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发信人: qpcwth (独翅鸟), 信区: Science
标  题: 第五章、从如此简单的一个开始
发信站: 哈工大紫丁香 (2002年01月11日12:49:07 星期五), 站内信件

－－生命的起源之谜
　　微言花了很长的篇幅攻击生命起源假说，以此证明进化论的荒谬。我们现在就
来谈谈这个问题。
　　严格地说，生物进化和生命起源是两码事。生物进化有大量的证据，并且过去
有，现在有，将来还会有，我们有可能对它的各种学说进行验证。而生命起源则没
有任何的证据，一次性地发生而无法重复，只能作合理的推测和实验模拟，所以永
远是一种假说。
　　达尔文把生命起源的任务交给了上帝，让他制造出第一个细胞后从此撒手不管，
让生物自行进化。（其实这是达尔文为了安慰教徒而特意给上帝留了个位置，在私
人通讯中，达尔文认为第一个生命可以经由化学反应自发产生）。现在学术界还有
一种"天外来客"假说，即地球上的第一个细胞是陨石带来的，至于细胞在别的星球
上是怎么产生的，我们管不着。这也是一种偷懒的办法，等于什么也没说。
　　现在学术界通行的是化学进化假说，是俄国的生物学家Ｏｐａｒｉｎ在二十年
代首先提出来的。这个假说认为，在阳光中的紫外线和闪电等因素的作用中，原始
地球大气层中的水、氮气、氢气等无机物和甲烷、氨等简单有机物可以自行合成氨
基酸、核苷、糖等生物小分子，生物小分子再进一步合成生物大分子，进而组成细
胞。这个假说，与微言提到的巴斯德实验并不冲突，因为巴氏实验不过证明在常态
下，在短时间内，非生物产生不了生物而已。
　　这个假说在五十年代得到了首次验证。美国的一位研究生米勒模拟原始地球的
条件，用上面提到的几种成分合成了几种氨基酸。组成生命必须的其它生物小分子
以后也被一一合成出来了。这就是著名的米勒实验。微言显然读过有关生命起源的
科普文章，不可能不知道这个实验，却大谈这个假说从来没有在实验室被验证过，
显然是有意的说谎。
　　从生物小分子合成大分子这一步却要困难得多，但我们也已直接合成了类似蛋
白质的长达几百个氨基酸的类蛋白（ｐｒｏｔｅｉｎｏｉｄｓ）。实验已证明蛋白
质的化学合成根本不是什么小概率事件。不过，如果要合成一种序列固定的蛋白质
，概率确实小到不可能。问题是，根据进化的观点，蛋白质的序列并非凝固不变。
让我们具体讨论一下这个概率问题。
　　先看微言的高论：
"按照酶体的结构，如果能自动合成的话，则每一种酶的自动合成几率为10 exp(-
20) （10的负20次方），这已经是近于不可能的事，而问题还在于单独一种酶并无
多大用处，必须有多种酶同时作用方可。而酶的种类则不下两千种之多，于是其总
的几率便是10 exp(-20×2000) = 10 exp(-40000)，这是一个超乎人类想象能力之
外的数字，根本没有实践意义。我们姑且假定酶的种类不是两千，而是仅有两种，
则其自然合成几率为10 exp(-40)，我们在假定酶的合成反应能以每秒一百亿次的超
高速度进行，（这是不可能的），则仍然需要3×10 exp(22)年，即三百万亿亿年方
有一次成功的机会。但学者估计地球的寿命只有46亿年，宇宙的寿命也只有150亿年
，那就是说，宇宙的寿命必须再延长两万亿倍方有一次同时合成两种酶的机会。这
是可能的吗？"
　　微言的这段计算抄自英国一位天文学家的著作。这位天文学家的这番计算一直
在生物学界被当作笑柄。一个科学家，不管在他的领域是多么成功，一插手别的领
域就难免要出丑。我们以后还会见到这位多管闲事的天文学家Ｈｏｙｌｅ的笑话，
因为微言在不断地把这些笑话当成最新的科学发现。
　　我不知道他怎么算出一种酶的自动合成几率是10exp(-20)的，这个数字其实并
不小，按我的计算，几率要小得多。假定一个蛋白质（微言在这里说的酶是指蛋白
质）由１００个氨基酸组成（据统计，已知序列的蛋白质的长度平均大约是１５０
个氨基酸），氨基酸共有２０种，则随机合成这一种蛋白质的几率是20exp(-100)=
10exp(-130)，这个几率可真是小得不得了了，比微言计算所得的两种酶的合成几率
还要小得多，而微言已告诉我们，后者根本不可能发生的。
