充滿爭議的生命起源假說：源自礦物晶體而非DNA有機分子
一塊黏土
黏土中的晶體
黏土的組成有許多形式
1966年，一位年輕的化學家提出了一個頗有爭議的地球生命起源假說。50年過去了，他的理論是否得到了某種程度的驗證？從表面上看，毫無生氣的石頭似乎怎麼也無法和生命聯繫在一起，畢竟只有在受到衝擊的時候，石頭才會移動一下。但是，石頭內部的礦物是否與生命的起源存在聯繫呢？化學家格雷厄姆·凱恩斯-史密斯的整個科學生涯都在推動一個簡單而又充滿爭議的理論：生命並不是來源於類似脫氧核糖核酸（DNA）的有機分子，而是來源於簡單的礦物晶體。
如今，距離凱恩斯-史密斯第一次提出生命起源的觀點已經過去了半個世紀。一些科學家嘲笑他；另一些則謹慎地，或者全心全意地表示贊同。這些觀點從未成為主流學說，但也從未被完全拋棄。那麼，凱恩斯-史密斯的驚人理論有哪些合理的地方？生命是否真的起源於礦物晶體？
凱恩斯-史密斯現年85歲，與妻子多蘿西居住在英國格拉斯哥郊區。他患有一種與帕金森氏症有關的罕見疾病，行動不便。然而，他在科學上的好奇心和對生活的幽默感並沒有消退。他的科學著作，以及他繪製的科學草圖，擺滿了他家樓上的書房——與他家裡的繪畫作品一樣多。20世紀50年代，當凱恩斯-史密斯在愛丁堡大學求學的時候，他開始對生命起源的問題產生了濃厚的興趣。
儘管學習的是有機化學，但凱恩斯-史密斯知道，生命的基礎分子——如DNA和蛋白質——會變得非常脆弱並迅速變化。因此，這些複雜的分子是如何從含有簡單化合物的原生湯中形成的呢？科學家至今都對這一問題充滿困惑。
在1953年發表的一項研究——DNA結構發現的同一年——中，一位名為斯坦利·米勒的生物化學家對模擬的地球早期氣體和液體混合物進行了電擊。實驗的結果令人震驚，簡單的化學物質經過電擊後形成了更為複雜的分子，有些正是生命的基礎：氨基酸——蛋白質的組成單元。
這一實驗成為了新聞報道的頭條。當時《時代》（Time）雜誌的封面上寫著「科學：半個造物主」（Science： Semi-creation）。米勒的論文成為科學史上里程碑式的文章。但是，對凱恩斯-史密斯來說，這個實驗所引出的問題要遠多於給出的答案。
儘管米勒在實驗中獲得了一些最基本的生命分子，但他的實驗並未解釋這些分子以及其他生命基礎分子——如形成DNA的核苷酸——如何以一定的順序出現，從而形成生命形成所需的複雜分子。
在米勒的實驗中，「較簡單的分子更容易出現，並且比複雜分子更容易形成，」凱恩斯-史密斯說，「要製造出一個核苷酸分子的想法是荒謬的。分子越複雜，它形成的可能性就越小。」對凱恩斯-史密斯來說，這是真正的問題所在。他認為，在我們精妙的遺傳材料系統出現之前，還存在著另一個不同的階段。
「這是個非常有趣的實驗，」凱恩斯-史密斯說道。他將該實驗形容為「美麗的」，但並不足以滿足他的好奇心。於是，他決定回到一些基本的東西。凱恩斯-史密斯問了自己兩個問題：對一個生命系統來說有哪些必要的特徵，這些特徵是否能在其他地方找到，而不僅僅局限於我們目前所知的生命形式？
他的目標是找到一個比現代生命簡單得多的系統，但又擁有生命系統的一些最關鍵的特徵。他在一個很不尋常的地方找到了答案：黏土。提到黏土，我們大多會想起陶瓷廠或學校里的制陶課。一般的印象中，黏土只是一種潮濕的、沙礫很細的泥土。但是，凱恩斯-史密斯認為，黏土並不僅僅如此。在某種抽象的意義上，黏土其實很像生命。
晶體從不會是完美的規則形狀
黏土晶體可以呈現出許多形態
黏土具有非常廣泛的用途
如果在顯微鏡下觀察黏土，你會發現它由微小的晶體組成。在每個晶體中，原子以某種結構排列，並以緊密壓縮的規則形式不斷重複。只要條件合適，比如放在含有相同化學成分的水體中，晶體都會生長。晶體還會分裂，一個「母」晶體會產生「子」晶體。
晶體甚至還擁有自己的特質，並會將這些特質傳給子晶體——很像生物將性狀遺傳給後代。有時候，當晶體分裂的時候，也會引入新的特質，比如由斷裂壓力導致的新形態。這一點與生物的遺傳突變很相似，生物的新性狀正是來源於突變。換句話說，凱恩斯-史密斯推理得出，晶體的基本特徵意味著它們是生命演化開始前的最初形態。
當晶體將某些特質傳遞給子晶體時，這些特質可能幫助也可能妨礙新晶體的產生。例如，子晶體可能最終會變得更容易分裂成兩塊晶體。如果晶體的特徵影響了它分裂的能力，那就相當於這塊晶體擁有了某種演化優勢。
