笔下文学

生命的起源和边界（第1页）

生命的起源和边界

正当克里克和沃森及其同事们深入研究生命建造过程的结构时，其他生命科学家也在围绕生命的本质、生命是怎样开始以及怎样运作等一大堆问题进行日益深入的探讨。研究者运用分子生物学和微生物学等新工具，在这些领域提出了许多新颖和富有启发性的观点。

多头并进带来硕果累累——最突出的是对医学和人体的认识，它如何运作以及如何与周围的环境相适应。过去的半个世纪见证了交叉学科的非凡进展，它们使医学领域焕然一新，其中包括CT（计算机体层成像）和MRI（磁共振成像）、心内直视外科和器官移植——这些大多超出了本书的范围。病毒、细菌和人体免疫系统的研究，使得20世纪50年代成功地防治了小儿麻痹症，并且有可能对20世纪80年代开始流行的艾滋病展开越来越有成效的治疗，尽管尚未完全成功。

遗传工程中的突破开始为下述领域提供工具：农产品的改造，更有效地进行遗传育种，通过克隆控制有机体特定性状的遗传——与此同时，也提出了许多具有挑战性的伦理和公共政策问题。

“原始汤”

当宇宙学家和粒子物理学家正在为解答关于宇宙诞生及其早期阶段的一些问题而日夜奋战时，生命科学家也抓住了关于生物的类似问题。也许最根本的问题是：什么是生命?生命是从哪里来的?有史以来，这些问题一直困扰着人类。要给出答案并不容易——实际上今天仍有一些科学家在怀疑，这些问题是不是能够回答。

正如美国宇航局的生命科学家张（Sherwoodg）曾经说过的：问题在于“记录是无声的。地质学家和大气化学家将告诉你，绝无可能找到证据表明生命最初出现时地球是什么样子，或者生命是怎样开始的。”这一奥秘构成了有史以来最大的科学侦探案例之一——迄今为止，这个奥秘还没有得到解决。很难有过硬的证据做依据，数十个基本问题需要回答，其中包括：在生命开始之前，地球上的环境如何?有哪些元素存在?什么过程曾作用于这些元素?什么是生命的原始构件?

数百年来科学家都在试图判断，生命体有没有可能从无机物中自发产生。亚里士多德确定那是有可能的，接下来的世纪里，科学家试图证明通过何种方式能够或者不能够有生命体自然发生。到了19世纪，巴斯德似乎终于提供了明确的答案：不可能。通过修正前人实验中的错误，巴斯德表明，完全无菌的无机溶液不会产生任何生命迹象，即使生命所需的所有条件都能满足（如温度合适、氧的存在等）。他的技巧是利用一个特殊的曲颈烧瓶以阻止植物或霉菌孢子等污染物的进入，但却保证了正常的大气条件。不过，巴斯德的结果也许并不适合于所有的时期。

米勒正在检验他在1953年的实验里所用的装置。

20世纪50年代初有一位年轻的研究生，名叫米勒（StanleyLloydMiller，1930—2007），首次通过实验取得了突破性进展，得到了生命起源所需要的某些化合物，当时米勒正在芝加哥大学尤里（HaroldUrey，1893—1981）的指导下做博士论文。尤里是美国著名化学家，1934年由于发现重氢（氘）荣获诺贝尔化学奖。这些年来，尤里对地质化学、行星的形成和地球早期的大气条件发生了兴趣。他还开始对巴斯德关于“自然发生”不可能的明确断定表示怀疑。尤里和米勒考虑，巴斯德如果不是等待四天，而是等上数十亿年，正如地球当初等待生命的起源那样，结果又会怎样呢?如果不是在现代氮气和氧气共同存在的条件下，而是在原始大气的情况下，它在最初的地球上曾经存在了数十亿年之久，情况又会是怎样呢?如果不是盛满溶液的烧瓶，而是充满无机分子的海洋，情况又会如何呢?

