四、地球上生命起源

地球是太阳系的一个成员，是质量、大气、位置均居中的一个行星。迄今，在我们的太阳系中，只是在地球上才存在各种生命，特别是人类。但是，关于行星和恒星的知识使我们难以相信地球是宇宙中亿万颗中唯一蕴藏着生命的行星。宇宙起源大约远在200亿年以前，银河系起源至少在130亿年前，太阳系和地球的形成发生在46亿年前。化石年龄的研究表明，生命早在35亿年前已经存在，地球已有蓝绿藻类的微生物云集。生物进化是从那时起，一直延续到人类的出现。近代研究认为，人类的出现是在约400万年前。

地球上生命起源，主要从地球上物质运动和发展中寻找生命物质探索生命起源。原始地球具备生命起源的环境和物质条件：①早期的还原性大气，使原始地球初期形成的前生物有机分子得以积累保存；②早期大气无游离氧，地球外层空间未形成臭氧层，强烈的太阳紫外线对早期大气中化学反应起重要作用，雷电、宇宙射线也是原始地球化学进化中的重要能源；③原始海洋的形成为生命诞生准备了必要条件。

1．简单的生物小分子合成

生命起源的研究必须探索在原始地球条件下，从简单的生物小分子合成逐步发展成复杂生命体的过程，它包括下述四个过程。

（1）生命必需的有机小分子合成，如氨基酸、碱基、核苷、核苷酸、糖、脂类的合成。从1953年米勒（Miller）模拟原始大气高压放电产生氨基酸和 1961年奥罗（Oro）从氰化氢合成腺嘌吟实验开始，现在科学家们基本上达成共识，生命的基本物质蛋白质、核酸的主要成分氨基酸、核苷酸等均能在原始地球条件下合成。留下一个问题是“核酸与蛋白质哪一个先发生”。早期有奥巴林（Oparin）和福克斯（Fox）的蛋白质论，20世纪80年代，由于塞克（Cech）和艾尔麦恩（Altman）分别发现核酸酶（Ribozyme）具有酶活性，改变了只有蛋白质才具有催化功能的传统观念，而倾向于“RNA的世界”。

（2）有机小分子的活化与聚合。国内外的研究侧重于太阳紫外线在磷化物的存在下，对有机小分子的活化与聚合。

（3）手性起源是小分子聚合大分子的前提。为什么生命的基本物质蛋白质只由L-氨基酸组成，核酸RNA和DNA只由D糖组成？科学家认为手性均一是生命所必需。从微生物到人类，为了保持有机体的生存和复制，细胞必须建立在遗传物质右旋（veers Right）和氨基酸左旋（Veers Left）的基础上，但手性均一和生命究竟哪一个起源在先？至今尚无定论。

（4）核酸-蛋白质密码关系的建立。组成生命的有机分子可以在原始地球上形成，但有机分子不是生命，只有蛋白质与核酸形成明确密码关系时，才可能进化并最终产生生命。

2．生命的化学进化

根据大爆炸宇宙理论，大约在150亿年前的爆炸初期，宇宙处于高温、高密度状态，只有中子、质子、电子、中微子等基本粒子。以后宇宙沿着两条线平行发展：一条是宇观链，即天体演化和地质演变；另一条是微观-宏观链。后者又分为物理进化、化学进化、生物进化和社会进化四个阶段。化学进化是指原子→分子→生物大分子的进化过程。具体可分为下述四个阶段。

（1）化学元素的合成阶段。质子和电子形成了最简单的化学元素氢，氢俘获一个或两个中子，生成它的同位素氘或氚；氘和氚可以聚变为氦，氦进一步聚变生成碳、氧、氮等元素。

（2）星际小分子的合成阶段。近十余年来，由于射电望远镜的发展，人们在宇宙太空中观察到50多个星际小分子的转动光谱，与地球上相同分子的转动光谱完全一致。星际分子的发现，说明在宇宙发展的过程中，由碳、氢、氧、氮等化学元素可以合成各种小分子，其中特别重要的有甲烷、氢、氧、水和氨等分子。

（3）生物小分子合成阶段。在地球和其他天体形成的早期，大气中氢气很多，氧很少，还有大量的甲烷、水和氨等，科学史上称之为还原性大气。在这种环境下，由氢、甲烷、水、氨等小分子可以合成氨基酸、尿嘧啶、嘌吟等生物小分子。

（4）生物大分子合成阶段。有了氨基酸、磷酸、戊糖、四种碱基等与生物有关的小分子，就能组成生命的基本物质——蛋白质和核酸。1953年，维涅特（VincentduVigneaud）成功地合成了由8个氨基酸构成的催产素；1960年，伍德沃特（Woodward）合成了叶绿素分子；1965年，中国成功合成了牛胰岛素蛋白质分子；1969年，国外合成了链上有124个氨基酸构成单肽链的核糖核酸酶。目前，人们能通过基因工程合成所需的许多蛋白质，但认为只有含核酸分子的类病毒，是化学进化最后阶段的产物和生物进化的开始。

