充滿爭議的生命起源假說：源自礦物晶體而非DNA有機(jī)分子

夕陽紅 2024-06-03 18:20:53

2016年09月06日訊據(jù)國外媒體報(bào)道

，1966年

，一位年輕的化學(xué)家提出了一個(gè)頗有爭議的地球生命起源假說

。50年過去了

，他的理論是否得到了某種程度的驗(yàn)證

？從表面上看

，毫無生氣的石頭似乎怎么也無法和生命聯(lián)系在一起

，畢竟只有在受到?jīng)_擊的時(shí)候

，石頭才會(huì)移動(dòng)一下

。但是

，石頭內(nèi)部的礦物是否與生命的起源存在聯(lián)系呢？化學(xué)家格雷厄姆·凱恩斯-史密斯的整個(gè)科學(xué)生涯都在推動(dòng)一個(gè)簡單而又充滿爭議的理論：生命并不是來源于類似脫氧核糖核酸（DNA）的有機(jī)分子

，而是來源于簡單的礦物晶體

。

如今，距離凱恩斯-史密斯第一次提出生命起源的觀點(diǎn)已經(jīng)過去了半個(gè)世紀(jì)

。一些科學(xué)家嘲笑他

；另一些則謹(jǐn)慎地，或者全心全意地表示贊同

。這些觀點(diǎn)從未成為主流學(xué)說

，但也從未被完全拋棄。那么

，凱恩斯-史密斯的驚人理論有哪些合理的地方

？生命是否真的起源于礦物晶體？

凱恩斯-史密斯現(xiàn)年85歲

，與妻子多蘿西居住在英國格拉斯哥郊區(qū)

。他患有一種與帕金森氏癥有關(guān)的罕見疾病，行動(dòng)不便

。然而

，他在科學(xué)上的好奇心和對生活的幽默感并沒有消退。他的科學(xué)著作

，以及他繪制的科學(xué)草圖

，擺滿了他家樓上的書房--與他家里的繪畫作品一樣多。20世紀(jì)50年代

，當(dāng)凱恩斯-史密斯在愛丁堡大學(xué)求學(xué)的時(shí)候

，他開始對生命起源的問題產(chǎn)生了濃厚的興趣。

盡管學(xué)習(xí)的是有機(jī)化學(xué)

，但凱恩斯-史密斯知道

，生命的基礎(chǔ)分子--如DNA和蛋白質(zhì)--會(huì)變得非常脆弱并迅速變化。因此

，這些復(fù)雜的分子是如何從含有簡單化合物的原生湯中形成的呢

？科學(xué)家至今都對這一問題充滿困惑。

在1953年發(fā)表的一項(xiàng)研究--DNA結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)的同一年--中

，一位名為斯坦利·米勒的生物化學(xué)家對模擬的地球早期氣體和液體混合物進(jìn)行了電擊

。實(shí)驗(yàn)的結(jié)果令人震驚，簡單的化學(xué)物質(zhì)經(jīng)過電擊后形成了更為復(fù)雜的分子

，有些正是生命的基礎(chǔ)：氨基酸--蛋白質(zhì)的組成單元

。

這一實(shí)驗(yàn)成為了新聞報(bào)道的頭條。當(dāng)時(shí)《時(shí)代》（Time）雜志的封面上寫著“科學(xué)：半個(gè)造物主”（Science： Semi-creation）

。米勒的論文成為科學(xué)史上里程碑式的文章

。但是，對凱恩斯-史密斯來說

，這個(gè)實(shí)驗(yàn)所引出的問題要遠(yuǎn)多于給出的答案

。

盡管米勒在實(shí)驗(yàn)中獲得了一些最基本的生命分子，但他的實(shí)驗(yàn)并未解釋這些分子以及其他生命基礎(chǔ)分子--如形成DNA的核苷酸--如何以一定的順序出現(xiàn)

，從而形成生命形成所需的復(fù)雜分子

。

在米勒的實(shí)驗(yàn)中，“較簡單的分子更容易出現(xiàn)

，并且比復(fù)雜分子更容易形成

，”凱恩斯-史密斯說，“要制造出一個(gè)核苷酸分子的想法是荒謬的

。分子越復(fù)雜

，它形成的可能性就越小?div id="jfovm50" class="index-wrap">！睂P恩斯-史密斯來說

，這是真正的問題所在。他認(rèn)為

，在我們精妙的遺傳材料系統(tǒng)出現(xiàn)之前

，還存在著另一個(gè)不同的階段。

“這是個(gè)非常有趣的實(shí)驗(yàn)

