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第37章 生命的起源(1)

1953年,芝加哥大学的研究生斯坦利·米勒拿起两个长颈瓶——一个盛着一点水,代表远古的海洋,一个装着甲烷、氨和硫化氢的气体混合物,代表地球早期的大气——然后用橡皮管子把两个瓶子一连,放了几次电火花算做闪电。几个星期以后,瓶子里的水呈黄绿色,变成了营养丰富的汁,里面有氨基酸、脂肪酸、糖以及别的有机化合物。米勒的导师、诺贝尔奖获得者哈罗德·尤里欣喜万分,说:“我可以打赌,上帝肯定是这么干的。”

当时的新闻报道听上去让人觉得,你只要把瓶子好好地晃一晃,生命就会从里面爬出来。时间已经表明,事情根本不是那么简单。尽管又经过了半个世纪的研究,今天我们距离合成生命与1953年的时候一样遥远——更不用说认为我们已经有这等本事。科学家们现在相当肯定,早期的大气根本不像米勒和尤里的混合气体那样已经为生命的形成作好准备,而是一种很不活泼的氮和二氧化碳的混合物。有人用这些更具挑战性的气体重新做了米勒的实验,至今只制造出一种非常原始的氨基酸。无论如何,其实问题不在于制造氨基酸,问题在于蛋白质。

你把氨基酸串在一起,就得到了蛋白质。我们需要大量的蛋白质。其实谁也不大清楚,但人体里的蛋白质也许多达100万种之多,每一种都是个小小的奇迹。按照任何概率法则,蛋白质不该存在。若要制造蛋白质,你得把氨基酸(按照悠久的传统,我在这里应当将其称之为“生命的砌块”)按照特定的顺序来排列,就像你拼写一个单词必须把字母按照特定的顺序来排列一样。问题是那些以氨基酸字母组成的单词往往长得不得了。若要拼出“胶原蛋白(collagen)”(一种普通蛋白质的名字)这个名字,你只需要以正确的顺序排列8个字母。若要制造胶原蛋白,你就得以绝对准确的顺序排列1055个氨基酸分子。但是——这是个明显而又关键的问题——你并不制造胶原蛋白。它会自发形成,无须你的指点,不可能性就从这里开始了。

坦率地说,1055个氨基酸分子要自发排列成一个胶原蛋白这样的分子的概率是零。这种事情完全不可能发生。为了理解它的存在是多么不可能,请你想像一台拉斯韦加斯普通的老虎机,不过要把它大大地扩大一下——说得确切一点,扩大到大约27米——以便容纳得下1055个转轮,而不是通常的三四个,每个轮子上有20个符号(每一个代表一种普通的氨基酸)。你要拉多少次把手那1055个符号才会以合适的顺序排列起来?实际上,拉多少次都没有用。即使你把转轮的数目减少到200个——这其实是蛋白质分子所含的氨基酸分子的比较典型的数量,所有200个符号都按照特定的顺序来排列的概率是10-260。那个数字本身比宇宙里原子的总数还要大。

总之,蛋白质是十分复杂的实体。血红蛋白只有146个氨基酸分子长,按照蛋白质的标准只是个矮子,然而即使那样,氨基酸的排列方式也有10190种可能性。因此,剑桥大学的化学家马克斯·佩鲁茨花了23年时间——大体上相当于一个人的职业生涯——才解开了这个谜。想要随随便便地制造哪怕是一个蛋白质分子也似乎是极不可能的——天文学家弗雷德·霍伊尔打了个精彩的比方,就像是一阵旋风掠过一个旧货栈,后面留下了一架装配完好的大型客机。

然而,我们在讨论的蛋白质有几十万种,也许是100万种,就我们所知,每一种都别具一格,与众不同,对于维持你的健康和幸福必不可少。我们就从这里接着往下讨论。为了被派上用场,一个蛋白质分子不但要把氨基酸分子按照合适的顺序排列起来,还要从事一种化学打褶工作,把自己叠成特定的形状。即使实现了这种复杂的结构,蛋白质分子对你依然没有用处,除非它能复制自己,而蛋白质分子不会。为了达到这个目的,你需要DNA(脱氧核糖核酸)。DNA是复制专家——几秒钟就能复制一份自己,但除此之外没有别的本事。于是,我们处于一种自相矛盾的境地。蛋白质分子没有DNA就不能存在,DNA没有蛋白质就无所事事。那么,我们是不是该认为,它们为了互相支持而同时产生呢?如果是的,哇,太好了!

