1969年的陨石碎片,说明了或许人类是由星尘组成

不妨在家里尝试一个令人惊奇的实验。把小麦放入容器中,并用髒内衣封住开口静置21天,你就会看到老鼠出现。不只有新生的小鼠,还有成鼠。别大惊小怪,起码这是17世纪医师兼化学家扬・巴普蒂斯塔・凡赫芒(Joan Baptista Van Helmont)的描述。(他也曾说过,将罗勒置于两块砖头之间,经过阳光的照射,就会出现蝎子。)

凡赫芒不是第一位提出此假说的人,自然发生说(spontaneous generation)至少可以追溯到亚里斯多德,但凡赫芒却是最后一群提倡者之一。现在若有科学家提出小麦与内衣共同合作创造新生命,肯定被视为疯子永不得翻身,但凡赫芒草率的实验并没有造成太大骚动,1644年过世时,他仍是一位备受尊敬的人。自然发生说在当时广被大众接受,他的实验只是验证了明显存在的事。

凡赫芒过世几十年后,意大利医师弗朗切斯科・瑞迪(Francesco Redi)向世人展示类似的实验如何完成。他将肉块置入广口瓶中,经过一段充足的时间后,瓶子里爬满了蛆。然而这并非自然发生的,如果瑞迪用棉布封住广口瓶,苍蝇就无法在肉里产卵,也就不会产生蛆。

瑞迪促使自然发生说加速式微,17世纪的荷兰人安东尼・范・雷文霍克(Antonie van Leeuwenhoek)也是如此。他是布商,同时是一名镜片研磨师,他製造的显微镜开启通往微生物世界的康庄大道。有段时期,微生物比可见生物微小许多,因而提供自然发生说拥护者有个完美说词,其中如苏格兰神父约翰・尼丹(John Needham),在18世纪中期提出腐败有机物创造微生物的说法。一个世纪后,路易・巴斯德的实验结果反驳了尼丹的观点:是微生物造成有机物的腐败,与尼丹的说法正好相反。巴斯德将营养丰富的肉汤和周围的空气彻底杀菌,最终显示并没有新生命生成,此实验不啻宣判自然发生说的死期。

巴斯德能够证明自然发生说并不正确,但他与同时代的人并不了解背后的原因,因为生命的起源不是生物学家而是化学家的课题。19世纪化学家遭遇的问题,跟20世纪早期试图了解生命创新的孟德尔主义者一样—他们都出生太早了。德米特里・门得列夫(Dmitri Mendeleev)勉强完成元素周期表,但生命的化学仍是一片空白。基础化学确实耗费相当时日、凭藉本事脱颖而出,成为一门令人景仰的科学,这也许是深深扎根于炼金术的缘故。进入20世纪,曾获诺贝尔奖的量子物理学家沃夫冈・包立(Wolfgang Pauli)在第一任妻子和一位化学家相好后,曾对朋友谈到:「如果她跟一位斗牛士私奔我还能理解,但只不过是个普通的化学家……」

一个世纪后,我们晓得自然发生说面临的巨大绊脚石,是来自生命庞大複杂表现型的可能性,或者说不可能性。即使是一个蛋白质或一个特定胺基酸序列,都不太可能自然地出现。以大肠桿菌来说,就含有数百万个蛋白和其他複杂分子,要自然出现的可能性微乎其微。现代生物化学让我们得以估算可能性,同时也推翻了複杂生物源于自然创造的说法。

这并不代表在生命早期历史中没有发生自然创造,生命的自然起源需要它,不过发生在比现代细胞或现代蛋白质更加简单的形式中。地球上第一个生命形式比较类似牛车而不像法拉利,更贴切地说,像一个车轮而不是一辆牛车。即使是车轮也不是大跃进式地创造出来,而是经由许多适度审慎的步骤。时间的淤泥侵蚀了第一个生命形式的足迹,但化学家已经重建起一些步骤。化学家不只展示生命如何发生,也证明至关重要的一点:在生命出现之前,大自然的创造力就已经运用了与现今相同的法则。无论当时或现在,都需要透过崭新的化学反应及分子才能迎来更新更进步的生命。