首先，尤里有理由相信，地球的原始大气与今天的大气有显著不同。他估计原始大气很可能由甲烷（H3）和水蒸气（H2O）之类的含氢气体组成。于是，在尤里的指导下，正当克里克和沃森为双螺旋的结构而奋斗时，米勒也在从事生物学历史上的里程碑实验，其目标是要模拟想象中的早期地球情景。他假设某个时间，巨大的气体云团曾扫过动**不安的行星表面，天空中闪电不断——甲烷、氢、氨和水的气体分子在来自太阳的紫外辐射（因为还没有形成臭氧层）的作用下发生化学反应，这段时期大量无机分子随着雨水降落在地球的浅海中。尤里和米勒想象，在这样的情况下，这些前生命基本分子互相碰撞，最终形成更长、更复杂的有机分子，如氨基酸、蛋白质和核苷酸等。在这一系列想象的事件中，这些分子最终变得越来越复杂，直到出现能够自我复制的核酸。

在这一设想的小规模模拟场景中，米勒得到了一个含氢的“大气”，其中部分是氨和甲烷，它们飘浮在盛水的烧瓶里，其中的水经过仔细消毒和纯化。在这锅含有气体和**的“原始汤”里，他又引入电荷以模拟紫外辐射。在地球历史的稍后阶段，植物开始进行光合作用，并且产生氧，氧又反过来形成了上层同温层的臭氧层，而臭氧层保护覆盖的区域免受太阳的紫外线照射。但是，在开始时，米勒和尤里推理说，必须要有大量的紫外辐射才能启动这一生物学过程。还有，到那段时期为止，没有自由氧，却有大量的氢。米勒的实验进行了一个星期，最后检测水溶液，他惊奇地发现，除了简单的物质之外，他还生产出了两种最简单的氨基酸，还有迹象表明少数更复杂的氨基酸正在形成的过程中。

当他投入更长的实验时间后，更多的氨基酸形成了；别的研究者也做这一实验，发现结果能够重复。令人惊奇的是，米勒装置中形成的有机分子，与生物体内的分子是同一类型。米勒没有创造生物体，但是他所启动的这一过程似乎正朝着这个方向迈进。也许生命的演化并不是什么不平常的事情，而是宇宙演化过程的一个自然结果。20世纪60年代末，当越来越复杂的分子在外层空间的气体云中被发现时，这一思路变得更加可靠。

1970年，生于斯里兰卡的生物化学家彭南佩鲁马（a，1923—1994）在1969年9月28日降落于澳大利亚的陨石中发现了5种氨基酸的踪迹，更是为上述观点带来了更多有利的证据。经过仔细分析，他和他的研究小组找到了甘氨酸、丙氨酸、谷氨酸、缬氨酸和脯氨酸——这是迄今为止发现的首批地外生命成分。彭南佩鲁马证明，陨石并不是在与地球接触的过程中因为污染而获得这些氨基酸的。显然，它们是在类似于米勒实验里所发生的非化学过程中合成的。

开始时……是黏土

并不是每个人都完全同意米勒的“原始汤”实验就是对这一古老问题的解答。有一类科学家提出了一个有趣的概念，认为生命也许是直接从黏土里产生的。

黏土显然是惰性和没有生命的，它似乎与我们通常想到的生命物质截然相反。但是黏土的物理特性却为生命起源提供了某种合适条件，我们大多数人容易忽视这一点。首先，正如生物学家张在一次访谈中指出的，在地球历史的早期阶段（15亿年前左右或更早），环境显然以无机物质为主。海水肯定最为丰富，但黏土也大量存在。

根据“黏土-生命”设想，开始可能是这样：在早期形成阶段，基本元素氢、氮和碳大量存在。在有机生命所需的成分中，独缺氧。岩石被风化、转移、碾碎，形成土壤，并且成为新的沉积层，形成新的岩石和矿物黏土。在分子水平上，这些黏土具有（而且一直具有）某些特殊性质。它们拥有高度有组织的分子结构，内部充满孔隙，从而为化学反应预留了位置，还可以用做储存、转移信息和能量的途径。

