生命的起源

Question

如题所述

Answer 1

人们一直在从不同角度探索生命的起源。地质学家曾艰苦地从地质记录中寻找最早生命的化石证据,生物学家和生物化学家也已经为模拟生命起源进行了多种实验和设想了不同的模型。然而对于生命的出现究竟是开始于地球,还是开始于其他宇宙体、后来被带至地球的问题,迄今仍处于争论之中。最近,美国宇航局埃姆斯研究中心的科学家在模拟太空中低温、没有空气、充满辐射的恶劣条件下的一项实验中发现,一些简单、常见的有机分子自发组装成了能够作为原始细胞壁的膜。这些膜像肥皂泡,具有半渗透性。这种膜容许水和氧气自由进出,它正是生命所需要的那种膜(2001年1月30日出版的美国《国家科学院院报》)。这一成果不仅暗示有可能宇宙中到处都存在着初始生命,而且还有利于地球上的生命是由星际太空有机化合物引发的观点。

人们尚不能确知生命是怎样起源的,但一般认为生命发展最合理的第一步,应是作为生命系统基础的碳的有机化合物通过非生物方式的合成。现在已有相当多的证据可以说明这些有机化合物能通过非生物方式产生。例如,碳质球粒陨石就含有机物质,对这类陨石进行的化学分析发现其中含有多种有机组分,诸如糖类、有机酸和氨基酸等,它们被认为形成于星际空间。最有意义的发现是陨石中的氨基酸含有的左旋(L-)和右旋(D-)立体异构体各占一半,而地球上生物来源的氨基酸则以左旋立体异构体占绝对优势。这为陨石中氨基酸由非生物方式形成提供了进一步的证据,至少可以说明陨石的氨基酸没有受到地球物质的污染。

在20世纪50年代初,Stanley Miller进行了首创性的实验研究,他尝试确定有机化合物是否能在由水和假定的4Ga前地球大气圈中可能存在的各种气体组分中形成。他按原始大气圈的可能组分为CH₄、NH₃、H₂制成配料,置于烧瓶中,并以放电火花代替闪电效应刺激试料混合物。结果几天后实验产生出氨基酸和一些简单、还原性的有机分子(Miller,1953、1957)。应用放电火花和紫外光照射刺激H₂O、CO₂、N₂和CO气体混合物(更符合地球早期脱气成因大气圈的成分)的类似实验同样产生出一系列有机化合物,诸如氨基酸、HCN和甲醛等(Chang,et al.,1983),甲醛可结合形成糖。加热也可促进类似的反应。然而,在所有加入了自由O₂的实验中,均未能合成任何有机化合物,因为在简单有机产物能够聚集之前就已被O₂迅速地氧化了。

虽然氨基酸和其他简单有机分子似乎比较容易形成,但这些分子是怎样结合形成第一批像RNA(ribonucleic acids——核糖核酸)那样的复杂分子的仍是未解决的难题。后来的研究表明RNA很可能对于生命起源曾经起了主要作用,因为RNA分子具有分裂和产生一种能对生物复制过程起催化作用的酶(Zaug and Cech,1986)。在古太古代产生RNA分子的必要条件包括:有机分子的供应,一种使分子发生反应以形成RNA的机制;一种作为容器的矿物,它能保留住RNA的分离部分使之能有助于进一步复制;一种能使某些RNA免受其他种群混入的机制;以及某些形成一种膜作为包围原始细胞壁的途径(Nisbet,1986)。太古宙期间,海底热液系统可能提供了这些条件(Gilbert,1986)。在实验室进行的实验中,RNA的分裂发生于温度大约为40℃、溶液中pH值变化于7.5~9和存在Mg⁺²离子的条件下,这些均与海底热液系统出口附近的条件相似。粘土矿物可能曾起着更重要的作用,并实际上提供了一种复制的方法。第一批基因可能曾形成于粘土的互层位置,并且首次复制可能曾是粘土的无机增生。而后,吸附于粘土上的有机化合物通过反应形成RNA,经过自然选择,RNA分子最终脱离了它们的寄主粘土(Cairns-Smith,1982)。沸石可能是另一种催化剂,它具有大量不同形状和大小的孔隙,这种孔隙允许微小有机分子通过,而不让大分子通行(Nisbet,1986)。沸石类也是海底热液系统——“黑烟筒”周围特征的次生矿物。沸石类矿物中各种大小孔洞的意义在于,一个分裂出的RNA分子可能被限制于这样的孔洞中,在其中它能有助于母分子的复制。很可能首批多核苷酸链就曾形成于早期海底热液喷口附近的某个地方(Condie,1989)。

