生命起源的大分子物质

导读提示

生命的起源是一个亘古未解之谜,地球上的生命起源于何时何地,是怎样产生的? 千百年来,人们为破解这一谜底,遇到了不少陷阱,同时也看到了前所未有的光明。生命的历程是艰难的,所以要不断地学习和历练,学会感受生命的珍贵。

研学内容

早期,人们都认为生命是由上帝或神创造的,人类无力了解生命的本质。在中世纪的西方,大家普遍接受“神创造天地”这个观念。在中国,生命的起源也充满神秘的色彩,神话中就有“女娲造人”的传说,这就是人们最初对生命起源的猜想——“神创论”。

19世纪前关于生命的起源还广泛流行另一种学说,认为生命是从无生命物质中自然发生的,这就是“自然发生论”,这是一种无生源论,例如我国古代认为的腐草化为萤(即萤火虫是从腐草堆中产生的)、腐肉生蛆等。在西方,亚里士多德(公元前384年—公元前322年)就是一个自然发生论者。有人做过这样的“实验”,将谷粒、破旧衬衫塞入瓶中,静置于暗处, 21天后就会产生老鼠,并且让人惊讶的是,这种“自然”产生的老鼠竟和常见的老鼠完全相同。然而,这一学说在1860年被法国微生物学家巴斯德用一个简单但令人信服的“肉汤实验”彻底否定了。

在19世纪的西方相当流行有生源论或生生论,有生源论认为,生物只能由亲代生物产生,不能自然产生。生命是宇宙生来就固有的,你要问我生命从哪里来,你首先要回答我,宇宙是怎么起源的,物质是怎么来的。你回答了我物质是怎么来的,我就可以说生命是从哪里来的。其实这是一个不可知论。巴斯德实验否定了“自然发生论”,但并没有解决最初生命是怎样起源的问题。

小资料　巴斯德“肉汤实验”

巴斯德将肉汤装入带有弯曲细管的瓶中,弯管是开口的,空气可无阻地进入瓶中,而空气中的微生物则被阻而沉积于弯管底部,不能进入瓶中。巴斯德将瓶中的肉汤煮沸,使肉汤中的微生物全部被杀死,然后将肉汤放冷静置,结果瓶中不产生微生物。此时如将曲颈管打断,使外界空气不经“沉淀处理”而直接进入肉汤中,不久肉汤中就出现微生物了。可见微生物不是从营养液中自然发生的,而是来自空气中原已存在的微生物(孢子)。

1864年巴斯德在法国国家科学院报告了他的工作。原定和他辩论的有名自然发生论者F.A.Pouchet撤销了辩论。

关于生命起源还有许许多多的假说,从近几年召开的国际生命起源学术会议提出的研究方向看,当代关于生命起源的假说主要归结为两大类:一是“宇宙胚种说”,二是“化学进化说”。

从过去到现在,人们已经提出了许多关于“宇宙胚种说”的假说,这一假说来源于“有生源论”,提倡“一切生命来自生命”,认为地球上最初的生命来自宇宙间的其他星球,即“地上生命,天外飞来”。这一假说认为,宇宙太空中的“生命胚种”可以随着陨石或通过其他途径跌落在地球表面,即成为最初的生命起点。如在1993年7月的第十次生命起源国际会议上,有人提出,“造成化学反应并导致生命产生的有机物,毫无疑问是与地球碰撞的彗星带来的”;还有人推断,是同地球碰撞的其中一颗彗星带着一个“生命胚种”,穿过宇宙,将其留在了刚刚诞生的地球之上,从而有了地球生命。一位空间物理学家和一位天体物理学家都把地球生命的起源解释为:地球生命之源可能来自40亿年前坠入海洋的一颗或数颗彗星,他们认为彗星提供了地球生命诞生所需要的原材料(他们将之称为“类生命生物”)。