在某種程度上，晶體的物理裂縫（或者稱其為特質）可以被視為遺傳信息。因此，凱恩斯-史密斯認為，晶體礦物可以被視為受制於一種簡化的自然選擇演化形式。這一理論現在被稱為「晶體等同基因假說」（crystals-as-genes hypothesis）。
凱恩斯-史密斯提出，在後來的階段，DNA等生物分子開始與晶體結合。這促進了複製過程。最終，一種「遺傳取代」發生了：生物分子發展出了自我複製的能力，並離開了晶體。凱恩斯-史密斯將這些推理髮表在半個世紀前（1966年）的一篇論文中。
他的理論很優雅，但存在一個嚴重的問題：幾乎無法找到檢驗的方法。50年來，只有屈指可數的幾個實驗對凱恩斯-史密斯的假說進行了探索。
早期地球具有非常獨特的環境條件
細菌是最簡單的生命形式之一
格雷厄姆·凱恩斯-史密斯及其妻子多蘿西
德國慕尼黑大學的迪特爾·布朗（Dieter Braun）表示，問題的棘手之處在於沒有任何實驗技術能夠在如此微小的尺度上，對凱恩斯-史密斯提出的過程進行檢驗。研究者必須在水中對納米尺度的晶體進行小心翼翼的觀察，獲得它們在數天時間裡的變化情況。「這在技術上非常困難，」布朗說道。
布朗稱，我們可能需要某種類似基因測序的技術，像「讀取」DNA編碼一樣對晶體進行研究。「我們花了40年才終於能快速地對DNA進行測序，」他說道。此外，遺傳學家擁有強烈的動機去完善DAN測序，因為這意味著新的醫療方法。研究黏土晶體則可能會同樣困難，同樣昂貴，但不會帶來實際的好處。
即使如此，至少凱恩斯-史密斯的假說有一部分還是得到了驗證。20世紀80年代中期，美國紐約大學的結晶學家巴特·卡爾（Bart Kahr）在一家商店中無意間翻到凱恩斯-史密斯的著作，才第一次了解到他的假說。「我愛上了那本書，因為它與通常的科學著作太不一樣了，」卡爾說，「它裡面獨特的新觀點多得令人難以置信，而且幾乎是以一種文學式的筆法寫成的。」
卡爾第二次看到這一假說是在21世紀頭十年的中期，當時該假說受到強烈的批評。「我感到很吃驚，25年之後，人們還是會談論『晶體等同基因理論』，只是為了將其駁倒，稱不存在任何能夠證明該理論的證據，」卡爾說，「這就像一個一直不倒的稻草人，每個人都覺得自己必須知道，但只是為了輕蔑地表示反對，因為它從未被檢驗過。」
卡爾決定在自己的實驗室里檢驗這一假說。他希望追蹤母晶體如何將特質傳遞給子晶體的過程，以確定黏土晶體中是否存在遺傳現象。他決定將重點放在一種被稱為「螺紋位錯」（screw dislocations）的晶體特徵上。在晶體內原本規則排列的晶面，有一部分被輕微地擠出，形成一條垂直晶面的位錯線。位錯是在晶體生長的過程中出現的，而晶體內部的位錯會呈現出獨特的模式。
凱恩斯-史密斯將這種不規則比作老式計算機的打孔卡片。他提出，這些位錯可以像卡片上的孔洞一樣保存信息。卡爾希望檢驗的是，這種位錯模式能否被子晶體繼承，以及當子晶體斷裂時會產生多少「突變」——新的位錯。
為了避免布朗所預見的實驗困難，卡爾採用的是鄰苯二甲酸氫鉀晶體。該晶體比黏土晶體更容易操作得多，「黏土基本上都是很糟糕的晶體，」卡爾說道。卡爾及其團 隊開發出了一種繪製母晶體和子晶體內部位錯的技術。他們發現，從母晶體到子晶體的位錯模式可以很清楚地繪製出來。他們的結果於2007年發表。
然而，他們驚訝地發現，子晶體在斷裂之後出現了眾多的額外缺陷。子晶體內部充滿了這些所謂的「突變」，並且新的位錯至少和繼承而來的位錯一樣多。這一結果給凱恩斯-史密斯的理論出了個難題。如果晶體是逐漸演化的，那就要求遺傳多於突變，這樣母晶體才能對子晶體的位錯模式施加更強的影響。
「要使這一假說變得有說服力，你就無法在一個世代內從青蛙直接變成猴子，」卡爾說道。較少的「突變」會更像「我們現在所知的生命」。不過，卡爾並不是唯一對凱恩斯-史密斯的假說進行探索的人。
麗貝卡·舒爾曼是美國約翰霍普金斯大學的一位生物工程師，她同樣受到「晶體等同基因假說」的啟發。在過去十年中發表的一系列研究中，她設計了一個將信息編碼於晶體結構中的系統。她並沒有使用自然出現的礦物晶體，而是使用納米尺度的DNA「瓦片」結構。
