生命起源

生命的起源
地球在宇宙中形成以后，開始是沒有生命的。經(jīng)過了一段漫長(zhǎng)的化學(xué)演化，就是說(shuō)大氣中的有機(jī)元素氫、碳、氮、氧、硫、磷等在自然界各種能源（如閃電、紫外線、宇宙線、火山噴發(fā)等等）的作用下，合成有機(jī)分子（如甲烷、二氧化碳、一氧化碳、水、硫化氫、氨、磷酸等等）。這些有機(jī)分子進(jìn)一步合成，變成生物單體（如氨基酸、糖、腺甙和核甙酸等）。這些生物單體進(jìn)一步聚合作用變成生物聚合物。如蛋白質(zhì)、多糖、核酸等。這一段過程叫做化學(xué)演化。蛋白質(zhì)出現(xiàn)后，最簡(jiǎn)單的生命也隨著誕生了。這是發(fā)生在距今大約36億多年前的一件大事。從此，地球上就開始有生命了。生命與非生命物質(zhì)的最基本區(qū)別是：它能從環(huán)境中吸收自己生活過程中所需要的物質(zhì)，排放出自己生活過程中不需要的物質(zhì)。這種過程叫做新陳代謝，這是第一個(gè)區(qū)別。第二個(gè)區(qū)別是能繁殖后代。任何有生命的個(gè)體，不管他們的繁殖形式有如何的不同，他們都具有繁殖新個(gè)體的本領(lǐng)。第三個(gè)區(qū)別是有遺傳的能力。能把上一代生命個(gè)體的特性傳遞給下一代，使下一代的新個(gè)體能夠與上一代個(gè)體具有相同或者大致相同的特性。這個(gè)大致相同的現(xiàn)象最有意義，最值得我們注意。因?yàn)檫@說(shuō)明它多少有一點(diǎn)與上一代不一樣的特點(diǎn)，這種與上一代不一樣的特點(diǎn)叫變異。這種變異的特性如果能夠適應(yīng)環(huán)境而生存，它就會(huì)一代又一代地把這種變異的特性加強(qiáng)并成為新個(gè)體所固有的特征。生物體不斷地變異，不斷地遺傳，年長(zhǎng)月久，周而復(fù)始，具有新特征的新個(gè)體也就不斷地出現(xiàn)，使生物體不斷地由簡(jiǎn)單變復(fù)雜，構(gòu)成了生物體的系統(tǒng)演化。
地球上早期生命的形態(tài)與特性。地球上最早的生命形態(tài)很簡(jiǎn)單，一個(gè)細(xì)胞就是一個(gè)個(gè)體，它沒有細(xì)胞核，我們叫它為原核生物。它是靠細(xì)胞表面直接吸收周圍環(huán)境中的養(yǎng)料來(lái)維持生活的，這種生活方式我們叫做異養(yǎng)。當(dāng)時(shí)它們的生活環(huán)境是缺乏氧氣的，這種喜歡在缺乏氧氣的環(huán)境中生活的叫做厭氧。因此最早的原核生物是異養(yǎng)厭氧的。它的形態(tài)最初是圓球形，后來(lái)變成橢圓形、弧形、江米條狀的桿形進(jìn)而變成螺旋狀以及細(xì)長(zhǎng)的絲狀，等等。從形態(tài)變化的發(fā)展方向來(lái)看是增加身體與外界接觸的表面積和增大自身的體積?，F(xiàn)在生活在地球上的細(xì)菌和藍(lán)藻都是屬于原核生物。藍(lán)藻的發(fā)生與發(fā)展，加速了地球上氧氣含量的增加，從20多億年前開始，不僅水中氧氣含量已經(jīng)很多，而且大氣中氧氣的含量也已經(jīng)不少。細(xì)胞核的出現(xiàn)，是生物界演化過程中的重大事件。原核植物經(jīng)過15億多年的演變，原來(lái)均勻分散在它的細(xì)胞里面的核物質(zhì)相對(duì)地集中以后，外面包裹了一層膜，這層膜叫做核膜。細(xì)胞的核膜把膜內(nèi)的核物質(zhì)與膜外的細(xì)胞質(zhì)分開。細(xì)胞里面的細(xì)胞核就是這樣形成的。有細(xì)胞核的生物我們把它稱為真核生物。