生命复制的下一个阶段可能是由氨基酸形成蛋白质,然后DNA(deoxyri-bonucleic acid——脱氧核糖核酸)必定形成,并且作为原始基因库而盛行起来(Gilbert,1986)。再下一个发展阶段似乎应发展出能起能量供应和新陈代谢作用的细胞膜,这两者对于活细胞的发展是关键性的。遗憾的是对这些发展阶段还未能真正了解。近年,在实验室中产生出了能进行复制的有机分子,暗示着可能存在由非生物合成增强有机分子初始产出的潜在机制(Hong et al.,1992;Ogelr,1992;Lee,et al.,1996)。其他实验已合成出被称为微胞(miceles——胶体分子团)的简单有机结构,能复制自己的外部构架(Bcahmann,et al.,1992)。现已有较充分的理由相信,控制自我复制的最早遗传物质可能不是DNA,而是有关的分子RNA,后者也能够起催化作用(de Duve,1995;Robert-son and Miller,1995)。虽然至今还难以通过实验手段将简单有机分子聚合成能进行自我复制和新陈代谢、并被膜所包围的生命体,但看来很可能在不久的将来会合成出具有上述许多特性的有机物质(Schlesinger,1997)。

Answer 2

　　生命的起源
　　地球在宇宙中形成以后，开始是没有生命的。经过了一段漫长的化学演化，就是说大气中的有机元素氢、碳、氮、氧、硫、磷等在自然界各种能源（如闪电、紫外线、宇宙线、火山喷发等等）的作用下，合成有机分子（如甲烷、二氧化碳、一氧化碳、水、硫化氢、氨、磷酸等等）。这些有机分子进一步合成，变成生物单体（如氨基酸、糖、腺甙和核甙酸等）。这些生物单体进一步聚合作用变成生物聚合物。如蛋白质、多糖、核酸等。这一段过程叫做化学演化。蛋白质出现后，最简单的生命也随着诞生了。这是发生在距今大约36亿多年前的一件大事。从此，地球上就开始有生命了。生命与非生命物质的最基本区别是：它能从环境中吸收自己生活过程中所需要的物质，排放出自己生活过程中不需要的物质。这种过程叫做新陈代谢，这是第一个区别。第二个区别是能繁殖后代。任何有生命的个体，不管他们的繁殖形式有如何的不同，他们都具有繁殖新个体的本领。第三个区别是有遗传的能力。能把上一代生命个体的特性传递给下一代，使下一代的新个体能够与上一代个体具有相同或者大致相同的特性。这个大致相同的现象最有意义，最值得我们注意。因为这说明它多少有一点与上一代不一样的特点，这种与上一代不一样的特点叫变异。这种变异的特性如果能够适应环境而生存，它就会一代又一代地把这种变异的特性加强并成为新个体所固有的特征。生物体不断地变异，不断地遗传，年长月久，周而复始，具有新特征的新个体也就不断地出现，使生物体不断地由简单变复杂，构成了生物体的系统演化。
　　地球上早期生命的形态与特性。地球上最早的生命形态很简单，一个细胞就是一个个体，它没有细胞核，我们叫它为原核生物。它是靠细胞表面直接吸收周围环境中的养料来维持生活的，这种生活方式我们叫做异养。当时它们的生活环境是缺乏氧气的，这种喜欢在缺乏氧气的环境中生活的叫做厌氧。因此最早的原核生物是异养厌氧的。它的形态最初是圆球形，后来变成椭圆形、弧形、江米条状的杆形进而变成螺旋状以及细长的丝状，等等。从形态变化的发展方向来看是增加身体与外界接触的表面积和增大自身的体积。现在生活在地球上的细菌和蓝藻都是属于原核生物。蓝藻的发生与发展，加速了地球上氧气含量的增加，从20多亿年前开始，不仅水中氧气含量已经很多，而且大气中氧气的含量也已经不少。细胞核的出现，是生物界演化过程中的重大事件。原核植物经过15亿多年的演变，原来均匀分散在它的细胞里面的核物质相对地集中以后，外面包裹了一层膜，这层膜叫做核膜。细胞的核膜把膜内的核物质与膜外的细胞质分开。细胞里面的细胞核就是这样形成的。有细胞核的生物我们把它称为真核生物。从此以后细胞在繁殖分裂时不再是简单的细胞质一分为二，而且里面的细胞核也要一分为二。真核生物（那时还没有动物，可以说实际上也只是真核植物）大约出现在20亿年前。性别的出现是在生物界演化过程中的又一个重大的事件，因为性别促进了生物的优生，加速生物向更复杂的方向发展。因此真核的单细胞植物出现以后没有几亿年就出现了真核多细胞植物。真核多细胞的植物出现没有多久就出现了植物体的分工，植物体中有一群细胞主要是起着固定植物体的功能，成了固着的器官，也就是现代藻类植物固着器的由来。从此以后开始出现器官分化，不同功能部分其内部细胞的形态也开始分化。由此可见，细胞核和性别出现以后，大大地加速了生物本身形态和功能的发展。
