首页学科概况科学研究交流合作教学信息转化研究科普园地网络资源学会动态站内留言
  科学研究
 科研方向 
 承担课题 
 科研成果 
 专业进展 
 专题讲座 
 
专题讲座
当前位置: 首页>>科学研究>>专题讲座>>正文
生命的起源
2014-01-15 16:49   发布范围:公开

生命究竟起源于何时?

提到生命的起源,我们首先会想到的一个问题就是生命究竟起源于何时?

在中世纪的西方,《圣经》的创世说占据着统治地位,有神学家根据圣经上的记述,计算出上帝创造世间万物的时间是公元前4004年,甚至可以更加精确到公元前4004年10月23号上午九点钟。这种宗教神学家牵强附会的结论现在看来是非常可笑的。

上图:圣经上记载的神创论的历史影响巨大。

现代自然科学探索生命起源有了更为客观的根据——化石。保存在地质岩层中的化石就像一部编年史记录着地球生物的演化历史。理论上说,越接近岩层最底层的化石,就越接近地球上生命诞生的时间。迄今为止,我们发现所能找到的最古老的生物化石存在于距今约三十五亿年前的岩层。这些生物类似于蓝藻,只是一些原始的生命,大小只有几个微米到几十个微米,即小到肉眼无法分辨的程度。

上图:2002年,澳大利亚科学家宣布在早期寒武纪(约35亿年前)的叠层岩中发现最早的微生物化石。

另外一个证据来源于地层中放射性同位素碳的分析。碳分两种,一种是无机碳、另一种是有机碳。根据同位素分析,可以推测出哪些碳是有机碳,即非天然的,只有生物体才能合成的碳。现在已知最早的有机碳是在北极附近格陵兰岛的38.5亿年前形成地层中。综合这两个证据,生命的起源应不晚于38亿年前。

同时,我们知道地球的形成在大约46亿年前。但是,在地球形成的早期,由于受到了大量的小行星和陨石的撞击,导致地球上遍地火山爆发,岩浆横流,当时的自然条件是不可能适合任何生命的存在的。这种情况一直持续到40亿年前,当地球开始冷却后,生命的存在才开始慢慢成为一种可能。

上图:原始地球的早期环境是不适合任何生命存在。

综合上述科学证据,我们大致可以推断出地球上的生命起源时间,大约是在距今40亿年前到38亿年前之间。

关于生命诞生过程的理论

明确了生命起始的时间,紧接着的下一问题就是:生命诞生的过程又是如何进行的了?和其他重大学术问题一样,对于生命诞生过程的解释,历史上出现过很多不同的假说和理论:

1神创论

2自然发生论

3有生源论

4化学起源论

1神创论,西方最流行的是创世论。根据《旧约全书》的记述,上帝在七天之内创造了世间之万物,即创世论。这个理论在一千多年的西方历史里被普遍接受,直到18至19世纪,现代自然科学诞生后,才开始被逐渐怀疑,达尔文的进化论提出后,这种观点最终被抛弃。在现代,创世论只在宗教神学中尚存在一定的影响。

上图:女娲造人在中国是家喻户晓的神话故事,它也是神创论的一种。

2自然发生论,认为生命是从无生命物质自然发生的。我国古代认为“肉腐出虫,鱼枯生蠹”就是一种自然发生论。在西方,埃及人认为生命来自于尼罗河,亚里士多德也认为“有些鱼由淤泥及砂砾发育而成”。有人还通过“实验”证明,将谷粒、破旧衬衫塞入瓶中,静置于暗处,21天后就会产生老鼠,并且让他惊讶的是,这种“自然”发生的老鼠竟和常见的老鼠完全相同。18世纪时,意大利生物学家斯巴兰让尼发现,将肉汤置于烧瓶中加热,沸腾后让其冷却,如果将烧瓶开口放置,肉汤中很快就繁殖生长出许多微生物;但如果在瓶口加上一个棉塞,再进行同样的实验,肉汤中就没有微生物繁殖。斯巴兰让尼认为,肉汤中的小生物来自空气,而不是自然发生的。斯巴兰让尼的实验为否定“自然发生论”奠定了坚实的基础。

上图:著名的巴斯德“肉汤实验”推翻了自然发生论学说。这个实验证明,细菌等微生物的繁衍需要有母体细菌的存在,新的生命不可能自发地从非生命物质中产生。

3有生源论,这一理论在19世纪的西方相当地流行。有生源论认为,生命是宇宙生来就固有的,它和宇宙的起源时物质的诞生同时进行。在20世纪的后半叶,有生源论逐渐发展到宇宙胚种论。这种观点认为生命必需的蛋白质和遗传物质的形成,需要苛刻的条件以及数亿年的时间才能完成,要在早期地球恶劣的条件下,完成这一复杂的过程是不可能。因此生命一定是以孢子或者其他的形式,从宇宙的某个地方来到了地球,这种观念虽然值得怀疑,但也有一定的依据的。科学家曾在坠落的陨石中发现构成生物的蛋白质分子。另外科学研究也的确表明,一些有机分子如氨基酸、嘌呤、嘧啶等分子可以在星际尘埃的表面产生,因此,至少从理论上说,这些有机分子可能由彗星或其陨石带到地球上,并在地球上演变为原始的生命。

Was life on Earth seeded by a comet?

