神秘的生命起源 -袁训来-第1章

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　　主讲人简介
　　袁训来，中国科学院南京地质古生物研究所研究员，北京大学地质系硕士毕业，毕业后分配至南京地质古生物研究所工作。主要研究早期生命起源的演化及其发展。
　　内容简介
　　生命起源是一个亘古未解之谜，地球上的生命产生于何时何地？是怎样产生的？千百年来，人们在破解这一谜底之时，遇到了不少陷井，同时也见到了前所未有的光明。生命起源之说，第一个谜是生命起源的时间问题。第二个是生命起源的方式问题，生命是怎样起源的？它在什么地方起源的？
　　从古至今，有很多说法来解释生命起源的问题。如西方的创世说，中国的盘古开天地说等。但直到十九世纪，伴随着达尔文《物种起源》一书的问世，生物科学发生了前所未有的大变革，同时也为人类揭示生命起源这一千古之谜带来了一丝曙光，这就是现代的化学进化论。生命起源的化学进化论首先在1953年首先得到了一位美国的学者米勒的证实，米勒描述的生命起源的事件应该是什么样子的呢？那就是在早期，地球上因为它含有大量的还原性的原始大气圈，比如说甲烷、氨气、水、氢气，还有原始的海洋，当早期地球上闪电作用把这些气体聚合成多种氨基酸，而这多种氨基酸，在常温常压下，它可能在局部浓缩，再进一步演化成蛋白质和其他的多糖类、以及高分子脂类，在一定的时候有可能孕发成生命，这就是米勒描述的生命进化的过程。
　　地球上的生命也许就产生在距今38亿年到40亿年之间，但是我们应该清醒的明白，我们距离揭开生命起源这一亘古之谜，还有一段遥远的科学历程。从无机物到有机物，到有机化合物到有机生命体的演化，同时还具有很多的偶然性，并不是有这种环境，有这种形成条件，它就能产生生命。有人曾经比喻说，这些无机物好像一个垃圾堆里面什么都有，塑料、塑料瓶子、铁，废弃金属、油，而生命，一个单细胞，就像一辆精美的奔驰车，在一阵台风过后，这些垃圾组装成了一个奔驰车。因此我们可以想像，这个生命起源的过程是非常非常地艰难。因此，也许我们在这个蓝色的星球，是生命的惟一的乐园，因此请保护我们的地球，珍惜地球上的生命，我们不能奢望地球上第二次的生命起源。
　　全文
　　大家好，我今天给大家讲的题目是《神秘的生命起源》。生命起源是一个亘古未解之谜，地球上的生命产生于何时何地？是怎样产生的？千百年来，人们在破解这一谜底之时，遇到了不少陷井，同时也见到了前所未有的光明。在两千五百年前的春秋时代，老子在《道德经》里写到，道生一，一生二，二生三，三生万物。用现在的话说，就是地球上的生命是由少到多，慢慢演化而来。它们有一个共同的祖先，这个祖先就是一，而这个一是由天地而生，用今天的话说，可能就是由无机界所形成。
　　在中世纪的西方，《圣经》上描绘的上帝，在七天之内造就万物之说，也是非常流行。今天看来，生命起源并不像这些古老传说，或神话描绘的那样，但表明了人类长期以来，对生命起源之谜倾注了极大地热情和关注。但生命起源应该是怎样发生的？科学又是怎样对这一千古之谜进行探索的？我们已经取得了哪些进展？还有哪些问题没有解决？这就是我今天要给大家介绍的内容。
