零距離科學:解釋生命「從無變有」的三大難關

零距離科學:解釋生命「從無變有」的三大難關
Image Credit: Shutterstock
我們想讓你知道的是

無生源說是指生命最終是由無生命的東西而來,但從無變有一點也不易,起碼要解決三大難關,包括由無機物產生有機生物分子、有機物獲得「代謝」和「選傳」的能力等等。

唸給你聽
powered by Cyberon

文:盧駿揚 (香港中文大學通識教育基礎課程講師)
圖:香港電台

說到生命起源,不少人立時會想起達爾文的巨著《物種起源》(On the Origin of Species) 。但這只是個誤解,因為此書重點從不是有關生命起源,而是探討「物種的演化」,藉此解釋「新物種的由來」 。不過達爾文也並非沒有思考過生物起源的問題。他曾於1871年給朋友的一封信件中提出著名的「溫暖小池塘」假設。

「但假如(噢,這是多大的假設!)我們構思有些溫暖的小池塘內充滿著各種氨氣(ammonia)、磷鹽(phosphoric salts),以及光、熱或電流等,以致蛋白質化合物得以從化學反應中產生,繼而進行更複雜的改變——雖然蛋白質在現今的環境通常會被立即吞噬或吸收,但若以上假設屬實,則生物出現前的環境狀況應該並非如現今這般。」[註]

一個湖,一些原材料,再加一些能量(譬如電光一閃), 生命就「嘭」的一聲出現了——真是那麼簡單嗎?我的答案是:尚待考證。時至今天,我們仍未能完整的、準確的掌握生命出現的進程 。不過由1871年至今,我們的確對生命起源的認識著實增加了不少。《零距離科學》最新一集〈太空任務:第二個地球〉探討的雖是外星生命存在的可能性,但說到底也就是討論:生命在甚麼條件下才得以出現?

由死物變為生物?

要談「生命起源」,我們首先要由「生命」談起。 「生命」的定義至今仍莫衷一是,但其中有一點是被人廣為接受的——所有生命都是從其他生命而來,即所謂「生源說」(biogenesis)。自19世紀巴斯德(Louis Pasteur)以鵝頸樽實驗否定了「自然發生」(spontaneous generation)假設後,科學界便認為生命只能由生命所衍生,不可能憑空出現。但讀者只要細心一想:若我們順著時間向前追溯,最終不也會碰到第一隻生物嗎?而這位終極祖先又從何而來呢?那就要訴諸由死物變為生物的過程,亦即是「無生源說」(abiogenesis)。

無生源說是指生命最終是由無生命的東西而來。但從無變有一點也不易,起碼要解決三大難關:

  1. 由無機物產生有機生物分子(biomolecules);
  2. 將簡單有機物合成為更複雜的有機物,並維持有機化合物間的轉換循環,此謂「代謝」。並且從有機物中產生能夠自我複製的分子,此謂「遺傳」;及
  3. 產生細胞膜以隔絕於外界,以維持體內平衡。

先處理第一點。在生物體內,我們可以找到不少獨有的有機化合物。我們稱此等化合物為生物分子(biomolecules),亦即是生命的組件,當中包括胺基酸(蛋白的組件)、核酸、糖、核鹼基(DNA的組件)、脂類、還有林林總總的代謝物(metabolites)等。沒有這些基本組件,生命是無法存在的。它們是如何出現的呢?

生物分子源自外太空?

就此問題,有一派學者認為這些有機化合物並非由本土所生,而是源自外太空。這種想法稱為「偽泛種論」(pseudo-panspermia)。偽泛種論者認為在龐大的外太空裡有著各式各樣的生物分子,這些分子會隨天外來客(宇宙塵或隕石等)降臨地球,成為地球生命最初的原材料。此說看似科幻,卻非毫無實據。

在1969年,一顆約100公斤的隕石劃破天際,它隨後碎裂並散落在位於澳洲的默奇森小鎮上。這顆「默奇森隕石」成為當時不少科研團隊的研究對象。當科學家於1970年分析這顆隕石的構成時,他們發現當中充滿著甘胺酸(glycine)、丙胺酸(alanine)、麩胺酸(glutamic acid)、纈氨酸(valine)、脯氨酸(proline)等化合物。這些都是在生物裡常見的胺基酸,亦即是建構蛋白質的重要元件。自70年代起,其他隕石也陸續被人分析,得出結果亦類同:它們身上都帶著胺基酸。

Living_Universe_3_6
偽泛種論認為有機分子是由外太空而來,成為生命起源的原材料。

此外,當科學家於2008年再次分析默奇森隕石時,他們更發現隕石中含有尿嘧啶(uracil)和黃嘌呤(xanthine)。前者是稱為嘧啶(pyrimidine)的化合物,是一種核鹼基,是RNA的元件之一。後者則是嘌呤(purine)。它也是核鹼基,跟DNA和RNA上的腺嘌呤(adenine)與鳥嘌呤(guanine)結構相近。這些發現均說明「偽泛種論」並非天荒夜談。 生物的原材料會否真的是搭乘飛越天河的太空船而來?