然而许多科学家对此类假说持强烈的反对意见,现代科学研究表明,在已发现的星球上,自然状况下是没有保存生命的条件的,因为没有氧气,温度接近绝对零度,又充满具有强大杀伤力的紫外线、X射线和宇宙射线等,因此任何“生命胚种”在宇宙星球上都是不可能被保存的。“宇宙胚种说”实际上把生命起源的问题推到了无边无际的宇宙中去了,同时这个假说对于“宇宙中的生命又是怎样起源”的问题,仍是无法解释的。

“化学进化说”是一个基于科学技术发展到一定程度而形成的假说,具有一定的可信性。这个假说认为核酸和蛋白质等生物分子是生命的物质基础,生命起源的关键就在于这些生命物质的起源。在没有生命的原始地球上,由于自然的原因,非生命物质通过化学作用,产生了有机物。“化学进化说”研究的重点就是原始社会有机物的起源。1922年,生物化学家奥巴林提出了一种假说,认为在闪电、太阳光能量的作用下,原始地球上的某些无机物,变成了有机分子。1953年,美国化学家米勒首次用实验验证了奥巴林的这一假说。随后,我国又在世界上首次人工合成了胰岛素和酵母丙氨酸转移核糖核酸,相继的一系列实验也对“化学进化说”做出了验证。随着科学技术的进一步提高,人们对于这个假说的验证也将进一步加强。

根据科学的推算,地球从诞生到现在,大约有46亿年的历史。早期的地球是一个很炽热的球体,地球上的一切元素都呈气体状态,那时的地球是绝对不会有生命存在的。地球上的原始生命是在原始地球条件下,由非生命物质,在极其漫长的时间里,经过四个阶段的化学进化过程,一步一步演变而成的。

1.化学进化过程的第一阶段:从无机小分子物质生成有机小分子物质

原料:原始大气中的各种成分。

能量:大自然不断产生的含有极高能量的宇宙射线、强烈的紫外线和频繁的闪电等。

在高能量宇宙射线、强烈紫外线和频繁闪电等的作用下,原始地球还原性大气中的CH4、N2、H2及NH3和H2O反应生成氨基酸、核苷酸、单糖、嘌呤、嘧啶等有机小分子物质。

图1-1 早期地球想象图

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闪电下将原始大气合成小分子有机物的过程。实验证明,原始大气中无机小分子物质生成有机小分子物质不但是可能的,而且这种过程现在仍在宇宙间发生。

小资料　米勒实验

本实验于1953年由美国芝加哥大学研究生米勒在其导师尤利的指导下完成。

实验假设:

(1)远离太阳、历史上可能变化较小的巨行星(如木星和土星),它们的大气都是没有游离氧(O2)的还原性大气,其主要成分是H2、He、CH4和NH3。由此推测原始地球大气也是这样的还原性大气。

(2)作用于地球大气层的能源,主要是太阳辐射中的紫外线、闪电和宇宙射线等。其中宇宙射线不足以合成有机物,还原性气体仅吸收短波紫外线,但短波紫外线(波长<150纳米)在太阳辐射紫外线中含量极微,可作有机合成能源的量极少;而每年闪电次数较多,可作有机合成的能量较大,又在靠近海洋表面处释放,这样在原始地球还原性大气中合成的产物就很容易溶于原始海洋之中。

基于上述考虑,米勒模拟原始地球还原性大气中雷鸣闪电的实验,看看能否合成有机物,特别是氨基酸、核糖、嘧啶、嘌呤等组成蛋白质和核酸的生物小分子。

实验步骤和结果:

如图1-2所示,先将水注入左下方的烧瓶内。然后将玻璃仪器中的空气抽去,泵入CH4、NH3和H2的混合气体。再将烧瓶内的水煮沸,使水蒸气(H2O)和混合气体同在密闭的玻璃管道内不断循环,并在另一个大烧瓶中,经受火花放电一周。最后生成的有机物,经过冷却后,积聚在仪器底部的溶液内(模拟原始大气中生成的有机物被雨水冲淋到原始海洋中)。

