40亿年前生命形成的奥秘：前生命化学的探索

显然，如果生命能在地球上出现，那么组成所有生命系统的基本单位一定早就存在了。相应地，我们应该能够通过分析前生命地球环境下可能产生的物质，来得到一些关于生命起源的启示。虽然早在1924年，亚历山大·奥巴林就在一篇名为《生命起源》（The Origin of Life）的文章中提出了一些关于前生命时期有机物形成的早期猜想，不过真正将生命起源问题摆到重要位置的是美国化学家斯坦利·米勒（Stanley Miller）37。米勒在实验中将氢气、氨气、甲烷和水蒸气混合在了一起，这4种气体在当时被认为是前生命时期大气层的主要组成成分。他还通过朝这些混合气体中通电来模拟原始的闪电。这时的米勒不过是芝加哥大学的一名研究生而已，他的导师是诺贝尔化学奖得主哈罗德·尤里（Harold Urey）。

实验的结果十分惊人，这个过程中产生了包括氨基酸在内的一系列有机物质。由于氨基酸是蛋白质的基本组成单位，而蛋白质又是所有生命系统的关键物质，所以“前生命化学”这个全新的研究领域也由此诞生。很快，这个研究领域就吸引了科学界的大量关注。当时一种普遍的研究思路是，只要继续开展米勒式的实验，营造出假设中的前生命环境，那么就可以发现生命其他关键物质的来源，这样就能为解决生命的起源问题做出新的贡献。实际上，在短短数年间，其他科学家通过模仿前生命环境的方法，也利用简单的反应物合成了另外一类有机物——组成核酸的关键物质有机碱。从表面上来看，这个时期对于生命起源的探索好像驶入了一条高速公路。

但是，不满的声音很快就出现了。生命起源到底发生于地球上的哪个地点呢？起初推断出来的“前生命汤”中的可能地点，因为许多原因而受到了质疑，于是人们很快开始搜寻其他可能的答案。在这些新的看法中，有两个观点比较重要，其一认为生命起源于深海的热泉38，而另一个认为生命起源于黏土表面39。这两种观点之间的分歧不能更大了！很快，新的问题又出现了，前生命的大气层到底是由哪些物质组成的？前生命的大气层是像人们最初认为的那样具有还原性，还是像最近的数据显示的那样，主要是由二氧化碳、氮气和水构成的中性气体？目前在这些基本问题上，科学界还没有达成广泛的共识。

因此，米勒的实验所带来的兴奋感很快就过去了，在随后的时间里，科学家们提出了一系列互不相容的观点。各种不一致和不确定的情况取代了一开始的乐观。事实上，所有这些对生命起源机制的不同观点只在一个问题上达成了共识，那就是生命的确在距今40亿年前的时候出现了，非生命体转化为生命体这一事件在前生命的地球上发生了。模拟前生命环境的实验涵盖了丰富的化学知识，这的确让我们发现了许多主要的化学反应，并且为研究生命起源的问题提供了不同的思路。尽管人们在这个研究方向上投入了巨大的努力，但是紧随其后的论证过程却常常充满问题。人们从这样的实验中得到的结论简单来说就是：通过研究在假设的前生命环境下发生的化学反应，我们能够概括出生命诞生的过程。这个结论也是许多有关前生命化学讨论的基础。现在看来，这个结论充满了问题。探寻前生命状态下生命起源的历史条件，对于解决生命起源的问题并没有很大的贡献。

“前生命化学”的研究方法主要存在以下几个方面的问题。首先，我们缺乏关于前生命地球环境的可靠信息，更别说具体地点的信息了，这带来的后果很严重。如果我们想要知道一个具体的反应能否在前生命地球上的某个地点发生，我们必须确切地知道那个地点具备的物质和反应条件。但是，鉴于我们对这两点都不知道，所以对于前生命化学的问题我们没有任何把握。