從此以后細(xì)胞在繁殖分裂時(shí)不再是簡(jiǎn)單的細(xì)胞質(zhì)一分為二，而且里面的細(xì)胞核也要一分為二。真核生物（那時(shí)還沒有動(dòng)物，可以說(shuō)實(shí)際上也只是真核植物）大約出現(xiàn)在20億年前。性別的出現(xiàn)是在生物界演化過程中的又一個(gè)重大的事件，因?yàn)樾詣e促進(jìn)了生物的優(yōu)生，加速生物向更復(fù)雜的方向發(fā)展。因此真核的單細(xì)胞植物出現(xiàn)以后沒有幾億年就出現(xiàn)了真核多細(xì)胞植物。真核多細(xì)胞的植物出現(xiàn)沒有多久就出現(xiàn)了植物體的分工，植物體中有一群細(xì)胞主要是起著固定植物體的功能，成了固著的器官，也就是現(xiàn)代藻類植物固著器的由來(lái)。從此以后開始出現(xiàn)器官分化，不同功能部分其內(nèi)部細(xì)胞的形態(tài)也開始分化。由此可見，細(xì)胞核和性別出現(xiàn)以后，大大地加速了生物本身形態(tài)和功能的發(fā)展。
生命的起源
關(guān)于生命起源的問題，很早就有各種不同的解釋。近幾十年來(lái)，人們根據(jù)現(xiàn)代自然科學(xué)的新成 就，對(duì)于生命起源的問題進(jìn)行了綜合研究，取得了很大的進(jìn)展。
根據(jù)科學(xué)的推算，地球從誕生到現(xiàn)在，大約有46億年的歷史。早期的地球是熾熱的，地球上的一切元素都呈氣體狀態(tài)，那時(shí)候是絕對(duì)不會(huì)有生命存在的。最初的生命是在地球溫度下降以后，在極其漫長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，由非生命物質(zhì)經(jīng)過極其復(fù)雜的化學(xué)過程，一步一步地演變而成的。目前，這種關(guān)于生命起源是通過化學(xué)進(jìn)化過程的說(shuō)法已經(jīng)為廣大學(xué)者所承認(rèn)，并認(rèn)為這個(gè)化學(xué)進(jìn)化過程可以分為下列四個(gè)階段。
從無(wú)機(jī)小分子物質(zhì)生成有機(jī)小分子物質(zhì) 根據(jù)推測(cè)，生命起源的化學(xué)進(jìn)化過程是在原始地球條件下開始進(jìn)行的。當(dāng)時(shí)，地球表面溫度已經(jīng)降低，但內(nèi)部溫度仍然很高，火山活動(dòng)極為頻繁，從火山內(nèi)部噴出的氣體，形成了原始大氣(下圖)。一般認(rèn)為，原始大氣的主要成分有甲烷（CH4）、氨 原始地球的想象圖
(左)原始大氣(右)有機(jī)物形成
（NH3）、水蒸氣（H2O）、氫（H2），此外還有硫化氫（H2S）和氰化氫（HCN）。這些氣體在大自然不斷產(chǎn)生的宇宙射線、紫外線、閃電等的作用下，就可能自然合成氨基酸、核苷酸、單糖等一系列比較簡(jiǎn)單的有機(jī)小分子物質(zhì)。后來(lái)，地球的溫度進(jìn)一步降低，這些有機(jī)小分子物質(zhì)又隨著雨水，流經(jīng)湖泊和河流，最后匯集在原始海洋中。
關(guān)于這方面的推測(cè)，已經(jīng)得到了科學(xué)實(shí)驗(yàn)的證實(shí)。1935年，美國(guó)學(xué)者米勒等人，設(shè)計(jì)了一套密閉裝置(下圖)。他們將裝置內(nèi)的空氣抽出，然后模擬原始地球上的大氣成分，通入甲烷、氨、氫、水 米勒實(shí)驗(yàn)的裝置