标示地球地质起源超过40亿年历史的冥古宙(Hadean Eon),如此巧妙的命名出自希腊文「地狱」,因为早期地球正犹如地狱,液态岩浆表面笼罩在汽化岩石大气中。

即使在地表凝固成固态地壳后,大地仍不是个迷人的地方。若从外太空俯瞰地狱般的地球,可以看到地表千疮百孔、布满凹痕,数不清的火山冒着热气,滚烫的雨水不断注入原始海洋,只有比现今密度大上许多的大气压力才能防止海洋被煮乾。无庸置疑,只要呼吸一口便足以让你命丧黄泉,大气中的毒性来自达致死量的二氧化碳及氢气。寻找躲避处算是上上策,因为在晚期重轰炸时期(Late Heavy Bombardment)许多巨大的小行星猛烈撞击早期地球。虽然这些古老的剧变痕迹大多因地表动蕩不断而消失,但你可以在夜晚看见月球上巨大的陨石坑,留下的伤疤仍能让人不寒而慄。我们从古代岩石里缓慢滴答作响的化学时钟获悉地球年龄,像铀这类放射性物质的衰变记录了古老的历史。

当最坏的时期过去,最值得注意的是生命出发的速度快得惊人。大约在38亿年前,也就是地球诞生仅仅几亿年后,不到现今历史的十分之一,第一批微生物化石就出现了。即使接近38亿年前的不可思议分界线,古早代谢产物的痕迹便以碳的较轻同位素形式,出现在西格陵兰的岩石中。生命没有浪费任何时间,几乎是以飞快的速度出现,这告诉我们生命起源和背后的创新力或许没那幺困难发生,而且这种创新能力可能和生命本身一样古老。

地球早期生命起源显然需要一套化学理论来说明。最早之一是「原始汤」(primordial soup),通常归功于亚历山大・奥帕润(Alexander Oparin)以及提出现代演化综论的豪耳丹,他们在1920年代提出此理论。不过值得注意的是,拥有先见之明的达尔文比他们早半个世纪就已经有这个想法。1871年,达尔文在写给约瑟夫・道尔顿・胡克(Joseph Dalton Hooker)的信中推测:「假如(噢,多幺大器的假如)我们能设想在一些温暖的小池塘里,加入各种氨磷酸盐、光、热、电等等,经由化学反应形成蛋白化合物,并準备进行更複杂的变化。」同时,达尔文也给了我们一个很棒的理由,说明为何今日我们可能会失望地凝视这样的温暖小池塘:池里的物质可能被现今的生物「吞没或吸收」。

数十年来,原始汤一直都只是推测,直到1952年,获得诺贝尔奖得主哈罗德・尤里(Harold Urey)在芝加哥大学实验室的研究生史丹利・米勒(Stanley Miller)的鼎力相助。根据对早期大气中气体成分的推测,米勒将这些气体密封在一个容器中,以大量电火花模拟原始闪电给予冲击,并用大量冷凝水模拟降雨沖洗混合物。几天后,通常由生物创造出来的许多有机分子出现在米勒的微型世界中。这是名留青史的发现,展示在动荡的地球生成初期如何从无机物质产生有机分子。米勒的原始海洋不只製造出有机分子,也创造了现代蛋白质的基本建构组成,例如甘胺酸(glycine)和丙胺酸(alanine)等胺基酸。随后的实验继续製造了许多其他建构生命的原料,包括醣类及部分DNA。更重要的是,米勒的实验将生命起源从哲学推测转往迈向一个艰难、实证的科学。

1969年9月,全世界获悉米勒在1952年不知道的事:生命分子能够在比地球早期更不利的环境里出现。那个九月,距离澳洲墨尔本北部约160公里、人口约数百人的小镇默奇森(Murchison),一颗爆炸的火流星短暂地在天际创造第二颗太阳。陨石破裂后留下一道拖曳的烟尘和较小的碎片,其中最大一片坠落在穀仓,幸好并没有酿成灾害。这场宇宙意外发生在人类第一次漫步月球的两个月后,当时的科学家都热衷于研究来自外太空的陨石。

