地球上這些令人稱奇的生命，它們是如何產生的？

作者簡介：

弗里曼·戴森（Freeman Dyson），現任普林斯頓高等研究院的榮譽退休教授，他不僅是一位傑出的科學家，而且也是一位天賦異稟的作家；同時也是倫敦皇家學會會員、美國國家科學院院士，獲十八個榮譽學位。他的著作包括《全方位的無限》、《武器與希望》、《宇宙波瀾》、《想像的未來》、《太陽、基因組與互聯網》、《從愛神到蓋婭》等。

書籍摘錄：

第四章 尚未解決的問題（節選）

生命為何如此複雜？

現在我們將前三章的內容做個小結。在開始討論生命起源研究的根本性問題，即「生命的起源與複製的開端會不會是同一回事？」之前，第一章首先描述了引出這一理念的歷史發展。我給出了理由：為何我更傾向於對上述問題給出否定的答案？為何我更偏向做出試探性的假設：新陳代謝與複製有不同的起源？第二章則概括分析了與生命起源相關的經典實驗與經典理論。自從馬克斯· 德爾布呂克的時代開始，我就觀察到：一系列的實驗已經在闡明複製組織結構與功能方面，取得了相當成功的成果，並較為成功地幫助我們對新陳代謝獲得深層次理解。

儘管切赫等人關於核糖酶的實驗已經證明： RNA 可起到酶的作用，但 RNA 只能在有限的範圍之內發揮酶的功能。早期的一篇評論文章提到：「 RNA 只在有限範圍內作為生物催化劑出現，可能是由於 RNA 催化劑有限的功能性，而非其在催化效率與催化精度方面存在不足。」研究核糖酶作用的實驗涉及的是對遺傳組織的微調，並不關心細胞的新陳代謝作用，時至今日，這仍然是一個不爭的事實。相關實驗單方面的成功導致了相應的理論偏愛。關於生命起源最普及的理論是曼弗雷德· 艾根的相關理論，這些理論大多集中於將複製作為解釋原理的一種現象。第三章講述的則是由本人站在艾根偏好的對立面角度，嘗試建立的一個生命起源模型，該模型提出一個起作用的假說：原始生命純粹是由毫無複製功能的新陳代謝組織構成的。

最後一章探討的是由模型提出的未解決問題，以及有關新陳代謝起源的實驗研究法所涉及的更為一般的問題。但是所有的這些問題都附屬於這一問題：生命為何如此複雜？或許，這並不是一個適定的科學問題，它可能僅僅會被看作是，一個上了年紀的科學家追憶匆匆逝去的青春與漸行漸遠的單純時所表達的悲痛之情；抑或被解釋為對現代世界中無法解決的人類境況問題的徒勞無益的抗議。

但我所特指的具體問題是細胞結構。活細胞的基本特性在於生理平衡，是可在不斷變化的環境中仍能保持穩定與或多或少穩定化學平衡的一種能力。生理平衡是一種化學控制機制，是確保在每個細胞中可產生不多不少成適當比例的分子種類的一種反饋循環。如果沒有生理平衡，就不可能存在秩序井然的新陳代謝，也不可能存在能夠賦以生命之名的擬平衡狀態。「生命為何如此複雜？」這個問題在這樣的語境下意味著：假如穩定平衡中的分子種群可使其自身保持在一種穩定的新陳代謝水平之下，那麼這樣的種群必須應該包含多少種不同的分子種類呢？

生物學方面的證據對維持生理平衡（至少是我們正在討論的現代類型的生理平衡）有著相當嚴格的限制。如果有人根據他自身 DNA 中上百萬的鹼基對判斷的話，會發現存在大量不同種類的細菌，而且大多數的細菌都包含了數千種的分子種類。在現代條件下，當生理平衡與數千種組分一起作用時，效率會更高；相反，組分數量少於數千種時，效率會較低。如果一種細菌在去除一半分子組分的條件下，仍然可以有效地進行新陳代謝，那麼必定存在一種選擇有利性。細菌一般會抵制將其縮減至某種複雜程度的水平之下，從這一事實出發，我們可以推斷在某種程度上，這種特定水平即為不可減小的最小值。