生命源自「原生湯」?

相對於偽泛種論的就是「原生湯論」(Primordial soup)。原生湯論者認為地球生命的出現是不假外求、完全靠賴原始地球的環境所產生的。

達爾文的「溫暖小池塘」也許是「原生湯論」的先驅,但正式建構此理論的卻是1920年代的兩位科學家——歐帕林(Alexander Oparin)和哈爾丹(John Burdon Sanderson Haldane)。歐帕林假設早期地球上是充滿著各式各樣的無機原材料如氫氣(hydrogen)、氧氣(oxygen)、氨氣(ammonia)及雪明碳鐵(iron carbide)等。 在當時高熱的環境中,地球表面是一層鮮紅的熾熱液體,而這些原材料就像是在熱湯中滾熬的湯料般,慢慢結合而成碳氫化合物(hydrocarbon),隨後再合成為更複雜的有機化合物。

但假設歸假設,現實中這一煲湯真的能產生那麼複雜的生物分子嗎?在1952年,「原生湯論」得到重大突破,那就是著名的米勒-尤里實驗(Miller-Urey experiment)。芝加歌大學的米勒(Stanley Miller)與尤里(Harold Urey)嘗試照著歐帕林與哈爾丹的理論在實驗室中重現原始地球的狀態。他們預備了簡單的原材料——水(H2O)、甲烷(CH4)、氨氣(NH2)並氫氣(H2), 在密封玻璃裝置內將它們加熱,並以電流製造火花(模仿閃電),為化學反應提供能量。最終他們得出驚人的結果——地球生命所需的20種胺基酸竟然全都能在這簡單的裝置內製造出來。

Living_Universe_3_3
達爾文曾提出「溫暖小池塘」理論。後來歐帕林及哈爾丹認為原始地球上的「原生湯」產生了複雜的生命分子。

這一發現固然叫人振奮,但科學發現又怎會這般一帆風順?事實上,後來科學家開始質疑原始地球狀態未必如米勒-尤里實驗中所假設的那種還原狀態(reducing environment)。而且當其他團隊以非還原狀態來重複此實驗時,他們也無法得到原先的結果,這令到「原生湯論」的支持者大受打擊。儘管如此,後來在近廿多年的大小研究當中,科學家也逐漸發現即使原始地球未必處於還原狀態,但各種生物分子卻依然可以單靠無機物的化學反應製造出來。所以直到今天,原生湯論與偽泛種論兩者不分上下,仍然在角力當中。

就算有了材料,生命如何出現?

有了原材料,那生命就因此出現了嗎?非也!即或你把人體構成的所有物質攪拌在一起,你也是無法完成《鋼之煉金術師》裡禁忌的人體煉成的。因為生命並不只有靜態(材料)的一面,也有動態(過程)的一面。生命起源第二個難關就是——生命的過程是如何發生呢?

就此問題,當今科學界也存在著兩個壁壘分明的派別——一謂「複製先說」(replication-first),一謂「代謝先說」(metabolism-first)。前者是指生命出現的第一個重要里程碑是地球產生了第一顆 「自我複製者」(replicator)。

道金斯(Richard Dawkins)在《自私的基因》一書中曾作出此假設:只要世上有一粒分子(molecule)能自我複製,它就會勝過其餘一切的分子,並靠著突變及篩選變得愈來愈複雜。當時Dawkins的理論是面臨著一些難以解決的問題。要成為自我複製者,它必須兼具兩種特質:

  1. 它需要記錄著遺傳資訊,從而能夠被複製(being replicated);
  2. 它需要擁有催化能力(catalytic activity),從而能讀取資訊並進行複製(have replication activity)。

身處70年代,科學界那時只知道DNA是負責記錄著遺傳資訊,而蛋白質則負責讀取資訊進行複製,那麼何方神聖才能將兩者結合為一呢?

