学家无批判地完全相信巴斯德的生源论思想，但又不愿屈从于上帝，于是设想出“宇宙胚种”的概念，并且提出生命在整个宇宙中是永恒的，即所谓生命永恒论。李比希(J·F·Liebig)提出：“我们可以假定，生命正像物质自己那样古老，那样永恒，而至于生命起源的一切争论，在我看来已由这个简单的假定给解决了。事实上，为什么不应当去想一想有机的生命正像碳和其他化合物一样，或者正像不可创造和不可消灭的所有物质一样，正像永远在宇宙空间中的物质的运动联结在一起的力一样，是原来就有的呢?”他又说：“我们星球上的有机生命可能从宇宙空间‘输入’的这产假说是可以接受的。”生命永恒论是没有科学根据的。科学早已证明：除了一般的物质及其能量是不生不灭的以外，一切具体的事物，包括化学元素在内，都是有生有死的，都有一个产生、发展和消亡的过程。

5．原始发生论。

19世纪初以来，由于道尔顿(J·Dalton)原子论的提出(1803年)，化学开始了飞跃的发展，分析化学的兴起及其随后在生物学中的应用，使人们对生物的化学构成等方面的认识有了长足的进步，促进了对生命起源的科学认识。这种进步主要有以下几个方面；

第一，认识到构成生物体的化学元素，无例外地都存在于非生命世界中。现在知道，生命体中的化学元素主要有21种。其中，宏量元素11种，微量元素10种。事实说明，生物体中没有任何自身独有的“生命元素”，这表明了生物同非生物在化学元素上的统一性。

第二，对构成生物体的化合物也有了进一步的认识，除早已认识到的糖类、脂类之外，从19世纪30年代中期到40年代中期的十多年间，对蛋白质也有了初步的认识。

第三，1828年，维勒(F·Wohler)正式公布了他用无机化合物合成尿素的成果。随后，1845年用无机物合成了有机化合物醋酸，后来又合成了柠檬酸、苹果酸等。1854年，合成了脂类。1861年合成了糖类等过去一直认为只能由具有生命力的生物合成的有机物。这样，有机界同无机界的鸿沟开始填平了。

凡此种种成果，使得进化论者很自然地想到，生命由无机物自然发生是完全可能的。海克尔(E·H·Haeckel)等人指出：巴斯德等人的实验证明了生命在现今的地球条件下，不可能自然发生，但他却没有证明在地球形成之初，在原始地球条件下，生命也不可能自然发生。自从康德、拉普拉斯提出星云假说之后，由于天文学等方面的发展，人们认识到，当今的地球同原始的地球有很大的差别。因此，耐格里(Legri)、赫胥黎(T·H·Huxley)等人相继提出原始发生的思想。他们认为：原始生命是在最初的原始地球条件下，由无机物自然发生而来的。由此提出了一条全新的探索生命起源的科学之路。

二、现代科学的观点

真正采用科学方法研究生命的起源，还是到了20世纪才开始的。现代科学的观点是：生命一定是在地球诞生和进化的过程中，从非生物产生出来的。

1．生命前的化学进化

在距今大约40亿年前，地球诞生后不久，原始地球表面逐渐形成了坚硬的地壳，浩瀚的海洋愈益扩展。被人们誉为“水的行星”的地球，至今还有3／4的表面被海洋所覆盖。可见，那时的浅海大概要比现在的海面更为广阔。笼罩着