热潮消退后,科学家发现默奇森陨石运送了一种极不寻常的货物。陨石和地球一样古老,已经在外太空漫游数亿年,上头携带了数种构成蛋白质的胺基酸,以及组成DNA的重要成分—嘌呤和嘧啶。后续的研究运用21世纪的光谱学,证实了陨石含有超过一万种不同的有机分子,虽然其中许多成分的含量极为稀少。

值得注意的是,默奇森陨石并非大自然的恶作剧。陨石坠落地球的事件层出不穷,数不清的各种岩石穿透天际,把有机物质运送来地球。幸好我们不必痴等另一颗陨石坠落,因为宇宙中的分子会藉由吸收或发出辐射来显示自身的结构,经由电波望远镜高敏感度的大耳朵,就可以听见众多星际气体云中数百种不同有机分子不断对我们喃喃低语。事实上,这些分子可是在吶喊,因为星际云中四分之三都是有机分子,其中含有生命的关键成分,例如甘胺酸。顺道一提,星际云中含量最丰的三原子分子就是水,这不啻在宣告我们和我们的星球是多幺非比寻常。

宇宙中,建构生命最简单的组成无所不在,来自外太空的分子可能就此在地球播下生命的种子。陨石和彗星(尤其是早期撞击地球的)释放出比现今地球海洋总量多十倍以上的水,以及比现今大气高千倍以上的气体。更至关重要的是,它们也提供了丰富的生命资源,也就是我们在星际空间中发现的有机分子,数量多到令人难以置信,至少十兆吨之谱,或许已有高出这个量几百倍的有机碳从外太空进入我们的大气层,至少比现今循环在活细胞中的碳含量多十倍以上。彗星后面拖曳的尘埃,其重要性亦不遑多让。这些尘埃通过地球轨道时,不像巨大陨石在坠落过程中造成的白热高温破坏了部分有机分子,彗星的尘埃以看不见且持续不断的生命种子雨披覆地球。或许我们真的是由星尘所组成。

我们可能永远不知道大多数生命分子是在外太空、抑或在地球上创造出来,但无论如何,这些发现包含几个简单而重要的课题:第一,生命分子会在适当的环境里自然出现;第二,此环境不需要是达尔文所说的温暖池塘,也不是宇宙中邻近且非常特别的地方,它可以在几光年之外,或是像星际气体般无所不在。

第三是有关创新的课题,我已经提过了,到今日仍屹立不摇:创新围绕着新的分子和创造它们的反应。想要了解创新力,我们就必须明白这些分子的起源。

书籍介绍

本文摘录自《生命如何创新:大自然的演化创新力从何而来?》,马可孛罗出版

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作者:安德里亚斯・华格纳(Andreas Wagner)
译者:詹佳蓉

达尔文发表《物种起源》的百余年后,始终存在耐人寻味的一道难题:
自然界中的「创新」究竟是如何发生的?

1859年,达尔文发表《物种起源》,他的天择理论解释了有用的适应性如何随时间被保存下来,但同时也製造了演化的最大疑问:「生物的适应性是怎幺出现的?」

地球上第一个生命诞生至今,38亿年间发生的随机突变,真的可以为翅膀、眼球、伪装、乳糖消化、光合作用,以及其他自然创造的惊奇负责吗?假若答案是否定的,那幺演化的速度和相对效率背后的机制又是什幺呢?

当年达尔文不知道什幺是突变、基因、DNA双螺旋、转录与转译作用、DNA定序,也缺乏遗传学、生物化学、分子生物学甚至处理大量资讯的知识和技术,但他早在160年前提出的远大洞见开启了生物学百家争鸣般的精采发现──如今,我们终于有能力朝「生物适应性的出现」这个巨大谜团靠近了!

全球知名的演化生物学家安德里亚斯.华格纳凭藉超过十五年的研究,呈现出达尔文理论遗失的拼图。利用早期科学家意想不到的实验性及计算性技术,他发现驱动适应的不只是偶然,而是一套法则,允许大自然在随机变异上花费的小部分时间里,发现新的分子与运作机制。

一丝不苟地研究、仔细地论证、充满感召力地写作,并列举了五花八门又迷人的实例,《生命如何创新》献上生命丰富多样性谜团的最后一片拼图。

1969年的陨石碎片,说明了或许人类是由星尘组成