我们可以用一个例子来更深入地说明这个问题。比如我们常常会说“地球目前的环境”，这种表达方式听起来好像比“前生命地球的情况”更让人有把握。但是“地球目前的环境”到底指的是什么？我们说的环境是指喷发的火山、北极的冰架、海底深处、深海热泉、撒哈拉炎热的沙漠、淡水潟湖还是别的地点？即便我们可以确认一个特定地点的环境条件，“环境”这个词还是带来了很大的不确定性。所以，当我们谈到前生命地球的环境时，这种不确定性又再次升级。我们既不知道这些前生命事件在哪里发生，也不知道这些地点的具体环境。根据物理和有机化学的知识，我们知道反应路径和反应机制很容易受到反应条件的影响，这无疑让事情变得更加复杂，所以我们不得不对任何关于前生命地球上可能或不可能发生的事件推测抱有怀疑的态度。

因为这些假设的前生命地球情景基本上不能被证伪，所以这些推测所采取的方法论也很有问题。化学家们可以尽情地猜想任何前生命地球上合理的情形，他们只是受到想象力的限制而已。无须多言，证伪机制的缺乏极大地削弱了这些假设的意义和重要性。正如顶尖的英国化学家和生命起源研究者莱斯利·奥格尔（Leslie Orgel）所说：“只要再等个几年，原始地球上的环境就会又变个样。”有些人可能会阴暗地指出这是一个理想的研究领域，因为你可以大胆地在该领域发表文章，而且可以确信没有人能说你是错的！

预设特定的前生命环境还存在另一个问题，只是这个问题没有那么严重罢了。假如我们可以比较准确地认识前生命地球的环境，人们一般认为这些环境信息不但有助于确认什么反应可能发生，还有助于确认什么反应不可能发生。实际上，这一观点可以被用来推翻生命起源的一种可能情形，那就是简单细胞生命是从过渡性的RNA世界转变而来的假说。因为长链RNA分子由其基本组成单位核苷酸构成，那么RNA世界的存在与否就取决于前生命地球上是否具有那些核苷酸。因此针对这种情况，我们做出的判断就是：如果在化学家们多年的努力之下，还是无法在模拟前生命地球的环境中合成这些核苷酸，那么我们就可以总结说这些核苷酸不会自发地出现在地球上。

这一推理过程中的逻辑错误显而易见。我们不能简单地排除RNA核苷酸在前生命地球上自发出现的可能性，因为就像一句俗话说的那样：“证据的缺失并不能作为缺失的证据。”化学家们具体要付出多少年的努力，才能保证这个结论是可靠的？两年、三年还是五年？这些化学家们要有多出色才行？正如前面讨论过的那样，在我们无法确定前生命状态任何地点的反应环境和反应物质的情况下，我们不能简单地得出当时所有地点都不可能自发形成核苷酸的结论。直到最近，这个结论的谬误之处才被一位英国化学家约翰·萨瑟兰（John Sutherland）揭示出来，他运用丰富的想象力完成了一项“不可能的任务”。约翰·萨瑟兰成功地利用所谓前生命环境下的反应物合成了核糖核苷酸。这个突破性的成果应该归功于他不拘一格的思考模式，他采用的合成方法不同于其他研究人员所采用的常规方法。40所以从理论上来说，能够产生核苷酸或其他任何基本物质的“前生命合成”可能路径实在是多得数不胜数。难道自然就不能“不拘一格”地发挥它的想象力吗？结论显而易见：虽然我们可以根据实验结果来总结哪些化学反应是可能发生的，但是如果要根据这些结果来判断哪些反应是不可能发生的，在逻辑上是站不住脚的，尤其我们讨论的还是数亿年前我们一无所知的环境。生命起源研究领域的先锋，著名科学家彼得·舒斯特（Peter Schuster）对前生命化学的评论十分贴切：“永远别说不可能！”在第8章中我们将会继续讨论RNA在前生命地球上可能承担的角色，因为自我复制分子的偶然出现是生命起源的核心问题。

