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生命起源的主要觀點和依據

生命起源長期以來有兩種不同的認知路線:唯心主義和唯物主義。唯心主義包括兩種不同的解釋:生命是上帝(如上帝)創造的,生命是超越物質存在的精神力量的表現。按照這種觀點,生命的起源是壹個既不需要提出也不需要研究的問題。唯物主義的基本觀點是,生命不是物質世界本來就存在並將永遠存在的現象。生命有壹個產生和發展的過程,有其自身的規律,可以被人們所認識。這壹部分是從唯物主義的觀點來探討生命的起源,包括以下幾個部分。

神創論”——生命是上帝創造的,聖經詳細描述了上帝創造各種生物,最後創造人的故事。

自發論)——古代中國、埃及、希臘都曾說“爛草變螢火蟲”、“腐肉生蛆”、“泥生鼠”。據信,生物體自然地出現在非生物環境中。

“宇宙學說”——地球上的生命來自太空中的其他星球。然而,我們仍然會遇到生命如何起源於外星空間的問題。

可以說,自人類有史以來,對生命起源的認識在唯物主義和唯心主義的爭論中走過了漫長而艱辛的道路,並延續至今。嚴格來說,由於當時知識的限制,無法真正探討古代的生命起源。所以,這方面的壹切討論,都只能局限於理念和哲學的範疇。簡而言之,古代持有或多或少樸素唯物主義觀點的人,曾經提出過壹個觀點,被後人稱為“自生論”。他們認為生命是由無生命的物質自然產生的。比如中國古代,人們相信“腐草滋生螢火蟲”;埃及人認為青蛙和鰻魚是尼羅河的淤泥被陽光照射後產生的。亞裏士多德(公元前384-322年)說,絳蟲來源於腐肉和排泄物,而螃蟹、魚、青蛙和蠑螈來源於粘液。直到17世紀,荷蘭人j·範·赫耳蒙特還通過“實驗”證明,把谷物和破舊的襯衫裝進瓶子裏,站在黑暗中,老鼠會在21天後出生。與“自生論”相對應的是,唯心主義者認為壹切生物都是上帝創造的,或者是超智慧的人設計的。這種觀點在西方漫長的中世紀占據統治地位,其典型觀點表現在基督教的教義中。《舊約·創世紀》講述了上帝在六天內創造了包括土地、海洋、男人、女人、動物和植物在內的世界萬物的故事。

16世紀以來,從解剖學開始,逐漸建立了系統的生命科學體系。有科學家試圖通過實驗證明生物可以由無生命物質“自生”,但所有結果都是否定的。最著名的是9世紀路易·巴斯德(1822-1895)做的“鵝頸瓶實驗”(1864)。他把肉湯放進壹個用細長的彎管連接並與外界相通的瓶子裏,煮沸,使裏面的微生物全部被殺死,然後冷卻靜置。結果,瓶子裏再也沒有微生物了。相比之下,如果加熱後將彎管與瓶子的連接中斷,細菌會在瓶子裏迅速繁殖。這個實驗的解釋是,瓶內的微生物只能由外界空氣帶入,彎管的“沈澱”作用阻止了細胞孢子的進入,從而避免了微生物的汙染。由此,人們得到了壹個概念,生命只能來源於生活。那麽地球上最早的生命來自哪裏呢?直到20世紀,關於這個問題的討論才逐漸進入實質性階段。

1.奧柏林假說

1924年,蘇聯生物學家A.I .奧帕林出版了《生命的起源》壹書。他通過明膠(蛋白質)和阿拉伯膠(糖類)的混合實驗,提出了生命起源於原始蛋白質聚集形成的團塊的假說。他和後來的英國遺傳學家霍爾丹(T.B.S.Haldane,1929)進壹步提出,地球早期生命起源於地表的初始條件並不“溫和”,但這壹思想啟發人們思考,蛋白質和其他構成生命的基本物質是否有可能首先通過無生命的形式產生,然後進入生命系統的構建。

2.米勒實驗與隕石的發現

1953年,美國生物學家S·米勒(S.Miller)利用充滿甲烷、氨氣、氮氣和水的密閉裝置加熱放電,模擬原始地球的環境條件。經過壹周的循環處理,發現產生了許多氨基酸(如甘氨酸、丙氨酸、天冬氨酸)、有機酸(如乙酸、乳酸)和尿素。後來用同樣的方法獲得了嘌呤、嘧啶、核糖核苷酸、脫氧核苷酸、脂肪酸等許多重要的生物大分子。然後在1959年9月,在壹塊從澳大利亞墜落的碳質隕石中發現了多種氨基酸和有機酸。因為這些氨基酸的構象是以D型和L型的混合形式存在的,說明它們不會被地球表面汙染(地球上氨基酸的外消旋構型都是L型)。這些發現震驚了當時的整個生物和科學界,人們開始認識到在沒有生命的自然條件下也能產生原始生命體,並推斷在此基礎上也能產生原始生命。

3.物理進化、化學進化和生物進化

20世紀,隨著自然科學的進步,人們逐漸把生命的出現和現象放在宇宙發展的大背景下。現在流行的觀點是,我們觀測到的宇宙誕生於6543.8+05億年前的大爆炸。後來從微觀到宏觀,整個宇宙經歷了物理演化和化學演化的階段,即物質的形態實現了高能物理(如層、基本粒子、原子核、原子)的逐漸演化,從各種元素(如氫、氧、碳)、星際小分子(如水、氫、甲烷)、生物小分子(如氨基酸、嘧啶、嘌呤)到。在宇宙膨脹的過程中,生物小分子和大分子的種類在壹定條件下可能會急劇增加,因為這個過程直接關系到系統所攜帶的可操作信息量。在此基礎上,宇宙的發展進入了生命進化階段。雖然各種物質特別是生物大分子在化學進化中的方式方法還有待進壹步研究。然而,構成生命的基本物質成分能夠獨立於生命系統的前提存在而出現,生命是這些物質進化的延續,這無疑是人類理解生命起源的壹個重要進步。

