|
  • 生命的起源

    沃爾特

    簡介

    安東尼_81歲高齡時突然改變了想法,成為了自然神論信仰者。在2004年12月9月接受美國廣播公司新聞頻道的電話採訪時,他表示:超智能是解釋生命起源和自然複雜性的唯一好的解釋。尼古拉斯_2000年6月13日的《紐約時報》中將現在關於生命起源事件的認識歸納如下:“解釋第一個生命里的化學反應就是場噩夢。迄今為止,就最初生命(有人認為是核糖核酸)如何從無機化學物質(無機化學物質可能在早期地球中就已存在)構造了它自己這一點,還沒有人找到令人信服的解釋。在原始地球上自發裝配小小的核糖核酸分子幾乎就是一個奇跡;兩位這方面的專家去年曾說過有益的話:“生命的起源究竟是什麼?它困惑着科學家,讓無神論者變成了自然神論信仰者或有神論者。為什麼生命的起源被認為是偉大、未解決的科學奇事之一?”(《探索頻道》,1993年)。

    生命系統所需的最低功能要求包括:能源加工、信息存儲及複製。萊拉_能夠為自己的繁殖存儲並處理信息。非常複雜的分子,例如,脫氧核糖核酸、核糖核酸及蛋白質等使這些生物操作變為可能。在這篇文章中,我想就對生命而言必須的分子復雜性進行綜述,並說明為何對於不能控制的自然規則(有時以偶然和必須為特點)很難解釋這些生命分子的起源問題,通過這兩點來探究生命起源的奇跡。

    信息和生命的分子

    蛋白質、核糖核酸和脫氧核糖核酸都是長鏈聚合物。蛋白質分子是典型的聚合物分子,由一百到三百個被稱為氨基酸的小分子裝配塊(或物) 組成。在蛋白質中,共有二十個不同類型的氨基酸裝配塊,圖1列出了其中五個的示意圖。這些氨基酸起化學反應,形成聚合物長鏈,然後再折疊起來形成三維結構(如圖2所示)。正是這種獨特結構使不同的蛋白質能夠起到催化作用,使化學反應在生物系統內的速度快一百萬倍。


    圖1.不同氨基酸的五個圖表

    圖2.高分子鏈折疊成三維結構的蛋白質

    二十種不同的氨基酸序列決定了三維結構。在氨基酸可能的序列中,只有極少的一部分能夠生成有生物效用的三維結構。事實上,蛋白質氨基酸(例如,細胞色素C)能夠有正確序列的概率約為1:1060。這一點無論是在理論預測還是在實驗中都已得到證實。那麼活細胞中的氨基酸如何始終成功地裝配蛋白質呢?

    蛋白質在活細胞中提供重要的生物功能,脫氧核糖核酸和核糖核酸分子是取得蛋白質中氨基酸奇妙排列的關鍵。脫氧核糖核酸的編碼信息可用來為某有機體內不同蛋白質的氨基酸排序。信使核糖核酸(m-核糖核酸)分子從脫氧核糖核酸接到這一編碼信息,然後作為模板為超過三百種的功能蛋白質取得絕對正確的氨基酸序列。我們可以把脫氧核糖核酸看作每個細胞的計算機大腦;它控制着三百個甚至更多個不同蛋白質中的氨基酸序列,這些氨基酸依次控制着每個細胞生命所需的化學反應。化學家為大腸桿菌製作有正確編碼信息的脫氧核糖核酸分子需要460萬道指令,相當於800頁的資料。因此,儘管解決了排序不同蛋白質所需信息的來源問題,卻並沒有解決如此龐大信息的來源問題,而只是又把它轉給了脫氧核糖核酸(在第一生命系統中可能是核糖核酸)。脫氧核糖核酸中的龐大信息的來源(這一點體現在生命所需的分子複雜性中)是生命起源的關鍵之迷。

    在生命起源前的條件下製造脫氧核糖核酸,核糖核酸及蛋白質

    脫氧核糖核酸分子在蛋白質的幫助下複製自身,再通過核糖核酸,給各種氨基酸序列編碼,從而使生物系統中能量的有效利用成為可能。因此,脫氧核糖核酸、核糖核酸及蛋白質提供了生命的必要功能,即:信息存儲、複製及有效地利用能源。但第一個脫氧核糖核酸、核糖核酸及蛋白質是如何產生的呢? 50多年來關於生命起源的研究一直試圖解答這個問題。我們究竟知道了什麼?

