揭開生命起源之謎的四個重大進步

　　據《紐約時報》報道，大約39億年前，太陽外行星軌道的一次巨變致使大量彗星和小行星一窩蜂闖進太陽系。由它們的劇烈碰撞造成的大隕石坑至今在月球表面仍清晰可見，地球表面溫度迅速升高，變成了熔岩，海洋蒸發後變成了薄霧。

　　然而，38億年前形成的岩石可能包含生物進化的證據。如果無機物質可以如此迅速容易地形成生命，那麼在太陽系和太陽系之外的星球為何不能存在大量生命呢？如果生物學是物質的固有屬性，為何化學家迄今尚無法在實驗室重塑生命，或類似於生命的東西呢？

　　地球的生命起源充滿著疑惑和矛盾。活細胞蛋白和構成生命的遺傳信息二者孰先孰後呢？在封閉細胞膜尚未將所有必要的化學物質聚在一起的情況下，生物體的新陳代謝如何開始的呢？但如果生命始於細胞膜內部，它又是如何獲取必要的營養物呢？這些問題或許看似毫無實際意義，因為生命的確是以某種方式開始的。除了少數堅持一定要弄清楚生命是如何起源的研究人員外，其他的人在此問題上總是失望而歸。

　　許多曾經大有希望的線索最後一無所獲，數年的努力付之東流。像分子生物學首席理論家弗朗西斯·克裡克(Francis Crick)等知名科學家曾心平氣和地說，也許生命在地球上生根發芽之前已在別的地方形成，所以，要找到一個生命起源於地球似乎合理的解釋是那麼的困難。然而，過去幾年，科學家在該領域取得的四個令人吃驚的進步已使他們重塑了信心，相信遲早會找到有關生命起源於地球的合理解釋。

　　原始細胞

　　第一個進步是有關細胞狀結構的諸多新發現，這些結構自然形成於可能存在於原始地球上的多脂肪化合物。這一發現源於三位同事之間的長期爭論，爭論的焦點集中於遺傳體系，還是細胞膜在生命演變中最早出現。他們最終達成了共識：遺傳體系和細胞膜一定要一起進化。這三位研究人員是傑克·佐斯塔克(Jack W.Szostak)、戴維·巴特爾(David Bartel)和盧伊吉·路易斯(Luigi Luisi)。

　　他們2001年在《自然》雜誌上發表了一篇論文，宣佈培育人造細胞的一個方法是獲得平行生長和分裂的原始細胞(Protocell)和遺傳分子，而分子將被裹在原始細胞內。他們寫道，如果分子賦予這個細胞優於其他細胞的生存優勢，那麼結果將是「可持續的、具有自動複製能力的體系，與達爾文進化論的描述相符。它也許真的存在。」

　　佐斯塔克供職於馬薩諸塞州總醫院，已取得了這個研究項目的理想成果。結構簡單的脂肪酸(可能曾經存在於原始地球之上)將本能地形成雙層球體結構，與今天活細胞的兩層薄膜存在很大的相似之處。原始細胞會吸收融入水中的新脂肪酸並最終分裂。活細胞一般情況下是不可滲透的，具有極為複雜的機制，僅僅承認它們需要的營養物。

　　佐斯塔克及其同事的研究表明，小分子可以輕易進入原始細胞。但是，如果它們形成大分子，則無法從原始細胞中出來。倘若原始細胞可以將小DNA片段吸收進去，接著以核甘酸(DNA的構造單元)為食，那麼核甘酸會自然地進入細胞中，與另一個DNA分子建立連接。上個月，在長島冷泉港實驗室舉行的達爾文進化論座談會上，佐斯塔克表示他對「獲取運行於原始細胞內部的化學複製體系十分樂觀。」

　　他希望接下來可以將具有複製能力的核酸與分裂的原始細胞結合起來。佐斯塔克的實驗接近於通過被認為曾經存在於原始地球上的化學物，生成自然分裂的細胞。但是，他採用的一些原料都相當複雜，比如核酸的核甘酸構造單元。研究原始地球生命起源前化學的化學家在核甘酸如何自然出現的問題上瀕於崩潰。

　　核甘酸由一個身處一端的像核糖和去氧核醣這樣的糖分子，和處於另一端的磷酸鹽組(phosphate group)構成。化學家驚喜地發現，像腺嘌呤這樣的鹽基可以由簡單的化學物(如氫化氰)輕易形成。然而，科學家多年努力卻化為泡影，因為他們發現腺嘌呤無法與核糖建立天然聯繫。

　　自我複製RNA

　　上個月，英國曼徹斯特大學化學家約翰·薩瑟蘭(John Sutherland)在《自然》雜誌上發表的一篇論文稱，他發現了一個經由生命起源前化學物人工合成核甘酸的驚人途徑。薩瑟蘭博士並不是通過可能存在於原始地球上的化合物分別培育鹽基和糖，他的研究發現在合適的條件下，鹽基和糖分可以構成單一單元，所以，根本不需要被連接起來。美國加州斯克裡普斯研究所從事生命起源研究的專家傑拉爾德·喬伊斯(Gerald F. Joyce)說：「我認為薩瑟蘭的論文是過去五年來生命起源前化學領域的最大進步。」