這種DNA攜帶信息的方式與我們細胞內的DNA不同。相反，舒爾曼像使用魔術貼一樣，將「瓦片」連接在一個晶體結構中。「瓦片」的順序就包含著信息。「如果我們可以基於非常簡單的、已知晶體必須遵循的物理規律，建造出某種晶體，那就可以想像出可行的，在相對簡單的環境中可能出現的演化過程，」舒爾曼說道。
舒爾曼通過計算機模擬和後續實驗發現，DNA「瓦 片」能以特殊的形式堆疊起來，在晶體結構中有效地加密信息。她已經找到了一種在晶體形式下呈現和複製信息的方法。她的發現在理論上對生命起源的研究非常有 用。「在很大程度上，生命起源研究的部分目標其實是在問如何在化學上設計出一個信息能夠被複制的系統，」舒爾曼說道。
然而，舒爾曼的研究並沒有證明凱恩斯-史密斯的理論是正確的。首先，她的實驗並沒有使用黏土。更重要的是，實驗室中行得通的過程並不一定就是地球生命出現時的情形。對於「晶體等同基因假說」，需要有更加嚴格的實驗來檢驗了。凱恩斯-史密斯自己嘗試了許多年，但進展寥寥。「他無法再獲得資助了，」多蘿西說道。擺在申請研究資助之前的一大阻礙是，他的工作涉及到太多不同的學科了。
「有一次我們去加利福尼亞，格拉厄姆在門洛帕克地質調查局做了演講，」多蘿西說，「他們說，好，你的地質學還可以，但我不認為你的化學是對的。之後他到美國航空航天局做了一次化學方面的演講，他們說，好，你的化學不錯，但我們不是很確信你的生物學。再後來，他到加州大學伯克利分校演講，他們說，好，你的生物學可以，但我不確定你的地質學怎麼樣。」
凱恩斯-史密斯在科學記者和大眾媒體中找到了更加熱心的聽眾。一些科學家也表現出了興趣：演化生物學家兼科學作家理查德·道金斯在1986年出版的《盲眼鐘錶匠》（The Blind Watchmaker）中就討論了「晶體等同基因假說」。
最終，在出版商的鼓勵下，凱恩斯-史密斯開始撰寫一本闡述自己理論的大眾科普書。這本名為《生命起源的七條線索》（Seven Clues to the Origin of Life）的書於1990年出版。該書的寫作風格如同在描寫一樁神秘的謀殺案，雖然是有機化學的內容，卻非常扣人心弦。
凱恩斯-史密斯稱自己很享受為更多讀者寫作的過程，因為能將一個觀點更加簡單、直觀地說出來，令他感覺很滿足。「我對有些人感到極其失望，他們認為那些更加複雜的理論更可能是真的，」他說道。
但是，儘管做了許多努力，他的理論最終還是無法進入科學主流。「我感到很困惑，為什麼科學中有些東西會變得很受歡迎，另一些則不受關注，」卡爾說，「這裡面並沒有公眾品味的原因。」不過，即使凱恩斯-史密斯的驚人理論從未獲得成功，但它還是在兩個方向上影響著生命起源的研究，即使是在今天。
首先，這些理論引出了生命是由什麼組成的問題，並提供了一種無需常見分子——如DNA——而出現類似生命過程的方式。其次，凱恩斯-史密斯的多學科研究——結合了生物學、化學和地質學——遠遠超出了當時的年代。
「截至目前，生命起源的研究其實還是化學主導的，」布朗說道。但是，過去二十年中，該領域已經逐漸擴展：除了嘗試製造關鍵的生命化學物質，研究者還開始利用遺傳學研究最早的生命形態，並利用地質學找出適合這些生命形成的條件。
「我推測這些理論在人們眼中可能會顯得有些怪異，但他確實為我們指引了正確的方向，」布朗說，「現在人們意識到，生命並不是從一個玻璃瓶中的水裡面產生的，而是環境中的化學條件和地質學條件造就的。這就是他的遺產：在岩石中尋找更多的細節。」
凱恩斯-史密斯的理論可能永遠也不會有堅實的證據。「如果有一個大型科研集團，有強大的技術實力來支持，那就有足夠的資源來切實地推動實驗，」布朗說，「但這其實只是一個非常小的圈子，並且有點走得太遠了。」
事實上，缺乏證據的假說並不是凱恩斯-史密斯的真正遺產。他所設想的生命起源圖景有可能是完全錯誤的。但是，從啟發人們以新的方式看待生命起源問題的角度來說，他的工作已經超出了原本的意義。
這裡有新星爆炸前後罕見圖片，距離我們約2萬光年外星人究竟長什麼樣？可能和我們有點像新技術使皮膚肌肉變得透明，X光徹底沒用了……大型強子對撞機發現新粒子了嗎？這僅僅是個巧合2.5億年後地球或形成終極盤古大陸！
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