，”凱恩斯-史密斯說道

。他將該實(shí)驗(yàn)形容為“美麗的”，但并不足以滿足他的好奇心

。于是

，他決定回到一些基本的東西。凱恩斯-史密斯問了自己兩個(gè)問題：對一個(gè)生命系統(tǒng)來說有哪些必要的特征

，這些特征是否能在其他地方找到

，而不僅僅局限于我們目前所知的生命形式？

他的目標(biāo)是找到一個(gè)比現(xiàn)代生命簡單得多的系統(tǒng)

，但又擁有生命系統(tǒng)的一些最關(guān)鍵的特征

。他在一個(gè)很不尋常的地方找到了答案：黏土。提到黏土

，我們大多會(huì)想起陶瓷廠或?qū)W校里的制陶課

。一般的印象中

，黏土只是一種潮濕的、沙礫很細(xì)的泥土

。但是

，凱恩斯-史密斯認(rèn)為，黏土并不僅僅如此

。在某種抽象的意義上

，黏土其實(shí)很像生命。

如果在顯微鏡下觀察黏土

，你會(huì)發(fā)現(xiàn)它由微小的晶體組成

。在每個(gè)晶體中，原子以某種結(jié)構(gòu)排列

，并以緊密壓縮的規(guī)則形式不斷重復(fù)

。只要條件合適

，比如放在含有相同化學(xué)成分的水體中

，晶體都會(huì)生長

。晶體還會(huì)分裂，一個(gè)“母”晶體會(huì)產(chǎn)生“子”晶體

。

晶體甚至還擁有自己的特質(zhì)

，并會(huì)將這些特質(zhì)傳給子晶體--很像生物將性狀遺傳給后代。有時(shí)候

，當(dāng)晶體分裂的時(shí)候

，也會(huì)引入新的特質(zhì)，比如由斷裂壓力導(dǎo)致的新形態(tài)

。這一點(diǎn)與生物的遺傳突變很相似

，生物的新性狀正是來源于突變。換句話說

，凱恩斯-史密斯推理得出

，晶體的基本特征意味著它們是生命演化開始前的最初形態(tài)。

當(dāng)晶體將某些特質(zhì)傳遞給子晶體時(shí)

，這些特質(zhì)可能幫助也可能妨礙新晶體的產(chǎn)生

。例如，子晶體可能最終會(huì)變得更容易分裂成兩塊晶體

。如果晶體的特征影響了它分裂的能力

，那就相當(dāng)于這塊晶體擁有了某種演化優(yōu)勢。

在某種程度上

，晶體的物理裂縫（或者稱其為特質(zhì)）可以被視為遺傳信息

。因此，凱恩斯-史密斯認(rèn)為

，晶體礦物可以被視為受制于一種簡化的自然選擇演化形式

。這一理論現(xiàn)在被稱為“晶體等同基因假說”（crystals-as-genes hypothesis）

。

凱恩斯-史密斯提出，在后來的階段

，DNA等生物分子開始與晶體結(jié)合

。這促進(jìn)了復(fù)制過程。最終

，一種“遺傳取代”發(fā)生了：生物分子發(fā)展出了自我復(fù)制的能力，并離開了晶體

。凱恩斯-史密斯將這些推理發(fā)表在半個(gè)世紀(jì)前（1966年）的一篇論文中

。

他的理論很優(yōu)雅，但存在一個(gè)嚴(yán)重的問題：幾乎無法找到檢驗(yàn)的方法

。50年來

，只有屈指可數(shù)的幾個(gè)實(shí)驗(yàn)對凱恩斯-史密斯的假說進(jìn)行了探索。

德國慕尼黑大學(xué)的迪特爾·布朗（Dieter Braun）表示

，問題的棘手之處在于沒有任何實(shí)驗(yàn)技術(shù)能夠在如此微小的尺度上

，對凱恩斯-史密斯提出的過程進(jìn)行檢驗(yàn)。研究者必須在水中對納米尺度的晶體進(jìn)行小心翼翼的觀察

，獲得它們在數(shù)天時(shí)間里的變化情況

。“這在技術(shù)上非常困難

，”布朗說道

。

布朗稱，我們可能需要某種類似基因測序的技術(shù)

，像“讀取”DNA編碼一樣對晶體進(jìn)行研究

。“我們花了40年才終于能快速地對DNA進(jìn)行測序

，”他說道

。此外，遺傳學(xué)家擁有強(qiáng)烈的動(dòng)機(jī)去完善DAN測序

，因?yàn)檫@意味著新的醫(yī)療方法

。研究黏土晶體則可能會(huì)同樣困難，同樣昂貴

，但不會(huì)帶來實(shí)際的好處

。

即使如此，至少凱恩斯-史密斯的假說有一部分還是得到了驗(yàn)證

。20世紀(jì)80年代中期

，美國紐約大學(xué)的結(jié)晶學(xué)家巴特·卡爾（Bart Kahr）在一家商店中無意間翻到凱恩斯-史密斯的著作，才第一次了解到他的假說

?div id="m50uktp" class="box-center"> ！拔覑凵狭四潜緯?div id="m50uktp" class="box-center"> ，因?yàn)樗c通常的科學(xué)著作太不一樣了，”卡爾說