　　生命的起源
　　关于生命起源的问题，很早就有各种不同的解释。近几十年来，人们根据现代自然科学的新成 就，对于生命起源的问题进行了综合研究，取得了很大的进展。
　　根据科学的推算，地球从诞生到现在，大约有46亿年的历史。早期的地球是炽热的，地球上的一切元素都呈气体状态，那时候是绝对不会有生命存在的。最初的生命是在地球温度下降以后，在极其漫长的时间内，由非生命物质经过极其复杂的化学过程，一步一步地演变而成的。目前，这种关于生命起源是通过化学进化过程的说法已经为广大学者所承认，并认为这个化学进化过程可以分为下列四个阶段。
　　从无机小分子物质生成有机小分子物质 根据推测，生命起源的化学进化过程是在原始地球条件下开始进行的。当时，地球表面温度已经降低，但内部温度仍然很高，火山活动极为频繁，从火山内部喷出的气体，形成了原始大气(下图)。一般认为，原始大气的主要成分有甲烷（CH4）、氨 原始地球的想象图
　　(左)原始大气(右)有机物形成
　　（NH3）、水蒸气（H2O）、氢（H2），此外还有硫化氢（H2S）和氰化氢（HCN）。这些气体在大自然不断产生的宇宙射线、紫外线、闪电等的作用下，就可能自然合成氨基酸、核苷酸、单糖等一系列比较简单的有机小分子物质。后来，地球的温度进一步降低，这些有机小分子物质又随着雨水，流经湖泊和河流，最后汇集在原始海洋中。
　　关于这方面的推测，已经得到了科学实验的证实。1935年，美国学者米勒等人，设计了一套密闭装置(下图)。他们将装置内的空气抽出，然后模拟原始地球上的大气成分，通入甲烷、氨、氢、水 米勒实验的装置
　　蒸气等气体，并模拟原始地球条件下的闪电，连续进行火花放电。最后，在U型管内检验出有氨基酸生成。氨基酸是组成蛋白质的基本单位，因此，探索氨基酸在地球上的产生是有重要意义的。
　　此外，还有一些学者模拟原始地球的大气成分，在实验室里制成了另一些有机物，如嘌识、嘧啶、核糖，脱氧核糖，脂肪酸等。这些研究表明：在生命的起源中，从无机物合成有机物的化学过程，是完全可能的。
　　从有机小分子物质形成的有机高分子物质 蛋白质、核酸等有机高分子物质，是怎样在原始地球条件下形成的呢？有些学者认为，在原始海洋中，氨基酸、核苷酸等有机小分子物质，经过长期积累，相互作用，在适当条件下（如吸附在粘土上），通过缩合作用或聚合作用，就形成了原始的蛋白质分子和核酸分子。
　　现在，已经有人模拟原始地球的条件，制造出了类似蛋白质和核酸的物质。虽然这些物质与现在的蛋白质和核酸相比，还有一定差别 ，并且原始地球上的蛋白质和核酸的形成过程是否如此，还不能肯定，但是，这已经为人们研究生命的起源提供了一些线索；在原始地球条件下，产生这些有机高分子的物质是可能的。
　　从有机高分子物质组成多分子体系 根据推测，蛋白质和核酸等有机高分子物质，在海洋里越积越多，浓度不断增加，由于种种原因（如水分的蒸发，粘土的吸附作用），这些有机高分子物质经过浓缩而分离出来，它们相互作用，凝聚成小滴。这些小滴漂浮在原始海洋中，外面包有最原始的界膜，与周围的原始海洋环境分隔开，从而构成一个独立的体系，即多分子体系。这种多分子体系已经能够与外界环境进行原始的物质交换活动了。
　　从多分子体系演变为原始生命 从多分子体系演变为原始生命，过是生命起源过程中最复杂和最有决定意义的阶段，它直接涉及到原始生命的发生。目前，人们还不能在实验室里验证这一过程。不过，我们可以推测，有些多分子体系经过长期不断地演变，特别是由于蛋白质和核酸这两大主要成分的相互作用，终于形成具有原始新陈代谢作用和能够进行繁殖的原始生命。以后，由生命起源的化学进化阶段进入到生命出现之后的生物进化阶段。
　　关于生命起源的化学进化过程的研究，虽然进行了大量的模拟实验，但是绝大多数实验只是集中在第一阶段，有些阶段还仅仅限于假说和推测。因此，在对于生命起源，问题还必须继续进行研究和探讨。
　　蛋白质和核酸是生物体内最重要的物质。没有蛋白质和核酸，就没有生命。1965年，我国科学工作者人工合成了结晶牛胰岛素（一种含有51个氨基酸的蛋白质）。1981年，我国科学工作者又用人工的方法合成了酵母丙氨酸转运核糖核酸（核糖核酸的一种）。这些工作反映了我国在探索生命起源问题上的重大成就。