化學進化

化學進化

蘇聯生物化學家奧巴林（Alexander Ivanovich Oparin,1894年～1980年）於1936年出版了《地球上生命的起源》一書，提出了關於生命起源的化學進化理論。所謂化學進化就是指在原始地球條件下，由無機物以及簡單有機物逐漸演變為原始生命體的過程。根據物質由簡到繁的可能發展模式，可以將這個化學進化過程大致區分為下列四個階段。

（1）小分子生命構件

由無機小分子物質（如氫、氨等）生成有機小分子 物質（如氨基酸、含氮鹼基、核糖或脫氧核糖等）。這個方面已為越來越多的模擬原始地球條件的實驗所證明。

1952年，美國化學家米勒（Stanley Lloyd Miller，1930年－2007年）在一個大燒瓶中放入早期地球大氣中可能有的化學元素：水、氨、甲烷和氫，然後釋放電火花，幾天之後，在燒瓶底部聚集起一種橙色黏稠混合物，在甲烷中的碳有10-15%跑到有機化合物那裡去了，包括構成蛋白質的9種氨基酸，這樣通過向無機混合物的前生命湯放電，創造出了一些生命物質，雖然不是生命本身，但是，是一些能使生命成為可能的化合物。

（2）生物大分子

從有機小分子物質形成生物大分子物質。在原始還原性大氣中生成的生物小分子（如氨基酸等）被雨水沖淋，溶解於原始海洋中，這些生物小分子要進一步變為生物大分子（如氨基酸變為蛋白質），就必須脫水縮合；而在原始海洋中進行脫水縮合，就像要使泡在水中的葡萄變干那樣困難。科學家提出種種假說試圖解決這個難題，比較可信而又可用實驗證明的主要有兩種：

①以色列科學家卡特恰爾斯基（A. Katchalsky）認為，原始海洋中的氨基酸是在某些特殊的粘土（原始地球和如今地球都有這樣的粘土）上縮合成多肽的。他們在實驗室內先將氨基酸與腺苷酸起反應，生成“活化的”氨基酸即“氨基醯腺苷酸”，後者在某些片層狀粘土如蒙托土（montmorillonite）上，就能縮合成長短不一的多肽鏈。

②日本科學家赤崛四郎等提出一個能繞過“脫水縮合”這道難關的“聚甘氨酸理論”來說明多肽鏈的形成。他們認為，在原始大氣中產生的甲醛與氨和氰發生反應，能生成一種名叫“氨基乙醯氰”的有機物，這種物質能夠聚合，然後水解，生成聚甘氨酸（即多個甘氨酸聚合在一起所形成的多肽鏈），最後經過側基（R）的變化而得到由各種氨基酸殘基組成的蛋白質。

（3）多分子體系

從有機高分子物質組成多分子體系。可以想象，蛋白質和核酸等有機高分子物質，在原始海洋中越積越多，在一定條件下（如高溫和適當的pH等），它們相互作用，能形成多分子體系，有界膜與周圍環境隔開，呈大、小不等的球狀，在原始海洋中漂浮。這種設想亦已得到了初步的實驗證明。

（4）原始生命

從多分子體系演變為原始生命。這是生命起源最關鍵的一步，還未能在實驗室里驗證這一過程。從理論上講，這一步的實質就是以蛋白質和核酸為主要成分的多分子體系，如何“由死變活”的問題，即新陳代謝和自我增殖能力是如何發生的？從生物學的角度看，這裡有兩個重要問題要解決：一是生物膜的產生，二是遺傳機構的起源。

1871年，英國博物學家達爾文在寫給英國植物學家胡克（Joseph Dalton Hooker）的一封信中談到了生命起源的問題，他寫道，“人們常說初次產生生物的一切條件現在都具備，過去也會是如此。然而如果（好傢夥！這是多麼偉大的如果！）我們能夠想出某一個溫和的小池塘，並有氨、磷酸鹽、光、熱、電等所有的東西，並想像形成了某種蛋白質似的化合物，準備經歷更複雜的變化；在現在情況下這樣的物質將會立刻被吞食或吸收，這種情形在生物形成之前是不會發生的”（邁爾1990）。

達爾文關於生命可能起源自溫暖小水池的觀點現在都還受到一些學者的追捧。雖然20世紀的實驗科學已經證實，在合適的光、熱或電的條件下，由無機物（氨等）確實可以形成有機分子（氨基酸、肽類），但這實際上離揭示真正的生命起源還相差甚遠。

美國化學家夏皮羅（Robert H. Shapiro，1935年－2004年）在1986年的著述中注意到達爾文上面這段似乎不經意的說法，“竟然與今天的知識相當符合，如果不是因為他有遠見，就是說明多年來生命來源的研究沒有什麼進步”（詹腓力1999）。

但是，到底細胞是如何起源的呢？這是生命起源面臨的最大難題。第一個細胞的起源也就宣告了地球上生命的起源，因此，從這種意義上來說，細胞的起源就等同於生命的起源。

最近，有學者提出了細胞的光養起源假設（謝平2014）。在一定意義上來說，生命的起源始於有機物質的個性化體系的建立，或者說，沒有個性便不會有真正生命的誕生。試問，如果有機分子只是飄忽無定地在“湯”中蕩漾，怎會出現現在的生命？哪種生命不以個體形式而存在呢？因此，能導致獨立生命系統形成的簡單的質膜結構的出現（不論通過何種機制或過程）必定是細胞進化的最關鍵的一步。不僅需要前細胞體整體的獨立性，一些重要生命過程（特別是光合作用）也需要細胞內的獨立性，即需要內膜系統，看看藍細菌的專門的光合機構—類囊體就是如此。

在具備簡單膜結構的前細胞體中，光合作用指向的選擇過程促進主要生命物質的功能分化—脂質構建細胞膜、蛋白質主要扮演催化者、DNA儲存遺傳信息、RNA構成DNA與蛋白質之間的橋樑、糖類暫時性儲存光合作用轉化而來的化學能……。這不完全只是隨機過程（雖然在很大程度上是），它更是具有目的性指向（最有效的太陽光能利用）的化學性與生命性的巧妙融合，它為生化反應的秩序化與生命過程的程序化鋪墊了基石。

在這裡，借用艾根所描繪的反應循環→催化循環→超循環的發展模式。生命通過具有限時性的所謂“永恆”的反應循環，基於一系列複雜而精緻的正負反饋關係，連接成一種時限性的生命平衡系統，以便能最有效地將太陽光能轉化成化學能。看看藍細菌的光化學反應中心發生的若干循環反應（水的裂解、電子的循環傳遞等）、碳的固定（卡爾文循環）和呼吸（三羧酸循環）……以及這些循環之間的連接與正負反饋調控等，這就是生化反應的秩序化過程。

生命的另一個本質特徵就是將遺傳物質指揮生命構建過程程序化，即將生命構建過程信息化地儲存於DNA之中，這是個性化的生命獲得自我繁殖特性必須邁出的重要一步。最後是細胞分裂機制的逐漸形成，這得益於細胞膜的半通透性（小分子養分的進入與大分子碳水化合物的堆積），以及二者之間的矛盾及其必然的結果—細胞破裂過程的無數次重複。精確而周期化的細胞分裂才能使穩定的遺傳成為了可能，這時像我們在現存生物中能所見到的細胞才成功地誕生了，細胞運行機制才得以程序化了。