　　我怎么帮起微言的忙了？别急。在做这种运算时，我们实际上做了这种假定：
这种蛋白质的每一个氨基酸序列都是固定不变的，哪一个位点就应该有哪一种氨基
酸。作这一种假定，对不住分子生物学。蛋白质实际上是一种可塑性非常强的大分
子，它并不强求它的每一个位点都只能有特定的氨基酸。许多种蛋白质在不同的物
种中都存在，执行同样的功能，我们称之为同源蛋白质（意思是它们都是由同一种
蛋白质进化而来的），而不同物种的同源蛋白质的氨基酸序列不仅不是一样，而是
非常不一样，除了功能区的少数重要氨基酸保持不变外，其它的氨基酸就可能一种
一个样。实际上，比较不同物种的同源蛋白，找出这些不变的氨基酸以确定这种蛋
白质的功能区，是现在分子生物学的常规方法（也是我今年刚刚完成的课题）。比
如，血球蛋白在脊椎动物中普遍存在，通过比较不同物种的血红蛋白，我们发现在
１４０个氨基酸序列中，只有７个是保持不变的。我们姑且把具有这７个位点的所
有可能的氨基酸序列称为候补血红蛋白，则随机合成一种候补血红蛋白的机率是大
约等于10exp(-9)，假定蛋白质合成的速度是一秒一次（不必用微言的一妙一百亿次
），则只需要大约３２年的时间。而我们给生命起源提供的时间是以千万年、几亿
年计的，虽然候补血红蛋白不一定就有活性，但其中的许多种（完全可能远远超过
现有的血红蛋白的种数）肯定会有活性。每３２年就可能产生一种，在几千万年、
几亿年内怎么可能连一种有功能的血红蛋白都产生不了？况且，生命起源之初的蛋
白质的结构要简单得多，可能只有几十个甚至十几个氨基酸，合成的几率要比血红
蛋白高多了。（注意：我不是说我们现在把２０种氨基酸放一块过３２年就能合成
一种血红蛋白。我们现在并没有原始地球的条件。这里只作概率计算，不管实验条
件。）
　　不管几率多么高，象微言那样动则在负指数上乘以２０００，我们还是受不了。
可是谁说这两千种蛋白质的合成在生命的起源之初是相关事件，必须同时合成，而
且只能合成它们？如前面所说的，在生命的起源阶段，别的蛋白质完全可以代替它
们，它们相互之间既然不是互相依赖、缺一不可的，则它们的合成就不是相关事件，
而是独立事件，微言的计算完全不成立。而且，在生命之初，根本不需要这么多蛋
白质，只要有催化遗传物质复制和转译蛋白质的几种酶，新的蛋白质就能被源源不
断地创造出来。
　　正因为蛋白质的结构可塑性极强，生物进化才有可能，今天的遗传工程也
才有可能
　　遗传是生命最主要的特征，蛋白质不是遗传物质，遗传物质是核酸。根据中心
法则了：
　　　　ＤＮＡ自我复制并转录ＲＮＡ，ＲＮＡ翻译蛋白质
　　有一些病毒的遗传物质是ＲＮＡ而不是ＤＮＡ，ＲＮＡ也可以自我复制，所以
我们可以认为ＤＮＡ是ＲＮＡ脱氧进化而来的，这样，在生命的初始阶段，中心法
则是：
　　　　ＲＮＡ自我复制并翻译（生产）蛋白质
　　而ＲＮＡ只是由四种核苷组成，有的结构非常简单，把核苷链片段放在一起就
可能组成有自我复制能力的ＲＮＡ，这是已经被实验证明了的。
　　但是我们在这里遇到了一个困难：ＲＮＡ的自我复制和翻译蛋白质这两个过程
都需要酶的催化，而酶是一种蛋白质。究竟是先有ＲＮＡ还是先有蛋白质成了跟先
有鸡还是先有蛋的难题。
　　一直到１９８１年，美国生物学家Ｃｅｃｈ发现，ＲＮＡ可以自我催化，也就
是说，它也是一种酶！以后又发现ＲＮＡ自己不需要蛋白质的帮助，就可以用氨基
酸合成肽链。
　　这个发现轰动了整个分子生物学界，是迄今为止分子生物学的最后一个重大发
现。十年后，Ｃｅｃｈ被授以了诺贝尔生理学奖。
　　这个发现不仅使我们改变了对酶的定义，而且解决了生命起源上的一大难题：
ＲＮＡ不要蛋白质的帮助，就可以自我复制和翻译蛋白质。
　　这样，生命起源上的难题基本解决了。当然，这不是定论，还有许多较小的难
题还未解决。
　　下一步，就是ＲＮＡ、蛋白质、糖等物质怎样组成细胞的。那是另外一个故事
，而微言没有提及，我也就先在此打住。


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心事浩茫连广宇,于无声处听惊雷

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