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
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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。

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。

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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。

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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。

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