神秘的生命起源-原子 - 新浪BLOG

2008-04-21

2008-04-17 15:52:12
标签:文化
 


神秘的生命起源

  [嘉宾简介]
   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,遇到了不少陷阱,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?

  生命起源的时间问题(小)

  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的热情和关注。
  首先,生命起源之说,第一个谜是生命的时间。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,那就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,我们知道,碳分两种,一个无机碳,一个有机碳。另外,这个有重碳和轻碳之分,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。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。

  有关生命起源的假说(小)

  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,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?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来计算的,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,看看它能不能产生生命,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,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,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。
  现代生物学家通过生物分子学的研究,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。我们研究生命起源最好的证据,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。


地球之外的其他天体(小)

       我们把目光不要局限在地球上,如果说生命是宇宙之中一个普遍的现象的话,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。第二个目标是火星。20世纪90年代,美国宇航局加大了对火星的探测力度,通过火星探测者号、火星拓荒者号航天器和哈博望远镜得到的图片,和其他的有关天体物理的信息资料显示,火星上过去很可能有过液态水的存在。一些航天资料显示,火星上有类似于像我们发生大洪水山前的冲积扇的构造,还有水、河道、像地球上干涸的河床的河道,还有水侵蚀岩石的痕迹。另外还有非常特别的一点,在火星的两极,发现了类似于地球上冻土解冻的情况。
  我们所观察的第三个天体,就是木星的卫星,特别是第二个卫星,叫木卫二,它的大小跟地球直径非常类似,在1997年美国的伽利略号航天器对木卫二进行了观察,他们发现在木卫二表面有大量的裂痕存在,通过天体物理学的方法研究,这个星球其实全是由水组成的,这个水是固态的冰,我们从这些很多很多的裂隙可以看起来,这个星球也许在过去或者某个时候,这个水曾经溶化过。也就是说,它曾经有液态水的存在,它是不是也有生命的存在呢?但是这个还是一个未知数,我们需要更进一步的研究。总之,随着航天科技和其他相关技术的进一步发展,地外生命的探索,为我们研究生命的起源开辟了一个新的途径。

生命起源的三个过程(小)

  关于生命的起源,有三个过程跑不了:第一是从无机物到有机小分子这个过程;第二个,是有机小分子到有机大分子这个形式;第三是这些生物的大分子,演化到原始单细胞的生命。一个原始的单细胞,外面有一个膜包裹,里面有遗传物质,要进行新陈代谢的交换。所以生命起源的过程其实可以简单地分成这三个过程:对这三个过程我们现在做到哪一步呢?我们还有什么没解决的呢?我们看看从无机物到有机小分子这个过程,在热泉中,在深海的海底“黑烟囱”中,还是在实验室中,米勒的实验就是一个最经典的实验,它就是把无机物合成了有机小分子。
  第二个过程,我们再看看,第二个过程是有机小分子,到有机大分子这个过程,这个过程的话,其实在热泉,像海底热泉口,还有陆地上,像黄石公园,我们国家云南的热泉都有这种过程,因为这个温度很高,有机物在里面可以进行热聚合脱水反应,能形成蛋白质,我们在实验室里面,这个过程也是可以重复的,所以生命起源的第二个过程也不是难的事情。
  最难的是生命起源的第三个过程,就是生物大分子到原始单细胞这个过程,可以说这个过程是迄今为止科学家们研究上遇到最大的难题。
  迄今为止,我们把生命起源可以描述成这样子的:在40亿年前的地球上,由无机分子合成的有机小分子,它聚集在热泉口,或者火山口附近的热水中,通过聚合反应,形成了生物的大分子,这些大分子进行自我复制,自我选择,进而通过分子的自我组织,并自我复制和变异,从而形成核酸和活性蛋白质,同时分隔结构同步产生,最后在基因的控制下的代谢反应,为基因的复制和蛋白质的合成提供能量,这样一个由生物膜包裹着的具有能自我复制的原始细胞,就在地球上产生了。
       因此我们可以想象,这个生命起源的过程是非常非常的艰难。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。

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