充满争议的生命起源假说:源自矿物晶体而非DNA有机分子

2016-09-05 14:45 来源:新浪科技

    新浪科技讯北京时间9月5日消息,据国外媒体报道,1966年,一位年轻的化学家提出了一个颇有争议的地球生命起源假说。50年过去了,他的理论是否得到了某种程度的验证?从表面上看,毫无生气的石头似乎怎么也无法和生命联系在一起,毕竟只有在受到冲击的时候,石头才会移动一下。但是,石头内部的矿物是否与生命的起源存在联系呢?化学家格雷厄姆·凯恩斯-史密斯的整个科学生涯都在推动一个简单而又充满争议的理论:生命并不是来源于类似脱氧核糖核酸(DNA)的有机分子,而是来源于简单的矿物晶体。

  如今,距离凯恩斯-史密斯第一次提出生命起源的观点已经过去了半个世纪。一些科学家嘲笑他;另一些则谨慎地,或者全心全意地表示赞同。这些观点从未成为主流学说,但也从未被完全抛弃。那么,凯恩斯-史密斯的惊人理论有哪些合理的地方?生命是否真的起源于矿物晶体?

  凯恩斯-史密斯现年85岁,与妻子多萝西居住在英国格拉斯哥郊区。他患有一种与帕金森氏症有关的罕见疾病,行动不便。然而,他在科学上的好奇心和对生活的幽默感并没有消退。他的科学著作,以及他绘制的科学草图,摆满了他家楼上的书房——与他家里的绘画作品一样多。20世纪50年代,当凯恩斯-史密斯在爱丁堡大学求学的时候,他开始对生命起源的问题产生了浓厚的兴趣。

  尽管学习的是有机化学,但凯恩斯-史密斯知道,生命的基础分子——如DNA和蛋白质——会变得非常脆弱并迅速变化。因此,这些复杂的分子是如何从含有简单化合物的原生汤中形成的呢?科学家至今都对这一问题充满困惑。

  在1953年发表的一项研究——DNA结构发现的同一年——中,一位名为斯坦利·米勒的生物化学家对模拟的地球早期气体和液体混合物进行了电击。实验的结果令人震惊,简单的化学物质经过电击后形成了更为复杂的分子,有些正是生命的基础:氨基酸——蛋白质的组成单元。

  这一实验成为了新闻报道的头条。当时《时代》(Time)杂志的封面上写着“科学:半个造物主”(Science: Semi-creation)。米勒的论文成为科学史上里程碑式的文章。但是,对凯恩斯-史密斯来说,这个实验所引出的问题要远多于给出的答案。

    尽管米勒在实验中获得了一些最基本的生命分子,但他的实验并未解释这些分子以及其他生命基础分子——如形成DNA的核苷酸——如何以一定的顺序出现,从而形成生命形成所需的复杂分子。

  在米勒的实验中,“较简单的分子更容易出现,并且比复杂分子更容易形成,”凯恩斯-史密斯说,“要制造出一个核苷酸分子的想法是荒谬的。分子越复杂,它形成的可能性就越小。”对凯恩斯-史密斯来说,这是真正的问题所在。他认为,在我们精妙的遗传材料系统出现之前,还存在着另一个不同的阶段。

  “这是个非常有趣的实验,”凯恩斯-史密斯说道。他将该实验形容为“美丽的”,但并不足以满足他的好奇心。于是,他决定回到一些基本的东西。凯恩斯-史密斯问了自己两个问题:对一个生命系统来说有哪些必要的特征,这些特征是否能在其他地方找到,而不仅仅局限于我们目前所知的生命形式?

