(八)生物的进化资料汇编

第1页共8页八、生物的进化生物学难题：生命是怎样开始的？地球上一切生命最古老的共同祖先，既第一个能够复制自身的原始细胞，是由构成宇宙间98%物质的六大元素组成的，它们是氢、氦、碳、氮、氧、氖。然而，这些无机元素是怎样形成具有生命的原始细胞的？至今仍是一个迷。1922年，苏联生化学家亚历山大.奥巴林提出一个著名的假说：生命来自闪电。太阳和地球自身的放射性能量作用于大气层中的无机分子，使之变成有机分子；它们在地球湖泊、海洋提供的“原始汤”中“定居”，发展成为原始的生命。1950年，美国芝家哥大学第一次用实验来验证奥巴林假说。他们摸拟“原始汤”，在水中加进甲烷、氨等分子，加热并通以电火花。一个星期之后，甲烷中有5%的碳变成了氨机基酸分子，而氨基酸正是构成生物蛋白质的基本单位。此后，科学家进行了许多类似的实验，不仅从无机物中得到了各种氨机酸，而且得到了核苷酸、磷脂等构成生命的重要有机分子。这样生命起源的第一步——化学无机分子怎样变成有机分子基本上搞清楚了。然而更困难的是第二步——有机分子怎样组成具有生物繁殖能力的细胞？美国迈阿密大学生化学家福克斯对此进行了研究。他相信，细胞起源于一种由类蛋白组成的微球体。他将这种微球体称之为前细胞。他已在实验室里得到了这种微球体。这种由氨基酸分子选择性结合而成的类蛋白微球体，具有类似细胞的功能：能新陈代谢，能自我复制，甚至对光的刺激具有类似神经信息的反应。最近，福克斯还发现，如果微球体中含较多的赖氨酸时，能催化氨基酸链和核苷酸链的形成。另外一些科学家则相信，生命是从具有遗传密码的核糖核酸自我复制开始的。他们在实验室里摸拟这种原始过程。最近，英国克拉斯哥大学的化学家彻因、史密斯等人提出了生命起源于黏土的理论。他认为核糖核酸起源于黏土晶格。在实验中，由硅、氧等元素形成的黏土晶格，能吸引周围游离的晶体，按一定规则排列分层，还能吸收和储存环境中的能量，并释放出来。这种黏土结构象一种模板，不断复制出相同结构的黏土层。也许正是从这种黏土中，进化产生了原始的脱氧核糖核酸。看来，我们必须重新考虑生命的概念，因为任何教科书关于生命的定义都是：有高度组织，结构稳定，有适应环境能力，能自我复制。而黏土晶格模板也具有这些特征，黏土是不是具有生命呢？没有人能够回答。从无生命进化到有生命的慢长过程中，还有一大段未知领域。米勒的实验米勒是诺贝尔奖金获得者、著名化学家尤里（1893-1981）的研究生。米勒被奥巴林和尤里的学说所吸引，产生了这样一种设想，他认为如果模拟原始地球的还原性大气，再模仿当时经常出现的雷鸣闪电，很可能会产生氨基酸。米勒的实验是按如下方式进行的。米勒用水（H2O）、甲烷（CH4）、氨气（NH3）和氢气（H2）但是不包括氧气（O2）共同混合，他假定该混合物的成分类似于原始大气（这一点并不确定），然后一起灌入到一个特殊的玻璃装置中，给瓶内混合物加热，使之不断沸腾，产生气体。气体经过一个装有两个电极的小室，室内连续产生火花，犹如大自然的闪电和火山爆发，然后经过冷却又变成液体回到原处。经过一个星期后，米勒使用纸套色版证明了瓶中现在含有几个氨基酸和一些其它有机物。在米勒实验之后的随后几年里，其它科学家改进了米勒的实验，也产生了一些新的发现。事实上，在实验中所有生命相关的小分子已经被产生了：所有蛋白质合成所需的氨基酸分子已经形成。所有核酸合成所需的嘌呤和嘧啶也已经形成。但是，核糖和核苷的非生命物质形成仍然有太多困难。但这些实验只解释了与生命体有联系的一些分子结构的产生，还没有彻底解释这些分子最后是怎样互相结合并进行生命活动的。所以这个理论的一个难点就是聚合体——生命自身的基本基体——是怎样组装起来的。解决方法是，聚合体的水解限制了它所能达到的尺寸。非生命物质的有机合成产生了L和D对应体的混合。而L和D两种对应体又是互相限制的，它们之中任何一种都会限制另一种的聚合。（例如，D氨基酸的出现限制了L氨基酸的聚合（L氨基酸是在地球上合成蛋白质的基体）。）