生命起源2

三、生命的化学进化

(一)化学进化1

孕育生命的原始地球初生地球的地壳薄弱，地球内的温度很高，火山活动频繁，从火山喷出的许多气体构成了原始大气。一股认为原始大气包括CH4、NH3、H2、HCN，H2S、C0、C02和水蒸汽等，是无游离氧的还原性大气。其主要根据是：

1.射电望远镜无线电波谱分析表明，现在离太阳较远、变化较小的行星如木星、土星等的大气，都是由H2、He、CH4、NH3等组成的还原性大气；

2.远古沉积岩所含的铁是氧化程度较低的磁铁矿(Fe3O4)，而以后生成的“红层”所含的铁则是氧化程度较高的赤铁矿(Fe2O3)，这反映了原始大气从还原性向氧化性的过渡现在地球的氧化性大气是蓝藻和植物出现后，通过长期的光合作用逐步形成的。

(二)化学进化2

由于原始大气中无游离氧亦未形成具氧层以阻挡、吸收太阳辐射的大部分紫外线，所以紫外线能全部射到地球表面，成为合成有机物的能源。此外，天空放电、火山爆发所放出的能、地球深处的放射线和宇宙空间的宇宙线以及陨星穿过大气层时所引起的冲击波等，也都有助于有机物的合成。在上述各种能源中雷鸣闪电似乎更重要，因为它所提供的能量较大，又在靠近海洋表面处释放，那里合成的产物很容易溶于水中。

(三)化学进化3

生物小分子的合成如氨基酸、核苷酸以及脂肪酸等的合成。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中雷鸣闪电的实验，共得到了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。以后其他学者又进行了大量的模拟实验，或改用紧外线、b射线、高温、强的阳光等作能源，或改换了还原性混合气体的个别成分（如以H2S代替H2O、以HCN代替CH4和H2、或增加CO2、CO等），结果都能产生氨基酸；而用氧化性混合气体代替还原性混合气体进行实验，则不能生成氨基酸。现在组成天然蛋白质的20种氨基酸，除了精氨酸，赖氨酸和组氨酸以外，其余的都可用模拟实验的方法产生。组成核酸的生物小分子多数亦能通过模拟实验形成；如有人用紫外线或g射线照射稀释的甲醛(HCHO)溶液获得了核糖和脱氧核糖；用紫外线照射HCN获得了腺嘌吟和鸟嘌吟；用丙炔腈(N≡C-C≡CH)、KCN和H2O在100℃下加热一天得到了胞嘧啶；将NH3、CH4、H2O和苹果酸与聚磷酸加热至100～140℃获得尿嘧啶；将腺嘌呤及核糖的稀溶掖与磷酸或乙基偏磷酸盐（ethylmetaphosphate）放在一起，用紫外线照射，可生成腺苷；将腺苷、乙基偏磷酸盐封入石英玻璃管中用紫外线照射，可产生出腺苷酸（AMP）等。此外脂肪酸也可通过用高能电子照射碳氢化合物和二氧化碳而获得。

(四)化学进化4

化学进化显然不限于原始地球，在宇宙和其他天体上也会发生。星际分子和陨石中有机物的发现证实了这一点。据L.E.斯奈德报道，到1978年为止己发现星际分子37种，其中80%是有机化合物。星际分子中有大量的甲醛和氰化氢，与米勒放电实验中最初的中间产物相同，当它们与氨反应再经水解就能生成氨基酸。1969年9月坠落在澳大利亚东南部默奇森镇的陨石，经分析发现含有多种氨基酸，其种类与含量同米勒放电实验生成的相当一致。这就表明，原始大气由无机物生成生物小分子不但是可能的，而且这种过程在宇宙间仍在发生。

