科普文獻丨淺談生命的起源,從米勒實驗說起

　　生命從哪裡來？一代又一代的科學家不斷地探索地球上的生命起源，而相比而言，人從哪裡來？這是人們或多或少都想過的問題，特別是「少不更事」的時候，長大後則理所當然丟給哲學家們去思索了，或者滿不在乎任神學家手握答案了。這個可大可小的問題，少數人——科學家、哲學家或者只是一個有仰望星空、關心根源的情結的普通人，視之為最重要的事絞盡腦汁去思考，甚至耗盡畢生也不放棄；多數人則毫不觸及或者忙於俗世生活避而不談。

　　在此，小編提不上啟迪讀者思考，只是在這前提下分享一下前人的想法。

　　在生命起源問題上，化學進化論目前為多數人所接受，類似於達爾文進化論中的思想：從簡單到複雜的生命進化樹，該學說認為在原始地球的條件下，無機物可以轉變為有機物，有機物可以發展為生物大分子和多分子體系，直到最後出現最原始的生命體機——一個最簡單、最原始的細胞，既原細胞；這個學說起初也稱為「原始湯」(primodial soup)生命起源假說，由奧巴林和霍爾丹提出，他們認為地球上的生命是由非生命物質經過長期演化而來的。

原始地球的天空

米勒模擬實驗（Miller–Urey experiment）一種模擬在原始地球還原性大氣中進行雷鳴閃電能產生有機物（特別是胺基酸），以論證生命起源的化學進化過程的實驗。1953年由美國芝加哥大學研究生米勒（S.L.Miller）在其導師尤利（H.C.Urey）指導下完成。

　　該實驗進行了模擬原始大氣條件（如雷鳴閃電）的實驗，由無機物混合物（CH4、HO2、H2和少量NH3）得到了20種有機化合物，其中11種胺基酸中有4種(甘氨酸、丙氨酸、天門冬氨酸和穀氨酸)是生物的蛋白質所含有的，而當時人們認為蛋白質是生命的本質。該實驗不僅啟發人們沿著化學進化這一方向進行更深入的研究，也啟發人們去探索生物分子的非生物合成。

米勒實驗示意圖

　　另一方面，雖然米勒實驗得到了結論：由無機物合成小分子有機物是完全有可能的，但這還僅僅是觸及化學進化，遠不能完成揭示生命的奧秘。首先，很難證實米勒模擬的大氣狀況完全符合真實情況，例如無機小分子的種類、比例是否一致等，據說米勒自己也曾經指出：「這些見解只是推測，因為我們根本不知道地球當初形成時，大氣是否處於還原狀態。……目前還沒有直接的證據證實這一點」①；其次，即使米勒實驗的模擬是成功的，無機小分子生成生物小分子的反應也只是在實驗室裡成功地完成了，只是為歷史上的真實過程提供一種可能性，例如化學進化的另一種可能方式是新泛種論」，即在地球早期演化過程中，星際有機分子可能進入地球成為前生命化學進化的基本原料。米勒和尤裡在發表關於該經典實驗的文章時，採用的題目為《在可能的早期地球環境下之胺基酸生成》②，表明只是一種可能的比較合理的猜測；再者，假設米勒解決了生物分子形成的問題，他距離生命起源的真正答案仍然很遙遠，因為隨著科學研究的進展，核酸又「攪進了這個局」——19世紀末期，人們已經證明了DNA（少數為RNA）才是遺傳物質。

　　我們先假設化學進化學說是對的，那麼由無機物得到簡單的有機物小分子，後者將進一步構成有生物功能的大分子，而這些生物大分子又是以什麼順序出現？經典的遺傳學中心法則，認為DNA通過轉錄形成mRNA，mRNA指導蛋白質的合成，即通過「翻譯」把鹼基序列轉變為胺基酸序列；在生物體內，沒有蛋白質作為酶的催化作用就不能合成DNA，而沒有DNA作為遺傳信息的指導，胺基酸也不能組合成有特定功能的蛋白質分子。

DNA和蛋白質出現順序，如同雞和蛋的先後之爭

　　另外，學術界還有一個觀點： 不是DNA先也形成不是蛋白質，而是RNA（RNA world hypothesis；「RNA世界」一詞由諾貝爾獎得主沃特·吉爾伯特（Walter Gilbert）於1986年提出）③。隨著RNA作為某些病毒遺傳物質載體的發現，以及對RNA分子的結構和功能的研究，科學家發現它既有DNA的自我複製能力，又具有蛋白質的催化性質，從而推測RNA可能是三者中最古老的分子，起初同時承當了DNA和蛋白質的功能，後來漸漸出現形態功能的分化，衍生出後兩者。羅德·懷特在1976年觀察到許多酶的必需輔因子是核苷酸或核苷酸衍生物，他提出這些核苷酸輔因子代表了「核酸酶的化石」（"fossils of nucleic acid enzymes"）④。

　　化學進化學說（包括RNA世界假說）面臨一個著難題：在生命起源前的環境裡，自然界如何把從生物小分子（胺基酸、核苷酸）變成生物大分子（蛋白質、核酸）。正如《生命起源的奧秘：再評目前各家理論》指出：「我們在合成胺基酸方面的成就有目共睹，但合成蛋白質和DNA卻始終失敗；兩者形成了強烈的對照」⑤。雖然，科學發展到今天，我們能以極大地效率在實驗室利用機器合成出需要的生物大分子，在生命起源前環境裡的合成實驗卻「始終失敗」，這或許是大自然跟人類開的一個玩笑吧，以此提醒人們面對大自然、面對時間長河應當保持謙遜的姿態。　　

　　隨著手性分子（其左旋分子和右旋分子互為對映異構體）的發現，又一個謎擺在我們面前-生命對稱性破缺，即大自然神奇地選擇了L-胺基酸（左旋）構建蛋白質，而構建核酸DNA和RNA的則是D-核糖。

胺基酸（除甘氨酸）是有手性的分子

　　因為沒有人目睹生命形成的過程，科學家研究的成果應該說都只是假說、理論，不是絕對的事實，正如霍金提出的宇宙大爆炸理論（Big Bang theory），不管科學怎麼進步，如果這一理論是正確的，它本身意味著我們只能知道大爆炸發生以後的事情，大爆炸之前的情況根本難以想像，更無法得到百分之百的證明（不管有沒有事物存在或什麼事物存在）。

霍金和宇宙大爆炸理論

　　科學研究的一般規律是，把自然規則研究清楚透徹，然後應用到實驗室生產出人類的福利，即從大自然到實驗室，一種對規律的應用；而在化學進化理論試圖解決的「起源」問題上，既然是從無到有，實驗室就不能借用已找到的規律，而是要生產出規律去套用到大自然上，一反科學研究的常道，這是十分困難的。起源問題的論證，在我的視野之下，似乎成了悖論，因此要「證實生命起源」這個命題至少目前我覺得是遙遙無期的。

　　讓我們保持敬畏大自然的謙遜心態繼續「撿貝殼」吧。

　　參考文獻：

　　①Journal of the American Chemical Society,1955-5-12

　　②Miller S. L. Production of Amino Acids Under Possible PrimitiveEarth Conditions. Science. 1953, 117:528. doi:10.1126/science.117.3046.528.

　　③Gilbert, Walter. The RNA World. Nature. February 1986, 319 (6055): 618.

　　④White, HB III. Coenzymes as Fossils of an Earlier MetabolicState. J Mol Evol. 1976, 7(2): 101–104.

　　⑤The Mystery of Life’s Origin: Reassessing Current Theories。

via：中國科普博覽