这个原始地球的主要成分是甲烷、氨、氢和水蒸气，还含有二氧化碳。而氧当时几乎还不存在。这种思想是由原苏联学者奥巴林(А·Н·Опарин)在1924年首先提出来的，他认为原始地球上的大气是还原性的，这种大气在太阳辐射出的强烈紫外线、雷电和火山爆发的热量等的作用下，被激活的大气中的分子便相互进行化学反应而结合起来，结果便产生了诞生生命所必需的各种有机物质。这个结论已经过实验证明。1953年，美国青年科学家米勒(Miller)按照这种还原性大气的主要成分而进行的人工模拟原始地球条件下合成氨基酸的实验获得巨大成功。米勒的实验装置是一种由烧瓶和玻璃管构成的简易装置。将水倒入烧瓶后，加热沸腾形成水蒸气。然后在这种水蒸气中加进甲烷、氨和氢的混合气体，用电线通上60000V的高压电，使其产生火花放电。水蒸气、甲烷、氨和氢的混合气体如同原始大气的成分一样，而火花放电则代替了雷电。当实验持续到一周以后，烧瓶中的水呈深红色。这是由于火花放电的能量引起原始大气的反应，生成的有机物积留在水中的缘故。米勒当时采用新的分析技术探查了水中究竟积留了什么物质，他意外地发现其中除含有甘氨酸和丙氨酸等重要的氨基酸之外，还有诸如乳酸、醋酸、尿素和蚁酸等大约20种有机物质。由于产生的有机物比预料的多，所以米勒的导师尤里博士推断，“原始地球汤海中的有机物的浓度一定曾经达到1／100左右”，其他各国科学家的实验也都证实了米勒的实验。此外，用紫外线或放射线(γ射线和电子射线)代替火花放电，也同样能够制造有机物质。

大气中形成的有机物随着降雨一起溶入海洋后逐渐积聚起来，于是从氨基酸那样简单的物质演变为复杂的有机物质。蛋白质、核酸、多糖类等生命不可缺少的复杂有机物一定是在浅海海底的粘土表面层逐渐形成的。人们把溶解大量有机物质的原始海洋称为“汤海”，生命就诞生在这里。

2．生命的起源

奥巴林正是依据上述思想来进行他的生命起源研究的。他以生源性的蛋白质为中心组分，同其他有机高分子，如多聚核苷酸、组蛋白等各种蛋白质或阿拉伯树胶等碳水化合物分别混合，这些混合物的水溶液在一般温度和酸碱度等条件下，会自然凝成一个个的小滴。奥巴林把这些小滴叫团聚体，这些团聚体外面自然包裹着一层外膜。在功能上，它们具有选择性吸收的能力，在适宜的条件下，可以呈现某种新陈代谢、生长、繁殖等类似生命活动的现象。因此，奥巴林认为，团聚体可能是从原始蛋白质演化为原始生命的过渡性的结构形式和场所。

美国的福克斯(G·Fox)博士认为，很可能是由于火山热生成蛋白质。福克斯把若干种氨基酸混合在一起并适当地加热，便发现形成类似于蛋白质的物质，因而被命名为“类蛋白”。当将这种类蛋白放入热食盐水中时，就分裂成微粒，只能在显微镜下才能勉强看到一些小球。这种小球称为“微球体”。福克斯指出，在海洋附近的火山地带，氨基酸受热就变成类似蛋白质的类蛋白，它溶解于海水后就成“微球体”。这种微球体与团聚体一样也可能成为原始细胞的基础。

但是，限于科学水平和指导思想的局限，他们没有能够完成生命起源的研究，也就不能回答生命的基本活动之一的遗传过程的起源。

蛋白质就是生命的思想，在生物学中统治了近一个半世纪。1944年，艾弗里(O·T·Avery)通过转化实验证明，遗传物质不是蛋白质，而是脱氧核糖核酸(DNA)。直到1951～1952年，赫尔希和蔡斯利用同位素标记法研究噬菌体感染细菌的过程时才发现，侵入细菌体内的只是噬菌体的DNA，其蛋白质外壳只有1％～2％随DNA进入细菌体内，绝大多数留在外面。这时，核酸遗传功能才得到公认。

1953年，DNA双螺旋结构被发现。经研究表明，从细菌到人类，他们所使用的遗传密码原则上就是一套，只有个别例外。这些发现暗示了在生命起源的过程中，必然有一个同蛋白质的原始发生同样重要的核酸的发生。20世纪60年代人们已经清楚，在生物界，蛋白质是在遗传密码的程序调控下合成的，而核酸的复制合成是由蛋白体(酶)催化完成的，它们相互依存，循环发展。但是，在它们各自原始发生之前，是没有什么循环及相互作用可言的。这样，就产生了一个谁先产生的问题。

奥巴林、福克斯等人认为，蛋白质是生命的执行者，它在所有生命物质中最重要，所以理应首先产生蛋白质，然后由这些蛋白质形成类似团聚体和微球体那样的多分子体系，再由这些团聚体把具有贮存和传递遗传信息功能的核酸吸收进来，通过选择、协同和不断有序化，最后形成原始生命。

