生命的奇迹和造物主的伟大智慧
第一章 渺无影踪的生命起源
作者：孟荪
生命起源的问题现在看来确实几乎是神迹
——DNA双螺旋结构发现者克里克
生命现象或许是我们周围最普遍最普通的现象了，今天地球上从海洋深处到同温层高空，从高山峡谷到低洼池塘，每个旮旮旯旯都遍布各种各样的生命，而且还时时刻刻不断诞生无数新的生命。看起来非常简单，没什么神秘的。不过，每一个生命都必定来源于其前一代，或者是异性受精，或者是自我分裂，不可能自己从石头缝里蹦出来。那么，寻根溯源，第一代生命又从何而来呢？
1859年，达尔文出版了《物种起源》，顿时石破天惊。书中假想，第一代生命是在一个温暖的池塘里发端的：大气中各种有机小分子被大雨冲到地面，溪流把它们汇聚到一个池塘里，经过太阳烘烤，池塘的水被浓缩，这些有机小分子越来越浓稠。终于有一天，“风咋起，吹皱一池春水”，小分子们聚合起来了，生命诞生了！这池塘就成了诞生最初生命的风水宝地。
图1.1 达尔文
然而，直到今天一百六十多年过去了，那么多实力雄厚甚至不乏诺贝尔奖获者领军的高科技实验室却都没有一家能合成出哪怕是最简单的生命体，那又是怎么回事呢？
池塘里能自己捣鼓出来的玩意儿，居然现代高科技会束手无策，也太匪夷所思了吧！
事实上，在达尔文那个时代，显微镜还只能看到单个细胞的模模糊糊的轮廓。很容易以为单细胞生命不过是很简单的微小颗粒，自然诞生不会有什么问题的。然而，今天的高科技已经揭示了细胞内部有非常复杂的结构，绝非那么容易制造出来的，更不可能这么简单自己冒出头来。
在这一章，我们先原则分析生命现象中一项项难以企及的复杂性，以后再在后面各章中对一些典型对象加以讨论。列举内容资料均源自正规出版书刊，其中很多是权威著作。都在参考文献栏目中列出了详细出处：
生命有许多不同于非生命的明显特征，例如：发育、自主运动、新陈代谢以及对刺激反应等等。尤为突出的是，能高保真自我复制——繁殖。生命体是由无数非常微小的基本生命小分子，经过一级级复杂有序过程由小到大逐级构建起来的：
有机小分子——生命小分子——生命大分子——超大生命分子——细胞器——细胞——组织器官——复杂大生命体
其中细菌等生物是单细胞的，而动植物等高等生物是由许多不同种类的细胞再进一步构建的。
所以，所有生命体大厦都是由生命小分子“砖块”建立起来的。这些生命小分子主要有：氨基酸、糖类、核苷酸、脂肪酸和甘油等等。
所以，要谈生命起源就必须先从生命小分子的起源说起。
1.1 地球上生命小分子起源的探索
从天文学得知，地球及其他行星是太阳系内的尘埃在引力作用下凝聚产生的。地球于大约45亿年前诞生，先经历了一个高温阶段，那时候即使最简单的有机分子都难以存在，更别提生命了。以后地球渐渐冷却，大约35亿年前诞生了原始生命。今天所有生物都共同使用DNA、RNA和蛋白质这一套系统，作为他们老祖宗的原始生命理所当然也是使用这一套系统。以后才繁衍出今天各种各样的生物。
构成DNA、RNA和蛋白质的基本原料是：核糖、碱基、氨基酸和磷酸，除了磷酸是无机物外，其余都是个儿很小的有机化合物。所以，说生命起源，首先要从这些基本有机小分子的起源说起。但是，就是这些小不点儿也远不是好对付的。
化学家们把化合物分成两大类，一大类为无机化合物，另一大类为有机化合物。原因是那些无机化合物，如：酸、碱和盐很容易通过简单反应得到，而那些有机化合物，结构往往复杂得多。很长一段时间内，化学家们无论在自然界还是在实验室，从未观察到从无机物产生有机化合物的蛛丝马迹。因此，长期认为有机物只能从在生命体内产生。直到1828年德国化学家武勒的一次实验中，从无机物中反应产生了尿素。尿素是一种典型的有机物。化学家们这才认识到，有机物是可以从无机物反应得到的，不过一系列的实验也表明，要从无机化合物合成出有机化合物，必须在严格的实验条件下进行，而要从无生命的情况下自然诞生有机化合物，尤其是那些生命小分子，那几乎是异想天开。
