認識生命 文章取材: NEWTON 科學世界(特稿)

破解“生命之謎”的兩項重大發現 什麼是DNA？ 在DNA中，有腺嘌呤 (A︰紅) ﹑鳥嘌呤(G︰綠)﹑胞嘧啶 (C︰黃)和胸腺嘧啶(T︰藍) 的4種分子(堿基)，它們像“字母”那樣排列成“文字”，其中包含了生物生長繁殖的全部資訊。具體說來，這4種堿基，A和T配對，G和C配對，構成雙螺旋“梯”的無數“梯蹬”。實際的DNA雙螺旋總是以非常複雜的方式折疊在一起，此圖解上沒有畫出折疊。

法蘭西斯‧克裏克， 詹娒士‧沃森 (1916-2004, 1928- ) 1953年，兩人根據莫里斯‧威爾金斯提供的X射綫照片分析出DNA的結構。克裏克，沃森和威爾金斯3人由於此項成果而獲得1962年度諾貝爾生理學或醫學獎。

斯坦利‧米勒 (1930-2007) 當時還是芝加哥大學的一名研究生的米勒在哈羅德‧尤裏教授的指導下，安排了一種他們所設想的原始地球的環境進行實驗，如他們所期望的那樣生成了氨基酸。現在主流觀點認為，原始地球大氣的主要成分應該是二氧化碳和氮等氣體。改用這種原始大氣進行模擬實驗，結果也得到了氨基酸，但是數量要比米勒的實驗少得多。

認識生命 DNA和蛋白質，對於完整生命至關重要的兩種物質 將營養轉化為能量，製造出構成生物體的材料 這裏圖解繒出了在細胞內部合 成蛋白質的過程(生命中心法則) 和獲得活動所必需的能量的方式。 製造蛋白質的中心法則對於所有的 生物都是相同的。可是獲得能量的 方式卻有好幾種。不過，所有生物 都是把ATP分子當做能量載體使用。

獲得能量的方式 生物從外部攝取營養物質使之發生化學反應而將它們分解，以此來獲得支持自身活動的能量。一切生物在這種獲得能量的過程中使用的都是同一種叫做ATP (三磷酸腺苷) 的能量載體。

生物使攝取的營養物質產生化學反應，形成ATP。此後生物就利用儲存在ATP中的能量來支持自身的活動。ATP的能量被使用以後，變為ADP(二磷酸腺苷)和磷酸。

探索生命的起源 簡單分子變成越來越複雜的分子，最初的生命終於出現了 現在的地球上棲息 著各種各樣不同的 生物，它們全都具 有DNA，它們體內 的蛋白質也全都是 由“氨基酸”等相 同的化學分子構成 的。這就意味著地 球上已經發現的超 過170萬種生物應該 全都是從一種“共同的祖先”分化而來。這個共同的祖先應該就是來自地球上最早的生命。

那麼，這種“最早的生命”是如何誕生出來的呢？ 俄國的生物化學家奧巴林在他於1922年出版的著作《生命的起源》中曾經提出過一種假說。他認為，“地球大氣和海洋中的那些簡單的分子互相碰撞，發生化學反應，產生出少量複雜的分子。這些複雜的分子後來聚集起來，便形成了最初的生命”。奧巴林認為簡單的分子通過化學反應而產生出生命的這種假說被稱為“化學進化說”。不過，在奧巴林發表他的這種假說的時代，還沒有辦法對他的這種化學進化說進行驗証。

迎年來，隨著對生物體內各種分子的作用的認識不斷深入，有一部分科學家己經在著手研究這種化學進化的具體過程。研究化學進化的目的是要得到前兩頁所介紹的那種“最初的簡單生命”。再現“最初生命的誕生”的研究也就是在研究如何製造出“人造生命”。

生物誕生自無生物 跨頁圖解繪出了如何由簡單的分子誕生出生命，然後再分化出各種各樣生物的過程。 分子進化的階段大致分為四步。最初，在原始地球上只有甲烷一類簡單的分子。不久，由這些簡單的分子形成氨基酸等稍微複雜一些的分子，它們是構成後來生命的材料。接下來，出現了DNA和蛋白質等構成生命的各種物質。最後，這些物質組合起來，終於誕生出了最初的生命。

探索生命的起源 先有DNA還是先有蛋白質？ 最初的生命必須具備記錄資訊的“設計圖”﹑完成化學反應的“裝置”和將自成與外部隔離開來的“膜”。這裏馬上就會產生一個問題—現在的生命中，起著“設計圖”作用的是DNA，起著化學反應“裝置”作用的是蛋白質︰在複雜DNA時必須要有蛋白質，而在製造蛋白質時又不能沒有DNA。 在製造蛋白質時，需要先讀取作為設計圖的DNA上的信息。只有根據這種資訊才能夠搬運來合適的氨基酸，將它們組裝成蛋白質。如果沒有DNA這種設計圖，就不可能將氨基酸正確地連接起來而形成複雜的蛋白質分子。