在实验室中可以完成上述化学进化的第四个阶段，但第一阶段在自然界中是如何完成的，至今尚无定论。为美国航空和航天局工作多年的奥罗认为，造成化学反应并导致生命产生的有机物无疑是由地球碰撞的彗星带来的。萨根（C．Sagan）作了土卫六（Titan）大气层有有机分子的报道，并认为太阳系中充满了生命的组成成分。加州劳伦斯-伯克利实验室的莱曼（L．Lerman）在1993年巴塞罗那国际生命起源大会上提出独特的见解，认为空气和海水混合产生泡沫，由火星或彗星带入空气的含碳分子、泥土和金属微粒沾在泡沫上。泡沫破裂时一些分子进入空气，通过紫外线辐射，闪电引起的化学反应产生氨基酸、脱氧核糖核酸、核糖核酸和脂肪酸；这些分子随雨雪落到地上，形成第一个生命细胞。总之，一切都是45亿年前，在一个没有大气层并经过亿万颗彗星撞击的世界上开始的。地球用了1亿年的时间，把数千度高温降下来，并把彗星带来的水积蓄起来，又过了数百年，地球上出现了第一个能够繁殖，又能变异的细菌。研究生命的化学进化就是要解决如何从“死物”到“活物”的飞跃。

总之，生命起源是现代科学三个前沿问题（天体演化，生命起源，基本粒子理论）之一。生命起源就是研究地球或地外星球由非生命物质演变为原始生命的过程，以及如何用人为方法模拟原始条件重现这一自然的历程。它的研究将使人类更好掌握生命发生和发展的规律，控制生物遗传，具有重大的理论意义和现实意义。

3．生物小分子的前生物合成

生物小分子是指氨基酸、嘌吟、嘧啶、脂肪酸、糖、核苷、核苷酸和卟啉等生命体的基本单元，通常分子量小于1000Dalton（lDalton=1.6601×10-27kg），当热能、放电、辐射线各种能量作用于地球、大气和水圈的组分而产生。氨基酸是模拟原始地球条件下形成的第一种有生物意义的有机化合物。著名的米勒实验是用氢、氨、甲烷和水蒸气组成的还原性气体模拟原始大气，通过火花放电得到氨基酸和其他有机物。产物主要有甘氨酸（Gly）、丙氨酸（Ala）、肌氨酸（Sar）、β-丙氨酸（β－Ala）、α-氨基丁酸（α－ABA）。后来人们用甲醇、异辛烷、乙烷代替甲烷，放电产生了更多的氨基酸。我国王文清在模拟原始地球大气中加入PH3，该体系放电后产生19种氨基酸，而作为对照的不含 PH3的体系只产生 6种氨基酸，说明磷在生命起源中占有重要的地位。

史兰克尔（Strecker）合成是氨基酸的一种古老的合成方法，分为三个步骤：①把氨加到醛中产生亚胺；②把氰化氢加到亚胺中产生氨基氰；③氰不可逆水解生成氨基酸。从史兰克尔合成机理可见，除氰化物外还需要一些合适的前体分子，即①醛前体，如甲醛、乙醛和乙醛醇可分别作为甘氨酸、丙氨酸和丝氨酸的醛前体；②活化炔和苯乙炔可以合成苯丙氨酸，羟基可以再和苯丙氨酸起反应产生酪氨酸。另一重要的机理是氰化氢合成机理。据探测，氰化氢广泛分布于银河系，故很可能出现在原始地球上。pH接近9的较浓的氰化氢溶液，会发生一系列复杂的化学反应，生成二聚物、三聚物、四聚物等，氰化氢还可以形成高齐聚体（HCN）n＞ 4。曼修斯（Matthews）从三聚物和四聚体的水解产物中得到13种氨基酸。由上可见，氨基酸可从氰化氢合成，其中四聚体起重要作用，室温下，pH=9.2时形成四聚体的速率最高，pH＝7～10范围内以合理的速率进行，反应在373K速度最快，253K下能以计量速率进行。因此,在原始地球上合成四聚体，温度和pH值都不是障碍，但若氰化物的浓度降到0.01mol dm-3下，氰化物水解为甲脒和甲酸的反应占优势。米勒提出低共熔浓度机理，来解释原始地球上形成高浓度氰化物溶液的途径。

第一个从氰化氢合成嘌呤的实验是奥罗做的，他将氰化氢溶解在过量的氨水中，浓度为1～15mol·dm-3，从室温373K加热一至数天，分离出腺嘌呤。腺嘌呤能从4-氨基-5氰基咪唑、氰酸盐、脲或氰获得。嘧啶可以通过多种方法获得。福克斯将苹果酸、尿素和聚磷酸加热到373～413K得到了尿嘧啶；桑切斯（Sanchez）在甲烷、氮体系中进行火花放电生成氰基乙炔，进而在373K下加热一天，可得到胞嘧啶。

糖的合成一般认为是发生了甲醛聚糖反应，即用碱处理甲醛，该反应是自身催化的。人们在原始地球大气的放电产物中发现了甲醛。由β-D 核糖，β－D-2-脱氧核糖与嘌呤碱或嘧啶碱缩合后生成物统称为核苷。萨根认为，由于还原性原始大气对波长为240～290nm间的光是透明的，故有可能在地球的表面上利用这些紫外线而形成核苷或核苷酸，现己得到证实。在核苷酸合成中必须有磷，原始地球上磷在水中的浓度很小，因此一般认为反应是在固体磷酸盐的表面上进行的。

叶啉是血红素、细胞色素、叶绿素等的核心部分，由乙炔、氰化氢或氨合成了吡咯后，又从含有Ni2+或Cu2+的吡咯以及甲醛的水溶液中生成卟啉。霍森（Hodgson）和庞南佩鲁马（Ponnamperuma）报道，在甲烷、氨和水通过放电所产生的生成物中，检测到卟啉。由于卟啉具有共轭双键结构，所以借助共振的能量而变得非常稳禘姣��?n鰨怦凔?c?]?鱛?絇ポ�碇@潌伲-E錮wＹC?)4