化學起源說

化學起源說是人們普遍接受的生命起源假說，由奧巴林和霍爾丹提出，這一假說認為，地球上的生命是在地球溫度逐步下降以後，在極其漫長的時間內，由非生命物質經過極其複雜的化學過程，逐漸地演變而成的。最終，以生化系統和遺傳系統的建立為標誌的細胞得以誕生。

基本介紹

• 中文名：化學起源說
• 外文名：Theory of chemical evolution
• 學說性質：起源說
• 屬性：化學與生物化學反應
• 階段性：將生命的起源分為四個階段

化學起源的階段

化學起源說將生命的起源分為四個階段。

第一個階段

從無機小分子生成有機小分子的階段，即生命起源的化學進化過程是在原始的地球條件下進行的。需要著重指出的是米勒的模擬實驗。在這個實驗中，一個盛有水溶液的燒瓶代表原始的海洋，其上部球型空間裡含有氫氣、氨氣、甲烷和水蒸汽等“還原性大氣”。米勒先給燒瓶加熱，使水蒸汽在管中循環，接著他通過兩個電極放電產生電火花，模擬原始天空的閃電，以激發密封裝置中的不同氣體發生化學反應，而球型空間下部連通的冷凝管讓反應後的產物和水蒸汽冷卻形成液體，又流回底部的燒瓶，即模擬降雨的過程。經過一周持續不斷的實驗和循環之後。米勒分析其化學成分時發現，其中含有包括5種胺基酸和不同有機酸在內的各種新的有機化合物，同時還形成了氰氫酸，而氰氫酸可以合成腺嘌呤，腺嘌呤是組成核苷酸的基本單位。米勒的實驗試圖向人們證實，生命起源的第一步，從無機小分子物質形成有機小分子物質，在原始地球的條件下是完全可能實現的。

米勒實驗裝置

第二個階段

從有機小分子物質生成生物大分子物質。這一過程是在原始海洋中發生的，即胺基酸、核苷酸等有機小分子物質，經過長期積累，相互作用，在適當條件下（如黏土的吸附作用），通過縮合作用或聚合作用形成了原始的蛋白質分子和核酸分子。

第三個階段

從生物大分子物質組成多分子體系。這一過程是怎樣形成的？前蘇聯學者奧巴林提出了團聚體假說，他通過實驗表明，將蛋白質、多肽、核酸、明膠、阿拉伯膠和多糖等放在合適的溶液中，它們能自動地濃縮聚集為分散的球狀小滴，這些小滴就是團聚體。奧巴林等人認為，團聚體可以表現出合成、分解、生長、生殖等生命現象。例如，團聚體具有類似於膜那樣的邊界，其內部的化學特徵顯著地區別於外部的溶液環境。團聚體能從外部溶液中吸入某些分子作為反應物，還能在酶的催化作用下發生特定的生化反應，反應的產物也能從團聚體中釋放出去。另外，有的學者還提出了微球體和脂球體等其他一些假說，以解釋有機高分子物質形成多分子體系的過程。

第四個階段

有機多分子體系演變為原始生命，包括以生化系統和遺傳系統的建立為標誌的細胞的誕生。這一階段是在原始海洋中形成的，是生命起源過程中最複雜和最有決定意義的階段。目前，人們還不能在實驗室里驗證這一過程。

達爾文—生命起源的溫暖小水池

1871年，英國博物學家達爾文在寫給英國植物學家胡克（Joseph Dalton Hooker）的一封信中談到了生命起源的問題，他寫道，“人們常說初次產生生物的一切條件現在都具備，過去也會是如此。然而如果（好傢夥！這是多么偉大的如果！）我們能夠想出某一個溫和的小池塘，並有氨、磷酸鹽、光、熱、電等所有的東西，並想像形成了某種蛋白質似的化合物，準備經歷更複雜的變化；在現在情況下這樣的物質將會立刻被吞食或吸收，這種情形在生物形成之前是不會發生的”（邁爾1990）。

達爾文的溫暖小水池

達爾文關於生命可能起源自溫暖小水池的觀點現在都還受到一些學者的追捧。雖然20世紀的實驗科學已經證實，在合適的光、熱或電的條件下，由無機物（氨等）確實可以形成有機分子（胺基酸、肽類），但這實際上離揭示真正的生命起源還相差甚遠。

美國化學家夏皮羅（Robert H. Shapiro，1935年－2004年）在1986年的著述中注意到達爾文上面這段似乎不經意的說法，“竟然與今天的知識相當符合，如果不是因為他有遠見，就是說明多年來生命來源的研究沒有什麼進步”（詹腓力1999）。

細胞的誕生

但是，到底細胞是如何起源的呢？這是生命起源面臨的最大難題。第一個細胞的起源也就宣告了地球上生命的起源，因此，從這種意義上來說，細胞的起源就等同於生命的起源。最近，謝平（2014）提出了細胞的光養起源假設。在一定意義上來說，生命的起源始於有機物質的個性化體系的建立，或者說，沒有個性便不會有真正生命的誕生。試問，如果有機分子只是飄忽無定地在“湯”中蕩漾，怎會出現現在的生命？哪種生命不以個體形式而存在呢？因此，能導致獨立生命系統形成的簡單的質膜結構的出現（不論通過何種機制或過程）必定是細胞進化的最關鍵的一步。不僅需要前細胞體整體的獨立性，一些重要生命過程（特別是光合作用）也需要細胞內的獨立性，即需要內膜系統，看看藍細菌的專門的光合機構—類囊體就是如此。

在具備簡單膜結構的前細胞體中，光合作用指向的選擇過程促進主要生命物質的功能分化—脂質構建細胞膜、蛋白質主要扮演催化者、DNA儲存遺傳信息、RNA構成DNA與蛋白質之間的橋樑、糖類暫時性儲存光合作用轉化而來的化學能……。這不完全只是隨機過程（雖然在很大程度上是），它更是具有目的性指向（最有效的太陽光能利用）的化學性與生命性的巧妙融合，它為生化反應的秩序化與生命過程的程式化鋪墊了基石。

在這裡，借用艾根所描繪的反應循環→催化循環→超循環的發展模式。生命通過具有限時性的所謂“永恆”的反應循環，基於一系列複雜而精緻的正負反饋關係，連線成一種時限性的生命平衡系統，以便能最有效地將太陽光能轉化成化學能。看看藍細菌的光化學反應中心發生的若干循環反應（水的裂解、電子的循環傳遞等）、碳的固定（卡爾文循環）和呼吸（三羧酸循環）……以及這些循環之間的連線與正負反饋調控等，這就是生化反應的秩序化過程。

一種可能的細胞起源與演化機制

生命的另一個本質特徵就是將遺傳物質指揮生命構建過程程式化，即將生命構建過程信息化地儲存於DNA之中，這是個性化的生命獲得自我繁殖特性必須邁出的重要一步。最後是細胞分裂機制的逐漸形成，這得益於細胞膜的半通透性（小分子養分的進入與大分子碳水化合物的堆積），以及二者之間的矛盾及其必然的結果—細胞破裂過程的無數次重複。精確而周期化的細胞分裂才能使穩定的遺傳成為了可能，這時像我們在現存生物中能所見到的細胞才成功地誕生了，細胞運行機制才得以程式化了。

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