阿西莫夫最新科学指南-下 [美]-第27节
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产生的一些生命在地球上留下了种子，那么我们会问，生命在其他
地方又是怎样开始的呢？因此，这个种子的说法不能解决问题，只
是把问题转移到别的地方而已。
化学进化过程
虽然直到今天有些科学家仍然对传播种子的可能性很感兴
第十三章 细 胞
第十三章 细 胞
趣，但是大多数科学家认为，应该弄清楚地球上生命起源的合理机
制。
他们又回到自然发生说，不过有一点不同：巴斯德以前的观点
认为，自然发生是在现在发生的，进展很快；现在的观点则认为，自
然发生是在很久以前，而且经历了一个非常缓慢的过程。
自然发生不可能在现在发生，因为任何物质即使接近最简单
形式的生命所需要的复杂性，都会被已经存在的无数种生命的一
种作为食物而吸收。因此，自然发生只能发生在还没有生命存在
的星球上，而
35亿年前的地球可能就是这种情况。
另外，生命也不可能在富含氧的大气里产生。氧是一种活泼
元素，它可以与构成接近生命的化学物质结合，把它们再分解。但
是，正如我在第五章中所谈到的，科学家们认为，原始大气是一种
还原大气，不含游离的氧。事实上，一种可能是，地球的原始大气
是由含氢的气体如甲烷（
CH4）、氨（
NH3）和水蒸气（
H2O）组成的，
也许还有一些氢（H2）。
这样一个高度氢化的大气，我们可以称之为大气Ⅰ。通过光
离解，大气Ⅰ会缓慢地变成由二氧化碳和氮组成的大气（见第五
章），可称为大气Ⅱ。此后，在高层大气里形成一个臭氧层，自发的
变化就停止下来。那么，生命会不会在大气Ⅰ或大气Ⅱ中就已经
形成了呢？
尤里认为，生命是在大气Ⅰ里开始的。
1952年，S。 L。 米勒
（当时他是在尤里实验室工作的一位研究生）设计了一种模拟原始
大气的装置，他让水、氨、甲烷和氢的混合物在装置里循环，中间通
过一个放电器产生的电火花（模拟太阳的紫外线辐射）。一周后，
他用纸色谱法分析所得到的溶液，发现除了不含氮原子的简单物
质外，还有甘氨酸和丙氨酸（两种最简单的氨基酸），而且好像还有
一两种更复杂的氨基酸。
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S。 L。 米勒的实验有几个方面值得注意。首先，这些化合物形
成得快而且多，数量令人吃惊，他在实验开始时加入的甲烷有
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合成为更复杂的有机物，而实验仅仅持续了一周。
而且，在
S。 L。米勒的实验中形成的那类有机分子正是活组织
中所具有的。这些简单分子会变得越来越复杂，它们所走的路径
似乎直接地朝向生命。在后来更精密的实验中，这个朝向生命的
进程一直在继续着，但从未大量形成过似乎朝向陌生的非生命方
向的分子。
于是，艾贝尔森仿效
S。 L。 米勒的工作，以各种气体的不同组
合为起始物质，进行了多种类似的实验。结果发现，只要用含有
碳、氢、氧和氮原子的分子开始，就能形成蛋白质中通常具有的那
些氨基酸。电火花也不是实验的惟一能源。
1959年，两位德国化
学家格罗特和威森霍夫，设计了一种可以利用紫外线的实验，他们
也得到了氨基酸。
假如有人怀疑朝向生命是一条阻力最小的路径的话，请看这
样一个事实：20世纪
60年代后期，在外层空间的气体云里（见第
二章）发现的分子越来越复杂，这些分子代表着朝向生命的最初阶
段。如果是这种情况，那么，可能在由气体尘埃云形成地球的时
候，形成复杂分子的最初阶段就已经开始了。
所以，在地球刚形成的时候，可能就已经有许多氨基酸。
1970
年，人们找到了支持这个学说的证据。斯里兰卡出生的生物化学
家庞南佩鲁马研究了
1969年
9月
28日落在澳大利亚的一块陨
石。经仔细分析证明，陨石里含有微量的
5种氨基酸：甘氨酸、丙
氨酸、谷氨酸、缬氨酸和脯氨酸。这些氨基酸没有旋光性，所以它
们不是由生命过程形成的（因而它们的存在不是地球上污染的结
