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第4章 一、非细胞生命体及细胞生命体的形成

1、最早的狭义生命——分子

本节所讲的生命一般指狭义生命。

人们认为最原始的(狭义)生命就是细胞,其实不然。细胞绝不是最原始的生命形态,因为细胞也很复杂,细胞由很多有机分子组成,有机分子又是由雷电和紫外线等照射引起系列化合反应而形成。

我认为当无机小分子被化合为有机小分子的时候,最早的生命就已经诞生了。只有这个假设才符合对于生命的定义和分类,也只有这个假说才能解释后面的许多关于进化的概率问题。

最明显的就是它能解决那些基因、蛋白质等组成了细胞的概率问题。曾有人测算过,就算全宇宙都充满了有机分子,而且经过一亿倍的宇宙年龄的时间里,都不可能随机产生出一个细胞。

如果假设分子们没有生命的话,那么在地球上自然形成活体细胞的几率为0。如果要强行这样说,那么这就好比在说一堆破铜废铁被飓风吹过后就自己形成了一架波音747飞机一样,又好比说我们给了猴子一个打字机,结果它就打出了一部红楼梦一样,显然这是不可能的。

那么唯有一种可能,就是这些有机分子的组合根本不是随机的。只有当我们把有机分子看作生命的时候,才能彻底解决这个问题。

如果分子的组合不是随机的,那么它们或是有生命有智力的自组织运动,或是超自然的神灵之力。很显然朝自然的神灵之力已经被我们的经验和智慧所排除,于是只剩下了分子有生命和智力的可能。

如果有机分子都有生命,那么分子间的相互经验交流和相互学习,就可以导致搭建更大生命工程的速度倍增。这速度就好像今天可以相互交流的人类的科技发展速度一样,不是加法的速度,而是乘积的速度。

科技发展速度的倍增来源于人和人之间的知识交流吸收,分子搭建大型生命工程速度的倍增现象除了用分子生命论和分子间可以交流学习来解释外,再无其它合理的解释了。反过来看,也是分子搭建生命工程的速度的倍增证明了有机分子是有生命的并可以相互交流学习的。

《自私的基因》的作者理查德.道金斯认为,分子生命间的存在、竞争和发展顺序是这样的:首先稳定的有机分子生命率先留了下来,其次能复制自己的分子越来越多,然后能更好的复制自己的分子越来越多,接着能分解其它分子的分子出现,最后能用“城墙”保护户自己不被分解的分子发展成了细胞。

理查德.道金斯的这种推理和猜测我也比较认同,它的说法与我的分子生命论不谋而合,他的猜想可以说是把我的分子生命论更加细化和充实了。

但本书的生命观绝不仅局限于分子层面,本书生命观不止包含了有机小分子,还包含了无机界分子、原子等,甚至包含了整个宇宙物质。后文我们将会详细解说,接下来我们去看一看有机分子形成细胞的详细过程。

2、细胞的形成

人类今天的科学和知识已经让我们知道,生命是由原核细胞进化而来的。那么第一个原核细胞又是从何而来的呢?对于这个问题,有以下四种版本的解释。到底哪一种才是最可靠的呢?

第1种版本是来自宗教的神创论

有人说原核细胞是神创造的,甚至还有人把神创生命的具体时间都“精确推算”到了公元前4004年10月26日上午9:00。

当然这只是荒谬无知且可笑的说法,因为世界万物都是自组织(出自系统论)所形成的,万物的组合完全不需要神灵的参与。如果一定要说有神灵参与其中,那么这个神灵只能是能量。因为能量是一切生命运动的根本动因,也可以说是宇宙的第一推动力。

由于人类对能量的利用技术已经非常成熟了,所以完全可以说我们人类就是那个可以掌控神的生物,于是能量也就不再是神了。能量只是能量,根本没有万能之神存在。

如果还有人说神是这个世界的主宰,那么一个至高无上的神怎么可能吃饱了没事儿干,整天像牛一样辛苦的推着一个庞大的宇宙运转呢?这种假设把神说成了奴隶,无疑是神灵的亵渎,这假设本身已经错误。

所以到这里我们可以充分的肯定,神灵无法存在于世界。退一步讲就算神灵存在,也不会对我们这个世界产生任何影响和作用。但是在中世纪的西方,人们却普遍接受着这个错误的观点,直到现在这愚昧的观点还影响着很多人。