  他的目标是找到一个比现代生命简单得多的系统,但又拥有生命系统的一些最关键的特征。他在一个很不寻常的地方找到了答案:黏土。提到黏土,我们大多会想起陶瓷厂或学校里的制陶课。一般的印象中,黏土只是一种潮湿的、沙砾很细的泥土。但是,凯恩斯-史密斯认为,黏土并不仅仅如此。在某种抽象的意义上,黏土其实很像生命。

    如果在显微镜下观察黏土,你会发现它由微小的晶体组成。在每个晶体中,原子以某种结构排列,并以紧密压缩的规则形式不断重复。只要条件合适,比如放在含有相同化学成分的水体中,晶体都会生长。晶体还会分裂,一个“母”晶体会产生“子”晶体。

  晶体甚至还拥有自己的特质,并会将这些特质传给子晶体——很像生物将性状遗传给后代。有时候,当晶体分裂的时候,也会引入新的特质,比如由断裂压力导致的新形态。这一点与生物的遗传突变很相似,生物的新性状正是来源于突变。换句话说,凯恩斯-史密斯推理得出,晶体的基本特征意味着它们是生命演化开始前的最初形态。

  当晶体将某些特质传递给子晶体时,这些特质可能帮助也可能妨碍新晶体的产生。例如,子晶体可能最终会变得更容易分裂成两块晶体。如果晶体的特征影响了它分裂的能力,那就相当于这块晶体拥有了某种演化优势。

  在某种程度上,晶体的物理裂缝(或者称其为特质)可以被视为遗传信息。因此,凯恩斯-史密斯认为,晶体矿物可以被视为受制于一种简化的自然选择演化形式。这一理论现在被称为“晶体等同基因假说”(crystals-as-genes hypothesis)。

  凯恩斯-史密斯提出,在后来的阶段,DNA等生物分子开始与晶体结合。这促进了复制过程。最终,一种“遗传取代”发生了:生物分子发展出了自我复制的能力,并离开了晶体。凯恩斯-史密斯将这些推理发表在半个世纪前(1966年)的一篇论文中。

  他的理论很优雅,但存在一个严重的问题:几乎无法找到检验的方法。50年来,只有屈指可数的几个实验对凯恩斯-史密斯的假说进行了探索。

    德国慕尼黑大学的迪特尔·布朗(Dieter Braun)表示,问题的棘手之处在于没有任何实验技术能够在如此微小的尺度上,对凯恩斯-史密斯提出的过程进行检验。研究者必须在水中对纳米尺度的晶体进行小心翼翼的观察,获得它们在数天时间里的变化情况。“这在技术上非常困难,”布朗说道。

  布朗称,我们可能需要某种类似基因测序的技术,像“读取”DNA编码一样对晶体进行研究。“我们花了40年才终于能快速地对DNA进行测序,”他说道。此外,遗传学家拥有强烈的动机去完善DAN测序,因为这意味着新的医疗方法。研究黏土晶体则可能会同样困难,同样昂贵,但不会带来实际的好处。

  即使如此,至少凯恩斯-史密斯的假说有一部分还是得到了验证。20世纪80年代中期,美国纽约大学的结晶学家巴特·卡尔(Bart Kahr)在一家商店中无意间翻到凯恩斯-史密斯的著作,才第一次了解到他的假说。“我爱上了那本书,因为它与通常的科学著作太不一样了,”卡尔说,“它里面独特的新观点多得令人难以置信,而且几乎是以一种文学式的笔法写成的。”

  卡尔第二次看到这一假说是在21世纪头十年的中期,当时该假说受到强烈的批评。“我感到很吃惊,25年之后,人们还是会谈论‘晶体等同基因理论’,只是为了将其驳倒,称不存在任何能够证明该理论的证据,”卡尔说,“这就像一个一直不倒的稻草人,每个人都觉得自己必须知道,但只是为了轻蔑地表示反对,因为它从未被检验过。”

  卡尔决定在自己的实验室里检验这一假说。他希望追踪母晶体如何将特质传递给子晶体的过程,以确定黏土晶体中是否存在遗传现象。他决定将重点放在一种被称为“螺纹位错”(screw dislocations)的晶体特征上。在晶体内原本规则排列的晶面,有一部分被轻微地挤出,形成一条垂直晶面的位错线。位错是在晶体生长的过程中出现的,而晶体内部的位错会呈现出独特的模式。