这产生了这样一个理论，该理论认为早期聚合体是在保护它们退化的固体矿物质表面组合起来的，并且实验室中的多核苷酸和多肽包含着在矿物质（如粘土）表面合成的50个单元。虽然米勒的实验非常具有开创性，但米勒的实验也有很多的疑点。例如所使用的能量大小，不同气体的配合等；虽然都产生了氨基酸、醣类等物质，但仍不能证明这就是生命的起源。因为他所假设的大气层不能证明是原始的大气层，所得的结果就是不确定的。米勒本身也承认他的实验与自然界生命起源相距仍很遥远。并且现代科学发现在火星上有氧气存在却没有生命，那么米勒假设大气层中没有氧气存在故没有生命之说就不成立，因此无法证明生命起源是由单细胞进化而来的。米勒实验的成功给了后来者极大的鼓舞，此后，世界各国科学家纷纷投身于寻找生命源头的研究中。1959年，德国科学家格罗特和维斯霍夫设计了一个用紫外线代替放电的实验，同样得到了氨基酸；1961年，美国的生物化学家奥洛把氰化物加入实验混合物中，得到了很多种氨基酸及一些短链的肽，还制成了一种重要的生命物质——瞟吟；1962年，奥洛又制成了核糖和脱氧核糖；1963年，美国人波南佩鲁马做了同米勒相似的实验，他用电子作能源，制成了腺瞟吟；接着，他又和同事们一起在紫外线的作用下，制成了腺膘吟校普。到了周世纪70年代，组成蛋白质的20种氨基酸已能够全部通过人工模拟自然条件的方法合成。奥巴林假说中关于生命起源的有机物产生阶段已多次为实验所证实，大的分歧出现在蛋白质与生命物质产生阶段。在奥巴林生命起源假说中，海水是不可或缺的，它被认为是生命的摇篮。奥巴林派坚持认为，如果没有原始海洋，有机物质难以储存聚集，最终形成有自我复制功能的生命单体。陆地是生命的诞生之所（陆相起源派）奥巴林谱写的生命起源第一部曲虽然很顺利地得到了实验室的验证，可是合成氨基酸等小分子仅仅是生命起源的第一步，氨基酸、核苷酸等有机小分子怎样才能结合成蛋白质、核酸等大分子并进而形成细胞呢？奥巴林的假说碰到了重重困难。奥巴林假设生物大分子是在原始海洋中形成的，从单体形成大分子需要充足的能第2页共8页源，这个能源从哪里来？更困难的是由氨基酸合成蛋白质，每两个氨基酸分子就要脱去一个水分子，每个核糖和嘧啶等结合形成核酸，也得丢失水分子。而现在非但没有脱水剂的参与，而且是要在海水中进行脱水反应，这就像我们要在水里边把衣服拧干一样困难。虽然很多的科学家也意识到了这些问题，但是因为苦于跳不出海水这个圈子，所以一直都没有新的进展出现。直到美国生物化学家福克斯为止，才出现转机。1960年，福克斯提出了另一种生命起源的假说——类蛋白微球体假说。福克斯另辟蹊径，他绕开原始海洋，把生成蛋白质的舞台搬到陆地上。1960年，他提出了一种别具匠心的崭新的设想，那就是在原始地球的火山熔岩附近，高温会把水池中的水逐步蒸发掉，最后使氨基酸聚合成多肽或蛋白质。早期的地球温度很高，依靠热能就足以使简单的化合物形成复杂的化合物。这种设想能不能成立呢？福克斯选择了组成蛋白质的两种最主要的氨基酸：谷氨酸和天门冬氨酸，在160-200℃的条件下加热1-6小时，结果真的得到了分子量为5000-20000的大分子共聚物。他又乘胜追击，扩大战果，用18种氨基酸，在无水条件加热至150-170℃，经过3个小时，也得到了这种具有长链的高分子聚合物。如果在反应中加入磷酸化合物，合成将更快。这种高分子聚合物的性质与蛋白质非常相似，它也有肽键结构，消化酶能无例外的把它们水解氨基酸，细菌也能把它们当做食物，而且还类似蛋白质的催化功能，只是没有蛋白质的功能那么专一、高效，福克斯把它称作类蛋白。更加有趣的是，福克斯发现当把类蛋白放到稀盐酸溶液中加热溶解，等冷却后，类蛋白会缩到一起，形成无数类似细胞样的球状小体。福克斯把它称作类蛋白微球体。后来进一步又发现，类蛋白微球体非常容易形成，只要把类蛋白水溶液从25℃降到0℃即可得到。类蛋白微球体可以用像收集细菌那样的离心办法加以收集，它们的结构与细菌类似，简直可以达到以假乱真的地步。