，“它里面獨(dú)特的新觀點(diǎn)多得令人難以置信

，而且?guī)缀跏且砸环N文學(xué)式的筆法寫成的?div id="m50uktp" class="box-center"> ！?/p>

卡爾第二次看到這一假說是在21世紀(jì)頭十年的中期

，當(dāng)時(shí)該假說受到強(qiáng)烈的批評?div id="m50uktp" class="box-center"> ！拔腋械胶艹泽@

，25年之后，人們還是會(huì)談?wù)摗w等同基因理論’

，只是為了將其駁倒

，稱不存在任何能夠證明該理論的證據(jù)，”卡爾說

，“這就像一個(gè)一直不倒的稻草人

，每個(gè)人都覺得自己必須知道，但只是為了輕蔑地表示反對

，因?yàn)樗鼜奈幢粰z驗(yàn)過

。”

卡爾決定在自己的實(shí)驗(yàn)室里檢驗(yàn)這一假說

。他希望追蹤母晶體如何將特質(zhì)傳遞給子晶體的過程

，以確定黏土晶體中是否存在遺傳現(xiàn)象。他決定將重點(diǎn)放在一種被稱為“螺紋位錯(cuò)”（screw dislocations）的晶體特征上

。在晶體內(nèi)原本規(guī)則排列的晶面

，有一部分被輕微地?cái)D出，形成一條垂直晶面的位錯(cuò)線

。位錯(cuò)是在晶體生長的過程中出現(xiàn)的

，而晶體內(nèi)部的位錯(cuò)會(huì)呈現(xiàn)出獨(dú)特的模式。

凱恩斯-史密斯將這種不規(guī)則比作老式計(jì)算機(jī)的打孔卡片

。他提出

，這些位錯(cuò)可以像卡片上的孔洞一樣保存信息?div id="4qifd00" class="flower right">

？栂Ｍ麢z驗(yàn)的是

，這種位錯(cuò)模式能否被子晶體繼承，以及當(dāng)子晶體斷裂時(shí)會(huì)產(chǎn)生多少“突變”--新的位錯(cuò)

。

為了避免布朗所預(yù)見的實(shí)驗(yàn)困難

，卡爾采用的是鄰苯二甲酸氫鉀晶體。該晶體比黏土晶體更容易操作得多，“黏土基本上都是很糟糕的晶體

，”卡爾說道

。卡爾及其團(tuán) 隊(duì)開發(fā)出了一種繪制母晶體和子晶體內(nèi)部位錯(cuò)的技術(shù)

。他們發(fā)現(xiàn)

，從母晶體到子晶體的位錯(cuò)模式可以很清楚地繪制出來。他們的結(jié)果于2007年發(fā)表

。

然而

，他們驚訝地發(fā)現(xiàn)，子晶體在斷裂之后出現(xiàn)了眾多的額外缺陷

。子晶體內(nèi)部充滿了這些所謂的“突變”

，并且新的位錯(cuò)至少和繼承而來的位錯(cuò)一樣多。這一結(jié)果給凱恩斯-史密斯的理論出了個(gè)難題

。如果晶體是逐漸演化的，那就要求遺傳多于突變

，這樣母晶體才能對子晶體的位錯(cuò)模式施加更強(qiáng)的影響

。

“要使這一假說變得有說服力，你就無法在一個(gè)世代內(nèi)從青蛙直接變成猴子

，”卡爾說道

。較少的“突變”會(huì)更像“我們現(xiàn)在所知的生命”。不過

，卡爾并不是唯一對凱恩斯-史密斯的假說進(jìn)行探索的人

。

麗貝卡·舒爾曼是美國約翰霍普金斯大學(xué)的一位生物工程師，她同樣受到“晶體等同基因假說”的啟發(fā)

。在過去十年中發(fā)表的一系列研究中

，她設(shè)計(jì)了一個(gè)將信息編碼于晶體結(jié)構(gòu)中的系統(tǒng)。她并沒有使用自然出現(xiàn)的礦物晶體

，而是使用納米尺度的DNA“瓦片”結(jié)構(gòu)