如果現代細胞為維持穩定的生理平衡而需數千種的分子類型，那麼這種情況預示著原始細胞的情況會是怎樣呢？嚴格意義上來講，它未能說明任何問題。要是沒有現代的遺傳因子與抑制劑的分析儀器，生理平衡的原始機制必定截然不同，它原本可能會更簡單或更複雜。一個仍舊比較合理的假設是，古生物細胞的結構更為簡單。問題是：究竟簡單到何種程度呢？因此，在建立生命起源的可靠理論之前，我們應該首先回答這一問題。只有實驗才能回答這個問題。

在第三章所討論的玩具模型中，我從模型的分析推斷出，可致使一個細胞從無序態躍遷至有序態的數量應該為 2000 — 20000 個單體，它們可化合成幾百種聚合物。我斷定，對於原始生理平衡所需的聚合物分子種類數量來說，這個數量基本是合理的。這種斷言當然毫無根據，只是臆測而已。眾所周知，對於現代細胞來說，幾千種的分子種類就已經足夠了。想要維持類似生物化學生理平衡這樣的任何系統，僅僅利用數十個分子種類是不太可能的。於是，僅憑我們熟悉的記數的十進位就可以自然推斷出：幾百種分子種類恰好就是生理平衡起源所需的數量。然而，究竟幾百種分子種類是否是維持生理平衡的充分或必要條件，我們就不得而知了。

領會如何將一種試驗方法成功運用到解答與複製起源有關的問題中，是相當有趣的。構成自我複製系統所需的最小分子數量是多少？這個問題可由兩個經典實驗來解答，一個實驗是由施皮格爾曼完成的，另一個則是由艾根及其同事一道完成的。在第一章中，我已對艾根的實驗有所描述。施皮格爾曼的實驗以存活著的Qβ 病毒開始，這種生物可繼續生存，並通過一條由 4500 個核苷酸組成的單一 RNA 分子上的遺傳密碼完成自身的複製。通過使用複製酶，這種病毒可正常在寄主細胞內進行複製，而病毒 RNA 可引起寄主細胞產生核糖體。病毒 RNA 也可致使寄主細胞產生外殼蛋白與多種完整病毒壽命周期所需的合成物。

施皮格爾曼在實驗中剝落病毒的外殼蛋白，為它在試管中提供複製酶，這樣一來，在不入侵任何細胞的情況下，病毒也可進行複製，並完成正常的寄生壽命周期。試管中還包含以連續流量配置方式供應的豐富自由的核苷酸單體，確保病毒可得到源源不斷的供給。結果相當驚人。病毒 RNA 在複製酶的協助下，可以準確無誤地將複製持續一段時間。但是，稍後不久就產生了一種變異 RNA ，這種 RNA 已失去了不再為其生存所需的基因。變異體含有的核苷酸數量少於 4500 個，但是比原先的病毒複製速度更快，很快就如達爾文生存競爭的論斷那樣取代原先的病毒。然後，會有另外一種更短的變異體出現並取代之前的一種，以此類推不斷地持續下去。最終，病毒不再需要攜帶複製酶與外殼蛋白的基因，而依舊可以存活下去。

與之相反，病毒也只有擺脫掉一切多餘的包袱才可繼續存活，而繼續存活的要求則需其儘可能地簡單與微小。最終，病毒就簡化成為僅含 220 個核苷酸的一小條 RNA ，每個核苷酸除了包含複製酶的識別位點之外，就不含別的物質了。病毒的終態被遺傳學家們稱為「施皮格爾曼畸形體」。這個實驗給人們上了客觀的一課：生命如果輕易地產生，會發生什麼。在施皮格爾曼試管製造的人工環境中，這個小小畸形體能夠以高速的頻率不斷地複製下去，但卻很難指望它在別處存活下來。

艾根的實驗則與施皮格爾曼的實驗形成對比。相同的是，兩個實驗都採用了裝有複製酶與自由核苷酸的試管。兩者的不同之處在於：施皮格爾曼在試管中加入了活病毒體，而艾根並沒加入任何物質；對於複製演變的研究，施皮格爾曼採用的是自上而下的研究方法，而艾根採取的則是自下而上的研究方法。與施皮格爾曼的實驗一樣，艾根的實驗在複製酶的協助下，複製產生了一種自生的 RNA 分子種群。然 而，艾根的複製基因與施皮格爾曼畸形體不完全是同一種物質，雖然它們有近親關係。艾根的複製基因在演化至平衡態後，形成了一種包含 120 個核苷酸的 RNA ，而施皮格爾曼的畸形體包含 220 個核苷酸。對於一個無中生有的分子與一個從曾經活著的分子所生出的分子而言， 120 個核苷酸與 220 個核苷酸差別很小。