　　首先，生命起源之说，第一个谜是生命的时间，起源的时间问题。在中世纪的西方，人们对《圣经》的上帝造人的故事是深信不疑的，在1650年，一位爱尔兰大主教根据圣经上所描述的，计算出上帝创世的确切时间是公元前4004年，而另一位牧师甚至把创世时间更加精确地计算到公元前4004年10月23号上午九点钟。也就是说，生命起源距今的话，是六千年前，这当然不是真的，而真的是什么呢？真的就是用科学的回答，科学是怎么回答这个生命起源的时间呢？那就是说用化石，是保存在岩石中的化石来回答。我们知道，生物死亡后，它们的遗迹在适当的条件下，就保存在岩石之中，我们把它们称作化石。地质历史中形成的岩层，就像一部编年史书，地球生物的演化历史，就深深埋藏在这些岩石之中，年代越久远的生物化石，就保存在岩层的最底层。
　　迄今为止，我们发现了最古老的生物化石是来自澳大利亚西部，距今约三十五亿年前的岩石，这些化石类似于现在的蓝藻，它是一些原始的生命，是肉眼看不见的。它的大小只有几个微米，到几十个微米，因此我们可以说，生命起源它不晚于三十五亿年。同时我们知道地球的形成年龄大约在46亿年前，有这两个数据我们就可以看到生命起源的年龄，大致可以界定在46亿年到35亿年之间。今天，随着科学的发展，地质学家认为，在地球形成的早期，地球受到了大量的小行星和陨石的撞击，它是不适合生命的生存。与其说当时地球上有生命，还不如说它在毁灭生命，因此地球上生命起源的时间，它不早于40亿年。另外，在格陵兰的38。5亿年的岩石中发现了碳，这个碳的话，我们知道，碳分两种，一个无机碳，一个有机碳。另外，这个碳的话，它有重碳和轻碳之分，因此我们可以根据这个碳之中的轻碳和重碳之比，就来可以推测这些碳的来源。科学家根据碳的同位素分析，推测这些碳它是有机碳，是来源于生物体。也就是说，这样我们把生命起源的时间大大缩短了，也就是在距今40亿年到38亿年之间，自从地球上生命起源之后，一直到现在45亿年，就是生生不息的生命演化史。
　　好，首先我们现在已经有了生命起源的时间概念，是距今40亿年到38亿年之间。那生命是怎样起源的？它在什么地方起源的？这样我们不得不回顾一些有关生命起源的假说。
　　第一个是创世说，在《旧约全书》的第一章写到，上帝在七天之内创造了世间之万物，在中世纪的西方大家普遍接受这个观念，可以说一直到现在，这种观念还被很多人接受，当然这也不是真的。第二个呢，是自生论，比如说希腊人认为，昆虫生于土壤，春天万象更新，种子从泥土里萌发，昆虫从去年留下的卵壳中破壳而出。但这不是生命的起源，而是生命的延续，可以说这个自生论，现在已经被彻底抛弃了。与这个类似的说法，还有比如说埃及人认为生命来自于尼罗河，在中国古代也有腐草生萤之说。
　　第三个有关生命起源的假说，就是有生源论，这个在19世纪的西方也相当地流行，有生源论认为，生命是宇宙生来就固有的，你要问我生命从哪里来的，你首先给我回答一个问题，宇宙怎么起源的？物质怎么来的？你给我回答了物质是怎么来的，生命我就可以说是从哪儿来的，其实这是一个不可知论。在20世纪的后半叶，有生源论逐渐发展到现在的宇宙胚种论，直到现在，有许多科学家认为，生命必须的酶，像蛋白质，和遗传物质的形成，需要数亿年的时间，在地球早期并没有可以完成这些过程的充足时间段。因为它就两亿年，因此他们认为生命一定是以孢子或者其他生命的形式，从宇宙的某个地方来到了地球，这种观念也是有一定的依据的。
