零距離科學：解釋生命「從無變有」的三大難關

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。

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。