浅谈生命的起源-----从米勒实验说起

生命从哪里来？一代又一代的科学家不断地探索地球上的生命起源，而相比而言，人从哪里来？这是人们或多或少都想过的问题，特别是“少不更事”的时候，长大后则理所当然丢给哲学家们去思索了，或者满不在乎任神学家手握答案了。这个可大可小的问题，少数人------科学家、哲学家或者只是一个有仰望星空、关心根源的情结的普通人，视之为最重要的事绞尽脑汁去思考，甚至耗尽毕生也不放弃；多数人则毫不触及或者忙于俗世生活避而不谈。笔者认为这一基本科学难题对于人类意义重大，因为真正了解过去才能明白未来，在此问题上，毕竟圣经的创造论与漫无目的的物理世界将赋予生命很不同的意义。对于个体而言，或可以唤起童年时的好奇心而激发思考的火花，或可以让人在难题面前始终保持谦逊的求知态度、敬畏大自然，而拥有这种好奇心和对真理不懈追求的愿景，对科研人员而言，无疑是很有益处的。 

在此，笔者提不上启迪读者思考，只想在了解相关背景知识的基础上分享自己的一些想法。 

一、化学进化论与米勒实验 

在生命起源问题上，化学进化论目前为多数人所接受，类似于达尔文进化论中的思想：从简单到复杂的生命进化树，该学说认为在原始地球的条件下，无机物可以转变为有机物，有机物可以发展为生物大分子和多分子体系，直到最后出现最原始的生命体机----一个最简单、最原始的细胞，既原细胞(protocell)；这个学说起初也称为“原始汤”(primodial soup)生命起源假说，由奥巴林和霍尔丹提出，他们认为地球上的生命是由非生命物质经过长期演化而来的。 

原始地球的天空 

　　试图为化学进化论提供理论依据的是米勒，1952年美国芝加哥大学研究生S.L.米勒，在其导师H.C.尤里指导下，进行了模拟原始大气条件（如雷鸣闪电）的实验，由无机物混合物（CH₄、HO₂、H₂和少量NH₃）得到了20种有机化合物，其中11种氨基酸中有4种(甘氨酸、丙氨酸、天门冬氨酸和谷氨酸)是生物的蛋白质所含有的，而当时人们认为蛋白质是生命的本质。米勒的实验（Miller’s simulated experiment）在当时很有创新性，不仅启发人们沿着化学进化这一方向进行更深入的研究，也启发人们去探索生物分子的非生物合成。 

米勒实验示意图 

　　另一方面，虽然米勒实验得到了结论：由无机物合成小分子有机物是完全有可能的，但这还仅仅是触及化学进化，远不能完成揭示生命的奥秘。首先，很难证实米勒模拟的大气状况完全符合真实情况，例如无机小分子的种类、比例是否一致等，据说米勒自己也曾经指出：“这些见解只是推测，因为我们根本不知道地球当初形成时，大气是否处于还原状态。……目前还没有直接的证据证实这一点”；其次，即使米勒实验的模拟是成功的，无机小分子生成生物小分子的反应也只是在实验室里成功地完成了，只是为历史上的真实过程提供一种可能性，例如化学进化的另一种可能方式是新泛种论”(neopanspermia)，即在地球早期演化过程中，星际有机分子可能进入地球成为前生命化学进化的基本原料。Miller和Urey在发表关于该经典实验的文章时，采用的题目为《在可能的早期地球环境下之氨基酸生成》（A Production of Amino Acids Under Possible Primitive Earth Conditions），表明只是一种可能的比较合理的猜测；再者，假设米勒解决了生物分子形成的问题，他距离生命起源的真正答案仍然很遥远，因为随着科学研究的进展，核酸又“搅进了这个局”------19世纪末期，人们已经证明了DNA（少数为RNA）才是遗传物质，由氨基酸构成的蛋白质是在其指导下合成的。   