施皮格爾曼與艾根的實驗一併為「構成自我複製系統所需的最小分子種群數量是多少？」這個問題給出了明確的答案。答案即是：單個的 RNA 分子所需的核苷酸數量為一百到兩百個。簡而言之，這個答案表明：與生理平衡現象相比，複製現象多麼地簡單。我猜測：生理平衡所需的分子種群的最小數目大約是一百倍大，即幾百個分子，一共包含一萬到兩萬個單體。更重要的是：我認為，探索生命起源最有前景的途徑是，開展與施皮格爾曼和艾根實驗類似的實驗，只不過這次實驗針對的是生理平衡而非複製現象。

那麼該如何進行這樣的實驗呢？我清醒地意識到：提供建議可比開展實驗容易得多。首先要做的是，尋找一種實驗所需的工作物質，即生理平衡實驗所需的相當於施皮格爾曼 Qβ 病毒與艾根核苷酸試劑的物質。目標依然是從兩端開始，即採取自上而下與自下而上兩種研究方法，找出兩端會在中間的何處相遇。對於自上而下這種研究方法來說，我們需要為其尋找一種合適的生物，即本身具備已經失去複製功能，但仍保留新陳代謝與生理平衡功能的無核細胞，然後，需要在逐漸去除其無關緊要的分子成分的同時，人為地將其保持在存活狀態。我們希望，在無數次反覆試驗之後，可以用這種方法概略地找出維持生理平衡裝置複雜狀態的最小限度單元。對於自下而上這種研究方法來說，我們需要實現限制於奧巴林式液滴狀態的分子合成群體的實驗，並通過添加不同組合的催化劑與代謝物使其最終形成一種持久不斷的生理平衡狀態。如果我們足夠幸運，最終兩種不同實驗方法會顯示出某些趨同的態勢。在這兩種方法趨同的範圍內，會指明某種可能的途徑：生命原本可能會遵從由一片混沌到生理平衡這樣的原始進化模式。

從某種意義上來講，對於那些整日忙於與真實的細胞和化學物質頑強鬥爭的實驗者來說，我對未來實驗提出的建議可能聽起來天真而簡單。我不知道按照我所建議的方法進行實驗是否可行。即便是在我本人的物理學領域內，我也沒有能力做此實驗，因此提出這樣的建議我也是躊躇的。雖然如此，我還是要很認真地給出這些建議。如果我不相信這樣的實驗在潛在意義上相當重要的話，我一開始根本就不會冒昧談論生命 之起源了。如果一個理論物理學家要想在討論生物學的根本性問題上有所作為，那麼他也只能通過為新型實驗提建議來實現了。半個世紀以前，薛定諤曾建議生物學家進行基因分子結構的實驗。這個建議在當時提出的正是時候。我現在建議生物學家進行生理平衡系統分子族群的實驗探討，希望這個建議正合其時。

在結束未來實驗這個話題之前，我想補充一些關於計算機模擬的話題。在種群生物學運用至動物族群與植物族群時，計算機就成為一種與實地觀察同等重要的實驗數據來源。對於實地觀察的規劃以及結果分析來說，種群動態的計算機模擬是一種必不可少的手段。與實地觀察相比，計算機模擬不僅速度更快，而且成本更低。因此，每一項重要的種群生物學研究項目都將計算機模擬列為理所當然的研究手段。由於生命起源是種群生物學分子範疇內的一項難題，因此計算機模擬手段的採用必不可少。由蘭森特總結的奧巴林學說模擬是一個不錯的開端，而且仍然有很大的發展空間。至今尚未出現任何一個包含足夠化學過程細節的模型可為該理論提供實際上可操作的實驗。

題圖及文內圖為 BBC 紀錄片《生命》，來自：豆瓣

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