图1-2 米勒模拟实验装置示意图

此实验共生成20种有机物。其中11种氨基酸中有4种(甘氨酸、丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸)是生物蛋白质所含有的。

其中的化学反应原理大致为:

米勒认为,设想原始地球还原性大气的成分是CH4、N2、微量的NH3和H2O的混合气体更为合理,因为NH3不可能在大气中大量存在,它会溶于海水中。

1972年,米勒和他的合作者在上述混合气体中进行火花放电,结果得到35种有机物,其中有10种为组成蛋白质的氨基酸,即甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、脯氨酸、天冬氨酸、谷氨酸、丝氨酸和苏氨酸。若在分析之前进行水解,还可以生成天冬酰胺和谷氨酰胺;若在混合气体中增加H2S,则可生成甲硫氨酸;在CH4、NH3、H2O和H2S混合气体中进行光解作用,可以找到半胱氨酸;对CH4及其他碳氢化合物在高温下进行热解,可以得到苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸。到目前为止,用米勒模拟实验和其他类似实验,已能合成20种天然氨基酸中的17种,其余3种(赖氨酸、精氨酸和组氨酸)在技术改进之后,相信不久亦能合成。

2.化学进化过程的第二阶段: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。

小资料　我国在探索生命起源问题上所取得的重大成就

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,这是一种比较简单的蛋白质分子,相对分子量约为5733,由51个氨基酸、2条肽链(分别为21肽和30肽)组成,这在当时远远超过国际水平。1981年,我国科学工作者又人工合成了酵母丙氨酸转移核糖核酸,这是一种RNA,是酵母菌在合成蛋白质时,专门用来运送丙氨酸到核糖体上的t RNA。它的相对分子量约为26000,比牛胰岛素的相对分子量约大3.5倍,结构也复杂得多。结晶牛胰岛素和酵母丙氨酸转移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所取得的重大成就。

3.化学进化过程的第三个阶段:由有机高分子物质组成多分子体系

以原始蛋白质和核酸为主要成分的高分子有机物,在原始海洋中经过漫长的积累、浓缩、凝集,从而形成“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、独立的多分子体系。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,这样就具有了原始的物质交换作用,成了原始生命的萌芽,这是生命起源化学进化过程中一个很重要的阶段。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基本生命特征。

4.化学进化过程的第四个阶段:从多分子体系演变为原始生命

具有多分子体系特点的“小滴”漂浮在原始海洋上,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,最终形成了能把同化作用和异化作用统一于一体、具有原始新陈代谢作用并能进行繁殖的原始生命。这是生命起源过程中最复杂、最有决定意义的阶段,它直接涉及原始生命的发生,是一个飞跃、质变的阶段。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,这将是生命科学史上一个重大的突破。

原始海洋是生命的摇篮,是地球上最初产生有机物的汇总场所。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,而海水具有阻止强烈的紫外线对原始生命的破坏和杀伤作用。

基于现在的科学技术,人们认为生命起源的途径可以划分为化学进化和生物进化两个层次的五个阶段。这五个阶段分别是:①生命物质原料的产生;②生物小分子(如氨基酸、核苷酸等)的合成;③由生物小分子合成生物大分子,如蛋白质、核酸;④以蛋白质和核酸为主要成分的多分子体系的出现,如团聚体和微粒体;⑤具有原始细胞结构和自我更新、自我繁殖能力的原始生命的形成。

内容赏析

本文简单介绍了生命起源的主要不同假说,并从地球上原始生命不同阶段的进化史谈起,简单介绍了“化学进化说”中科学家对生命起源的猜想:地球上最初的原始生命是在原始地球条件下,由非生命物质,在极其漫长的时间里,经过复杂的进化过程,一步一步演变而成的。当然,这种猜想要得到科学的证实,还需要科学家们不懈的努力。