(五)化学进化5

生物大分子的合成可推想，被雨水冲淋到原始海洋中的生物小分子(单体)，经过彼此的相互作用，可以形成蛋白质、核酸等生物大分子(聚合体)。但单体变成聚合体必须经过脱水缩合，而在原始海洋中进行脱水缩合显然是个很大的难题。目前关于氨基酸缩合成多肽，较可信的看法有以下3种：

1.美国学者S.W.福克斯等认为原始海洋中的氨基酸可能被冲到火山附近的热地区，通过蒸发、干燥和缩合等过程而生成类蛋白，类蛋白若被冲回到海洋，就可能进一步发生其他反应。他们的根据是：将20种天然氨基酸按酸、碱、中性分别混合，在170℃下加热数小时，可以得到具有天然蛋白质某些特性的氨基酸聚合体─类蛋白。

2.另一些科学家如以色列的A.卡特恰尔斯基等认为，原始海洋中的氨基酸是在某些特殊的粘土上缩合成多肽的。他们在实验室内先使氨基酸与腺苷酸起作用，生成氨基酰腺苷酸，后者含有自由能，当被吸附在蒙脱土(montmorillonite)等特殊粘土的表面时，就能缩合生成多肽。英国学者J.D.贝尔纳早在1951年就提出了某些粘土片层间因含有大量的正、负电荷，故可将带电的分子吸附并能成为原始催化中心的理论。60年代英国学者A.G.凯思斯—史密斯更进一步提出生命起源于粘土的主张。他认为导致生命出现的化学演变是在粘土中进行的。80年代美国航天局的科学家们发现，某些粘土有贮存和运送能量的功能，这一发现支持了凯思斯—史密斯的观点。

3.日本学者赤崛四郎提出一个能回避“脱水缩合”难关的“聚甘氨酸理论”以说明多肽的形成。他认为在原始大气中产生的HCHO，能与NH3和HCN发生反应，形成氨基乙酰腈(aminoacetylnitrile)，后者先聚合再水解，生成聚甘氨酸，最后经过与醛类、烃类等起作用生成不同的侧基而形成由各种氨基酸组成的蛋白质。

(六)化学进化6

模拟原始地球条件合成核酸的实验也有成功的报道。例如，有人将核苷与聚磷酸盐加热至50～60℃获得了多核苷酸；有人将尿苷酸与聚磷酸盐加热得到了多尿苷酸，但并非以3'、5'磷酸二酯键相连；后来有人用胞苷酸与聚磷酸在65℃下合成了由5个左右核苷酸构成的短链核酸，含有3'、5'磷酸二酯键，与生物的核酸连接方式相同。但在无酶促情况下合成更长的以3'、5'磷酸二酯键相联的多核苷酸或由几种单核苷酸组成的多聚体却非常困难。

(七)化学进化7

多分子体系的出现生物大分子必须组成体系，形成界膜才能与周围环境明确分开，才可能进一步演变。因此人们认为多分子体系的形成可能是生命出现之前、化学进化过程中的一个必不可少的阶段。目前研究多分子体系的实验模型主要有团聚体和微球体两种。

1.团聚体(coacervate)模型。奥帕林将白明胶水溶液和阿拉伯胶水溶液棍在一起，在显微镜下看到了无数的小滴即团聚体。后来发现蛋白质与糖类、蛋白质与蛋白质、蛋白质与核酸相混，均可能形成团聚体。奥帕林把磷酸化酶加到含组蛋白和阿拉伯胶的溶液中，酶就浓缩在团聚体小滴内；再把葡萄糖-1-磷酸加到溶液中，后者就会扩散进入小滴并被磷酸化酶聚合成淀粉。聚合作用所需的能量由葡萄糖-1-磷酸的磷酸键提供，而所释出的磷酸根则作为“废物”从小滴中扩散出来。由于阿拉伯胶是一种糖类，故合成的淀粉可使团聚体的体积增大。当团聚体变得过大时，它们就会自发地分裂成几个小滴。若把磷酸化酶和淀粉酶一同加到团聚体的配制物中，则这两种酶都会浓缩在小滴里，随后就发生两步反应：葡萄糖-1-磷酸进入小滴并被磷酸化酶聚合成淀粉；淀粉酶则把淀粉分解成麦芽糖，后者与磷酸根一道扩散回周围溶液中。这样的小滴可作为一个开放系统而长期保存。可以设想，如果团聚体能自行制造磷酸化酶和淀粉酶(含有能“指导”合成这两种酶的基因核酸系统)，在它们周围环境中又有足够的葡萄糖-1-磷酸作“食物”，则它们就既能合成，又能分解；如合成速度大于分解速度，团聚体就能“生长”，并通过分裂而“繁殖”。由于团聚体模型能表现出这些最简单的生物学特性，所以引起人们的注意。