20世纪60年代以后，另一些学者如克里克(F·H·C·Crick)等人认为，蛋白质的合成是受核酸指令控制的，没有核酸就没有蛋白质；同时设想，核酸由自我催化，构成自我繁殖体系，然后把具有催化功能的蛋白质吸收进来，逐渐形成原始生命。有人甚至认为，只要出现了核酸分子，原始生命就诞生了。

这种只建立在核酸基础上的生命，有一个致命的弱点，就是如果没有酶(蛋白质)的帮助，核酸的人工合成至今没有成功。“核酸生命”还有一个致命缺陷，那就是由于半保守性复制，核酸分子中不断发生的突变会得到误差积累，结果使得任何进化都难以实现。因此，为了保证稳定和进化，必须有保护性机制，这在现存生物体中都是由蛋白质(识别和修复系统)完成的。核酸自身没有这种功能。

美国物理学家戴森通过对截止到20世纪80年代的有关成果进行的全面分析，针对存在的问题，他提出：原始生命不是只有一次起源，而是两次起源。他认为，惟一可能的出路就是核酸靠蛋白质催化完成。这就是说，他认为蛋白质是首先独立自我发生的。戴森指出，同核酸的困难相对照，蛋白质独立自我发生比较容易，这已由米勒和福克斯等人的诸多实践所证明。并且，奥巴林证明，以蛋白质为中心组分形成的团聚体小滴，可以具有类似生命的新陈代谢、生长、繁殖等活动。戴森通过数学分析的结果表明，蛋白质分子在原始细胞(团聚体)内可以自我随机复制，并且可以允许高达20％～30％的误差率。这样，如果是由5个氨基酸构成的活性中心，就会保持有1／4的机会准确复制，从而保证了该种分子已有的正常功能，这是奥巴林团聚体学说的一大优点。同时，戴森的分析还表明，一个分子群体(团聚体)可以拥有2000～20000个分子，这样大的能够自保持(不退化消亡)的群体，核酸是达不到的。蛋白质不但可以形成上述大分子群体，并且允许高突变率，这就保证了团聚体的稳定存活，同时也保证了其代谢功能得以实现，并能够不断复杂化、有序化。

基于上述种种情况，戴森支持奥巴林的学说，认为原始地球上首先起源的是蛋白质。他认为，奥巴林的团聚体可能是生命起源最适宜的演化场所，是从原始蛋白质群体进化为原始生命的过渡性结构形式。

那么，核酸是怎么起源的呢?戴森把核酸同蛋白质的关系类比成计算机硬件与软件的关系。他指出，核苷、核苷酸、核酸是在团聚体中由蛋白质催化合成的。如此原始发生的核酸同蛋白质的关系，最初只是作为寄生物存在于团聚体之中，结果有的团聚体因此而“得病”死亡，被淘汰了；有的则逐渐变得能够容忍核酸及其复制活动，从而使得它们之间的关系进化成一种寄生关系。后来，又经过数百万年，才一步步建立起协同的耦合关系，形成了互相依赖的共存、共生的有机整体。如此推动了团聚体形成原始的但具有如现代生命的基本结构和属性的生命

形式。戴森的生命两次起源的基本思想认为：首先是蛋白质的原始独立起源，由这些蛋白质形成团聚体，并不断改进其代谢机能，这是生命的第一次起源；随后，团聚体在外界供应有关原料的条件下，通过蛋白质的催化合成核酸。核酸同蛋白质经过选择与协同耦合起来，形成原始生命，这是生命的第二次起源。只有经过这样两次起源，一种初步完善的生物才出现在我们的地球上。

由此，我们得出生命起源的途径可以划分为化学进化和生物进化两个层次和5个阶段。这五个阶段是：①生命物质的原料的产生；②生物小分子(如氨基酸、核糖等)的合成；③由生物小分子合成生物大分子，蛋白质、核酸；④以蛋白质和核酸为主要成分的多分子体系的出现，如团聚体和微球体；⑤具有原始细胞结构和自我更新、自我繁殖能力的原始生命的形成。

思考题

生命的起源可分为哪些层次和阶段?试简单叙述之。