1、分子与合成生物学论文学 院 化工学院 学 号 姓 名 专 业 班 级 2012 年 11 月 4 日生命的起源【摘要】：生命起源问题是自然科学面临的几个主要的未知基础科学问题之一。本文综述和分析了近几十年来国内外关于生命起源各种假说以及研究中存在的问题，指出生命起源的发展方向。同时也希望更多的人了解生命起源的相关知识，更多的人加入生命起源研究的行列。【关键词】：生命起源；生命起源假说；研究方向 1 生命起源研究的问题，研究意义以及对此进行的探索1. 1 生命起源研究的问题：生命起源的研究就是研究地球或其它星球上的非生命物质如何演变为原始生命的过程,以及如何用人工方法重现这种转化过程。在现代科学
2、中,生命起源、物质结构和天体演化问题被列为自然科学中三大基础理论课题。生命起源是一个高度跨学科的研究课题，其研究对象是发生在几十亿年前，在相当广阔的时空范围内,由非生命向生命转化的过程。1. 2 生命起源研究的意义：它的研究将使人类有可能更好地掌握生命的发生和发展规律,控制生物遗传性状,制造有益的新品种,更有效地利用自然资源等等。生命起源问题也是唯心主义和唯物主义两种世界观斗争的焦点之一,它的研究对发展和丰富辨证唯物主义宇宙观具有深远的意义。总之,生命起源问题的研究具有极其重大的理论和现实意义。1. 3 生命起源研究的探索：人类关于生命起源问题的研究已有数千年的历史。近半个世纪以来,学术界通过
3、各种途径开展生命起源问题的探索，概括起来有几个方面；模拟实验,探讨生命在地球上起源的自然历程；人工合成生命物质蛋白质和核酸；利用现代先进的空间技术,探索地外其它星球上生命物质的存在和生命起源问题；通过从古老岩层中发现的古生物化石,探讨地球上生命起源的时间问题。2 生命起源的各种假说 目前国际上流行的学说( 假说)甚多,基本可以分为两大类:一类是地表起源说,认为生命是在地球形成后若干亿年的原始地表起源的。另一类是地外起源说, 认为地球上的生命是由地外宇宙生命降落到地球上发展而来。但相比之下, “地表起源说”仍是今天“生命起源”研究或探索中的主流。两种假说的具体研究内容如下：2. 1 地表起源说“
4、地表起源说”实际上代表着一大类学说和观点，其主要依据是各种化学途径合成有机物的模拟实验或自然现象的观测材料。但内部观点很多,特别是在生命起源的具体环境或途径的认识上大家有着重大分歧。其中以“化学起源说”最具有代表性。具体内容如下：2.1.1 化学起源说：化学起源学说是以芝加哥的米勒（Stanley Miller）等人模拟原始海洋和大气放电合成氨基酸的实验为实验依据而确立的以“原始海洋的化学进化”为模式的学说。目前尽管对米勒放电实验合成氨基酸在生命起源中的意义仍然存在争论,但是对米勒放电实验在生命起源研究中的历史意义是没有任何争议的。因为米勒放电实验是第一个通过模拟实验探索生命起源的实验,它开创
5、了对生命起源问题的实验研究的新纪元。2. 1.2 粘土说：该学说是由凯恩斯史密斯于60年代提出的。在80年代后期，由美国宇航局阿米斯研究中心的科学家研究发现普通粘土中含有的能量能促使氨基酸合成并能使彼此联接形成更大的分子，从而被视为证实了该学说。2. 1.3 火山说：该学说是在粘土说之后提出的。1988年前苏联科学院的科学家发现某些火山喷发物中含有有机物，从而被视为证实了该学说。2. 1.4 海底热泉说：该学说是科学家们根据以下研究提出的生命起源假说。首先，在1977 年，美国科学家下潜到深达2500 m的加拉帕格斯裂谷海底时, 发现了海底热液喷发奇特的现象。之后，科学家们观察到的在完全缺乏阳