另一方面，在複雜DNA上的資訊時，必須先由蛋白質先把DNA的有兩條鏈的雙螺旋拆解開來得到單鏈。此後，再由另外的蛋白質利用DNA的構件來組裝出雙螺旋。DNA自身不過是設計圖，複雜DNA的工作則必須要由蛋白質來完成。 于是就有一個問題︰在由分子組合最初的生命的時候，先出現的是DNA還是蛋白質？ 接下來，我們就來介紹科學家為瞭解決這個難題所提出的各種假說。

蛋白質由DNA製造，DNA由蛋白質製造 跨頁圖解繪出了在現在生物的細胞內製造蛋白質和DNA的過程。(上側)表現的是按照DNA上的資訊製造蛋白質的過程。(下側) 表現的是由蛋白質製造DNA的過程。 “先有DNA還是先有蛋白質”的問題其實就是一個“先有雞還是先有蛋” 的問題。

探索生命的起源 假說1︰最初的生命具有的可能不是DNA而是RNA 如今的生命靠的是作為“設計圖”的DNA和作為“製造裝置”的蛋白質兩者互相支持來維持生命活動。可是，如果有一種既是“設計圖”又是“製造裝置”的某種物質的話，那麼它就有可能單獨完成複制。因此，科學家把目光投向了存在於DNA和蛋白質之間的那種物質—RNA。

RNA同DNA一樣，也是由大量的4種字母 (堿基) 掛列而成的長鏈分子，也是一種能夠起到“設計圖”作用的物質。不過，現在生物具有的RNA大多都比DNA短，而且只有一條鏈。 RNA與DNA的最大不同，是有一部分RNA能夠像蛋白質那樣起到完成化學反應的裝置的作用。1982年，美國的分子生物學家托馬斯‧切赫和加拿大的分子生物學家西德尼‧奧爾特曼果然發現了這種“能夠起到製造裝置 (酶) 作用的RNA”。這種RNA叫做“核酶”。

不過，RNA世界假說仍然需要回答一個難題︰像RNA這様複雜的分子最初又是如何出現的﹖ 基於這一發現，沃爾特‧吉爾伯特認為在原始地球上“有可能存在著能夠複制RNA的核酶”，並在1968年提出了一種被稱為“RNA世界假說”的理論。這種RNA世界假說的要點是︰“先是出現RNA(核酶) ，然後才有蛋白質和膜，從而誕生出最初的生命”。現在，這種RNA世界假說已經成為說明生命起源的最有說服力的一種理論。 不過，RNA世界假說仍然需要回答一個難題︰像RNA這様複雜的分子最初又是如何出現的﹖

探索生命的起源 假說1的難題︰像RNA這樣複雜的物質如何能夠在自然界形成？ 在原始地球上如何能夠製造出RNA呢？關於這個問題，科學家們提出了各種假說，並沒法用實驗來驗証在原始地球上是否能夠誕生出RNA。 把3種物質按照一定的規則組合起來就可以得到RNA。這3種物質分別是構成長鏈的“磷酸”﹑“糖”(核糖)，以及像字母一樣記錄資訊的4種“堿基”。這些構件，只要條件合適，全都可以在初期地球的海洋中形成。

假定在初期地球的海洋中已經有了這些組成RNA的構件，那麼，這些構件分子只需要按照一定的規則組合起來就可以形成RNA。但是，在初期地球的海洋中，這是分子十分分散，它們偶然聚集起來發生化學反應是一件很不容易的事情。更何況RNA不耐熱。在容易發生化學反應的熱環境，在連接成長鏈之前就會解體。

為了搞清楚這個問題，以佐斯塔克教授為代表，許多研究者都在用實驗來模擬初期地球上可能有的各種環境，希望找出適合于形成RNA長鏈的那種環境。實驗結果表明，只有在落潮後比較溫暖的灘塗﹑粘土層之間等少數地方，RNA才不會解體。

不過有許多科學家認為，與生物體內和在嚴格控制的實驗室裏不同，海洋中混雜有許多不相干的物質，很難想像在那樣一種環境真的能夠誕生出由確定的化學分子按照一定的規則排列形成的RNA。

在極特殊的環境能夠形成RNA 在原始地球上，RNA能夠在哪些地點形成呢﹖對於這個問題科學家們也有一些設想。 製造RNA必須依次完成3項工作。首先，需要制出RNA的構件 (1)︰其次，把這些構件連接成長鏈(2)︰最後對已經形成RNA進行複制(3)。

製造RNA的構件 RNA是由大量叫做“核苷酸”的“構件”連接起來的長鏈，而核苷酸則是由“核糖”(五碳糖)﹑“磷酸”和 “堿基”，這3種單元所組成。製造RNA必須先製造出核苷酸。在海洋火山的周圍聚集有各種各樣的糖，其中就包含有“核糖”(糖的一種)。海洋中沒有構成“磷酸”的元素磷，可以使用火山氣體中的磷。在積水和灘塗一類場所則不乏形成堿基的材料。在灘塗等環境，這3種單元就有可能組合成核苷酸。.

