生命的起源
生命的起源
地球上的生命如何产生？复制或者新陈代谢出现在生命史初期吗？作者弗里曼· 戴森追问这些问题，并且讨论两个主要理论，试图说明天然存在的化学物质如何实现自我组织进而形成生命体。多数观点认为，生命起源于分子的...
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“假如稳定平衡中的分子种群可使其自身保持在一种稳定的新陈代谢水平之下，那么这样的种群必须应该包含多少种不同的分子种类呢？”
弗里曼·戴森（Freeman Dyson），现任普林斯顿高等研究院的荣誉退休教授，他不仅是一位杰出的科学家，而且也是一位天赋异禀的作家；同时也是伦敦皇家学会会员、美国国家科学院院士，获十八个荣誉学位。他的著作包括《全方位的无限》、《武器与希望》、《宇宙波澜》、《想象的未来》、《太阳、基因组与互联网》、《从爱神到盖娅》等。
第四章 尚未解决的问题（节选）
生命为何如此复杂？
现在我们将前三章的内容做个小结。在开始讨论生命起源研究的根本性问题，即“生命的起源与复制的开端会不会是同一回事？”之前，第一章首先描述了引出这一理念的历史发展。我给出了理由：为何我更倾向于对上述问题给出否定的答案？为何我更偏向做出试探性的假设：新陈代谢与复制有不同的起源？第二章则概括分析了与生命起源相关的经典实验与经典理论。自从马克斯· 德尔布吕克的时代开始，我就观察到：一系列的实验已经在阐明复制组织结构与功能方面，取得了相当成功的成果，并较为成功地帮助我们对新陈代谢获得深层次理解。
尽管切赫等人关于核糖酶的实验已经证明： RNA 可起到酶的作用，但 RNA 只能在有限的范围之内发挥酶的功能。早期的一篇评论文章提到：“ RNA 只在有限范围内作为生物催化剂出现，可能是由于 RNA 催化剂有限的功能性，而非其在催化效率与催化精度方面存在不足。”研究核糖酶作用的实验涉及的是对遗传组织的微调，并不关心细胞的新陈代谢作用，时至今日，这仍然是一个不争的事实。相关实验单方面的成功导致了相应的理论偏爱。关于生命起源最普及的理论是曼弗雷德· 艾根的相关理论，这些理论大多集中于将复制作为解释原理的一种现象。第三章讲述的则是由本人站在艾根偏好的对立面角度，尝试建立的一个生命起源模型，该模型提出一个起作用的假说：原始生命纯粹是由毫无复制功能的新陈代谢组织构成的。
最后一章探讨的是由模型提出的未解决问题，以及有关新陈代谢起源的实验研究法所涉及的更为一般的问题。但是所有的这些问题都附属于这一问题：生命为何如此复杂？或许，这并不是一个适定的科学问题，它可能仅仅会被看作是，一个上了年纪的科学家追忆匆匆逝去的青春与渐行渐远的单纯时所表达的悲痛之情；抑或被解释为对现代世界中无法解决的人类境况问题的徒劳无益的抗议。
但我所特指的具体问题是细胞结构。活细胞的基本特性在于生理平衡，是可在不断变化的环境中仍能保持稳定与或多或少稳定化学平衡的一种能力。生理平衡是一种化学控制机制，是确保在每个细胞中可产生不多不少成适当比例的分子种类的一种反馈循环。如果没有生理平衡，就不可能存在秩序井然的新陈代谢，也不可能存在能够赋以生命之名的拟平衡状态。“生命为何如此复杂？”这个问题在这样的语境下意味着：假如稳定平衡中的分子种群可使其自身保持在一种稳定的新陈代谢水平之下，那么这样的种群必须应该包含多少种不同的分子种类呢？
生物学方面的证据对维持生理平衡（至少是我们正在讨论的现代类型的生理平衡）有着相当严格的限制。如果有人根据他自身 DNA 中上百万的碱基对判断的话，会发现存在大量不同种类的细菌，而且大多数的细菌都包含了数千种的分子种类。在现代条件下，当生理平衡与数千种组分一起作用时，效率会更高；相反，组分数量少于数千种时，效率会较低。如果一种细菌在去除一半分子组分的条件下，仍然可以有效地进行新陈代谢，那么必定存在一种选择有利性。细菌一般会抵制将其缩减至某种复杂程度的水平之下，从这一事实出发，我们可以推断在某种程度上，这种特定水平即为不可减小的最小值。