。

這種DNA攜帶信息的方式與我們細(xì)胞內(nèi)的DNA不同。相反

，舒爾曼像使用魔術(shù)貼一樣

，將“瓦片”連接在一個(gè)晶體結(jié)構(gòu)中?div id="d48novz" class="flower left">

！巴咂钡捻樞蚓桶畔?div id="d48novz" class="flower left">

。“如果我們可以基于非常簡單的

、已知晶體必須遵循的物理規(guī)律

，建造出某種晶體，那就可以想象出可行的，在相對簡單的環(huán)境中可能出現(xiàn)的演化過程

，”舒爾曼說道

。

舒爾曼通過計(jì)算機(jī)模擬和后續(xù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，DNA“瓦片”能以特殊的形式堆疊起來

，在晶體結(jié)構(gòu)中有效地加密信息

。她已經(jīng)找到了一種在晶體形式下呈現(xiàn)和復(fù)制信息的方法。她的發(fā)現(xiàn)在理論上對生命起源的研究非常有用

?div id="jfovm50" class="index-wrap">！霸诤艽蟪潭壬希鹪囱芯康牟糠帜繕?biāo)其實(shí)是在問如何在化學(xué)上設(shè)計(jì)出一個(gè)信息能夠被復(fù)制的系統(tǒng)

，”舒爾曼說道

。

然而，舒爾曼的研究并沒有證明凱恩斯-史密斯的理論是正確的

。首先

，她的實(shí)驗(yàn)并沒有使用黏土。更重要的是

，實(shí)驗(yàn)室中行得通的過程并不一定就是地球生命出現(xiàn)時(shí)的情形

。對于“晶體等同基因假說”，需要有更加嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)了

。凱恩斯-史密斯自己嘗試了許多年

，但進(jìn)展寥寥?div id="jfovm50" class="index-wrap">！八麩o法再獲得資助了

，”多蘿西說道。擺在申請研究資助之前的一大阻礙是

，他的工作涉及到太多不同的學(xué)科了

。

“有一次我們?nèi)ゼ永Ｄ醽啠窭蚰吩陂T洛帕克地質(zhì)調(diào)查局做了演講

，”多蘿西說

，“他們說，好

，你的地質(zhì)學(xué)還可以

，但我不認(rèn)為你的化學(xué)是對的。之后他到美國航空航天局做了一次化學(xué)方面的演講

，他們說

，好，你的化學(xué)不錯(cuò)

，但我們不是很確信你的生物學(xué)

。再后來，他到加州大學(xué)伯克利分校演講，他們說

，好

，你的生物學(xué)可以，但我不確定你的地質(zhì)學(xué)怎么樣

?div id="jpandex" class="focus-wrap mb20 cf">！?/p>

凱恩斯-史密斯在科學(xué)記者和大眾媒體中找到了更加熱心的聽眾。一些科學(xué)家也表現(xiàn)出了興趣：演化生物學(xué)家兼科學(xué)作家理查德·道金斯在1986年出版的《盲眼鐘表匠》（The Blind Watchmaker）中就討論了“晶體等同基因假說”

。

最終

，在出版商的鼓勵(lì)下，凱恩斯-史密斯開始撰寫一本闡述自己理論的大眾科普書

。這本名為《生命起源的七條線索》（Seven Clues to the Origin of Life）的書于1990年出版

。該書的寫作風(fēng)格如同在描寫一樁神秘的謀殺案，雖然是有機(jī)化學(xué)的內(nèi)容

，卻非?div id="jpandex" class="focus-wrap mb20 cf">？廴诵南摇?/p>

凱恩斯-史密斯稱自己很享受為更多讀者寫作的過程

，因?yàn)槟軐⒁粋€(gè)觀點(diǎn)更加簡單

、直觀地說出來，令他感覺很滿足

?div id="jfovm50" class="index-wrap">！拔覍τ行┤烁械綐O其失望

，他們認(rèn)為那些更加復(fù)雜的理論更可能是真的

，”他說道。

但是

，盡管做了許多努力

，他的理論最終還是無法進(jìn)入科學(xué)主流?div id="jfovm50" class="index-wrap">！拔腋械胶芾Щ?div id="jfovm50" class="index-wrap">，為什么科學(xué)中有些東西會(huì)變得很受歡迎，另一些則不受關(guān)注

，”卡爾說

，“這里面并沒有公眾品味的原因?div id="jfovm50" class="index-wrap">！辈贿^

，即使凱恩斯-史密斯的驚人理論從未獲得成功，但它還是在兩個(gè)方向上影響著生命起源的研究

，即使是在今天

。

首先，這些理論引出了生命是由什么組成的問題，并提供了一種無需常見分子--如DNA--而出現(xiàn)類似生命過程的方式

。其次

，凱恩斯-史密斯的多學(xué)科研究--結(jié)合了生物學(xué)、化學(xué)和地質(zhì)學(xué)--遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了當(dāng)時(shí)的年代

。

“截至目前

，生命起源的研究其實(shí)還是化學(xué)主導(dǎo)的，”布朗說道

。但是