6、光的深海海底热液喷口周围环境中栖息着茂盛的、生机勃勃的生态群落。再加上海底热液喷口所具有的独特理化条件类似于地球早期的环境,以及喷口微生物具有的特殊生理生化特性,科学家们提出了该科学假说。2. 1.5 “温暖的小池塘”假说：2012年的最新研究显示，正如查尔斯达尔文 140 多年前所说，地球生命确实起源于陆地上一个“温暖的小池塘”，而并不是起源于海洋。最初的原始细胞可能是在充满冷凝蒸汽的池塘里开始发育的，地下热水或从地下蒸发出来的水泡造就了这些池塘。这项研究成果刊登在美国国家科学院院刊上，同生命起源于大海的普遍观点形成鲜明对比。该学说是由物理学家阿尔门穆尔基德加伊安和同事们提出的。因为他们研究
7、发现海洋并不含有培育生命所需的最稳定成分。他们还从美国黄石国家公园的温泉和间歇泉等内陆“孵卵处”提取了最简单的细胞进行分析。在这些地方，火山活动活跃，使蒸汽从地下冒出来。研究人员指出，这些排放物的化学成分和细胞的无机化学物质最匹配。德国奥斯纳布吕克大学教授穆尔基德加伊安指出:“相比深海热泉，陆地地热区域更适合于缩合反应，更易将阳光转化为一种能量来源。”此外，诺贝尔奖得主、哈佛大学科学家杰克绍斯塔克表示:“我认为，从生命起源的角度来说，海洋并不是个有利环境，而淡水池塘好像更适合一些。淡水池塘的盐浓度较低，这种环境对形成细胞膜的脂肪酸十分有利。”2. 2 地外起源说该学说认为地球生命起源于外星。长
8、期以来，人类运用天文学、深空探测及计算机模拟与统计等多种方法和手段在太阳系内的地外天体及太阳系外的类地行星上寻找地外生命。地外起源说也随着人类的探索显示出一定的可能性。美国航空航天局及欧空局的一系列探测器都发现火星土壤略呈碱性可能适宜生命的存在,火星大气正在不断释放可能由火星地质或生物作用产生的甲烷； 表面为巨厚的水冰覆盖的木卫二如果内部炽热, 则极有可能存在生命；而土卫六则非常类似现代生命起源理论中生命起源时的原始地球。对彗星的撞击探测结果表明, 其内部存在着有机物和黏土矿物, 可能给早期原始地球带来了有机物甚至生命； 对太阳系外的射电天文观测则发现了仅银河系中就有无数的类地行星。不仅如此,
9、 “寻找地外智慧生命计划”还试图通过倾听地外智慧生命的通讯信号和主动发射地球人类的通讯信号以和地外智慧生命取得联系。美国航空航天局发射了带有地球位置及生命信息的太阳系外探测器, 也做出了类似的努力。2004年， “星尘号”行星际探测器曾在240千米范围内收集到了威尔德二号彗星脱落的细微颗粒，并发现了碳氢化合物分子，这些都是生命起源的物质基础。2005年，在“深度撞击”航天器对坦普尔1号彗星的撞击中，研究人员发现了彗星中存在着有机体的混合物和粘土颗粒，而生命起源理论一直认为，作为催化剂，粘土颗粒可将简单的有机分子转变成更为复杂的结构。2007年，英国卡迪夫大学天文生物中心的查恩德拉教授领导的研究
10、小组对宇宙播种论进行了长时间的研究后在最近出版的天体生物学期刊上，发表了他们新的研究结果，他们在论文指出，人类生命很可能来自于太空。查恩德拉认为，放射性物质能够使水在彗星内部保持液体状态达上百万年，从而使彗星成为潜在的早期生命孵化器。他同时指出，在太阳系和其他星系中的数亿颗彗星上，都富含比早期地球更多的粘土，因此很显然，彗星比地球更适合产生生命。2011年3月美国航空航天局(NASA)马歇尔飞行中心的宇宙生物学家理德胡佛博士表示他已经解开了这个千古谜题，而且拥有直接的证据证实地球生命起源于外星。他在3月4日向美国福克斯新闻网透露，通过对一种名为“CI1碳基球粒陨石”的罕见陨石进行研究(这种陨石