可是，到了1953年，在美国进修博士研究生的米勒认为，宇宙科学研究表明，地球是太阳系尘埃凝聚而成的，其初期的大气成分应该与宇宙中弥漫的气体成分相同。于是，他就造了一套仪器，按照当时推测的气体成分，将氢、甲烷、氨和水蒸气充进去，然后对装置内放电火花（图1.2）。经过一周连续不断释放电火花之后，装置里出现了一些焦煳。进一步分析竟然发现焦煳中有有机化合物，更让米勒兴奋的是，里面还有11种氨基酸，其中的4种氨基酸是生物体内蛋白质所具有的。
图1.2 米勒的实验装置
小分子的氨基酸是这样形成蛋白质的：氨基酸分子一端的一个碳原子上，一边连接一个氨基，另一边连接一个羧基。氨基是碱性的，羧基是酸性的，两个氨基酸相遇，这个氨基酸的氨基和另一个氨基酸的羧基反应，一起丢掉一份水，两个氨基酸就相互连接到一起，化学家们把这种连接称为肽键（图1.3）。氨基酸就可以以这样的方式一个连一个，最终就能构成大分子的蛋白质。
图1.3 肽键的形成
这一下可让许多专家喜出望外，用如此简单的装置居然能将无机物不仅制造出有机化合物，还能制造出蛋白质的原料！当时，人们对DNA还不甚了解，只知道蛋白质是构成生命体的唯一材料，这一成果顿时轰动一时。
可是，后来却遭到越来越多的质疑。
首先是这台仪器安装了一套冷凝装置，一旦有氨基酸形成立刻就冷凝分离出来。可是地球原始大气中哪有这样的冷凝装置？闪电生成的氨基酸很快就会被下次闪电毁掉。1
更要命的是，这套仪器中的气体成分遭到严重质疑。今天，科学界普遍认为，当时大气主要成分是二氧化碳、氮和水蒸气，而不是甲烷、氨和氢。而按照如此成分的气体去进行类似的放电实验，再无有机分子冒出来。2
关于初期大气层成分有一项重要争议是围绕氧的。许多人认为，当初地球上火山喷发抛出大量水蒸气，水蒸气在紫外线作用下，会分解成氧和氢。氢很轻，会脱离大气层跑到宇宙中去，而氧则留了下来。所以，当时的大气层中应该有氧。地球化学的资料也表明当时的大气环境并非完全缺氧1。
然而，如果有氧的话，这些试验就无法成功。甚至，米勒的整套仪器会都立刻被炸毁。有人认为，大气中的氧会与地上的金属化合而被吸收掉。然而，地面上的金属要让空中的氧从天而降，被吸收得干干净净，恐怕也很难说得过去。另外还有这个问题，如果大气层中没有氧的话，就不会形成臭氧层。没有臭氧层的保护，紫外线会长驱直入，有机分子经过紫外线的破坏还能有多少劫后余生？
之后的探索还是继续进行。
1960年，美国化学家奥罗用氰化氢和浓氨液很简单就合成了一种碱基。1963年，又有人将甲醛用紫外线照射，居然得到了核糖。其余的碱基和脱氧核糖也被用各种简单处置的方法获得。
在许多人的努力下，生命所需的所有的基本有机小分子：氨基酸、核糖和碱基都能够在简单的条件下合成了。可是，产生这些小分子使用的原始气体互不相同，这情景就如天南地北相距十万八千里的演员，虽然五不相干，居然能同唱一台舞台剧。更主要的是合成必须符合当初地球环境。而除了米勒曾经做过企图，后来遭到强烈质疑外，其他人的合成条件与天文学和地质学推断的地球环境毫不相干。也就是说，连演出的演员们的场地都子虚乌有。
因此，这些实验得不出地球在前生命条件下能产生生命小分子的任何结果。
1.2 较大生命分子的合成