以上谈到的两个问题，说明了采用前生命化学的方法来研究生命起源的困难之处。不过，事实证明还存在着更深层次的问题。我们在前面已经说明，寻找可能产生生命相关物质的前生命环境是一个充满了缺陷的方法。此外，该方法背后有一个默认的预设，那就是如果我们能找到构成生命体的关键分子，如糖类、碱基、核苷酸、氨基酸、脂质等等存在的可靠证据，那么我们就能在生命起源的问题上获得飞跃式的进步。不幸的是，这种预设很成问题。即便所有关于前生命化学的实验都能够顺利进行，即便化学家们最疯狂的梦想都可以实现，生命起源的谜题也依然无法解开，因为生命起源的真正问题并不是生命的基本组成单位如何在前生命的地球上出现，真正的问题还在别处。(www.xing528.com)

试想一下，你聚集了一批优秀的生物化学家、合成化学家和分子生物学家。你要求他们在实验室里创造出一个简单的生命系统。实验过程不存在任何限制，没有化学物质方面的限制，没有任何关于前生命地球环境的限制，甚至没有任何研究经费的限制！你可以给他们提供任何所需的物质，DNA和RNA寡聚体、脂质、各种蛋白质、糖类和他们想要的催化剂，当然还有一切需要的设备和仪器。你还能为他们创造任何反应条件，无论他们需要的是前生命地球的环境还是其他环境。就算他们要求模拟出热泉眼的环境也没问题。想要黏土表层？那更是小菜一碟了。不过科学家们真实的回应是什么呢？他们中的大部分人甚至不知道该从何开始！

当然，哈佛医学院的遗传学家、诺贝尔奖得主杰克·绍斯塔克（Jack Szostak）和著名意大利化学家皮尔·路易吉（Pier Luigi）等大胆的科学家们，为了实现这个野心勃勃的目标，已经开展了一些初步的尝试。41不过出于一些原因，实现这一目标的过程显得困难重重。这些原因我们将在第8章中详细讨论。生命起源问题的关键不在于确认前生命地球上存在的物质和当时的反应条件，因为即使是最出色的化学家，在不受到任何条件限制的情况下，也不知道该如何开展实验。问题的关键也并不是生命合成的某个步骤特别困难，以至于在技术上难以实现。根本问题在于我们现在依然没有合成生命确切的“配方”。如前所述，既然我们还不能充分了解生命是什么，我们怎么可能创造出一个自己还不完全了解的事物呢？所以说到底，虽然前生命化学本身十分有趣，但是如果想通过研究前生命化学来帮助我们理解生命起源的问题，这个目标似乎不太可能实现。

事实上，我们甚至可以说寻找生命起源的历史信息本身就是一个甜蜜的陷阱。它看上去十分诱人，不但吸引了初出茅庐的新手，还吸引了经验丰富的研究人员，但它却不肯为引发的问题交出答案。更重要的是，即使我们已经掌握了生命的历史证据，它们也不能解答这些问题。揭示生命起源的非历史规律才是真正的挑战，比如说明为何非生命体在转化为生命的过程中，倾向于朝着复杂化的方向发展。正是这些不受空间和时间限制的非历史问题，才是生命起源问题的关键核心。想要解开生命起源的谜题，我们需要理解非生命体转化为生命体背后的物理化学过程。这个过程才是让21世纪的物理学家们夜不能寐的问题，而不是前生命地球大气层的组成成分和前生命条件下是否可以合成核苷酸等问题。哪些物理和化学的规律能够解释这所名为“生命”的复杂、动态、具有目的性并且远离平衡态的化学系统呢？

当然，即便我们发现了控制这一转化的规律，我们仍然不能保证可以解决生命起源的历史问题。毕竟，我们探究的是40亿年前在地球上发生的特定事件。因此，我们探索这些历史事件的能力受到了极大的限制。但是，如果我们解决了非历史的问题，那么我们就可以通过全新的视角来看待生命起源问题。那时，我们可能还是无法回答历史的问题，但是地球上的生命起源至少不会像如今这样难以捉摸了。基于以上的讨论，我认为在充分理解生物复杂性背后的物理化学规律之前就试图寻找生命分子的起源，这种尝试无异于在理解钟表运行的原理之前就想通过弹簧、齿轮、表盘等零件组装起一块表。物理学家、诺贝尔奖得主理查德·费曼曾经说过：“我不能理解我创造不出来的东西。”我们把这句老生常谈倒过来说可能也是成立的：“我不能创造出我不能理解的东西。”