1.创世说(神创论)和新创世说

创世说是把生命起源这一科学命题划入神学领域,认为地球上的一切生命都是上帝设计、创造的,或者是由某种超自然的东西干预产生的。19世纪以前,西方流行创世说。近年来,在科学高速发展的情况下,创世说的支持者为坚持这一非科学的观点,不得不做出新的努力使圣经与科学调和,用科学知识来证明圣经的故事,如用生物学和古生物学中的一些“证据”来证明上帝造物和物种不变的观点,这就是现代的新创世说。这一学说无论怎样修饰都是不科学的。

2.自然发生论

自然发生论是19世纪前广泛流行的理论。该学说认为生命是从无生命物质中自然发生的。如我国古人认为的“腐草化为萤”“腐肉生蛆”等。在西方,亚里士多德就是一个自然发生论者。有的人还通过“实验”证明,将谷粒、破旧衬衫塞入瓶中,静置于暗处,21天后就会产生老鼠,并且让人惊讶的是,这种“自然”产生的老鼠竟和常见的老鼠完全相同。

3.宇宙发生说

这一假说认为,地球上最早的生命或构成生命的有机物,来自其他宇宙星球或星际尘埃。持这种假说的学者认为,某些微生物孢子可以附着在星际尘埃颗粒上而落入地球,从而使地球上有了初始的生命。但我们知道,宇宙空间的物理条件,如紫外线等各种高能射线以及温度等条件对生命都是致命的。而且,即使有这些生命,在它们随着陨石穿越大气层到达地球的过程中,也会因温度太高而被杀死。因此,像微生物孢子这一水平的生命形态是不大可能从天外飞来的。但是,一些学者认为,一些构成生命的有机物完全有可能来自宇宙空间。1969年9月28日,科学家发现,坠落在澳大利亚麦启逊镇的一颗炭质陨石中就含有18种氨基酸,其中6种是构成生物蛋白质分子所必需的。科学研究表明,一些有机分子如氨基酸、嘌呤、嘧啶等可以在星际尘埃的表面产生,这些有机分子可能由彗星或其陨石带到地球上,并在地球上演变为原始的生命。

鉴赏升华

生命是珍贵的。在原始地球条件和各类物质相互作用下,地球上诞生了生命。在现今的地球条件下,作为生命起源的基本条件不存在的原因主要有以下三个方面:(1)随着原始藻类(如蓝藻)以及绿色植物的出现,它们在进行光合作用时产生了大量的氧气,使得原始地球大气逐渐成为含氧丰富的大气,逐渐丧失了生命起源所必需的还原性大气;(2)地球上没有了频繁的闪电和较高的温度,并且由于臭氧层的存在而使得地球上没有了强烈的紫外线,再也没有高能作用使得组成生命的有机物合成;(3)目前的海洋中含有大量的微生物(能分解有机物)和游离氧(能氧化有机物),这也就导致地球上的有机物不再能够大量积累保存。所以,生命起源的条件不再满足。基于这样的情况,地球上不再能产生新的原始生命,也就意味着若地球上的物种一旦灭绝就将永远消失。所以,保护环境,保护生物,刻不容缓,尤其是对濒危物种的保护。目前,我国已经建立了700多个自然保护区和植物园、动物驯养繁殖中心等,加大了对野生动植物和濒危物种的保护力度。大熊猫的保护就是一个很好的例子,经过数十年的精心保护,据国际自然保护联盟发表的报告称,大熊猫已由“濒危”物种降为“易危”物种。

我们要珍惜自然界中的一切生命。从生物学角度可以发现,生命是物质的,无论是人还是其他的生命,都是由蛋白质、核酸等物质组成的。不能因为人具有思想,能够劳动,就认为人更高贵。自然界中,万物平等。

人的生命是宝贵的,同学们正处于青春年华,精力和时间都很充裕,正是认真学习知识、掌握技能的关键时期。陶渊明说过:“盛年不重来,一日难再晨”,愿每一位同学都能够珍惜时间,热爱生命。

学后思考

我国古代著名思想家老子曾说过:“天下万物生于有,有生于无”,学了生命的起源,你对生命有何感悟?

课外搜集一些关于生命起源的学说,并在阅读的基础上,探究生命起源的证据。