2.微球体(microsphere)模型。福克斯等将酸性蛋白放到稀薄的盐溶液中溶解，冷却后在显微镜下观察到无数的微球体。微球体有双层膜，较稳定，在高渗溶液中收缩、在低渗溶液中膨胀，能通过“出芽”和分裂方式进行“繁殖”，并表现出水解、脱羧、胺化、脱氨和氧化还原等类酶活性。但类蛋白还不是蛋白质，固它除有一定量肽键外，还有大量其他化学键，故不能被蛋白酶完全水解。它的类酶活性很低，并且几乎主是分解性的，而在进化上更有意义的是合成酶的活性。但类蛋白是以20种天然氨基酸为原料、模拟原始地球的干热条件产生出来的，较之团聚体来自生物体产生的现成物质(如白明胶，阿拉伯胶等)有更大的说服力，所以受到广泛的重视。

(八)化学进化8

由多分子体系进化为原始生命生命起源最关键的一步。有两个重要问题要解决：生物膜如何产生、遗传器怎样起源。

1.生物膜的产生：只有界膜变成了生物膜，多分子体系才有可能演变为原始细胞。生物膜的基本结构就是磷脂分子双层上镶嵌着动态的功能蛋白质分子。一般认为，脂质体可能是原始生物膜的模型。脂质体是一种人工制造的细胞样结构，由脂质分子双层包围着一个含水的小室构成。通常将磷脂放在水中进行超声处理就能得到脂质体。一般认为原始海洋中肯定有磷脂形成，有磷脂就易形成脂质体。脂质体嵌入糖蛋白等功能蛋白质，经过长期演变就可能发展为原始的生物膜。

2.遗传器的起源：目前尚无实验模型，仅凭一些间接资料进行推测。有不少的科学家认为，最初比较稳定的生命体，可能是类似于奥帕林在实验室内作出的、主要由蛋白质和核酸组成的团聚体。可设想，起先存在着各种成分的多分子体系，后来，不适于生存的破灭了，适于生存的被保留下来。经过这样的“自然选择”终于使以蛋白质和核酸为基础的多分子体系存留下来并得到发展。其中核酸能自行复制并起模板作用，蛋白质则起结构和催化作用。由此推断既非先有蛋白质亦非先有核酸，而是它们从一开始就在多分子体系内一同进化，共同推动着生命的发展。这里最关键的问题是核酸的碱基顺序如何达到与氨基酸顺序相互识别，以至进化到今天的信使核糖核酸(mRNA)上的密码子能与20种天然氨基酸那样精确的吻合。这个问题如能通过实验加以阐明，则由多分子体系进化到原始细胞的问题，也就比较容易解决了。

生命起源的化石记录：地龄约为46亿年。己知地球上最古老的沉积岩是格陵兰西南部伊苏瓦(Isuwa)地区的沉积岩，年龄约为38亿年。在这种沉积岩中发现了一些有机构的微结构，这些微结构己证明是在水面放电时产生的。1978～1980年间，澳大利亚学者D.I.格罗夫斯等连续报道了在澳洲西部诺思波尔地区瓦拉伍纳群（Warawoona Group）地层35亿年前的燧石中发现了一些丝状微体化石。