我已经详细讲述了从历史的角度来处理生命起源问题的局限性，那么现在就让我们来想想该如何从非历史的角度来看待这个问题。这方面的结果显得更加乐观。存在于40亿年前的非历史规律在今天同样适用，物理和化学的规律并不会随着时间而改变。所以，与其猜测前生命的地球上可能发生的事情，还不如好好研究一下现在的地球上正在发生的事情。我们可以对合适的化学系统进行研究和实验，并从中获取这个关键问题的相关信息。

根据我们在第4章中的讨论，系统化学主要关注简单的复制分子和它们所形成的网络。在这个新兴的研究领域中，我们已经发现了和“常规”化学不太一样的反应规律，而这些反应规律可能有助于理解那些导致生命起源的化学过程。事实上，一旦我们把注意力从历史角度转向非历史角度，我们立刻就要直面数十年来生命起源论争的核心问题。由于所有生命系统都具有新陈代谢和自我复制的能力，那么这两种能力中到底哪一种更早出现，是自我复制还是新陈代谢？这个问题可能听起来像是一个历史问题：“哪种能力更早出现？”但是这两种能力的性质决定了它们出现的顺序可能取决于化学规律。因此，化学规律能为生命出现的过程提供一些启发。正如我们将看到的那样，“代谢优先/复制优先”的这种二分法具有重要的意义，因为它们直接影响了三个问题——“生命是什么”、“生命是如何产生的”以及“我们该如何理解生命的产生”的答案。这些问题互相关联，只有将它们结合在一起才能全面地理解生命起源。

在展开讨论之前，先让我们明确“新陈代谢”和“复制”的含义。广义而言，“新陈代谢”指的是发生在每个活细胞中一系列相互控制、相互调节的复杂反应，这些反应让细胞能够开展生命活动。从生命起源的角度而言，支持“代谢优先”机制的人认为，简单的自催化化学循环应该比以寡聚体为基础的遗传系统更早出现。这些简单的自催化化学循环可以视为现存生命体中复杂新陈代谢循环的先导。著名理论生物学家斯图尔特·考夫曼在20世纪80年代指出，假设存在一系列分子或分子聚合物A，B，C，D和E，如果A催化B的形成，B催化C的形成，C催化D的形成，D催化E的形成，最后E再催化A的形成，那么这个封闭的反应循环也就成了一个自催化循环，这意味着这个系统作为一个整体可以进行自我复制。42支持“复制优先”的一派同样认为生命的出现源于自催化系统的产生，不过他们认为这样的系统以模板式的寡聚复制因子如RNA（或类似RNA的复制因子）为基础。这样的复制因子一旦出现，它们就会朝着复杂化的方向进化，并最终形成简单的生命形式。所以，“代谢优先”和“复制优先”的争论实际上可以表述为，是完整的自催化化学循环先自发产生，还是分子复制因子的模板先出现。

美国物理学家弗里曼·戴森是最先提出这个问题的人，他认为代谢复杂化和模板的复制从逻辑上而言并没有必然的联系。戴森认为生命的起源可能与二者的独立形成有关，一个是遗传物质，另一个是代谢循环，二者结合而成的遗传代谢系统才可以被称为生命。43这个观点实际上相当模棱两可。人们认为这两个特征不太可能各自独立出现，因此对这两个特征的自发形成抱有高度怀疑的态度。所以，几十年来的争论都聚焦于这两个特征哪个先出现的问题（从研究方法上来说采用的是还原论的方法），是以模板为基础的分子复制，还是和化学循环相关的自催化反应？生命的本质来源于寡聚分子产生的序列特征，还是来源于完整的自催化反应所产生的复杂性？这两种观点的并存就说明了这两种看法各有各的缺陷，都不够有说服力。并且，这个问题本身也证明了我们对生命的了解依然处于起步状态。现在，让我们先来探讨“复制优先”。尽管“复制优先”是形成RNA世界的基础，而RNA世界作为生命起源的可能学说之一又被普遍接受，但目前还是有许多基本的难题有待解决。下面我们就来看看为什么会出现这样的情况。