11、在地球上仅有九枚)，他发现这种陨石上竟然有微生物的化石痕迹。这个惊人结论将发表在宇宙学学报上。从取得的探测结果和重要发现来看, 地外起源说也存在一定的可能性。地外可能存在着适宜生命产生及演化的条件, 这使我们看到了寻找地外生命的新曙光。但由于对地外生命形式认识的缺乏和深空探测技术的限制, 目前想要找到它们还是个极其艰巨的任务。3 国内关于生命起源的研究情况中国的生命起源研究起步晚,所以中国的生命起源研究还不是很多，但是也取得了可喜的成果。安徽农业大学教授周俊提出了生命起源的假说-同源说：地球上的生命起源与地球形成“同源学说”最初提出是 1988 年 ,近十多年来,随着研究的不断深入和资料的不断
12、积累,“同源说”也在不断发展和完善。“同源说”提出:地球上的生命并不是发生于地球形成数亿年后原始地表环境下的某种特定作用(如“化学起源说”提出的原始海洋中的化学进化)；也不是来自“宇宙生命胚种”的偶然输入(宇宙胚种论)；而是起源于地球形成(从弥漫态原始星云到凝聚态行星) 过程中，是地球形成中的天文(地外宇宙中的各种天文因素)、地内( 形成中的原始地球内部物质运动和相互作用)、地表(地球形成后原始地表所具有的物质和能量条件,特别是各种有机物的聚集混合与相互作用) 等各种因素综合作用的结果。中国科学院院士赵玉芬在生命中的磷现象一文中研究了磷在生命进化过程中的重要作用，并发现了氨基酸通过磷酰化后生成
13、短肽。王文清教授发现在米勒放电试验中加入三氢化磷，使氨基酸的产量及种类大大增加，王教授近年对手性起源问题也有了新的结果。中国科学院生物物理研究所王孔江小组在进行模拟生命起源的多肽合成反应中偶然发现，碱金属离子对酸性氨基酸，氯离子等对碱性氨基酸成肽反应的催化效应。成肽反应的另一个主要特点是主要促进长肽的形成同时减少短肽的形成。也就是说，海洋中最常见的盐（NaCl）可以有效催化氨基酸成肽并生成生命起源所需的长肽，这显然对于生命起源的长肽及蛋白质合成问题有重要意义。并且上述结果已经得到了国际学术界的初步承认。4 生命起源研究目前需要研究的问题：显然，关于生命起源，目前还没有一个能对所有已知事实和观测
14、材料能做出比较合理而圆满的解释，并能经受全部科学实践检验的学说。所以现在生命起源研究还有很多需要解决的问题。第一，关于现有学说依然存在的疑点问题：生命起源的研究到目前为止都众说纷纭，但是都没有完全的事实依据。就目前地表起源假说中的化学起源学说来说,米勒的模拟原始地球环境条件的实验以及随后的很多学者通过其他方法做的模拟实验中获得了很多氨基酸,但是在实验中进行人工合成的氨基酸均是D/L-构型的等量混合物,即没有光学活性的外消旋体。但是我们知道一切生物来源的蛋白质氨基酸均是L-构型的光学活性物质,按照以上实验的结果,原始地球的化学进化还需要经历光学活性选择阶段,才能成为合成蛋白质的原料。对此虽然进行
15、了很多研究，但没有一种理论得到公认。可见，生命物质手性的起源问题还有待解决。第二，关于生命起源的时间问题：即生命起源与地球形成相比的相对时间问题。地球上的生命究竟是在地球形成并准备好岩石圈，原始地壳，大气圈，水圈和相对适宜的地表条件之后，才在这样的环境中经过化学进化而起源？还是直接接受了宇宙外星生命的输入？还是在地球形成过程中，伴随着地球的形成逐步由无机物到有机物，直至生命？第四，关于生命和有机物起源相对关系的问题：问题集中在生命和有机物在起源或发生上谁先谁后，谁依赖谁的问题上。在地球上，究竟是先有了生命的起源，再由生命创造了有机物，继而形成了有机圈（地外起源说）？还是先有的有机物的起源，才有