第2种版本是生命外来论

生命外来论主张生命来自于地外太空,认为宇宙里的“生命胚种”可以随着陨石或其它途径来到地球,而成为最初的原核细胞。

然而现今的科学知识已经证明了这种想法是不现实的,更是不可能的。因为在太空环境中没有氧气,温度接近绝对0度,还具有紫外线、X射线和其它大量的杀伤性宇宙射线。在这样一个严酷的宇宙环境中,生命会即刻被毁灭的。

一个“生命胚种”要来到地球,不但要暴露在这样极端严酷的环境中,还要经过成千上万年的星际旅行。这“生命胚种”显然是无法活着来到地球的,这里没有奇迹存在。

退一步讲,就算有个“无敌的”生命胚种真的奇迹般的来到了地球,那么这个“生命胚种”它又是来自何方呢?是怎样形成的呢?这等于没有回答问题,只是巧妙的规避了问题,把人们的注意力引到问题之外的太空里了。这似乎只是一个忽悠术或诡辩术而已。

第3种版本是“自然发生说”

自然发生说认为,复杂生物可以由非生物或一些截然不同的事物,在自然环境下短时间里形成。如中国古人认为腐草化为萤、腐肉生出蛆;古希腊人认为昆虫生于土壤;中世纪还有人认为叶落水中变为鱼、叶落地上变成鸟等。

虽然生命的确来自于自然进化,也是从无机到有机的。但是绝不可能像自然发生说所讲的那样,可以在短时间里形成。这种愚昧的“自然发生说”实在让人不敢苟同。

自然发生说是19世纪前,人类广泛流行的理论,就连著名的哲学家亚里士多德,都是“自然发生说”的信仰者。甚至在当时还有人通过“实验”证明了所谓的自然发生说的“正确性”。

“实验者”将谷粒和破旧衣物塞入瓶中,置于暗处,21天后会发现其中有老鼠。他们主张这是生命的“自然发生”。甚至还惊讶的发现,自然发生的老鼠与常见的老鼠完全一样。这个荒唐的“实验”很快就被后来者给推翻了。

1860年,法国微生物学家巴斯德(1821—1895)设计了一个简单但让人信服的实验,彻底的否定了自然发生说。

巴斯德将肉汤置于烧瓶中加热,待水沸腾后让其冷却,如果将烧瓶开口放置,肉汤中很快就会繁殖生长出许多微生物。如果盖上棉塞,再进行同样的实验,肉汤中就没有微生物繁殖。

由此巴斯德推论,肉汤里的微生物来源于空气,而不是在几天之内就自然发生的。现代生物科学更加彻底的否定了那种简单的自然发生说,取而代之的是更为复杂的“自然发生论”,即我们所谓的化学起源说。

第4种版本则是化学起源说。

化学起源说认为:生命不过是无机物的一系列复杂的化合作用的产物。由此我们可以认为能进行化合作用的无机物就是生命的种子化合根源。

细胞的化学起源说,是前苏联生物学家奥巴林最先提出来的,也是目前被人类广泛接受的细胞起源的版本。奥巴林认为原核细胞起源于地球的多种化合反应,大约在35亿年前形成。

他还将原核细胞的形成划分为4个阶段:1从无机小分子到有机小分子阶段。2从有机小分子到生物大分子阶段。3从生物大分子到多生物分子体系阶段。4由多分子体系形成原核细胞。

前三个阶段的演化是可以轻松完成的,但是对于最为复杂的第4个阶段,人类至今都无法破解其一二。在第四个阶段时,又分出两个学派,一派是奥巴林本派认为的:大分子可自然聚合为细胞,它的形成离不开海洋。

另一派是美国生物化学家福克斯提出的,他认为大分子的形成和原核细胞的形成,是海底高温促使简单的化合物形成复杂的化合物的结果,不必将广阔的海洋作为进化场地。两派的主要分歧在于原核细胞形成的第四个阶段。

我们先来看看前苏联生物学家奥巴林派的“化学起源海洋进化”说。

奥巴林派认为:

细胞形成的第1个阶段是从无机小分子到有机小分子的过程。1953年米勒做了一个模拟实验来验证此假说。

他用两条管路将一个球形烧瓶和一个带正负电极的球形空间连通,处于下部的球形烧瓶盛满水溶液代表原始海洋,较上部的球形空间里含有氢气、氨气、甲烷和水蒸汽等模拟原始大气;球形空间的上管路负责把来自海洋烧瓶的水蒸汽传送到空间内,球形空间的下管路上有个冷凝器,负责将大气冷却成液体并流回到海洋烧瓶里。

实验开始,米勒先给海洋烧瓶加热,让水从海洋烧瓶里蒸发并通过上管路传送到球形空间内,接着他通过球形空间里的电极放电产生火花,模拟闪电让各种气体产生化学反应;然后又打开球形空间下管路上的冷凝器,让反应后的产物和水蒸气冷却成液体流回海洋烧瓶中,这样形成一个循环。

此种实验可以产生很多有机物。米勒在此实验中得到了20中有机物,其合作者在1972年在此实验中获得了35种有机物。

1959年德国科学家格罗特和维斯霍夫用紫外线代替放电实验,也同样得到了氨基酸。1961年,美国生物化学家奥洛把氰化物加入实验混合物中,得到了很多种氨基酸和一些断链的汰,还制成了一瞟吟。

1962年奥洛又制成了核糖和脱氧核糖。1963年美国人南配鲁马做了同米勒相似的实验,用电子做能源,制成了腺嘌呤,接着他们又制成了腺嘌呤校普......

到了上世纪70年代,组成蛋白质的20多种氨基酸已经能够全部通过人工模拟自然条件的方法合成了。

到目前为止,用米勒模拟实验和其它类似实验已经能合成出20种天然氨基酸中的17种。其它几乎全部的生物小分子都可以通过模拟原始地球的条件,在实验室内合成了。

由上可以看出,无机小分子到有机小分子的化合过程这个生命形成的最关键一环,是可以在原始地球的自然条件下轻松实现的。这就充分证明了地球是完全可以自己孕育生命的,它就是生命的摇篮!

从这个实验我们还能看出,能化合运动就能形成生命。其实从系统论的角度来讲,化合运动就是一种自组织行为,这是各分子原子层面的自组织。自组织运动的存在,就意味着生命的存在。

可见:生命不过是无机物进行的一系列复杂的化合过程而已;由此我们可见,能进行化合的事物都是具有生命的。我们已知的所有物质都能进行化合运动,所以广义来讲,万物都是有生命的。人类的许多科学实验和理论都已证明了本书这个观点的正确性。

细胞形成的第2个阶段是从有机小分子物质生成生物大分子物质的过程。即氨基酸、核苷酸等有机小分子物质,经过长期积累并相互作用,在适当的条件下(如粘土附着、紫外线的催化),通过缩合作用或聚合作用而形成了原始的蛋白质分子和核苷酸分子,这是遗传物质。

还有多糖、糖类的形成,这是组成细胞壁和骨架的主要成分,这些过程在地球环境中都是可以轻松实现的。

细胞形成的第3个阶段是从生物大分子物质组成多分子体系的过程。对于这个过程,奥巴林提出了团聚体假说,他通过实验发现,将蛋白质、多肽、核苷酸和多糖等放在合适的溶液里,他们就能自动浓缩聚集成分散的球状小滴,这些小滴就是团聚体。

他们认为团聚体可以表现出合成、分解、生长、生殖等生命现象。团聚体具有类似膜一样的边界,其内部的化学特征明显区别于外部的溶液环境。团聚体还能从外部溶液中吸入某些分子作为反应物,还能在酶的催化作用下发生特定的生化反应,反应的产物也能从团聚体中释放出去。

另外,有的学者还提出了微球体和脂球体等假说,以解释有机高分子形成多分子体系的过程。这些假说都可以说明从生物大分子组成生物多分子体系的完整过程,但由于在自然界中不常见,所以被人们忽略了。

细胞形成的第4个阶段是有机多分子体系演化成原核细胞的过程。这是原核细胞起源过程中最为复杂和最有决定意义的阶段。一般认为这一阶段可能在复杂的原始海洋环境里完成。但最新研究发现原生细胞也可能产生于淡水池塘,或在淡水和盐水环境里来回形成。

但是这种简单的原生细胞化学起源说也遭到了人们的质疑。质疑者们认为,仅仅能够证明蛋白大分子可以由无机物自然形成的3个步骤,就宣称生命可以如此自发形成,这如同给猴子一部打印机,就说它可以打出一部《红楼梦》来一样可笑。