　　二十世纪四十年代以来，人类用天体物理的手段，在地球之外探测了近百种有机分子，像甲醛，氨基酸等等。其中两种天体可以与地球上的生命有关，它可能给地球带来生命或者有机分子，一个是彗星，一个是陨石。我们知道这两颗天体里边它含有大量的有机分子，比如我们把一些彗星称为脏雪球。它们不仅含有固态的水，还有氨基酸，铁类，乙醇、嘌呤、嘧啶等有机化合物，生命有可能在彗星上产生而带到地球上。或者在彗星和陨石撞击地球时，由这些有机分子经过一系列的合成而产生新的生命。当然这种胚种论也存在着不同的观念，它有两种致命的弱点，一个是生命是否能在宇宙中进行长期的迁移？还能不能够存活？我们知道天体之间的距离是以光年为计算的，天体之间交流可能需要成千上万年，从一个星球到了另外一个星球。那在这种真空里面，暴露在这种大量的宇宙射线之中，活的生命它是不是在千万年中还能够继续萌发呢？这是一个最大的问题，第二个从无机分子到有机化合物的过程，这种过程，比如说彗星上我们看到有机小分子形成，在地球上也能够形成，这是不用置疑的。
　　1859年，伴随着达尔文《物种起源》一书的问世，生物科学发生了前所未有的大变革，同时也为人类揭示生命起源这一千古之谜带来了一丝曙光，这就是现代的化学进化论。生命起源的化学进化论首先在1953年首先得到了一位美国的学者米勒的证实，既然你说地球早期温度都是比较高，又充满了很多还原性气体，还有水，那么我就把这些气体，把水放在一个瓶子里面，看看它是不能产生生命，或者产生有机化合物。米勒在1953年把氨气、氢气，还有水、一氧化碳放在一个密封的瓶子里面，在瓶子里面两头插上金属棒，完了通上电源，通过这个类似于闪电的作用，确实在几天之后产生了大量的氨基酸。那么就是说在地球上面，在闪电下，在常温下，也能成为无机分子，合成有机分子。我们知道，你氨基酸的话，是组成蛋白质的最重要的物质，可以说，组成生命起源最重要的物质。因此，米勒描述的生命起源的事件应该是什么样子的呢？那就是在早期，地球上因为它含有大量的还原性的原始大气圈，比如说甲烷、氨气、有水、有氢气，还有原始的海洋，当早期地球上闪电作用把这些气体聚合成多种氨基酸，而这多种氨基酸，在常温常压下，它可能在局部浓缩，再进一步演化成蛋白质，蛋白质和其他的多糖类，以及高分子脂类，在一定的时候有可能孕发成生命，这就是米勒描述的生命进化的过程。
　　但是这种温暖水池说，也遇到一些问题，其中有两个问题，第一个问题是现在地质学家认为，地球早期大气圈它并不是含有大量的还原性气体，它是含有大量的二氧化碳和氮气，比米勒的这个气体多一些惰性。在闪电的情况下，你并不能形成大量的氨基酸。第二个，温暖的水池在地球早期并不能长期形成，为什么呢？因为当时地球早期，刚才说过它有大量的陨石、流星，还加上地球本身的放射性，温度很高，你这个温暖水池一旦生命产生了，一个陨星过来，温度在瞬间之内可能达到上千度、甚至几千度，生命已经绝灭了，只能再来一次生命的起源。但是我们现在就这么想，现今的地球上是不是有温度比较高，还有还原性气体，还有生物存在呢？那么，有两件工作可以说具有划时代的意义，一个是1967年美国学者布莱克，在黄石公园的热泉中发现了大量嗜热生物，我们知道蛋白质一般的话超过六十度，就会凝固的，煮鸡蛋六十度七十度以上鸡蛋就熟了，但是生物，是不是在六十度以上还能够生活呢？在以前是不敢想的。