16、了生命的起源（地表起源说）？很多学者同意后者，但是这是需要科学依据的,不能判定谁对谁错。5 生命起源研究的发展方向根据目前学说的发展情况来看，生命起源的研究会依然朝两个方向发展：地表起源和地外起源。而对于地表气源说，由于化学起源学说更受到大家的认可，所以化学起源说中亟待解决的手性起源问题便会成为生命起源研究的发展方向。2010年4月科技日报报道，一个由日本、英国、澳大利亚和美国科学家组成的国际联合研究小组发布消息说，他们在著名的恒星诞生地猎户座星云中，对一颗新近诞生的、质量约为太阳25倍的大质量恒星IRc2进行了仔细观测，发现其特殊红外光在太阳系面积400倍以上的范围内扩散。这是人类首次观测到
17、特殊红外光分布面积如此广阔，有可能会揭开地球生物的蛋白质对映体（镜像异构体）为何呈现左型氨基酸之谜。而对于地外起源说,随着空间科学和技术的发展,世界空间科学强国都制定了地外生命探索的线路图，加快了对地外探索的步伐。从取得的探测结果和重要发现来看,地外可能存在着适宜生命产生及演化的条件,这使我们看到了寻找地外生命的新曙光。但由于对地外生命形式认识的缺乏和深空探测技术的限制,目前想要找到它们还是个极其艰巨的任务。参考文献：1 On the Origin of Life on Earth Published by AAAS英文刊名：SCIENCE 20092 地球上生命的起源作者： 米勒S L， 奥
18、吉尔L E等。彭奕欣译，科学出版社，1981 3 生命现象中的磷作者：赵玉芬，李艳梅作者单位：清华大学化学系刊名：生命科学 英文刊名：Life Sciences年，卷（期）：1993, 5(2)4 海底热液活动与生命起源作者：周怀阳，李江涛，彭晓彤作者单位：同济大学海洋地质国家重点实验室刊名：自然杂志 年，卷（期）：2009, 31(4)5 新观点挑战生命起源传统认知刊名：科技导报年，卷（期）：2012, 30(7)6 生命起源于陆地而非海洋 作者：穆尔基德加伊安 作者单位：德国奥斯纳布吕克大学 2012 年刊登在美国国家科学院院刊7 寻找地外生命的进展与前景作者：向世民，黄定花，高举，林鑫波
19、作者单位：中国地质大学刊名：地质科技情报 英文刊名：Geological Science and Technology Information年，卷（期）：2009, 28(6)8 生命起源与地外生命探索作者：刘志恒作者单位：中国科学院微生物研究所 北京 2009 年 8 月在中国空间科学学会第七次学术年会上发表9 关于生命起源研究的问题及其主攻方向的探讨作者：王浆克，钟月明，廖金凤作者单位：中山大学地质系，广州刊名：地球科学进展 年，卷（期）：1995, 10(2)10 生命起源问题作者:王孔江作者单位：中国科学院生物物理研究所，北京 2006 年发表在中国科学基金第 4 期 11 关于地球生命起源“同源说”作者：周俊作者单位：安徽农业大学刊名：自然杂志 12 关于生命起源研究的问题及其主攻方向的探讨作者：王浆克，钟月明，廖金凤作者单位：中山大学地质系，广州刊名：地球科学进展 年，卷（期）：1995, 10(2)