如果现代细胞为维持稳定的生理平衡而需数千种的分子类型，那么这种情况预示着原始细胞的情况会是怎样呢？严格意义上来讲，它未能说明任何问题。要是没有现代的遗传因子与抑制剂的分析仪器，生理平衡的原始机制必定截然不同，它原本可能会更简单或更复杂。一个仍旧比较合理的假设是，古生物细胞的结构更为简单。问题是：究竟简单到何种程度呢？因此，在建立生命起源的可靠理论之前，我们应该首先回答这一问题。只有实验才能回答这个问题。
在第三章所讨论的玩具模型中，我从模型的分析推断出，可致使一个细胞从无序态跃迁至有序态的数量应该为 2000 — 20000 个单体，它们可化合成几百种聚合物。我断定，对于原始生理平衡所需的聚合物分子种类数量来说，这个数量基本是合理的。这种断言当然毫无根据，只是臆测而已。众所周知，对于现代细胞来说，几千种的分子种类就已经足够了。想要维持类似生物化学生理平衡这样的任何系统，仅仅利用数十个分子种类是不太可能的。于是，仅凭我们熟悉的记数的十进制就可以自然推断出：几百种分子种类恰好就是生理平衡起源所需的数量。然而，究竟几百种分子种类是否是维持生理平衡的充分或必要条件，我们就不得而知了。
领会如何将一种试验方法成功运用到解答与复制起源有关的问题中，是相当有趣的。构成自我复制系统所需的最小分子数量是多少？这个问题可由两个经典实验来解答，一个实验是由施皮格尔曼完成的，另一个则是由艾根及其同事一道完成的。在第一章中，我已对艾根的实验有所描述。施皮格尔曼的实验以存活着的Qβ 病毒开始，这种生物可继续生存，并通过一条由 4500 个核苷酸组成的单一 RNA 分子上的遗传密码完成自身的复制。通过使用复制酶，这种病毒可正常在寄主细胞内进行复制，而病毒 RNA 可引起寄主细胞产生核糖体。病毒 RNA 也可致使寄主细胞产生外壳蛋白与多种完整病毒寿命周期所需的合成物。
施皮格尔曼在实验中剥落病毒的外壳蛋白，为它在试管中提供复制酶，这样一来，在不入侵任何细胞的情况下，病毒也可进行复制，并完成正常的寄生寿命周期。试管中还包含以连续流量配置方式供应的丰富自由的核苷酸单体，确保病毒可得到源源不断的供给。结果相当惊人。病毒 RNA 在复制酶的协助下，可以准确无误地将复制持续一段时间。但是，稍后不久就产生了一种变异 RNA ，这种 RNA 已失去了不再为其生存所需的基因。变异体含有的核苷酸数量少于 4500 个，但是比原先的病毒复制速度更快，很快就如达尔文生存竞争的论断那样取代原先的病毒。然后，会有另外一种更短的变异体出现并取代之前的一种，以此类推不断地持续下去。最终，病毒不再需要携带复制酶与外壳蛋白的基因，而依旧可以存活下去。
与之相反，病毒也只有摆脱掉一切多余的包袱才可继续存活，而继续存活的要求则需其尽可能地简单与微小。最终，病毒就简化成为仅含 220 个核苷酸的一小条 RNA ，每个核苷酸除了包含复制酶的识别位点之外，就不含别的物质了。病毒的终态被遗传学家们称为“施皮格尔曼畸形体”。这个实验给人们上了客观的一课：生命如果轻易地产生，会发生什么。在施皮格尔曼试管制造的人工环境中，这个小小畸形体能够以高速的频率不断地复制下去，但却很难指望它在别处存活下来。