將構件連接起來 在粘土層之間的核苷酸，它們可以一起指向上方作整齊排列，連接成長鏈而成為RNA。可以認為粘土層向核苷酸提供了進行整理的“根據地”。 進行RNA複制 具有兩條鏈的RNA隨流水來到溫水域，被拆解開來變成兩條單鏈。此後來到冷水域，每一條單鏈遇到核苷酸，各自再變為雙鏈。這個過程反複進行，結果不是核酶的RNA也能夠不斷增殖。

探索生命的起源 假說2︰最初的生命有可能開始自蛋白質 另一種早就流行的觀點認為，在出現具有複雜結構的RNA以前早就出現了蛋白質。這就是“蛋白質世界假說”。按照這種假說，“先是海洋中的氨基酸互相碰撞，連接起來，形成了具有各種不同功能的蛋白質。那以後再製造出RNA，才出現了最初的生命。”

所有的蛋白質都是由20種氨基酸分子所組成。連接氨基酸的方式不同，於是就有各種各樣具有不同的特性的蛋白質。氨基酸比構成RNA的核苷酸穩定得多，比較耐熱。因此，在初期地球的各種各樣的環境中比較容易形成。

之前所介紹的米勒所進行的火花放電實驗就是一個例子。不過，初期地球的大氣並不是米勒在他的實驗中所摸擬的那種大氣，按照現在的觀點，初期地球大氣的主要成分應該是二氧化碳﹑一氧化碳和氮氣等。重做的實驗表明，在這樣的大氣中也能夠生成氨基酸，儘管生成的數量比米勒的實驗條件下少得多。此外，在有隕石墜入的海域和海底火山近旁的熱水噴出孔附近也都有可能形成氨基酸。甚至在宇宙空間也存在著各種氨基酸，例如在墜落到地球上的隕石上就發現過氨基酸。總之，在原始地球上，到處分佈著構成蛋白質的氨基酸。

可是，蛋白質假說也遇到了難題。那就是，氨基酸即使通過彼此碰撞隨機形成了蛋白質，但是它們幾乎全都沒有生命功能。要形成生命所必需的蛋白質，概率非常低。現在還無法肯定，氨基酸是否可以通過隨機碰撞誕生出最初的生命。

探索生命的起源 假說2的難題︰偶然出現構成生命的蛋白質的可能性究竟有多大﹖ 氨基酸通過互相碰撞形成蛋白質，可是在此之中，出現真正有用的蛋白質的概率究竟有多大呢﹖在2001年，美國分子生物學家安東尼‧基夫博士和佐斯塔克教授等人試著將100個氨基酸作隨機排列，結果排列出了約1萬億種不同的蛋白質。而且，這還只是再現了“蛋白質世界”的一部分可能性。他們進行這種排列的目的是為瞭解氨基酸通過碰撞隨機產生出具有特定功能的蛋白質的可能性究竟有多大。

事實上，有大約1萬億個不同的蛋白質中，能夠在生物體內發揮作用的蛋白質 (有用蛋白質) 便有數個而已。換句話說，在1千億個中還不到1個，概率極低。既然如此，那麼在蛋白質世界如何能夠得到生命所必需的許多種蛋白質呢﹖ 研究蛋白質進化的日本應慶義塾大學的柳川弘志教授認為，還有賴於存在著一種“借用”已經出現的那極少一部分有用蛋白質的機制。在這種“借用”中起到關鍵作用的是RNA。

探索生命的起源 假說3︰RNA和蛋白質各自獨立出現，後來才聚集到一起 除了前面介紹的兩種假說，還有一些科學家認為，“RNA和蛋白質也許是在地球上不同的地點各自獨立誕生出來的”。獨自誕生的RNA和蛋白質後來才聚集到一處共同“進化”。 RNA和蛋白質是如何進化的呢﹖柳川教授解釋說，“大概RNA和蛋白質剛聚到一處的時候並沒有分工，而是共同參與生命活動”。