果），而是由
S。 L。 米勒烧瓶里发生的那种非生命的化学过程形成
的。
第十三章 细 胞
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实际上，霍伊尔和一位印度同事威克拉马辛吉对这个发现留
下了极为深刻的印象。他们觉得这种合成远远超出了已经被发现
的东西。他们认为，在空间能够形成少量极微小的生命，虽然在天
文距离上探测不出来，却肯定具有重大意义。
不仅在遥远的气体尘埃云里，而且在我们太阳系的彗星里，都
可能形成这些小生命。因此，地球上的生命可能是由彗尾带给地
球的孢子开始的。（说实在的，几乎没有人把这个推测当回事。）
化学家们能不能在实验室里超越氨基酸阶段呢？这样做的一
个方法是，开始时使用较多种的原料，并让它们接受较长时间的能
源处理。这样就会产生越来越多的更复杂的产物。但是，这些产
物的混合物也会变得越来越复杂，因而更加难以分析。
化学家们可以利用的另一个方法是从后来的某个阶段开始，
可以把早期一些实验中形成的产物当作新的原料使用。
S。 L。米
勒的一个产品是氰化氢。1961年，西班牙血统的美国生物化学家
奥罗把氰化氢加入起始混合物中，他得到了比较丰富的氨基酸混
合物，甚至还有一些短肽；他还合成出嘌呤，特别是腺嘌呤，它是核
酸的一个重要成分。1962年，奥罗利用甲醛作为原料之一，制造
出了核糖和脱氧核糖，也是核酸的成分。
1963年，庞南佩鲁马也做了类似
S。 L。 米勒的实验，用电子束
作为能源，结果也有腺嘌呤形成。他和马里纳及萨根一起，进而把
腺嘌呤加入核糖溶液，在紫外线照射下形成了腺苷（一种把腺嘌呤
和核糖连接在一起的分子）。如果此时还有磷酸存在，磷酸也会被
连接起来，从而形成腺嘌呤核苷酸。假如加入
3个磷酸基，就会形
成腺苷三磷酸（
ATP）。在第十二章中已经讲过，腺苷三磷酸是活
组织的能量处理机制所必不可少的。1965年，他合成了二核苷酸
（2个核苷酸连接在一起）。如果在这个方面的各种实验所使用的
混合物里加入氨基氰（CNNH2）和乙烷（CH3CH3）一类的物质（这
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类物质在原始时期很可能存在），就会形成其他产物。因此，毫无
疑问，在原始的海洋和大气里，正常的化学和物理变化可能就是这
样发生的，从而形成了蛋白质和核酸。
在没有生命的海洋里形成的任何化合物都会保留和积聚起
来，因为没有生物（不论大小）去消耗它们或使它们腐烂。此外，原
始的大气中没有氧化和分解分子的游离氧，惟一可以分解复杂分
子的重要因素正是形成它们的紫外线和辐射能。不过，海流可能
把大量的这类物质带到了海洋中层的安全地带，既远离了紫外线
照射的海面，又远离了具有放射性的海底。实际上，庞南佩鲁马和
他的同事们已经估计出，足有
1％的原始海洋是由这些积聚的有
机物构成的。如果真是这样，这种物质会超过
1 000万亿吨。这
么大的数量足够各种自然力对付的了；在如此大量的物质中，即使
最复杂的物质也一定能在不太长的时期内形成（如果考虑到有
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亿年的时间可供利用，就更不成问题了）。
因此，完全可以合乎逻辑地推测，随着时间的推移，从原始海
洋和大气的简单化合物里出现了浓度越来越高的比较复杂的氨基
酸和简单的糖类；氨基酸结合形成肽；嘌呤、嘧啶、糖和磷酸结合形
成核苷酸；又经过若干年代，逐渐形成了蛋白质和核酸。最后一定
会发展到关键的一步——通过偶然的组合，形成能够诱导复制的
核酸分子。这个时刻标志着生命的开始。
因此，在生命自身的进化以前有一个化学进化的时期。
似乎一个单个的生命分子就足以使生命开始发展并产生出整
个世界的各种不同的生物，正如一个单个的受精卵能够产生一个
非常复杂的生物一样。在当时构成海洋的有机“汤”里，第一个生
命分子可能成亿成亿地迅速复制和自身一样的分子。偶然的突变