形成一个大分子固然简单,但是要形成含有生命信息的DNA,蛋白质必须让有机小分子以一种非常非常特别的方式组合。如果仅靠巧合来完成,那么这巧合的概率小到了在1亿个宇宙年龄这么长的时间也不太可能发生。

对于这个质疑,其实可以很简单的解决掉。由前面章节我们已经知道万物都是有生命的,分子也不另外,有机分子的生命力更是被激活了的。那么我们完全可以把有机分子看作生命,既然是生命,那么就会交流。

比如人与人的交流可以让科技突飞猛进的发展,细菌之间的交流可以让它们学会抵御抗生素,分子与分子之间的交流可以提高它们的组合技巧而快速发展,正如人类的交流促进了科技飞速的发展一样,分子进化组合的速度也不是以加法的速度叠增的,而是以乘积甚至是指数级的速度增长。

所以这个推论可以很简单的破解由概率学上得来的疑问,至此那些持反对意见的人再也无话可说了。由此我们还可以反证第一章力那个万物都是具有生命的推论的正确性。

原核细胞的第四个形成步骤确实看似非常复杂和困难,难点一:细胞的自我遗传系统,即能自我复制的生物大分子系统(DNA、RNA)是如何合成的?如何建立的?以及怎样遗传信息?这三个问题我们一个也不知道。

难点二:蛋白质的形成要纳入到自我复制系统的控制中,它是如何被纳入的?它分解出的能量像马达一样,来维持细胞的运行。这是一个非常复杂而精密的控制过程,它又是如何做到的呢?

难点三:生物膜的形成。就是细胞膜或细胞内部的膜结构,这个膜结构也是相当精细的生命工程。它负责隔离外界物质、构建细胞框架和保卫细胞体,并能与外界保持物质交换,这个膜工程又是如何完成的呢?我们也不一无所知。

对于第一个问题:生命体的遗传信息和机制是怎样被建立的?在最近的研究中发现,ATP在生命的信息起源中扮演了重要角色,这就是著名的ATP中心假说。该假说认为APT有四种功能:

(1)它是光能转化成化学能的终端。

(2)它推动了一系列生化循环(如卡尔文循环等)和元素重组。

(3)它通过自身的转化与缩合将生命过程信息化,筛选出四种碱基编码和建立二十多个多个氨基酸的三联体密码子系统,构建了一套遗传信息保存、复制、转录和翻译以及多肽链的生产体系。

(4)演绎出蛋白质与核酸互为因果的反馈体系,并通过自然选择,筛选出对细胞内同步发生的化学反应进行管控的体系与规则,并最终建立了生命的传递机制——遗传。

然而细胞的形成除了以上这个答案,还有另一种答案的可能。

如果从能量的普适性以及现代生化系统的结构来看,生命遗传信息最可能来自光合系统的演化(生命的光养起源假说)。支持这一观点的重要证据就是细胞色素,这是一个存在于几乎所有生物之中的电子载体,而血红素可能就是从光合色素——叶绿素衍生而来的(现存生物中两者的事物合成途径十分相似)。

这种化学起源海洋进化派对于细胞生命的起源过程基本已经完全破解,目前被人们广泛接受。后来又出现了陆相派学说,下面我们来看看化学起源说陆相派(福克斯派)的说法。

1960年,美国生物化学家福克斯提出一类蛋白微球体假说。他认为早期地球拥有很高的温度,依靠热能就可以使简单的化合物形成复杂的化合物了。1955年他把各种氨基酸混合物加热到200度,3小时后就形成了形似蛋白质的分子链,被称为类蛋白。

1960年,他又把酸性类蛋白放入烯酸中加热溶解,冷却后缩结成团,形成微球体,在光学显微镜下,这种微球体很像细菌,特殊处理后还能发芽,芽长大后可以脱落;小球还能分裂,一分为二或者彼此连成串。这个类蛋白微球体实验证明了原生生命体完全有可能不依赖于原始海洋而进化出来。

原核细胞起源的以上两派(奥巴林派和福克斯派)都得到了人们的认可,团聚体说和微球体说都可以被看成是生命发生过程中的原始细胞的模型。然而出乎意料的是福克斯派提出的“类蛋白微球体”迄今在自然界尚未被发现,所以人们往往倾向于奥巴林学派的假说观点。

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