那以後，RNA才逐漸增強了自己記錄生物資訊的能力，而蛋白質也提高了自己完成各種操作的能力，分別變成了各司其職的“設計圖”和“製造裝置”。最後，RNA把擔當“設計圖”的任務移交給了更善於其事的資訊分子DNA，才有了現在這種DNA和蛋白質互相依賴的“雞和蛋”的關係。

其實，在構成我們身體的細胞中就能夠看到在生命進化歷史的各個時期所遺留的殘餘物質，它們可以說是殘存的“分子化石”。 例如，細胞內部有一種叫做“核糖體”的物質。這種物質就是蛋白質和RNA兩者纏繞在一起共同發揮作用的“另類”分子。推測起來，它們大概是RNA和蛋白質在生命初期共同參與生命活動時期遺留下來的殘餘。

根據現在生物體內殘留的分子化石解讀生命的歷史 現在的生命，DNA負責記錄資訊，蛋白質負責幹具體工作，進行分工合作。DNA上的資訊需要由RNA複雜下來的進行傳遞。 但是，在我們的身體內也有像核酶﹑核糖體和端粒酶這樣一些不按照這種分工，自行其是的“另類”分子。據推測，它們大概是早期生命的殘餘。

原始地球 大約在35億年前，地球表面差不多全都覆蓋著海洋，只有很少的陸地。在那時的地球上，只有氨基酸連接成“肽”鏈，以及短RNA鏈等分子，成為生命要素的分子還沒有出現。 核酶 能夠記錄生物資訊的RNA，也是可以通過改變形成形狀對自身或者其他RNA施加作用的一種物質。 發現核酶，從進化和生物學兩個方面為支持吉爾伯特教授提出的RNA世界提供了有力証據。

核糖體 細胞內部根據DNA上的信息組裝蛋白質的一種物質。核糖體附著在包圍在細胞核周圍的內質網上，或者飄浮在細胞內的液體中。 核糖體由RNA和蛋白質相亙纏繞而成。因此，它很可能是在RNA世界和蛋白質世界兩者偶然相遇的那個短時期形成的分子的殘餘。

端粒酶 能夠將RNA上的資訊轉錄到DNA上的多種酶中的一種。 現在的生命是根據從DNA複制到RNA上的資訊來製造蛋白質，RNA不過起“仲介”作用。端粒酶則是反過來將RNA上的信息複制到DNA上。由此推測， 端粒酶很可能是在RNA將“設計圖”的功能移交給DNA那一時期起著重要作用的分子的殘餘。

探索生命的起源 假說4︰生命在包膜內部進化 除了DNA和蛋白質，生命還有一個要素是“膜”。現在的細胞膜是根據DNA上的信息製造出來的。 然而，有一種理論認為，在原始地球上也能夠自然形成簡單的膜。而且，形成那種膜的機制與形成肥皂泡的原理相同。

構建生物的細胞膜的物質是一種叫做“磷脂”的分子。磷脂由兩部分連接而成，一部分親近水 (親水基)，另一部分疏遠水 (疏水基)。漂浮在水中自由移動的磷脂分子匯集到一處時，它們的疏水基團會彼此拉起手來，與此同時親水基團排列在兩側，從而形成一種雙層膜。這種膜拼合成為球形，就是簡單的“細胞膜”。如今，生物細胞膜的結構已經發展得非常複雜，比如膜層內還嵌埋有蛋白質，但是，其基本結構仍然是上面所說的雙層膜。這一點與“原始膜”是一樣的。 在初期地球上形成這種簡單的膜同生命的誕生有什麼關係呢﹖

這種膜可以將漂浮在海洋中的RNA和蛋白質包裹起來，提供一個封閉環境。分散在海洋中的RNA和蛋白質只有限制在膜內的封閉環境才能夠反複不斷地進行化學反應，加速向生命進化。可以說，膜提供了生命進化的“天然實驗室”。

分子排列起來形成膜 由脂質分子構建膜的過程。為了便于看清分子的排列方式。圖中畫出的是膜的截面。 脂質分子由疏遠水的部分 (疏水基︰黃綠色棍) 和親近水的部分 (親水基︰粉紅色球) 構成。這些漂浮在海水中的脂質分子聚集在一起時，疏水基挨近疏水基，親水基挨近親水基，最后形成親水基在外層的雙層膜。

完 膜變大，發生分裂 膜受到刺激發生分裂的過程。與蛋白質或RNA不同，膜沒有設計圖也能夠增殖。 膜在內部包含有蛋白質和RNA的情況下同樣能夠發生分裂。蛋白質和RNA的增殖能力如果過低，在膜發生分裂時有可能出現內部沒有蛋白質和RNA的膜，這樣的膜就變成了“死細胞”。這可以說是一種自然淘汰。 完