还有,要是没有膜把DNA、蛋白质和别的生命要素包裹起来,它们也不可能兴旺发达。原子或分子不会独立实现生命。从你身上取下一个原子,它像一粒沙那样没有生命。只有许多原子凑到一起,待在营养丰富的细胞里,这些不同的物质才能参加令人惊叹的舞会,我们称其为生命。没有细胞,它们只是有意思的化学物质。但要是没有这些化学物质,细胞就毫无用处。正如戴维斯所说:“要是一切都需要别的一切,分子社会最初是怎么产生的?”这就好像你厨房里的各种原料不知怎的凑到一起,自己把自己烤成了蛋糕——而且,必要的话,这块蛋糕还会分裂,产生更多的蛋糕。所以,我们把生命称为奇迹,这是不足为怪的。我们才刚刚开始搞个明白,这也是不足为怪的。

那么,是什么促成这神奇的复杂结构呢?哎呀,一种可能是,也许它并不那么——并不那么——神奇,就像乍一看来的那样。以那些不可思议的蛋白质分子为例,我们假设,我们所看到的奇迹般的排列,是在形成完毕以后才出现的。要是在那台大老虎机里,有的转轮可以受到控制,就像玩滚木球游戏的人可以控制几根大有希望的木柱一样,那会怎么样?换句话说,要是蛋白质不是一下子形成的,而是慢慢地演化的,那会怎么样?

请你想像一下,要是你把制造一个人的所有材料都拿出来——碳呀,氢呀,氧呀,等等,和水一起放进一个容器,然后用力摇一摇,里面就走出来一个完整的人。那将会是不可思议的。哎呀,那基本上就是霍伊尔和其他人(包括许多热心的特创论者)提出的。他们认为,蛋白质是一下子自发形成的。蛋白质不是——也不可能——这样形成。正如理查德·道金斯在《盲人钟表匠》一书中所说,肯定有某种日积月累的选择过程,使得氨基酸聚集成块状。两三个氨基酸分子也许为了某种简单的目的联结起来,一段时间以后撞在一起成为类似的小群体,在此过程中“发现”又有了某些改进。

这种与生命有关的化学反应实际上比比皆是。我们也许无法按照斯坦利·米勒和哈罗德·尤里的方式从实验室制造出来,但宇宙干这事儿很容易。大自然里许多分子聚在一起形成长长的链子,名叫聚合物。糖分子经常聚在一起成为淀粉。晶体会干许多栩栩如生的事——复制呀,对环境的刺激作出反应呀,呈现复杂的图案呀。当然,它们从来不制造生命本身,但它们反复展示,复杂的结构是一种自然、自发、完全可靠的事。整个宇宙里也许存在大量生命,也许不存在,但不乏有序的自发聚合。它存在于一切东西,从对称的雪花到土星的秀丽光环。

大自然聚合事物是如此干劲十足,许多科学家现在认为,生命比我们认为的还要不可避免——用比利时生物化学家、诺贝尔奖获得者克里斯蒂安·德迪夫的话来说:“只要哪里条件合适,物质的专性表现势必发生。”德迪夫认为,很有可能,这样的条件在每个星系里大约会遇到100万次。

当然,在赋予我们生命的化学物质里,没有什么非常奇特的东西。要是你想制造另一个有生命的物体,无论是一条金鱼,一棵莴苣,还是一个人,你其实只需要4种元素:碳、氢、氧和氮,加上少量几种别的东西,主要是硫、磷、钙和铁。把30多种这类混合物放在一起,形成糖、酸和其他的基本化合物,你就可以制造任何有生命的东西。正如道金斯所说:“关于制造有生命的东西的物质,也没有什么特别的地方。有生命的东西是分子的组合,与其他一切东西没有两样。”

归根结底,生命是不可思议的,令人满意的,甚至可能是奇迹般的,但并不是完全不可能的——我们已经反复以我们自己的朴素存在证明了这一点。没有错儿,有关生命起源的许多细节现在依然难以解释。你在书上读到过的有关生命所必需的条件,每种情况都包括了水——从达尔文认为的生命始发地“小水塘”,到现在最普遍认为的生命始发地冒着气泡的海洋喷气口。但他们都忽视了一个事实:把单体变成聚合体包含一种反应,即生物学上所谓的“脱水缩合”(换句话说,开始创造蛋白质)。正如一篇重要的生物学文章所说,说得也许有点儿令人不大舒服:“研究人员一致认为,由于质量作用定律,在原始的大海里,实际上在任何含水的媒体里,这样的反应在能量方面是不大有利的。”这有点像把砂糖放进一杯水里,指望它结成一块方糖。这不该发生,但在自然界却不知怎的发生了。这一切的化学过程到底怎么样,这个问题已经超出了本书的宗旨。我们只要知道这样的一点就够了:要是你弄湿了单体,单体就不会变成聚合体——除了在制造地球上的生命的时候。情况怎么是这样发生,为什么会发生,而不是那样发生?这是生物学上一个没有回答的大问题。