　　一旦從化學物質中生成自我複製系統，這就成了遺傳史的序幕，原因在於每個分子都帶有其祖先的印記。對先於複製技術的化學頗感興趣的克裡克博士曾表示：「想通了這一點，其餘的不過是歷史而已。」喬伊斯博士一直在培育具有複製能力的RNA分子，以此來研究遺傳史的開始。作為DNA 的近親，RNA幾乎肯定作為活細胞的遺傳分子先於DNA出現。除了攜帶信息外，RNA還可作為酶去促進化學反應。

　　喬伊斯博士今年初在《科學》雜誌上報告稱，他通過四類RNA核甘酸培育出兩個RNA分子，它們可以促進相互之間的合成。他說：「我們最終會擁有可以長生不老的分子，」即一種信息可以無限傳遞下去的分子。據喬伊斯介紹，這套體系並不活躍，但可以完成生命最主要的功能，比如複製，適應新環境。薩瑟蘭說：「喬伊斯距離培育出具有自我複製能力的RNA種類的目標越來越近。所以，只有悲觀主義者認為他在幾年內不會獲得成功。」

　　一直受分子左右旋問題困擾

　　另一項驚人突破來自於有關分子左旋與右旋的一系列新研究。一些化學物質——例如由蛋白質構成的氨基酸——以兩種鏡像形態存在，在很大程度上與我們的左手和右手類似。在最為自然的產生條件下，這些以兩種形態存在的化學物質會以混合物形式出現，並且兩種狀態的數量大致相等。但在活細胞中，所有氨基酸均是左旋，所有糖和核甘酸則均是右旋。

　　長期以來，目光鎖定生命起源以前的化學家便無法解釋，在早期地球，第一個活生命系統如何只從這種混合物中提取一種類型(左旋或者右旋)的化學物質。左旋核甘酸形同毒藥，原因就在於阻止右旋核甘酸在一條鏈條上連接以形成RNA(核糖核酸)或 DNA(脫氧核糖核酸)等核酸。喬伊斯博士將這一問題稱之為「最初的順式」。在提到左旋和右旋形態的結構時，這位化學家使用了「順式」和「反式」這兩個專業術語。

　　令化學家意想不到的是，「最初的順式」現在已經不是一個令他們頭痛的問題。包括倫敦大學帝國學院的堂娜·布萊克默德(Donna Blackmond)在內的研究員已然發現，通過不斷的冷凍和融解，一個由左旋和右旋分子構成的混合物能夠被轉換成單一形態。

　　海水與淡水哪個才是生命搖籃？

　　借助於最近取得的這4項突破——佐斯塔克博士的原生態細胞、可自行複製的RNA、核甘酸的自然合成以及對左右旋的一種解釋——研究生命起源的科學家看到了非常樂觀的前景，儘管他們仍有很長的一段路要走。薩瑟蘭博士說：「在我看來，我們所有人都要比5年或者10年前更為樂觀。」

　　當前擺在科學家面前的其中一個問題是，科學家至今仍未對生命起源的環境達成一致意見。包括古瑟爾·瓦切特沙瑟爾(Gunther W?chtersh?user)在內的一些化學家指出，生命起源於火山環境，例如海洋深處的火山口。他表示，這些火山口擁有氣體和金屬催化劑，第一個新陳代謝過程可能就在此發生。

　　但很多生物學家認為，在海洋內，生命起源所需的要素通常在很大程度上被海水沖淡。相比之下，他們更願意相信溫暖的淡水水域才是生命的起源地，這一點與達爾文的觀點一致。他們指出，淡水水域邊緣周圍出現的週期性變濕和蒸發產生了有益的濃度和化學過程。

　　沒有一個人確切地知道生命何時出現。有關活細胞的最老且被廣泛接受的證據是在安大略「岡弗林構造」發現的距今19億年的細菌化石。但在格陵蘭兩個地區發現的岩石——含有與眾不同的碳同位素混合物——也可以成為生物進程的證據。相比之下，它們的歷史更為悠久，距今38.3億年。

　　重轟炸不可能消滅一切細菌

　　安大略發現的岩石處在後期重轟炸期(大約39億年前，巨大的彗星和小行星降落到地球和月球頭上)，地球表面可能沒有任何細菌存在，在這種情況下，生命如何迎來一個快速啟動式的開始呢？美國科羅拉多州大學地質學家史蒂芬·莫契斯(Stephen Mojzsis)曾對其中一個格陵蘭岩石發現地進行分析。在5月出版的《自然》雜誌上，莫契斯表示後期重轟炸期不可能消滅一切生靈，他的這一觀點得到很多人的認同。莫契斯認為，生命起源於海洋深處，擁有更為悠久的歷史並且在後期重轟炸期倖存下來。

　　最近對鋯石進行分析發現的證據顯示，穩定的海洋和陸殼早在44.04億年前就已出現，而地球則是在此前1.5億年形成的。在引發巨變的轟擊發生前，生命可能用了5億年時間才踏上征程。

　　讓地質學家產生分歧的是，格陵蘭岩石是否真的提供了生物進程跡象。通常情況下，地球化學家只能對原始大氣的構成進行預測。喬伊斯表示，生命起源前化學領域先驅萊斯利·奧格爾(Leslie Orgel)經常說：「幾年之內，原始地球的環境就會再次發生變化。」喬伊斯曾經是奧格爾的學生。

　　在研究生命如何起源方面，化學家和生物學家在很大程度上要依靠自身的力量。由於缺少化石證據，他們並不確定第一個生命體在何時、何地以及如何出現，因此只能通過在實驗室進行重新創造的方式解答這些問題。