微球体也有双层结构的外膜，借以和水分开。与细菌一样，它们在高渗盐溶液中发生收缩，在低渗盐溶液中发生膨胀。它们也营养价值，可以让细菌填饱肚子。更奇特的是，这种微球体还会长芽，芽长大后受到刺激可以脱落下来，在饱和类蛋白溶液中又长成新的微球体。在一定压力下微球体还可以分裂。福克斯提出，在原始地球上，当类蛋白在热地区合成以后，随着雨水冲刷，它们进入原始水域，在那里进一步聚合成类蛋白微球体，形成原始的生命。福克斯的类蛋白微球体假说否定了生命发生对原始海洋的依赖，因而被称为“陆相起源派”。虽然福克斯把类蛋白微球体作为原始生命模型，受到了科学界的广泛重视和赞赏，但是也有人提出质疑，他们认为在原始地球上产生类蛋白的原始热地区虽然存在，但毕竟显得比较孤立，而生命是在广泛区域内普遍发生的事件。另外，福克斯对核酸和蛋白质关系还解释得不够清晰。最后类蛋白微球体毕竟还不是活的生命，生命究竟是如何由死变活的，还没有得到确切的实验证据。看来，要真正解决生命起源问题，人类还有漫长的路要走。生命起源三部曲1922年，年轻的苏联生化学家奥巴林（1895--1980）根据地球和太阳系形成的最新研究资料，提出了生命起源的假说，两年后，他又写在了《生命起源》的小册子，指出：生命起源不是某些幸运机遇的结果……而是物质进化的必然阶段。在生物进化之前还存在一个化学进化阶段。可惜由于语言不通，奥巴林的学说当时并未引起世界上的重视。1936年，奥巴林进一步丰富和发展了他的观点，出版了《地球上生命起源》一书。不久，该书在英国、美国都有了英译本，奥巴林关于地球上生命起源的假说，才在国际上引起反响。奥巴林把生命起源的历史分为三个阶段：第一步，从无机物生成有机小分子；第二步，从有机小分子形成氨基酸、蛋白质、核酸等高分子聚合物；第三步，形成具有新陈代谢、能够自我复制的原始生命体，最终产生细胞。我们就来看看奥巴林为我们描绘的生命起源的三步曲吧。在刚刚形成的原始地球上，大自然进行着惊心动魄、威武雄壮的活动。天空中雷鸣闪电，地面上火山爆发，喷出大量气体和熔岩，太阳发出的强烈紫外线，来自宇宙空间的射线无遮无拦地射向地面，它们结合起来向原始大气进攻。原始大气主要是由甲烷、氨、氢、二氧化碳、一氧化碳、水等组成的还原性大气，这种大气生成了甲醛与氰化氢等醛、醇、酸等有机小分子。随着地球的冷却，水蒸汽凝结成雨点，大雨磅礴而降，形成原始海洋，大气中各种不同有机物被雨水冲刷下来，落进原始海洋中，成为所谓的热稀释汤，这就是奥巴林谱写的生命起源的第一部曲。生命起源的第二个阶段主要发生在原始海洋中，这是一个非常漫长的过程。降到水中的有机物数量非常丰富，浓度可达1%，就像大自然厨师烹调的一锅原始营养汤。水中含有的无机物，能催化各种碳氢化合物的变化，并参与反应成为有机物的组成部分。这些简单的有机物通过各种化学反应，形成氨基酸、糖、核苷酸直到蛋白质和核酸等复杂的化合物。具有新陈代谢的多分子体系的产生是生命起源中最关键的一个阶段。由非生物变成原始生命是一个质的变化，也是生命起源中最难回答也最引人注目的问题。奥巴林根据胶体在水中凝聚成团聚体的现象，提出在原始营养汤中，多肽、多核苷酸和蛋白质等大分子会凝聚成团聚体，这些浸在盐类和有机物中的团聚体可以和外界环境不断进行物质能量的变换，通过自然选择，新陈代谢的催化设备日臻完善，核苷酸和多肽之间的密码关系逐步确立，最后由量的积累发生质的飞跃，终于诞生了生命。奥巴林曾用组蛋白和多核苷酸制成了团聚体。奥巴林把生命的发生看成是自然界长期进化的结果，并首次从整体上建立生命在地球上发生的科学理论，因此被誉为研究生命起源的先驱。英国学者霍尔丹在1929年也独立发表了类似的见解，认为原始的大气中没有氧，直射下来的强烈紫外线作用于水、二氧化碳、氨的混合物，形成许多有机化合物，最后导致生命的产生。也有人把他们的理论称为奥巴林--霍尔丹生命发展学说。以色列科学家提出生命起源新假说据新华社报道，以色列魏茨曼科学研究所人类基因中心兰森特研究组，最近提出生命起源于脂类分子的新假说。曾