近几十年来,地球科学方面有许多极其令人感到意外的发现。其中之一,发现在地球史早期就产生了生命。直到20世纪50年代,还认为生命的存在不超过6亿年。到了70年代,几位大胆的人士觉得也许在25亿年前已经有了生命。但是,如今确定的38.5亿年确实早得令人吃惊。地球表面是到了大约39亿年前才变成固体的。

“我们只能从这么快的速度推断,细菌级的生命在有合适的条件的行星上演化并不‘困难’。”斯蒂芬·杰伊·古尔德1996年在《纽约时报》上说,他在别的场合也说过,我们不得不下个结论:“生命一有可能就会产生,这是化学上势必会发生的事。”

实际上,生命出现得太快,有的权威人士认为这肯定有什么东西帮了忙——也许是帮了大忙。关于早期生命来自太空的观点已经存在很长时间,偶尔甚至使历史生辉。早在1871年,开尔文勋爵本人在英国科学促进协会的一次会议上也提出过这种可能性。他认为:“生命的种子可能是陨石带到地球上的。”但是,这种看法一直不过是一种极端的观点,直到1969年9月的一个星期天。那天,成千上万的澳大利亚人吃惊地听到一连串轰隆隆的声音,只见一个火球从东到西划过天空。火球发出一种古怪的格格声,还留下了一种气味,有的人认为像是甲基化酒精,有的人只是觉得难闻极了。

火球在默奇森上空爆炸,接着石块似雨点般地落下来,有的重达5千克以上。默奇森是个600人的小镇,位于墨尔本以北的古尔本峡谷。幸亏没有人受伤。那种陨石是罕见的,名叫碳质球粒陨石。镇上的人很帮忙,捡了90千克左右回来。这个时间真是最合适不过。不到两个月以前,“阿波罗11号”刚刚回到地球,带回来一满袋子月球岩石,因此全世界的实验室都在焦急地等着要——实际上是在吵着要——天外来的石头。

人们发现,默奇森陨石的年代已达45亿年,上面星星点点地布满着氨基酸——总共有74种之多,其中8种跟形成地球上的蛋白质有关。2001年底,在陨石坠落30多年以后,加利福尼亚的埃姆斯研究中心宣布,默奇森陨石里还含有一系列复杂的糖,名叫多羟基化合物。这类糖以前在地球之外是没有发现过的。

自1969年以来,又有几块碳质球粒陨石进入地球轨道——有一块于2000年1月坠落在加拿大育空地区的塔吉什湖附近,北美许多地方的人都亲眼目睹了那个景象——它同样证明,宇宙里实际上存在着丰富的有机化合物。现在认为,哈雷彗星的大约25%是有机分子。要是这类陨石经常坠落在一个合适地方一比如地球,你就有了生命所需的基本元素。

胚种说——即生命源自天外的理论——的观点有两个问题。第一,它没有回答生命是如何产生的这个问题,只是把责任推给了别的地方。第二,连胚种说的最受人尊敬的支持者有时候也到了猜测的地步。肯定可以说,这是很轻率的。DNA结构的两个发现者之一弗朗西斯·克里克和他的同事莱斯利·奥格尔认为“聪明的外星人故意把生命的种子”播在了地球。格里宾称这个观点“处于科学地位的最边缘”——换句话说,假如这个观点不是一位诺贝尔奖获得者提出的,人家会认为它简直荒唐透顶。我们已经在第三章里提到,弗雷德·霍伊尔和他的同事钱德拉·威克拉马辛格认为,外层空间不但给我们带来了生命,而且带来了许多疾病,如流感和腺鼠疫,这就进一步削弱了胚种说的影响。生物化学家们很容易驳斥那些观点。

无论是什么事导致了生命的开始,那种事只发生过一次。这是生物学上最非同寻常的事实,也许是我们所知道的最不寻常的事实。凡是有过生命的东西,无论是植物还是动物,它的始发点都可以追溯到同一种原始的抽动。在极其遥远的过去,在某个时刻,有一小囊化学物质躁动一下,于是就有了生命。它吸收营养,轻轻地搏动几下,经历了短暂的存在。这么多情况也许以前发生过,也许发生过多次。但是,这位老祖宗小囊干了另一件非同寻常的事:它将自己一分为二,产生了一个后代。一小袋遗传物质从一个生命实体转移给了另一个生命实体,此后就这样延续下去,再也没有停止过。这是个创造我们大家的时刻。生物学家有时候将其称之为“大诞生”。

“无论你到世界的什么地方,无论你看到的是动物、植物、虫子还是难以名状的东西,只要它有生命,它就会使用同一部词典,知道同一个代码。所有的生命都是一家。”马特·里德利说。我们都是同一遗传戏法的结果。那种戏法一代一代地传下来,经历了差不多40亿年,到了最后,你甚至可以学上一点人类遗传的知识,拼凑个错误百出的酵母细胞,真酵母细胞还会让它投入工作,仿佛它是自己的同类。在非常真实的意义上,它确实是它的同类。

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