    關於生命起源的研究始於二十世紀50年代,當時試圖化學合成組成蛋白質、脫氧核糖核酸(包括各種氨基酸、鹼基和糖)的基本分子裝配塊。米勒和尤里在所謂的早期地球條件下做實驗製作這些分子裝配塊的早期的成功,在80 年代停滯下來。因為,在那時發現早期地球的大氣中沼氣、氨氣及氫氣的絕對含量不高,而這些化學氣體被使用在他們的實驗中。在合理的生命起源前的化學環境下,人們不能製作出極少量的氨基酸及核糖。直到今天這些對生命必不可少的裝配塊的起源仍是個謎。

    第二個問題是, 生命起源前的地球的裝配塊本應被許多其他化學反應物所包圍,而這些化學反應物與裝配塊的反應應該比它們相互之間反應時速度快很多。除非可以避免這種破壞性的交叉反應,否則脫氧核糖核酸、核糖核酸及蛋白質的產生都是不可能的。

    第三個問題是將的裝配塊裝配成高分子鏈。例如,在化學反應中氨基酸可以以各種方式裝配,但只有一種連接相鄰氨基酸分子(即被稱為的化學鍵)的方法可以使高分子鏈有蛋白質的功能(請參見圖3)。相似的,在形成多核酸聚合體中,需要3-5磷酸二脂鍵,但2-5成鍵佔絕對主導作用,這是形成脫氧核糖核酸和核糖核酸的主要一步。

    圖3.形成鏈以便在高分子鏈中聯結氨基酸

    第四個難題在於氨基酸和糖是以右旋或以左旋的版本存在的事實。(參見圖4,除了它們是鏡像對稱,它們結構都是相同的)。所有氨基酸與任一版本的化學反應速度都相同,且反應也相同,但生物系統中只有左旋氨基酸和D-糖。我們怎麼可能從相同濃度的左旋氨基酸和D-糖的混合物中提取一百種甚至更多種的氨基酸? 就該問題,曾進行過廣泛的研究,但至盡仍沒有解釋。

    圖4.左旋和右旋氨基酸-鏡像對稱

    除了能夠在合理的生命起源前的條件下製作裝配塊,成功避開致命的交叉化學反應,並正確組裝裝配塊,得到左旋氨基酸或D-糖以外,就生命起源而言最具挑戰性的問題是如何取得蛋白質中氨基酸的正確序列,以及脫氧核糖核酸中給生物功能提供信息的鹼基的正確序列。如前所述, 大腸桿菌脫氧核糖核酸中的信息編碼相當於800頁的資料。儘管有人認為通過一段時間的化學篩選,這可能發生,但對於那些在偶爾出錯的情況下不可複製的分子系統及提供優先選擇功能的分子系統來說,不可能對其進行篩選。功能脫氧核糖核酸、核糖核酸或蛋白質可在篩選時通過複製錯誤而逐漸改進,但這對於複雜性甚至還不足以讓它承擔最小的功能的分子來說是沒有意義的。這就是先有雞還是先有蛋問題的分子版。

    總結

    米歇爾_的同時發展,在每個成分都發展到非常高級的階段並作為一個系統起作用之前,它們都沒有選擇優勢。生命的起源似乎是對生命系統的起源及發展的元敘述中最複雜的靜止例子。這些必要的表明分子複雜性的信息不可能是偶然或因需要而發展來的,而是需要智能原因,智能設計師及造物主。

    簡介:沃爾特_ 得克薩斯農業和工程大學力學工程系前教授和系主任,現任貝勒大學工程系傑出教授。他獲得得克薩斯奧斯叮分校材料科學博士學位。除了在專業期刊和材料科學和工程會議文集上發表了不得150篇論文,他還合著了幾部關於生命起源的開創性著作, 包括發表在辯論設計:從達爾文到脫氧核糖核酸(由威廉爾姆戴姆博斯科和麥克爾如斯主編)一書中的文章和由哲學圖書館出版的《生命的起源的秘密》。到今天為止,《生命的起源的秘密》一書仍是關於生命的起源的高級課本中的暢銷書。