上图:地球上最早的生命有可能是彗星上的乘客。

4化学起源说化学起源说是目前被最普遍接受的生命起源假说。这一假说认为,地球上的生命是在地球温度逐步下降以后,在极其漫长的时间内,由非生命物质经过极其复杂的化学过程,一步一步地演变而成的。

这一理论可以用著名的“米勒实验”证实。米勒是根据原始地球的自然环境特点,在一个密封的瓶子里面充满氨气、氢气、水、一氧化碳模拟原始地球上的大气和地面环境,然后在瓶子两头插上的电极放电来模拟大气层中的闪电。这样持续的作用几天后,产生了多种氨基酸,即组成生命体关键成分蛋白质的最小单位。这一实验说明在原始地球的自然环境条件下,的确有形成生命体的可能。

上图:化学起源学说认为地球生命诞生的基础是一系列的生化反应。

化学起源学说还得到“热泉生态系统”的有力支持。20世纪70年代末,科学家在东太平洋的加拉帕戈斯群岛附近发现了几处深海热泉,在这些热泉里生活着众多的生物,包括管栖蠕虫、蛤类和细菌等兴旺发达的生物群落。这些生物群落生活在一个与早期地球环境有部分类似的高温(300℃以上)、高压、缺氧、偏酸和无光的环境中。在这一系统中处于最底层的是化能自养型细菌,它可以摄入热泉喷出的硫化物(H2S),分解后所得到的能量去还原CO2来制造有机物,然后其他动物以这些细菌为食使整个生态系统得以维系存在。这样看来,与早期地球存在部分类似之处的热泉生态系统,有可能是孕育早期生命的一个理想场所。

上图:深海中的“黑烟囱”也有可能是地球上的生命之源。

生命的起源需经历两个关键阶段(化学起源说)

根据化学起源学说,一个最初步的生命形态——原生细胞的诞生可以大致分为两个过程:

1从无机小分子到有机大分子

2从大分子到部分自主功能的原生细胞的形成

1从无机小分子到有机大分子这一过程的第一步,即简单有机分子的形成,可以用米勒的模拟实验说明。在这个实验中,用一个盛有水的烧瓶代表原始的海洋,其上部空间含有氢气、氨气、甲烷和水蒸汽等“还原性大气”;然后给烧瓶加热,使水蒸汽在管中循环,接着通过两个电极放电产生电火花,模拟原始天空的闪电,以激发密封装置中的不同气体发生化学反应;而球型空间下部连通的冷凝管让反应后的产物和水蒸汽冷却形成液体,又流回底部的烧瓶,即模拟降雨的过程。经过一周持续不断的实验和循环之后,米勒分析其化学成分时发现,其中含有包括5种氨基酸和不同有机酸在内的多种有机物,同时还形成了氰氢酸,而氰氢酸可以合成腺嘌呤,腺嘌呤是组成核苷酸的基本单位。米勒的实验向人们证实,生命起源的第一步,从无机小分子物质形成有机小分子物质,在原始地球的条件下是完全可能实现的。

左图:米勒实验所使用的仪器。

左图:米勒实验原理图。

虽然单是形成这些简单的有机分子距离真正的具有自我循环能力的生命还很遥远,但是这至少可以说明,在原始地球上这些有机小分子形成后,的确有可能在局部汇聚在一起,从而形成一个富含有机分子的环境(“肉汤理论”),为进一步的相互作用形成更大的有机分子提供可能。后来,福克斯等人的实验也证实了在原始地球环境下肽键也是可以形成的。Eigen和Wächtershäuser等人分别提出各自关于蛋白质和核酸这些大分子的形成的假说。

上图:化学起源学说提出的生命诞生过程。

2从大分子到部分自主功能的原始细胞的形成 一个完整的生命形态至少包括两个最基本的生命活动,一个是遗传物质介导的自我复制;另一个是各种蛋白质介导的各种新陈代谢活动。在原始细胞形成过程中两者孰先孰后的问题,存在“基因优先(“RNA世界”假说)”和“代谢优先(“硫化铁世界”假说,气泡理论等)”两种不同观点的争论。但现在更趋向于接受两者是相互伴随进行的理论。

上图:脂质体在溶液中可以自动形成多种膜结构。

无论谁优先,都首先要进行奥巴林提出的“团聚体假说”这一过程。奥巴林用实验表明,蛋白质、多肽、核酸和多糖等在合适的溶液中,能自动地浓缩聚集为分散的球状小滴,即团聚体。团聚体的形成使新陈代谢,复制传代的生命现象成为可能。因为团聚体具有类似于膜那样的边界,其内部的化学特征可以显著地区别于外部的溶液环境,使得条件苛刻的酶催化和核酸复制得以进行。除此之外,还有学者提出了微球体和脂球体等假说解释有机大分子物质形成多分子体系的过程。

除上述理论外,还有自动催化模型、粘土理论、磷酸多聚模型、深—热生物圈理论、“PAH世界”理论、脂性世界等众多的理论被用来解释原始生命的形成。至少到2007年底,世界上还没有任何一位科学家在实验室里,利用无机物质合成出完全具有自主能力的生命体。但是,哈佛大学的Jack Szostak、洛斯阿拉莫斯实验室的Steen Rasmussen等众多的科学家仍在孜孜不倦的尝试各种方法来进行原始生命形成的探索,他们的工作成果和相关的书籍附于本文,有兴趣的读者可参考阅读。

关闭窗口
版权所有:第四军医大学细胞工程研究中心