要形成生命的下一步是让生命小分子合成更大的分子。然而，难度就更大了。
1.2.1收率难题
退一万步讲，即使哪天能按照地球前生命条件合成出少量的生命小分子，不容忽视的是这些分子的收率和杂质的问题。这也是有机化学家们最感头疼的问题。许多化学反应都会有副反应，尽管选用了高效催化剂，副反应产生杂质往往还是不可避免。化学家若遇到杂质，都会使出浑身解数来进行清除，将产物提纯，否则往下就寸步难行。
首先看看收率。在前生命条件下，每一步反应的收率能达到1%就很不错了。接连三步的反应总收率就只有百万分之一了。往下就根本没戏了2。
再看杂质问题。米勒的试验副产了很多生物体内没有的有机化合物，其中11种氨基酸中只有4种是生命体内所有的。奥罗用氰化氢和浓氨液合成碱基的最高收率只有0.5%。甲醛合成核糖的收率还不到0.1%，相反倒有40多种不同的糖类混在其中2。化学反应速度是与浓度成正比的。如此低的浓度要让它们相互碰头，再天长地久都不够。这些氨基酸、核糖和碱基还淹没在99.5%以上不相干的“垃圾”里，它们身上都有不止一处的活性基团，很容易与那些“垃圾”反应，变得面目全非，还能指望什么吗？
1.2.2 手性难题
除了杂物之外，许多化合物有彼此对称的两种结构，就像我们相互对称的左右手那样，所以，也被称为手性化合物。左右对称的两种化合物的所有物理、化学性质完全相同，因此，在一般的化学反应中，它们都会以同样的比例诞生，而且单凭物理或化学手段将它们分离开来
比登天都难（例如，即使建造成千上万座石油化工厂里的那些高塔，都不可能将任何一对相互左右对称的化合物分离开来）。氨基酸是具有立体结构的，20种氨基酸中有19种有左右对称的不同两种（图1.4）。虽然它们几乎所有的物理和化学性质完全相同，但是，左右对称的两种氨基酸在生物学功能方面却大相径庭，除了极个别例外，构成蛋白质的氨基酸全都是“左”型的，一旦有“右”的混进来，就立马整个儿报废。在自然环境条件下，相互左右对称的两种氨基酸将以同等机会诞生。
图1.4 氨基酸的手性特征
米勒实验中产生的氨基酸左右两种比例也确实是相同的。1999年9于月28日降落在澳大利亚默奇森的陨石上发现有15种氨基酸，也都是左右两类比例相同的。将这种混合物进行聚合操作，对于左式的氨基酸，第一步实现左－左联合的机会只有一半，另外一半是左－右联合，只能淘汰出局，往下的第二步又要再打一次对折，就这样对折、再对折……没几步下来，就两眼一抹黑了。
1.2.3 连接顺序难题
问题还不止于此，还有一个连接顺序的问题。A、B两个左式蛋白质遇到一起，需要的如果是AB，联成了BA就只能报废，所以，任意的两厢反应的结果也只有一半符合要求的机会。所以，两个氨基酸相互反应产生想要的肽键的可能性只有1/2。也就是说，只产出一个有“出息”的产儿，另外一个是没“出息”的。这个“有出息”的产物继续与第三个氨基酸反应产生肽键的几率也是只有1/2，两次反应生成“有出息”产儿的总几率就是1/2×1/2=1/4……即使洪荒之际第一个蛋白质只要10个氨基酸，在那种状况下合成目标蛋白质的肽链的可能性就低到只有百万分之一左右了。另外，事实上20种氨基酸中有不少侧链上还有其它活性基团，也会参与反应，所以，这个几率还要大打折扣。
其实这还仅仅是一厢情愿的估算。事实上，还有一个此消彼长的问题。左式氨基酸随着反应的进行，不断被消耗。而那些“没出息”的废品愈积愈多，它们身上也有氨基或羧基，会过来“杀回马枪”，与半成品反应，产物是百分百的废品。成功的几率不断降低，不成功的几率不断提高。到后来，仅剩的少数几个左式氨基酸会淹没在没出息产物的汪洋大海中，再也无法有所作为。