每当环境变迁时，潮湿和干燥交替出现、冰冻和解融相间，风、水和大地不断运动，那些久经考验且特性日益改善的黏土“生存”了下来。苏格兰格拉斯哥大学的史密斯（Grahams-Smith，1931—）1982年在他的《遗传接收和生命的矿物起源》（GeheMineralinsofLife）一书中最先提出这一理论。他假设，这些黏土也许通过适应性的结构演化或者某种原始“自然选择”的形式逐渐演变。黏土一生命理论主张，这些黏土本身也许就存在着原始生命形式，同时，也为生命出现之前的有机体演化提供了一种模板。史密斯认为，晶体形成过程中所出现的缺损结构就像是一种矿物遗传系统，它为模板的复制提供了一种途径。他还假设，模板能够以经典的进化形式把这些缺损（某种程度的突变）传递给后代。

用黏土作为脚手架，在矿物分子的基础上渐渐形成有机分子。有机分子演变成有机遗传系统，它要比其矿物祖先更有效，最终以“遗传接收”的形式取代了原始的矿物形成体系。就像大教堂一旦建成，脚手架也就不再需要；就像电子计算机中不可能找到木质算盘珠一样，我们在今天的“高技术”有机系统中看不到这一“低技术”生命方式存在过的证据。

围绕着生命起源还有其他理论。有一种理论颇为流行，也受到生物学家萨根的支持。这个理论主张，形成有机分子所需的碳来自地外含有碳的小行星对地球的撞击。正如彭南佩鲁马以及不少人所发现的那样，许多陨石里存在含碳分子——这就使生命的种子遍及整个宇宙的思想更为可信。这一理论就叫胚种论。

但是无论哪个设想更接近真实，在这个领域里做的工作都是既令人激动，又发人深省，它们向许多习以为常的假设发起了挑战：有机物和无机物的截然区分；生命及其进化的本质。

生命过程：生长因子

正当米勒、尤里、史密斯等人就生命起源问题进行研究时，对自然及其基本组成，细胞以及人体的其他方面及其机制问题的研究也在继续进行。20世纪上半叶终于有了巨大的进展，由于改进了着色技术和显微镜技术，细胞的许多精细结构已经得到辨认。关于生命过程的许多基本问题已经开始取得进展。一个事例是列维-蒙塔尔西尼对生长因子所做的研究，她因此获诺贝尔奖，她和其他人发现生长因子对胚胎细胞的生长有重要作用。

列维-蒙塔尔西尼从小就着迷于生理学。她和她的孪生妹妹泡拉1909年4月22日出生于意大利的都灵市。她不顾父亲的反对，进入医学院学习，她的妹妹成了著名艺术家，两人终生保持亲密友谊。（列维-蒙塔尔西尼终生未嫁——她的双姓是对母亲的赞颂。她母亲姓蒙塔尔西尼）。

列维-蒙塔尔西尼在第二次世界大战中完成医学学习，但是在获得学位后却不得不立即隐居起来，以避免被德国纳粹送到集中营里。尽管战争时期很难读到专业杂志，但她还是有机会读到了生理学家汉伯格尔的论文，文中描述的研究激起了她的兴趣，她因此而设计了一个实验方案，只要把鸡蛋藏在自己的卧室里就能进行。她的兄弟吉诺帮助她准备了所需设备，用于考察胚胎发育的最早阶段。这时细胞开始分化，她特别关注的是神经细胞。后来证明，这些正是最终通往诺贝尔奖之路的第一步。“二战”之后，列维-蒙塔尔西尼来到密苏里州的圣路易斯，汉伯格尔正在这里从事研究工作。多年来她都是轮流在圣路易斯和罗马居住。她经常旅游，又在她的研究领域里享有名气，她对神经生长因子（NGF）的实验研究备受推崇，NGF是一种能够促进神经细胞在周围神经系统中生长的物质。1986年与她的学生柯恩一起分享诺贝尔生理学或医学奖。柯恩得奖是因为发现了表皮生长因子，而她是因为发现了神经生长因子。

正当列维-蒙塔尔西尼、柯恩及其他生命科学家继续探索生命过程、化学和生理学时，另有一些生物学家转向处于生命边界的一种令人惊奇并且威胁健康的类生命研究。因为许多理由，它带来了挑战，从而激起研究者的兴趣。

病毒：位于生命的门槛上