人類源流——生命起源2

三、生命的化學進化

(一)化學進化1

孕育生命的原始地球初生地球的地殼薄弱，地球內的溫度很高，火山活動頻繁，從火山噴出的許多氣體構成了原始大氣。一股認為原始大氣包括CH4、NH3、H2、HCN，H2S、C0、C02和水蒸汽等，是無遊離氧的還原性大氣。其主要根據是：

1.射電望遠鏡無線電波譜分析表明，現在離太陽較遠、變化較小的行星如木星、土星等的大氣，都是由H2、He、CH4、NH3等組成的還原性大氣；

2.遠古沉積岩所含的鐵是氧化程度較低的磁鐵礦(Fe3O4)，而以後生成的「紅層」所含的鐵則是氧化程度較高的赤鐵礦(Fe2O3)，這反映了原始大氣從還原性向氧化性的過渡現在地球的氧化性大氣是藍藻和植物出現後，通過長期的光合作用逐步形成的。

(二)化學進化2

由於原始大氣中無遊離氧亦未形成具氧層以阻擋、吸收太陽輻射的大部分紫外線，所以紫外線能全部射到地球表面，成為合成有機物的能源。此外，天空放電、火山爆發所放出的能、地球深處的放射線和宇宙空間的宇宙線以及隕星穿過大氣層時所引起的衝擊波等，也都有助於有機物的合成。在上述各種能源中雷鳴閃電似乎更重要，因為它所提供的能量較大，又在靠近海洋表面處釋放，那裡合成的產物很容易溶於水中。

(三)化學進化3

生物小分子的合成如氨基酸、核苷酸以及脂肪酸等的合成。1952年美國芝加哥大學研究生S.L.米勒，在其導師H.C.尤里指導下，進行了模擬原始大氣中雷鳴閃電的實驗，共得到了20種有機化合物，其中11種氨基酸中有4種(甘氨酸、丙氨酸、天門冬氨酸和谷氨酸)是生物的蛋白質所含有的。以後其他學者又進行了大量的模擬實驗，或改用緊外線、b射線、高溫、強的陽光等作能源，或改換了還原性混合氣體的個別成分（如以H2S代替H2O、以HCN代替CH4和H2、或增加CO2、CO等），結果都能產生氨基酸；而用氧化性混合氣體代替還原性混合氣體進行實驗，則不能生成氨基酸。現在組成天然蛋白質的20種氨基酸，除了精氨酸，賴氨酸和組氨酸以外，其餘的都可用模擬實驗的方法產生。組成核酸的生物小分子多數亦能通過模擬實驗形成；如有人用紫外線或g射線照射稀釋的甲醛(HCHO)溶液獲得了核糖和脫氧核糖；用紫外線照射HCN獲得了腺嘌吟和鳥嘌吟；用丙炔腈(N≡C-C≡CH)、KCN和H2O在100℃下加熱一天得到了胞嘧啶；將NH3、CH4、H2O和蘋果酸與聚磷酸加熱至100～140℃獲得尿嘧啶；將腺嘌呤及核糖的稀溶掖與磷酸或乙基偏磷酸鹽（ethylmetaphosphate）放在一起，用紫外線照射，可生成腺苷；將腺苷、乙基偏磷酸鹽封入石英玻璃管中用紫外線照射，可產生出腺苷酸（AMP）等。此外脂肪酸也可通過用高能電子照射碳氫化合物和二氧化碳而獲得。

(四)化學進化4

化學進化顯然不限於原始地球，在宇宙和其他天體上也會發生。星際分子和隕石中有機物的發現證實了這一點。據L.E.斯奈德報道，到1978年為止己發現星際分子37種，其中80%是有機化合物。星際分子中有大量的甲醛和氰化氫，與米勒放電實驗中最初的中間產物相同，當它們與氨反應再經水解就能生成氨基酸。1969年9月墜落在澳大利亞東南部默奇森鎮的隕石，經分析發現含有多種氨基酸，其種類與含量同米勒放電實驗生成的相當一致。這就表明，原始大氣由無機物生成生物小分子不但是可能的，而且這種過程在宇宙間仍在發生。