蒸氣等氣體，并模擬原始地球條件下的閃電，連續(xù)進(jìn)行火花放電。最后，在U型管內(nèi)檢驗(yàn)出有氨基酸生成。氨基酸是組成蛋白質(zhì)的基本單位，因此，探索氨基酸在地球上的產(chǎn)生是有重要意義的。
此外，還有一些學(xué)者模擬原始地球的大氣成分，在實(shí)驗(yàn)室里制成了另一些有機(jī)物，如嘌識(shí)、嘧啶、核糖，脫氧核糖，脂肪酸等。這些研究表明：在生命的起源中，從無(wú)機(jī)物合成有機(jī)物的化學(xué)過程，是完全可能的。
從有機(jī)小分子物質(zhì)形成的有機(jī)高分子物質(zhì) 蛋白質(zhì)、核酸等有機(jī)高分子物質(zhì)，是怎樣在原始地球條件下形成的呢？有些學(xué)者認(rèn)為，在原始海洋中，氨基酸、核苷酸等有機(jī)小分子物質(zhì)，經(jīng)過長(zhǎng)期積累，相互作用，在適當(dāng)條件下（如吸附在粘土上），通過縮合作用或聚合作用，就形成了原始的蛋白質(zhì)分子和核酸分子。
現(xiàn)在，已經(jīng)有人模擬原始地球的條件，制造出了類似蛋白質(zhì)和核酸的物質(zhì)。雖然這些物質(zhì)與現(xiàn)在的蛋白質(zhì)和核酸相比，還有一定差別 ，并且原始地球上的蛋白質(zhì)和核酸的形成過程是否如此，還不能肯定，但是，這已經(jīng)為人們研究生命的起源提供了一些線索；在原始地球條件下，產(chǎn)生這些有機(jī)高分子的物質(zhì)是可能的。
從有機(jī)高分子物質(zhì)組成多分子體系 根據(jù)推測(cè)，蛋白質(zhì)和核酸等有機(jī)高分子物質(zhì)，在海洋里越積越多，濃度不斷增加，由于種種原因（如水分的蒸發(fā)，粘土的吸附作用），這些有機(jī)高分子物質(zhì)經(jīng)過濃縮而分離出來(lái)，它們相互作用，凝聚成小滴。這些小滴漂浮在原始海洋中，外面包有最原始的界膜，與周圍的原始海洋環(huán)境分隔開，從而構(gòu)成一個(gè)獨(dú)立的體系，即多分子體系。這種多分子體系已經(jīng)能夠與外界環(huán)境進(jìn)行原始的物質(zhì)交換活動(dòng)了。
從多分子體系演變?yōu)樵忌?從多分子體系演變?yōu)樵忌?，過是生命起源過程中最復(fù)雜和最有決定意義的階段，它直接涉及到原始生命的發(fā)生。目前，人們還不能在實(shí)驗(yàn)室里驗(yàn)證這一過程。不過，我們可以推測(cè)，有些多分子體系經(jīng)過長(zhǎng)期不斷地演變，特別是由于蛋白質(zhì)和核酸這兩大主要成分的相互作用，終于形成具有原始新陳代謝作用和能夠進(jìn)行繁殖的原始生命。以后，由生命起源的化學(xué)進(jìn)化階段進(jìn)入到生命出現(xiàn)之后的生物進(jìn)化階段。
關(guān)于生命起源的化學(xué)進(jìn)化過程的研究，雖然進(jìn)行了大量的模擬實(shí)驗(yàn)，但是絕大多數(shù)實(shí)驗(yàn)只是集中在第一階段，有些階段還僅僅限于假說(shuō)和推測(cè)。因此，在對(duì)于生命起源，問題還必須繼續(xù)進(jìn)行研究和探討。
蛋白質(zhì)和核酸是生物體內(nèi)最重要的物質(zhì)。沒有蛋白質(zhì)和核酸，就沒有生命。1965年，我國(guó)科學(xué)工作者人工合成了結(jié)晶牛胰島素（一種含有51個(gè)氨基酸的蛋白質(zhì)）。1981年，我國(guó)科學(xué)工作者又用人工的方法合成了酵母丙氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)核糖核酸（核糖核酸的一種）。這些工作反映了我國(guó)在探索生命起源問題上的重大成就。