這位新星終於在80年代出現——原來是RNA。人們其實早知道RNA跟DNA相似,能夠遺傳資訊,只是沒DNA那麼穩定。但到了1980年代,科學家才發現RNA有另一方面是遠勝於它的兄弟DNA,就是有些RNA是具備催化化學反應的能力。他們把這一類RNA命名為核酶(Ribozyme,即Ribonucleic acid + Enzyme的縮寫)。

這是一個翻天覆地的發現(發現者在數年內便獲得諾貝爾獎),而核酶的出現也令複製先說的理論變得實在。假如在遠古的地球上偶然產生了一顆能自我複製的核酶,那不就是生命的先行者嗎?故此人們漸漸把複製先說命名為「RNA世界假說」(RNA world hypothesis)。近年不少科研團隊更造出真的能自我複製的核酶系統,令RNA世界假說變得更具說服力。

化學反應才是生命起點?

不過並非人人都對複製先說抱持樂觀態度,正如「代謝先說」支持者會認為複製先說是過於不設實際。核酶雖然集遺傳資訊與複製能力於一身,但其結構是如此的複雜,又怎可能隨機出現呢?

代謝先說認為自我複製者固然是生命起源重要的一環,但並非第一步。生命是源於能夠自我催化的化學反應(autocatalytic reaction)。說到底,我們身體內的新陳代謝(metabolism) 也只不過是一連串的化學反應。它們形成龐大的系統,而參與其中的化合物則被分解、被合成,獲取能量、失去能量。這些反應周而復始,直至生物死去才寂滅。代謝先說者深信化學反應才是生命的起點。

在原始地球上,那時大概只有簡單的化合物存在。但當環境提供了足夠的能量(譬如熱力),加上附近有著合適的催化劑,這樣便可引發出各種化學反應,這些反應甚至有機會形成簡單的自我催化循環。若此等系統得以建立,它就會像雪球般愈滾愈大,愈變愈複雜,繼續產生更多不同結構的有機化合物,也更有效捕獲周遭環境中的能量。這樣,要創造像核酶般複雜的生命分子也就變得容易多了。

天然實驗室

不過我們尚有一個問題未解決。若在自然世界中沒有容器來盛載原材料(假設一切在倘大的汪洋中發生),那些從化學反應中而得的成品便會漸漸向外擴散,降低濃度。這是對自我催化非常不利的。那麼原始地球上有沒有天然的實驗室,讓原材料困在一處,發生反應,形成複雜的化合物呢?

答案是有的。在1970年代,科學家在深海中發現海底熱泉(hydrothermal vent)。這些熱泉看起來像煙囪,由各種礦物構成,長期噴著如濃煙般的高熱海水。海底熱泉是絕佳的自然實然室,它提供了能量(熱力)、催化劑(礦物如Fe(Ni)S )及原材料(大量H2及CO2)。但不止如此,海底熱泉擁有多孔(porous)結構,那些煙囪上佈滿了小孔與小通道,這些小孔與通道就好像化學容器般,讓化合物在適當的密閉空間下發生反應。

此外,這些小孔更帶來一個額外的好處。若脂類成品在化學反應中得以產生,它便會沿著孔的內壁伸展鋪設,像氣球般把孔內一切東西都包圍著。這是甚麼?沒錯,就是細胞膜的雛型。這樣的話,我們就連第三個難題都順道解決了。

有機化合物、自我複製與代謝系統、細胞膜——按現今的科學理論來說,早期生命大概就是由此而生。而地球上只需出現第一隻能夠自我繁衍的生物 (譬如像疊層石微生物Stromatolite等簡單生物 ),往後生命漸趨多樣與複雜的發展則完全可靠達爾文的 「演化論」繼續解釋了。

Living_Universe_3_10
只要第一種能自我繁?的簡單生命在地球上出現,它就能照著演化論變得多樣及複雜。
節目簡介︰

《零距離科學》集合世界各地有趣的科學紀錄片,網羅與大眾息息相關的科學資訊,啟發觀眾的好奇心和求知慾,節目逢星期五晚9時30分在港台電視31及31A播映。本集「太空任務:另一個起源」於8月2日播出。港台網站tv.rthk.hk及流動程式RTHK Screen視像直播及提供節目重溫。網址︰https://www.rthk.hk/tv/dtt31/programme/sciencewithyou

註︰“But if (and oh what a big if) we could conceive in some warm little pond with all sort of ammonia and phosphoric salts,—light, heat, electricity present, that a protein compound was chemically formed, ready to undergo still more complex changes, at the present such matter would be instantly devoured, or absorbed, which would not have been the case before living creatures were formed.” Charles Darwin, Letter to Joseph Dalton Hooker on February 1, 1871

標題為編輯所擬,原題為「零距離科學──太空任務:另一個起源」。

相關文章︰

責任編輯︰鄭家榆
核稿編輯︰區嘉俊


或許你會想看
更多『評論』文章 更多『科學』文章 更多『港台電視31』文章
Loader