1.2.4 水魔咒
地球表面环境有大气层、陆地和水三种。如米勒的实验那样，参与反应的分子可能在大气层中诞生，但是，它们如果始终在空中飘荡的话，彼此很难聚头，即使偶然碰上了，一阵风就会被吹得各奔东西，所以，没有哪位科学家会认为大气是聚合的理想场合。其次是陆地，但是，那些有机分子粘在陆地的岩石上就难以动弹，如何聚头？
因此，绝大多数人都认为聚合应该是在水中进行的， 而水确实有许多非其莫属的特殊性质，任何生命现象不可能在无水的环境中出现。今天的生命体里的活动也确实是一分钟都离不开水的。因此，大家普遍认为，生命离不开水。达尔文当年出版的那部影响巨大的《物种起源》中就假想，生命是在一个温暖的池塘里发端的。
初一想，氨基酸一边是碱性的氨基，另一边是酸性的羧基。在水里酸碱中和，足以立马连在一起了。可是，情况远不是如此简单，这就是化学平衡的难题。按照化学平衡原理，在一定条件下，反应产物的浓度的乘积除以反应物的浓度的乘积应等于常数，例如，A和B反应得到C和D，化学平衡的关系式就是：
（[C浓度]×[D浓度]）/ （[A浓度]×[B浓度]）=常数
在同样条件下，如果一种产物的浓度高，另一个产物的浓度就必然要降低。犹如跷跷板，这头高那头就低，反之亦然。如果反应在水中进行，而产物D是水，那么，作为水的D的浓度很高，将逼迫另一个产物C的浓度非降低不可。所以，如果你想要通过有机化学反应得到某种产品，而反应会产生水的话，那就请安排在远离水的环境中进行，而且，还得不断把反应产生的水移走。否则，你想要的产物的浓度就会大打折扣。所以，化学家们都不会将会产生水的有机化学反应安排在水中进行。就好比没哪个人会想在桑拿浴室蒸汽房里烘干自己衬衣的。
麻烦的是，氨基酸和氨基酸反应连接成肽键时会释放出一份水。不仅氨基酸如此，核糖与碱基、核糖核苷与磷酸要彼此结合的话也都要放出一份水。这样一来，如果在水里反应的话，都会一头撞上化学平衡这个拦路虎。所以，都无法在水中自发进行（图1.5）。
图1.5 会释放水分子的反应无法在水中自发进行
生命一刻都离不开水，而水又是一道魔咒，阻拦生命化学反应自发进行。可真是难啊！
为了逃避水对化学平衡的影响，1958年，美国生物化学家福克斯将干燥的氨基酸加热到170℃，水跑掉了，多达50多个氨基酸们也相互连接了。但是，不是蛋白质而是一团糊糊。福克斯沿着这条路线耗了毕生精力，得到的始终还是“糊糊”2。
1.2.5 RNA路线
蛋白质还有一个致命伤，它们不会自我复制，光靠它们自己只能断子绝孙，再没戏去繁衍生息。于是，一些人把眼光转向了RNA，因为，一类被称为核酶的RNA是能有自我复制的能力的。那么，是不是原始起源从RNA开始的呢？
然而，RNA的情况比蛋白质更难对付。尽管化学家们能在无机条件下合成出RNA所有构成元件分子，但收率很低，而且是与地球环境相差甚远的条件下进行的，又都是在相互不同的条件下进行的。
氨基酸能相互直接挂上钩。而RNA每个核糖都必须挂上碱基，另外彼此依靠磷酸相互连接，情况要复杂多了去了。核糖是五碳糖，生命体中的核糖是六碳的葡萄糖经历了一系列复杂过程才形成的。
而对于RNA的碱基，苏格兰化学家格雷厄姆▪凯恩斯▪史密斯做过这样的估计，要在原始浓汤中合成出RNA的碱基，必须经过140步反应，每一步有6种不同的副反应，所以，要得到一个正确的碱基分子，会产生6140=10109个别的分子，比宇宙中所有粒子的总数1080还多得多。不妨想象一下，连续掷骰子140次每次都六点朝上的机会有渺茫3。这仅仅是一个碱基，而RNA内有四个不同的碱基。
