生命的起源

出处：按学科分类—自然科学总论 北京出版社《现代科技综述大辞典上》第768页（3952字）

生命起源问题是人类认识自然界的重大课题之一。

在古代，有唯物主义的(原子论者)、唯心主义的(柏拉图)等形形色色的自然发生论。雷地(F．Redi，1608)、斯帕兰扎尼(L．Spallanzani，1765)、巴斯德(L．Pasteur，1862)等先后用实验证明，现存的生物不能自生。

德蒙利佛(DeMontlivault)、开尔文(L．Kelvin，1871)等则提出宇宙胚种学说。海克尔(E．Haeckel，1868)、耐格里(C．Naegeli，1884)等认为巴斯德所否定的只是自然发生说的一种具体观点。

他们认为生命不是从来就有的，认为生命在原始地球条件下，最初来自非生命物质。自19世纪30年代，人们开始提出蛋白质的概念，并认为它是生命活动中最重要的物质(J．J．Berzelius，1836)。1868年，海克尔根据对生物体中各种物质的化学分析指出：它们也是化学物质，同无机物没有不可逾越的鸿沟，蛋白质早晚会被人工合成，从而合成生命。奥巴林(A．E．Oparin)率先采用化学途径进行实验和研究生命起源。

1924年和1936年，他提出了“团聚体假说”，认为生命起源时原始地球的环境是还原性的，不是氧化性的。

他以蛋白质为中心组分同其他有机高分子，如多核苷酸、组蛋白等其他蛋白质或阿拉伯树胶等碳水化合物，分别混合，这些混合物的水溶液，在一般温度、酸碱度等条件下，会自然凝聚成一个个的小滴(团聚体)。这种团聚体具有选择性吸收的功能，它们在适宜的条件下可以呈现某种新陈代谢、生长、繁殖等类似生命活动的现象。因此，奥巴林认为，团聚体可能是从原始蛋白质进化为原始生命的过渡性结构形式和演化场所。

1953年，尤里(H．C．Urey)、米勒(S．L．Miller)推测原始大气的主要组分是CH₄、NH₃、H₂O和H₂等，但后来不断有人提出异议。如1990年小林健正提出原始大气的主要成分是CO₂、CO、H₂O和少量的N₂、H₂等。

奥巴林所使用的实验材料是生源性的，而生命原始发生时的原材料显然是自然界的，非生源性的。米勒(S．L．Miller，1953)和福克斯(S．W．Fox，1955)等部分地填补了这个空白(核酸除外)，他们在模拟推测的原始地球的环境条件下，分别实现了氨基酸和类蛋白的自然合成。

星际有机物质的发现(B．Е．Turner，1968等)，陨石中氨基酸等有机物的发现(1962年以来)和月球土中氨基酸的发现(1970)，说明合成生物大分子的原料广泛存在于宇宙空间，证明米勒等人的实验的自然性。

1959年，福克斯发现，他所合成的类蛋白在水溶液中加热到130～180℃后冷却，可以自然聚合为大小一致的(0．5～3μm)微球体，其外围有一层自然形成的双层界膜，并具有如团聚体一样的类生命现象。

多肽形成的可能方式，除了福克斯的干热聚合法外，还有1967年贝尔纳(L．D．Bernal)提出的矿物表面吸附理论，1972年可恰尔斯基(A．Katchalsky)的蒙脱土吸附理论和1955年赤堀四郎的聚甘氮酸理论等。

奥巴林和福克斯都侧重于蛋白质及代谢的起源研究，而不大注重核酸及遗传复制的起源的研究。

1953年分子生物学诞生后，如艾根(M．Eigen)、奥格尔(L．E．Orgel)、奥罗(J．Oro)等在这方面展开了研究。他们强调核酸及其复制机制在生命起源中的首要作用，他们的主要成果有4个方面：(1)在模拟原始地球环境条件下，研究了5种碱基和核糖、卟啉、脂肪酸等的非生源性合成，并取得了成功。但对核苷，进而对核苷酸的形成机制还不清楚。(2)在有酶没有模板或有模板没有酶的条件下，合成了短链RNA。

(3)设计和描述了遗传密码起源的可能途径。(4)研究了核酸和蛋白质在结构上的共同进化和在功能上协同耦合的可能途径，提出了“超循环论”(艾根，1970)。

生物大分子光活性的起源问题通过科学实验已知有许多可能的途径，主要有：(1)不对称因子的选择结晶(赤堀四郎，1955；福克斯，1962等)；(2)圆偏振光(T．L．Davis等，1945)；(3)宇称不守恒的决定(A．S．Garay，1968；S．Mason，1985)；(4)随机起源论(R．E．Dickerson，1979)

