生命起源的化学进化过程

生命起源的化学进化过程

研究生命的演化肯定要涉及地球的历史。地球的形成约在50到46亿年前，在那漫长的岁月中，地球上大部分时间只有无生命的物质。当时的地球上火山遍地，岩浆横流。随着地球表面的不断冷却和水汽的增加，大地上开始出现了水并逐渐汇集得越来越多。约在39亿年前，地球上出现了原始的海洋。原始海水几乎完全是淡水，后来逐渐溶入了大量的有机质，如氨基酸、核苷酸等。在太阳、地球及其他物理作用下，一些有机质形成了蛋白质。在随后的几亿年中，这些蛋白质越来越复杂，终于在34或33亿年前原始生命开始出现了。地史学家根据古生物的演化和地壳的运动，将地球的历史分为五大阶段，也就是五个代，即太古代、元古代、古生代、中生代和新生代。

早期的地球是一个炽热的球体，一切元素都呈气体状态，地球上没有任何生命的存在。地球上最初的原始生命是在原始地球条件下，在极其漫长的时间里，由非生命物质经过四个阶段的化学进化过程，一步一步演变而成的。

1.从无机小分子物质生成有机小分子物质

米勒实验示意图

1953年，美国芝加哥大学的学者米勒及其助手在实验室内首次模拟原始地球在雷鸣闪电下将原始大气合成小分子有机物的过程。他首先把200毫升水加入到500毫升的烧瓶中，抽出空气，模拟原始大气成分通入甲烷、氨、氢等混合气体。然后将入口玻璃管熔化封闭，把烧瓶内的水煮沸，使水蒸气驱动混合气体在玻璃管内流动，进入容积为5升的烧瓶中，并在其中连续进行火花放电7天，以模拟原始地球条件下的闪电现象，再经冷凝器冷却后，产生的物质沉积在U型管中，结果得到20种小分子有机化合物，其中有11种氨基酸。这11种氨基酸中，有4种氨基酸——甘氨酸、丙氨酸、天门冬氨酸和谷氨酸，是天然蛋白质中所含有的。

在地球演化的初期，大量火山爆发的同时，地壳不断地隆起或下陷，形成了山峰或低地。后来，当地表温度下降后，散布在原始大气里的、达到饱和状态的水蒸气遇冷形成雨水降落，流到低地就形成原始海洋。氨基酸等小分子有机物经雨水作用最后汇集在原始海洋中，天长日久，不断积累，使原始海洋含有了丰富的氨基酸、核苷酸、单糖等有机物，为生命的诞生准备了必要的物质条件。

2.从有机小分子物质形成有机高分子物质

原始海洋中的氨基酸、核苷酸、单糖、嘌呤、嘧啶等有机小分子物质经过极其漫长的积累和相互作用，在适当条件下，一些氨基酸通过缩合作用形成原始的蛋白质分子，核苷酸则通过聚合作用形成原始的核酸分子。生命活动的主要体现者——原始的蛋白质和核酸的出现意味着生命从此有了重要的物质基础。

美国学者福克斯研究认为，原始海洋中的氨基酸可能被冲到火山附近等温度高于水沸点的热地区，它们在那里蒸发、干燥和聚合，产生的类蛋白又被冲回海洋，进一步发生其他反应。他在实验室内将多种纯氨基酸混合，在无水条件下加热至160℃—200℃，几小时后就得到具有某些天然蛋白质性质的类蛋白。原始的蛋白质和核酸与现代生物中的蛋白质和核酸并不一样，它们又经过若干亿年的不断演变，结构越来越完善，功能越来越复杂，才形成像现在的蛋白质和核酸的高分子化合物。后来又有人模拟原始地球条件，用核苷酸等小分子有机物合成了类似天然核酸的物质。

3.从有机高分子物质组成多分子体系

原始海洋中以原始蛋白质和核酸为主要成分的高分子有机物经过漫长的积累、浓缩、凝集而形成“小滴”。这种“小滴”不溶于水，被称为团聚体或微粒体。它们漂浮在原始海洋中，与海水之间自然形成了一层最原始的界膜，与周围的原始海洋环境分隔开，从而构成具有一定形状的、独立的体系。这种独立的多分子体系能够从周围海洋中吸收物质来扩充和建造自己，同时又能把小滴里面的“废物”排出去，这种原始的物质交换作用就成为原始生命的萌芽，这是生命起源化学进化过程中的一个很重要的阶段。但这时还不具备生命，因为它还没有真正的新陈代谢和繁殖等生命的基本特征。

但是这一说法是模糊而笼统的，目前对这一阶段的研究依然还没有确切的结论，比较通常的说法是团聚体假说和微球体假说。

团聚体假说是由前苏联学者奥巴林提出的。奥巴林等人把均匀、透明的白明胶（一种动物蛋白质）的水溶液与阿拉伯胶（一种多糖）的水溶液混合在一起，用显微镜观察，可以看到：原来均匀、透明的胶体溶液变得浑浊了，继而出现了具有明显界膜的小滴，奥巴林把这种小滴称为团聚体。由于发现这种团聚体可以表现出合成、分解、生长等生命现象，奥巴林等人认为团聚体可能是原始生命形成过程的一个重要阶段。

微球体假说是由美国学者福克斯提出的。福克斯等人把酸性的类蛋白物质用1%的NaCl溶液稀释，经加热、溶解、冷却以后，放在显微镜下观察，发现了溶液中有无数的球状小体。福克斯称它为类蛋白微球体。微球体能保持结构的稳定性，具有双层的界膜。微球体能够通过这个界膜与周围环境进行有选择性的物质交换。它们在高渗透压的溶液中收缩，在低渗透压的溶液中膨胀。福克斯认为，微球体就是最初的多分子体系。

4.从多分子体系演变为原始生命

这些具有多分子体系特点的小滴漂浮在原始海洋中，经历了更加漫长的时间，不断演变，特别是由于蛋白质和核酸这两大主要成分的相互作用，其中一些多分子体系的结构和功能不断地发展，终于形成了能把同化作用和异化作用统一于一体的、具有原始的新陈代谢作用并能进行繁殖的原始生命。

这一阶段是生命起源过程中最复杂、最有决定意义的过程。它直接涉及原始生命的发生，是一个飞跃，一个质变阶段。所以，这一阶段的演变过程是生命起源的关键，但目前仅仅是推测，如果能得到证实并能进行模拟的话，那么就意味着能人工合成生命，这将是生命科学上一个重大的突破。

1965年，我国科学工作者首次人工合成了具有生物活性的结晶牛胰岛素。结晶牛胰岛素是一种比较简单的蛋白质分子。1981年，我国科学工作者又人工合成了酵母丙氨酸转运核糖核酸，它比牛胰岛素的分子量约大4倍，结构也复杂得多。结晶牛胰岛素和酵母丙氨酸转运核糖核酸的人工合成，对生命起源化学进化过程第二阶段的研究有着重要的意义，它反映了我国在探索生命起源问题上取得的了重大成就。

海水能阻止强烈的紫外线对原始生命的破坏杀伤作用，原始海洋是地球上最初产生的有机物的汇总场所，有机高分子的形成，多分子体系的组成，以及原始生命的诞生都是在原始海洋中进行的。所以说，原始海洋是生命的摇篮。