即使有了碱基和核糖，在原始条件下进一步将它们缩合到一起，依然找不到门。
类似于氨基酸的一些其他问题，核酶也同样存在。它们的结构也有左右之分，而生物体内的核糖和脱氧核糖一律都必须是右式的。
尽管有许多世界上最优秀的化学家做了很多努力，但是，还没有发现哪套理论可以解释前生命情况下RNA的合成。更没有哪位愿意去进行试验尝试。所以，即便是RNA说法最勇敢的捍卫者也感到垂头丧气4。
所以，迄今为止没有能在推测的地球前生命环境中，有比较公认的理论，更没有合成出较大生命分子的任何实验成果。
1.3 自然诞生生命的超低几率
天文学家弗雷德·霍伊尔和维克拉纳辛格估算过随机组合形成一个有200个氨基酸的细菌酶的几率只有10-20。即使两个氨基酸每分钟能相互反应1次，一年共60×24×365=525600分钟，一年可反应5.256×105次，宇宙年龄为135亿年=1.35×1010，所以整个宇宙时间内可反应5.256×1015次，只达到正确几率的千分之几的可能。而事实上，地球初期氨基酸的浓度那么低，以至于两个氨基酸可能要好几百万年才能相遇。更何况，一个细菌至少要有2000多种酶，随机得到全部这些酶的几率就只有10-20×2000=10-40000，而宇宙中全部粒子总数才2.2×1079个（图1.6）5。
所以，霍伊尔对自然发生生命的可能性比方为，一阵龙卷风刮过后，将一堆废铜烂铁组装成一架波音747飞机。
图1.6耗尽宇宙年龄都不足以自然生成一个细菌的一种酶
事实上，细菌体内的蛋白质远不止只有那些酶，并且除了蛋白质还有DNA、RNA等等，所以这10的指数-40000的中0的个数恐怕还得翻上不知多少倍。
所以，迄今为止，地球自然诞生生命的所有科学探索，无论是理论计算还是实验观察全都交了白卷。
难怪斯图亚特·考夫曼会说，如果哪个人说自己知道地球上生命的起源，那他不是傻瓜就是无赖。5
1965年诺贝尔医学和生理学奖得主法国著名生物学家莫诺说：“生命在地球上出现。这个事件发生的几率有多大？……这么一个推理的可能性实际是零。”6
另一位诺贝尔奖获得者DNA双螺旋结构发现者克里克说：“不得不承认，从某种程度来说，生命起源的问题现在看来确实几乎是神迹，如此多的条件必须都要满足才能使生命发生。”7
我国的许多学者也持有同样的态度。例如，北京生命科学研究所资深研究员，所长王晓东前不久说到，地球上的生命几率确实是低得不可想象8。
面对地球上原始生命起源如此多的几乎是难以克服的难题，即使是最铁杆的进化论者都会感叹：“关于生命在地球上的起源，也许我们永远不能找到我们所期望的‘证实’”9
对这个问题，我们还将在第十五章讨论。
1.4.生命的有序性本质
生命自然诞生的几率那么低，生命与非生命之间必定存在着某种本质区别。1944年，量子力学创始人之一的薛定谔（图1.7）出版了《生命是什么》指出：“在有机体的生命周期里展开的事件，显示出一种美妙的规律性和有序性，我们碰到过的任何一种无生命物质都是无法与之相比的。”10
这本书道出了生命与无生命物质世界的最根本区别，影响深远。
图1.7 奥地利科学家薛定谔
物理学中的热力学第二定律指出，任何孤立系统总是自发走向混乱，并且将一直走到乱得不能再乱的地步。混乱的反面就是有序。那么，生命如何能做到在趋乱的洪流中逆流而上，达到有序的目标的呢？其实，这并不违反热力学第二定律。因为，热力学第二定律指的是孤立系统，而所有的生命都是开放系统。任何一个生命如果将它孤立起来，例如，将它严严实实包裹起来，那不一会就一命呼呜，接着就逐渐解体。