(五)化學進化5

生物大分子的合成可推想，被雨水沖淋到原始海洋中的生物小分子(單體)，經過彼此的相互作用，可以形成蛋白質、核酸等生物大分子(聚合體)。但單體變成聚合體必須經過脫水縮合，而在原始海洋中進行脫水縮合顯然是個很大的難題。目前關於氨基酸縮合成多肽，較可信的看法有以下3種：

1.美國學者S.W.福克斯等認為原始海洋中的氨基酸可能被衝到火山附近的熱地區，通過蒸發、乾燥和縮合等過程而生成類蛋白，類蛋白若被沖回到海洋，就可能進一步發生其他反應。他們的根據是：將20種天然氨基酸按酸、鹼、中性分別混合，在170℃下加熱數小時，可以得到具有天然蛋白質某些特性的氨基酸聚合體─類蛋白。

2.另一些科學家如以色列的A.卡特恰爾斯基等認為，原始海洋中的氨基酸是在某些特殊的粘土上縮合成多肽的。他們在實驗室內先使氨基酸與腺苷酸起作用，生成氨基醯腺苷酸，後者含有自由能，當被吸附在蒙脫土(montmorillonite)等特殊粘土的表面時，就能縮合生成多肽。英國學者J.D.貝爾納早在1951年就提出了某些粘土片層間因含有大量的正、負電荷，故可將帶電的分子吸附並能成為原始催化中心的理論。60年代英國學者A.G.凱思斯—史密斯更進一步提出生命起源於粘土的主張。他認為導致生命出現的化學演變是在粘土中進行的。80年代美國航天局的科學家們發現，某些粘土有貯存和運送能量的功能，這一發現支持了凱思斯—史密斯的觀點。

3.日本學者赤崛四郎提出一個能迴避「脫水縮合」難關的「聚甘氨酸理論」以說明多肽的形成。他認為在原始大氣中產生的HCHO，能與NH3和HCN發生反應，形成氨基乙醯腈(aminoacetylnitrile)，後者先聚合再水解，生成聚甘氨酸，最後經過與醛類、烴類等起作用生成不同的側基而形成由各種氨基酸組成的蛋白質。

(六)化學進化6

模擬原始地球條件合成核酸的實驗也有成功的報道。例如，有人將核苷與聚磷酸鹽加熱至50～60℃獲得了多核苷酸；有人將尿苷酸與聚磷酸鹽加熱得到了多尿苷酸，但並非以3 、5 磷酸二酯鍵相連；後來有人用胞苷酸與聚磷酸在65℃下合成了由5個左右核苷酸構成的短鏈核酸，含有3 、5 磷酸二酯鍵，與生物的核酸連接方式相同。但在無酶促情況下合成更長的以3 、5 磷酸二酯鍵相聯的多核苷酸或由幾種單核苷酸組成的多聚體卻非常困難。

(七)化學進化7

多分子體系的出現生物大分子必須組成體系，形成界膜才能與周圍環境明確分開，才可能進一步演變。因此人們認為多分子體系的形成可能是生命出現之前、化學進化過程中的一個必不可少的階段。目前研究多分子體系的實驗模型主要有團聚體和微球體兩種。

1.團聚體(coacervate)模型。奧帕林將白明膠水溶液和阿拉伯膠水溶液棍在一起，在顯微鏡下看到了無數的小滴即團聚體。後來發現蛋白質與糖類、蛋白質與蛋白質、蛋白質與核酸相混，均可能形成團聚體。奧帕林把磷酸化酶加到含組蛋白和阿拉伯膠的溶液中，酶就濃縮在團聚體小滴內；再把葡萄糖-1-磷酸加到溶液中，後者就會擴散進入小滴並被磷酸化酶聚合成澱粉。聚合作用所需的能量由葡萄糖-1-磷酸的磷酸鍵提供，而所釋出的磷酸根則作為「廢物」從小滴中擴散出來。由於阿拉伯膠是一種糖類，故合成的澱粉可使團聚體的體積增大。當團聚體變得過大時，它們就會自發地分裂成幾個小滴。若把磷酸化酶和澱粉酶一同加到團聚體的配製物中，則這兩種酶都會濃縮在小滴里，隨後就發生兩步反應：葡萄糖-1-磷酸進入小滴並被磷酸化酶聚合成澱粉；澱粉酶則把澱粉分解成麥芽糖，後者與磷酸根一道擴散回周圍溶液中。這樣的小滴可作為一個開放系統而長期保存。可以設想，如果團聚體能自行製造磷酸化酶和澱粉酶(含有能「指導」合成這兩種酶的基因核酸系統)，在它們周圍環境中又有足夠的葡萄糖-1-磷酸作「食物」，則它們就既能合成，又能分解；如合成速度大於分解速度，團聚體就能「生長」，並通過分裂而「繁殖」。由於團聚體模型能表現出這些最簡單的生物學特性，所以引起人們的注意。