　　二、生物大分子的起源  

　　我们先假设化学进化学说是对的，那么由无机物得到简单的有机物小分子，后者将进一步构成有生物功能的大分子，而这些生物大分子又是以什么顺序出现？如同众所周知的鸡与蛋的先后之争，生命机体形成过程中，DNA和蛋白质出现的先后问题也困扰着许多研究学者。经典的遗传学中心法则，认为DNA通过转录形成mRNA，mRNA指导蛋白质的合成，即通过“翻译”把碱基序列转变为氨基酸序列；在生物体内，没有蛋白质作为酶的催化作用就不能合成DNA，而没有DNA作为遗传信息的指导，氨基酸也不能组合成有特定功能的蛋白质分子。 

DNA和蛋白质出现顺序，如同鸡和蛋的先后之争 

　　另外，学术界还有一个观点：不是DNA先也形成不是蛋白质，而是RNA（RNA world hypothesis；“RNA世界”一词由诺贝尔奖得主沃特·吉尔伯特（Walter Gilbert）于1986年提出）。随着RNA作为某些病毒遗传物质载体的发现，以及对RNA分子的结构和功能的研究，科学家发现它既有DNA的自我复制能力，又具有蛋白质的催化性质，从而推测RNA可能是三者中最古老的分子，起初同时承当了DNA和蛋白质的功能，后来渐渐出现形态功能的分化，衍生出后两者。罗德·怀特在1976年观察到许多酶的必需辅因子是核苷酸或核苷酸衍生物，他提出这些核苷酸辅因子代表了“核酸酶的化石”（fossils of nucleic acid enzymes）。 

　　三、我们的难题  

　　化学进化学说（包括RNA世界假说）面临一个着难题：在生命起源前的环境里，自然界如何把从生物小分子（氨基酸、核苷酸）变成生物大分子（蛋白质、核酸）。正如《生命起源的奥秘：再评目前各家理论》指出：“我们在合成氨基酸方面的成就有目共睹，但合成蛋白质和DNA却始终失败；两者形成了强烈的对照”。虽然，科学发展到今天，我们能以极大地效率在实验室利用机器合成出需要的生物大分子，在生命起源前环境里的合成实验却“始终失败”，这或许是大自然跟人类开的一个玩笑吧，以此提醒人们面对大自然、面对时间长河应当保持谦逊的姿态。 

　　随着手性分子（其左旋分子和右旋分子互为对映异构体）的发现，又一个谜摆在我们面前------生命对称性破缺，即大自然神奇地选择了L-氨基酸（左旋）构建蛋白质，而构建核酸DNA和RNA的则是D-核糖。我们不得不承认知识的圈子越大，所碰触到的未知世界也就越大，人类在大自然面前正如牛顿所说的始终是一个“捡贝壳的孩子”。 

氨基酸（除甘氨酸）是有手性的分子 

　　因为没有人目睹生命形成的过程，科学家研究的成果应该说都只是假说、理论，不是绝对的事实，正如霍金提出的宇宙大爆炸理论（Big Bang theory），不管科学怎么进步，如果这一理论是正确的，它本身意味着我们只能知道大爆炸发生以后的事情，大爆炸之前的情况根本难以想象，更无法得到百分之百的证明（不管有没有事物存在或什么事物存在）。 

霍金和宇宙大爆炸理论 

　　科学研究的一般规律是，把自然规则研究清楚透彻，然后应用到实验室生产出人类的福利，即从大自然到实验室，一种对规律的应用；而在化学进化理论试图解决的“起源”问题上，既然是从无到有，实验室就不能借用已找到的规律，而是要生产出规律去套用到大自然上，一反科学研究的常道，这是十分困难的。起源问题的论证，在我的视野之下，似乎成了悖论，因此要“证实生命起源”这个命题至少目前我觉得是遥遥无期的。 

　　让我们保持敬畏大自然的谦逊心态继续“捡贝壳”吧。