自然界的非生命开放系统走向有序也不乏其例。例如，水温度降低后会结成冰晶体和雪花（图1.8），池子里的水流向下水口时会旋涡流动（图1.9）。这些情况都是向外输出能量时才发生的。而生命恰恰相反，是在能量输入的同时，将自己整得有序。那又是怎么回事呢？这是因为太阳光是严格按照从太阳到地球单一方向直射过来的，是高度有序的。藻类微生物和绿色植物的叶绿体恰恰能将阳光的这种高度有序为其所用，以后又供给动物，也包括我们人类，共同分享。
图1.8 雪花
图1.9 水流旋涡
然而，自然界几乎没有任何一种非生命体能有这种能耐，水被阳光照射后，会温度升高甚至气化，只会变得更无序，丝毫不会变得稍稍有序些。叶绿体这种本领，其巧妙和技术难度之大，甚至今天的高科技都无法做到。
另外，有序性本身还有很大的程度之分，包括：处理对象的数量、信息的数量和执行的难度。
让少数几个对象有序，还不难对付。即使是只猴子，坐在电脑前乱按键盘，有时候也能敲出一段有意思的句子来，例如，“俺在用电脑呢。”但是，要让大数量对象有序，就难得多了。要让猴子上万遍打出 “俺在用电脑呢……俺在用电脑呢……俺在用电脑呢……”也就很难做到了（图1.10）。
图1.10 猴子打键盘
更重要的问题是有序的程度和复杂性，越是复杂的有序包含的信息量就越大。简单的有序性，例如，池子里的水往下水道流动形成的旋涡，只要几个参数就可以描画清楚；水结成冰花，不过是简单的重复，描绘它们的信息量也没几个。然而，波音747飞机机体的信息量就非常大了，制造图纸必须用卡车来装载（图1.11）。
图1.11 波音飞机的图纸必须用卡车装载
而执行难度方面，显而易见，处理对象的数目越大，包含的信息量越大，实现有序的困难就越大。没有哪个人会认为装配一架波音747飞机是件容易的事。
然而，生命体要处理得有序的对象动辄上亿（图1.12），其复杂性所含的信息量也远远超过波音飞机。要把数以亿计的对象排成生命体所必需的有序，更是难上加难，即使是今天的高科技都无法望其项背。
图1.12 DNA的信息量动辄上亿
可是，无生命物质如何能跨过重重巨大鸿沟，达到它们原来“无法与之相比”的境界，成为生命体的呢？
一个不容置疑的事实是，生命还是诞生了，而且繁衍生息非常繁荣，还诞生了有高度智慧的人类。
俱往矣，往事无法重演。然而，如果我们把视线转向地球上今天的生命，那么将会看到，即使是最简单生命的多不胜数的小部件、小细节，每一个结构都巧妙到让人看得头晕目眩，难度大到不可思议，纵然是今天高科技也无法企及。如果，认为这一切意味着蕴含某种“智慧”，那是何等伟大的“智慧”！
以后各章，我们将集中在分子生物学领域来展开讨论。
参考文献：
- 张自立等，现代生命科学进展，科学出版社，2004年，P262
- 克里斯蒂安▪德迪夫，生机勃勃的尘埃，上海科技教育出版社，1999年，P22、32、35
- 吉姆·艾尔－哈利利等，神秘的量子生命，浙江人民出版社，2016年，P313
4． 同2，P27、28 - 斯图亚特·考夫曼，宇宙为家，湖南科技出版社，2003年，P39，56
- Monod , op cit,p136
- Crick,F.(1981) Life Itself , Simon and Schuster ,New York ,p88
- 未来论坛创立大会，《生命科学：欣赏、普及、升华》巅峰对话，2017年
- W.D.斯坦菲尔德等，分子和细胞生物学，科学出版社，2002年，P305
- 薛定谔，生命是什么，湖南科技出版社，2003年，P76