　　第二个就是1977年克里斯，他在太平洋底的热泉中，同样也发现了大量的嗜热微生物，这个温度它要更高，它可能达到二百到三百度。它压力呢，也有二百到三百个大气压，它的环境是什么样子呢？它确实有大量的还原气体，有硫化氢、有甲烷、有氢气、还有一氧化碳，这个环境确实非常类似于四十亿年前早期地球的环境，那么生命起源它是不是就在这个时候产生的呢？这是我们现在看到的情况，但是化石中有没有在火山喷口或者是热泉中发现的微生物呢？确实有，我们在这方面，我们在化石方面也取得了非常重要的进展，比如说在2000年，罗斯玛森，澳大利亚的一个科学家，他在澳大利亚距今大概32亿年左右的火山沉积里面发现了大量的保存完好的丝状体。这说明在32亿年前，生命在热泉的附近已经大量生存，那么这是现在最新的，最流行的，也可以说迄今为止最科学的有关生命起源的假说，就是生命起源于热泉，或者海底热泉，俗称“黑烟囱”的附近。
　　海底热泉和陆地上的热泉它们都有很多共同的特点。第一个它温度高。第二个它含有大量的还原性气体，除了二氧化碳以外，还有一氧化碳、氢气、氨气还有硫化氢。第三个特点就是它们都含有大量的生物，比如说蓝藻、光合细菌、硫细菌，特别是一类古细菌，在高温下异常地繁盛，它在超过一百度的时候大量繁盛，而离开了这样的环境，比如温度一降下来，它马上就进行休眠，而且并不能正常的生活，那么这些生物是不是就代表了最早的，最原始的，地球生命起源的时候，这种原始的生命形式呢？
　　第一个早期地球温度都很高，产生的最早生命形式，应该是一些能适应高温的生物，而热泉中，生物恰恰就是嗜热的微生物。第二个，热泉的环境与早期的地球环境有很多类似之处，比如说它有高温，还有大量的还原性气体、一氧化碳、氢气、氨气，还有硫化氢等等。第三个，在高温的热水环境的话，它是有利于小分子的有机化合物脱水，聚合成有机高分子，比如说现在我们用有机小分子氨基酸合成蛋白质的话，它就是在热水中，通过这个热聚合反应，脱水以后形成这样的高分子，特别是在这种热水口附近的话，形成了黄铁矿，俗称“愚人金”。它是由硫和铁组成的，在它的表面的话，它非常有利于高分子的合成，因为这个硫化铁表面是一个非常好的一个天然的催化剂。第四个有利的证据是热泉口向外层海水之间它有一个温度，和水化学鉴别的梯度，这个梯度的话，也是有利于各种化学的连续反映，我们知道热泉口它喷出来的时候，它的温度可能到达二百度到三百度，特别是在海底洋中脊附近，而海水的温度的话，这种海底的温度一般在0到4度，这样的话，从三百度，一直到四百度，它有一个温度梯度，这种温度梯度的话，对有机化合物合成的话，可以说存在一个连续的反映。第五个也是最重要的一点，就是现在热泉中的生物的话，它确实是生物演化速度的最根部的类型，也就是说它的基因是最古老的类型。
　　现代生物学家，他通过生物分子学的研究，他把热泉中的一些嗜热古细菌，跟现在的普通细菌进行了基因的对比，发现它们基因的相同点，不超过60％。那么就是说这些古细菌它们含有非常多的古老的基因，也就是说，它们很有可能就是生命起源时候的这种类型。应该说，生命起源我们研究生命起源它最好的证据，还是在地球上，40亿年到38亿年间的岩石和化石所包含的信息。但是，经过40亿年的变化，地球已经面目全非，现在的地球即使你有40亿年到38亿年的岩石，它也进入了大量的变种，信息也几乎全无。
　　因此我们把目光不要局限在只是在地球上，如果说生命是宇宙之中一个普遍的现象的话，除了地球之外的其他天体上，是否也有类似于地球早期的这样的环境呢？如果有的话，也许能为研究生命起源打开新的窗户，我们第一个目标是什么地方呢？不是火星是月球，现在地质学家认为，月球是40亿年前，一颗大的行星撞击地球，而从地球上迸发出去。形成了当今的月球，这个时间正好是40亿年，如果地球上有生命起源的话，我们在月球上看看，那不就是解决这个问题了吗。在中国的古代神话中有嫦娥奔