会产生形式稍有改变的分子，而那些在某方面比其他分子效率更
高的分子会牺牲它的邻居而繁殖起来，从而取代那些旧分子。如
第十三章 细 胞
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果一组分子在温水中效率比较高，而另一组在冷水中效率比较高，
这样就会产生两个种，每个种都局限在最适合自己生存的环境中。
这样有机进化的过程就运转起来了。
即使一开始有多个独立存在的生命分子出现，也很可能效率
最高的一个比其他的都繁殖得快，所以今天所有的生命很可能是
由一个单个的原始分子传下来的。尽管现在存在着各种各样的生
物，但它们都具有相同的蓝图。它们的细胞都以大致相同的方式
进行代谢。此外，所有生物的蛋白质都是由
L…型而不是
D…型氨基
酸构成的，这一点似乎特别值得注意。也许发展成各种生命的原
始核蛋白碰巧是由
L…型氨基酸构成的；由于
D…型氨基酸不能与
L
型氨基酸结合成任何稳定的链，所以开始时碰巧由
L…型氨基酸构成
的蛋白质便一直自我复制而变得极其普遍了。（这并不意味着自然
界里完全不存在
D…型氨基酸。在某些细菌的细胞壁里和某些抗菌
素化合物里有
D…型氨基酸。不过，这些都是罕见的例子。）
最初的细胞
当然，从生命分子到我们今天所知道的生命仍然有很大的距
离。除了病毒以外，所有的生命都是由细胞构成的，而一个细胞
（不论以人为标准看上去多么小）在化学结构和相互关系方面是极
其复杂的。细胞是怎样开始的呢？
美国生物化学家
S。 W。福克斯的研究阐明了细胞起源的问
题。他认为，地球在很久以前一定非常热，因此单靠热能就足以使
简单的化合物形成复杂的化合物。1958年，为了验证这个假说，
福克斯把氨基酸的混合物加热，发现它们形成了类似蛋白质分子
的长链。这些类蛋白可以被消化普通蛋白质的酶所消化，并可以
作为细菌的食物。
最令人惊奇的是，当福克斯把类蛋白溶于热水中并让溶液冷
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却时，他发现类蛋白会凝集成小中心球，大小像小的细菌。以通常
的标准来看，这些中心球不是活的，但它们的表现却和细胞一样，
至少在某些方面是如此（例如，它们都有一层被膜）。往溶液里加
入某些化学药品，福克斯可以使中心球膨胀或收缩，非常像普通的
细胞。它们能够产生芽，有时芽似乎长大一点，然后脱落下来。中
心球能够分裂，一个分裂成两个，也能够凝集成链。
可能在原始时期，地球上形成了许多种这样微小而不完全有
生命的物质聚合体。有些聚合体特别富含
DNA并且非常善于自
我复制，但只能一般地储存能量；另一些聚合体储存能量比较多，
却不善于自我复制。最后，这些聚合体可能结合在一起，互相合
作，互相弥补缺陷，从而形成了近代的细胞。细胞比组成它的任何
单独部分效率都高。近代的细胞至今仍然含有细胞核（富含
DNA，但自身不能利用氧）和许多线粒体（能非常有效地利用氧，
但没有细胞核不能进行自我复制）。（事实上，线粒体仍然具有少
量的
DNA，这表明线粒体可能曾经是独立的实体。）
诚然，近些年来，人们越来越怀疑大气Ⅰ没有持续多久，而大
气Ⅱ几乎在开始时就有了。例如，金星和火星都有大气Ⅱ（含二氧
化碳和氮），当地球像金星和火星那样没有生命的时候，可能也是
有大气Ⅱ。
这并不是一个重大的改变。二氧化碳、水蒸气和氮仍然能够
形成简单的化合物。大概在雷电的影响下，氮和二氧化碳或水（或
二者）结合，可以转化成一氧化氮、氰化物或氨；然后，在阳光和其他
能源的作用下，分子的变化继续朝着生命的方向发展。
动物细胞
在大气Ⅰ和大气Ⅱ存在的整个阶段，原始的生命形态只有靠
把复杂的化学物质分解成比较简单的化学物质，并把这个过程中
第十三章 细 胞
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释放的能量储存起来，才能维持生存。比较简单�
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