1.生命的蛋白質起源理論和核酸起源理論。

(1)蛋白質起源理論

20世紀60年代,美國的S.W.Fox基本繼承了歐巴林的路線,強調蛋白質在生命起源中的關鍵作用。他們將幹燥的氨基酸粉末混合加熱,在水中形成“類似蛋白質的微球”,並將其視為原始細胞的模型。這個假設被稱為微球理論。這種在實驗室中模擬的“原生細胞”具有膜的邊界,可以與外界交換物質,增大體積(生長),萌發分裂(繁殖),反映生命的壹些特征。20世紀90年代,中國生物學家趙發現氨基酸磷酸化後變得異常活躍,可以自我聚合成肽、酯等生化反應。這壹發現無疑有利於蛋白質的生命起源理論。

(2)核酸起源理論

早在20世紀20年代,遺傳學家H.S.Muller就提出了“裸基因理論”,認為生命應該從基因開始。到了20世紀80年代,美國研究人員T.Cech發現,從四膜蟲的前體rRNA分子上切下的內含子具有酶的活性,可以將單體核苷酸聚合成多核苷酸,並將多核苷酸切割成不同長度的片段,同時保持自身不變。RNA酶活性的發現和RNA作為DNA合成模板的優越性,使人們想到了RNA起源生命的可能性。這壹假說認為,RNA酶活性的存在啟動了以核酸為主體的原始生命系統的早期出現,RNA通過逆轉錄建立了DNA系統。後來蛋白質的介入加速了這個系統的發展,導致了生命DNA-RAN-蛋白質系統的誕生。

2.系統論的興起與生命秩序起源的新思考。

20世紀40年代,奧地利生物學家l . v . Bertalanffy(1901-1971)提出生命是壹個有序的系統,具有整體性、動態性和開放性,從而開啟了系統論的新時代。在過去的幾十年中,系統理論發展迅速,包括比利時物理學家I·普裏戈金(1917-)發現耗散系統的有序自組織現象,法國數學家R·托姆(1923-)基於突變理論的生命形式的動力學分析的發表,德國學者H·哈肯(R·托姆)的發表,1927-)、德國物理化學家M·艾根超循環理論的建立(1929-)、美國氣象學家E·洛倫茨在混沌中發現秩序(1963)、法國數學家蒙德勒布羅(1963)。

在系統思想和理論的指導下,1984年,發現了矽酸鹽介導的DNA合成現象的奧地利學者舒斯特提出了化學進化到生物進化的逐步過渡模型,試圖將生物小分子到最終細胞的動態過程分解為六個序列過渡。

長期以來,人們壹直持有單支進化的觀念,即最原始的細胞必須出現在非常溫和優越的環境中。細胞的誕生設定為以下程序:先出現原核異養細胞,再通過細胞能量利用和細胞融合(共生)的進程,出現自養細胞和真核細胞。現在看來,這個觀點應該修正了。

1.對細胞出生環境的新認識

近年來,對地球早期生命的探索成果大大超出了人們的預期。在澳大利亞和南非發現的化石表明,細胞至少出現在35億年前。那麽,細胞生命的發生和演化只能推回到與地殼形成幾乎同步的更早的歷史時代(38-40億年前)。這說明地球上生命誕生的條件絕不會像奧巴林和霍爾丹想象的那樣溫和,也不會是“暖池”環境。近年來,地球上極端環境生命的研究成果也大大超出了人們的預期。壹些極端環境生物的發現有力地表明,早期細胞誕生於惡劣條件下並非不可想象,但從化石時代和當時的地質條件分析,最早細胞誕生於“暖池”的假設並不現實。

2.早期細胞多態性的可能性。

最近的研究不僅突破了對細胞誕生條件的傳統認識,也超出了許多生物學家的預期。光合作用和光合自養生物的地質記錄(疊層石的存在和碳硫同位素的分析)可以追溯到35億年前,甚至更早。分子進化的比較研究也得出了類似的結論:許多非光合自養生物實際上可能起源於光合自養生物(Fox,1980)。地質學、古生物學和分子生物學的證據表明,光合自養、化能自養和異養生物幾乎同時起源於太古代早期(張赟,1998)。這可能會徹底改變光合作用自養生物應該比化能自養生物和異養生物出現得晚得多的思維模式,而這種思維模式僅僅來源於復雜性比較,並對生物單分支等級進化的傳統觀念提出挑戰。

除了地球上的生命,探索外星天體或曾經存在的生命,在今天已經不是科幻小說的事情了。在1996中,報道了壹顆來自火星的隕石保存了壹個可能是細胞的化石(Mckay等人)。同年65438年2月4日,美國發射了“火星探路者”,火星探測器的研究工作仍在繼續。今天,如果有人猜測生命曾經在火星上發生過,它們因為某種原因被打斷,或者生命在今天的火星上的某些環境中仍然存在,這樣的假設不應該被視為天方夜譚。目前,已經有很多人自願加入尋找宇宙智能信息的行列。與此同時,人們也在思考這樣壹種可能性,原始生命物質甚至原始生命形式是在其他宇宙環境中產生的,它們被地球捕獲,然後發展成為今天地球上的生命,也就是地球生命的地外來源。人們關註宇宙塵埃和彗星物質或闖入地球的天體成分的分析。例如,在1908年的俄羅斯西伯利亞通古斯地區,研究人員發現有氨水等物質遺留下來。與此同時,人們也在想盡辦法,包括發射系統飛行器的方法,來傳播地球上存在生命的信息。