2.微球體(microsphere)模型。福克斯等將酸性蛋白放到稀薄的鹽溶液中溶解，冷卻後在顯微鏡下觀察到無數的微球體。微球體有雙層膜，較穩定，在高滲溶液中收縮、在低滲溶液中膨脹，能通過「出芽」和分裂方式進行「繁殖」，並表現出水解、脫羧、胺化、脫氨和氧化還原等類酶活性。但類蛋白還不是蛋白質，固它除有一定量肽鍵外，還有大量其他化學鍵，故不能被蛋白酶完全水解。它的類酶活性很低，並且幾乎主是分解性的，而在進化上更有意義的是合成酶的活性。但類蛋白是以20種天然氨基酸為原料、模擬原始地球的乾熱條件產生出來的，較之團聚體來自生物體產生的現成物質(如白明膠，阿拉伯膠等)有更大的說服力，所以受到廣泛的重視。

(八)化學進化8

由多分子體系進化為原始生命生命起源最關鍵的一步。有兩個重要問題要解決：生物膜如何產生、遺傳器怎樣起源。

1.生物膜的產生：只有界膜變成了生物膜，多分子體系才有可能演變為原始細胞。生物膜的基本結構就是磷脂分子雙層上鑲嵌著動態的功能蛋白質分子。一般認為，脂質體可能是原始生物膜的模型。脂質體是一種人工製造的細胞樣結構，由脂質分子雙層包圍著一個含水的小室構成。通常將磷脂放在水中進行超聲處理就能得到脂質體。一般認為原始海洋中肯定有磷脂形成，有磷脂就易形成脂質體。脂質體嵌入糖蛋白等功能蛋白質，經過長期演變就可能發展為原始的生物膜。

2.遺傳器的起源：目前尚無實驗模型，僅憑一些間接資料進行推測。有不少的科學家認為，最初比較穩定的生命體，可能是類似於奧帕林在實驗室內作出的、主要由蛋白質和核酸組成的團聚體。可設想，起先存在著各種成分的多分子體系，後來，不適於生存的破滅了，適於生存的被保留下來。經過這樣的「自然選擇」終於使以蛋白質和核酸為基礎的多分子體系存留下來並得到發展。其中核酸能自行複製並起模板作用，蛋白質則起結構和催化作用。由此推斷既非先有蛋白質亦非先有核酸，而是它們從一開始就在多分子體系內一同進化，共同推動著生命的發展。這裡最關鍵的問題是核酸的鹼基順序如何達到與氨基酸順序相互識別，以至進化到今天的信使核糖核酸(mRNA)上的密碼子能與20種天然氨基酸那樣精確的吻合。這個問題如能通過實驗加以闡明，則由多分子體系進化到原始細胞的問題，也就比較容易解決了。

生命起源的化石記錄：地齡約為46億年。己知地球上最古老的沉積岩是格陵蘭西南部伊蘇瓦(Isuwa)地區的沉積岩，年齡約為38億年。在這種沉積岩中發現了一些有機構的微結構，這些微結構己證明是在水面放電時產生的。1978～1980年間，澳大利亞學者D.I.格羅夫斯等連續報道了在澳洲西部諾思波爾地區瓦拉伍納群（Warawoona Group）地層35億年前的燧石中發現了一些絲狀微體化石。

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