艾根的实验则与施皮格尔曼的实验形成对比。相同的是，两个实验都采用了装有复制酶与自由核苷酸的试管。两者的不同之处在于：施皮格尔曼在试管中加入了活病毒体，而艾根并没加入任何物质；对于复制演变的研究，施皮格尔曼采用的是自上而下的研究方法，而艾根采取的则是自下而上的研究方法。与施皮格尔曼的实验一样，艾根的实验在复制酶的协助下，复制产生了一种自生的 RNA 分子种群。然 而，艾根的复制基因与施皮格尔曼畸形体不完全是同一种物质，虽然它们有近亲关系。艾根的复制基因在演化至平衡态后，形成了一种包含 120 个核苷酸的 RNA ，而施皮格尔曼的畸形体包含 220 个核苷酸。对于一个无中生有的分子与一个从曾经活着的分子所生出的分子而言， 120 个核苷酸与 220 个核苷酸差别很小。
施皮格尔曼与艾根的实验一并为“构成自我复制系统所需的最小分子种群数量是多少？”这个问题给出了明确的答案。答案即是：单个的 RNA 分子所需的核苷酸数量为一百到两百个。简而言之，这个答案表明：与生理平衡现象相比，复制现象多么地简单。我猜测：生理平衡所需的分子种群的最小数目大约是一百倍大，即几百个分子，一共包含一万到两万个单体。更重要的是：我认为，探索生命起源最有前景的途径是，开展与施皮格尔曼和艾根实验类似的实验，只不过这次实验针对的是生理平衡而非复制现象。
那么该如何进行这样的实验呢？我清醒地意识到：提供建议可比开展实验容易得多。首先要做的是，寻找一种实验所需的工作物质，即生理平衡实验所需的相当于施皮格尔曼 Qβ 病毒与艾根核苷酸试剂的物质。目标依然是从两端开始，即采取自上而下与自下而上两种研究方法，找出两端会在中间的何处相遇。对于自上而下这种研究方法来说，我们需要为其寻找一种合适的生物，即本身具备已经失去复制功能，但仍保留新陈代谢与生理平衡功能的无核细胞，然后，需要在逐渐去除其无关紧要的分子成分的同时，人为地将其保持在存活状态。我们希望，在无数次反复试验之后，可以用这种方法概略地找出维持生理平衡装置复杂状态的最小限度单元。对于自下而上这种研究方法来说，我们需要实现限制于奥巴林式液滴状态的分子合成群体的实验，并通过添加不同组合的催化剂与代谢物使其最终形成一种持久不断的生理平衡状态。如果我们足够幸运，最终两种不同实验方法会显示出某些趋同的态势。在这两种方法趋同的范围内，会指明某种可能的途径：生命原本可能会遵从由一片混沌到生理平衡这样的原始进化模式。
从某种意义上来讲，对于那些整日忙于与真实的细胞和化学物质顽强斗争的实验者来说，我对未来实验提出的建议可能听起来天真而简单。我不知道按照我所建议的方法进行实验是否可行。即便是在我本人的物理学领域内，我也没有能力做此实验，因此提出这样的建议我也是踌躇的。虽然如此，我还是要很认真地给出这些建议。如果我不相信这样的实验在潜在意义上相当重要的话，我一开始根本就不会冒昧谈论生命 之起源了。如果一个理论物理学家要想在讨论生物学的根本性问题上有所作为，那么他也只能通过为新型实验提建议来实现了。半个世纪以前，薛定谔曾建议生物学家进行基因分子结构的实验。这个建议在当时提出的正是时候。我现在建议生物学家进行生理平衡系统分子族群的实验探讨，希望这个建议正合其时。
在结束未来实验这个话题之前，我想补充一些关于计算机模拟的话题。在种群生物学运用至动物族群与植物族群时，计算机就成为一种与实地观察同等重要的实验数据来源。对于实地观察的规划以及结果分析来说，种群动态的计算机模拟是一种必不可少的手段。与实地观察相比，计算机模拟不仅速度更快，而且成本更低。因此，每一项重要的种群生物学研究项目都将计算机模拟列为理所当然的研究手段。由于生命起源是种群生物学分子范畴内的一项难题，因此计算机模拟手段的采用必不可少。由兰森特总结的奥巴林学说模拟是一个不错的开端，而且仍然有很大的发展空间。至今尚未出现任何一个包含足够化学过程细节的模型可为该理论提供实际上可操作的实验。
题图及文内图为 BBC 纪录片《生命》，来自：豆瓣
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