生命起源研究中还有两种生物大分子即蛋白质和核酸哪一个首先起源问题。奥巴林主张蛋白质首先起源，里奇(A．Rich，1962)、克里克(F．H．C．Crik，1968)等则主张核酸首先起源认为RNA自复制体系的出现即诞生了生命。

1981年T．R．Cech、S．Actman发现了RNA具有酶活性(RNA后加工方面)支持了后一种观点，1972年F．Lipmann发现的短杆菌肽S和1982年S．Prusiner发现的Prion因子的自复制现象则有利于前者。艾根(1979)等主张平行协同进化，认为两者产生后的存活是互为因果的，没有先后可言。

1985年戴森(F．Dyson)提出了生命两次起源的假说，他指出：(1)核酸及核苷酸难于非生源性合成，就核苷酸来说，非生源性合成过程中形成具有现在的核苷酸结构的几率，只有1%。而蛋白质易于非生源性合成已成定论，并且，如此合成的蛋白质中的肽链结构大多数是正确的。

另外，艾根和奥格尔的RNA合成实验，都不是纯非生源性合成。艾根使用了生源性的RNA聚合酶，奥格尔则加入了现代的RNA模板。

这说明，只要有蛋白质及合成RNA的原料就可以产生RNA，只有合成了RNA才能再复制新的RNA分子。(2)RNA在复制过程中易于出现多种突变，产生误差，但RNA自身不具有校正功能，结果，已有遗传信息将逐渐消失，走向无序。

戴森通过计算机计算，发现蛋白质体系可允许高达20%～30%的误差率。因此，奥巴林的团聚体中总有一部分蛋白质具有完整的正确结构，保持有正常的催化功能，从而使团聚体得以正常生存和发展。没有核酸的指令作用，核酸中积累的误差也就不会损害蛋白质的结构和功能。(3)团聚体的分子群体从无序达到有序，实现自稳定，要求能自保持的分子群体必须具有足够的大小(约104～2×104个)，这样大的自保持群体，核酸达不到，差两个数量级，只有能容忍高突变率的原始蛋白质，才有可能。

基于上述种种情况，戴森在冯·诺依曼(J．von Neumann)和马古里斯(L．Margulis)等关于自动机结构和内共生理论的启示下，提出了生命起源过程分两步走：第一步是蛋白质及其代谢机制的起源和发展，第二步是核苷酸及核酸(RNA)在团聚体中的蛋白质催化下起源产生。最初，它只是作为寄生物存在于原始蛋白质构成的细胞中，结果，有的原始细胞因此而死亡，有的则逐渐变得能够容忍RNA及其复制活动，从而使得它们间的关系由寄生变为共生。

后来又经过数百万年，才一步步建立起协调的耦合关系，形成了互相依赖的有机整体。从此，地球上才出现了原始的生物体，生命才真正形成。

生命起源的理论已有了基本框架，但许多具体问题都还在广泛探索中，需研究的主要问题有：(1)蛋白质同核酸的协同匹配问题，包括核酸和遗传密码的起源问题。(2)有关生物大分子构型的破缺问题，即光活性的形成问题。

(3)实验证明，许多生命组分和属性的起源机制具有多样性，如光活性的起源、各种碱基和蛋白质的合成等，都有了多种方法，说明它们的起源并不难，困难在于这些组分的耦合及其整体性的展现。这中间既需要有新的科学实验，更需要进行新的理论探索和新的系统综合。

。【参考文献】：

1 奥巴林A I着．地球上生命的起源．北京：科学出版社，1960

2 Fox S W．The origin of prebiological system，New York：Academic Press，1965

3 原田馨着．生命起源的化学基础．上海：上海科学技术出版社，1978

4 米勒S L．奥吉尔L E．地球上生命的起源．北京：科学出版社，1981

5 Dyson F．Origens of life，Cambridge University press，1985

6 Thomas R C．The generality of self-splieing RNA：relationshep to nuclear mRNA splicing，Cell，1986，44∶207

7 艾根M．超循环论．上海：上海译文出版社，1990

8 Nena Hall．Chemical clues to the origin of life，New Sciientists，1990，21(4)∶29

9 Waldrop M M Science，1990，3

(北京师范大学郭华庆副教授撰；彭奕欣审)