  凯恩斯-史密斯将这种不规则比作老式计算机的打孔卡片。他提出,这些位错可以像卡片上的孔洞一样保存信息。卡尔希望检验的是,这种位错模式能否被子晶体继承,以及当子晶体断裂时会产生多少“突变”——新的位错。

  为了避免布朗所预见的实验困难,卡尔采用的是邻苯二甲酸氢钾晶体。该晶体比黏土晶体更容易操作得多,“黏土基本上都是很糟糕的晶体,”卡尔说道。卡尔及其团队开发出了一种绘制母晶体和子晶体内部位错的技术。他们发现,从母晶体到子晶体的位错模式可以很清楚地绘制出来。他们的结果于2007年发表。

  然而,他们惊讶地发现,子晶体在断裂之后出现了众多的额外缺陷。子晶体内部充满了这些所谓的“突变”,并且新的位错至少和继承而来的位错一样多。这一结果给凯恩斯-史密斯的理论出了个难题。如果晶体是逐渐演化的,那就要求遗传多于突变,这样母晶体才能对子晶体的位错模式施加更强的影响。

  “要使这一假说变得有说服力,你就无法在一个世代内从青蛙直接变成猴子,”卡尔说道。较少的“突变”会更像“我们现在所知的生命”。不过,卡尔并不是唯一对凯恩斯-史密斯的假说进行探索的人。

  丽贝卡·舒尔曼是美国约翰霍普金斯大学的一位生物工程师,她同样受到“晶体等同基因假说”的启发。在过去十年中发表的一系列研究中,她设计了一个将信息编码于晶体结构中的系统。她并没有使用自然出现的矿物晶体,而是使用纳米尺度的DNA“瓦片”结构。

  这种DNA携带信息的方式与我们细胞内的DNA不同。相反,舒尔曼像使用魔术贴一样,将“瓦片”连接在一个晶体结构中。“瓦片”的顺序就包含着信息。“如果我们可以基于非常简单的、已知晶体必须遵循的物理规律,建造出某种晶体,那就可以想象出可行的,在相对简单的环境中可能出现的演化过程,”舒尔曼说道。

  舒尔曼通过计算机模拟和后续实验发现,DNA“瓦片”能以特殊的形式堆叠起来,在晶体结构中有效地加密信息。她已经找到了一种在晶体形式下呈现和复制信息的方法。她的发现在理论上对生命起源的研究非常有用。“在很大程度上,生命起源研究的部分目标其实是在问如何在化学上设计出一个信息能够被复制的系统,”舒尔曼说道。

  然而,舒尔曼的研究并没有证明凯恩斯-史密斯的理论是正确的。首先,她的实验并没有使用黏土。更重要的是,实验室中行得通的过程并不一定就是地球生命出现时的情形。对于“晶体等同基因假说”,需要有更加严格的实验来检验了。凯恩斯-史密斯自己尝试了许多年,但进展寥寥。“他无法再获得资助了,”多萝西说道。摆在申请研究资助之前的一大阻碍是,他的工作涉及到太多不同的学科了。

  “有一次我们去加利福尼亚,格拉厄姆在门洛帕克地质调查局做了演讲,”多萝西说,“他们说,好,你的地质学还可以,但我不认为你的化学是对的。之后他到美国航空航天局做了一次化学方面的演讲,他们说,好,你的化学不错,但我们不是很确信你的生物学。再后来,他到加州大学伯克利分校演讲,他们说,好,你的生物学可以,但我不确定你的地质学怎么样。”

  凯恩斯-史密斯在科学记者和大众媒体中找到了更加热心的听众。一些科学家也表现出了兴趣:演化生物学家兼科学作家理查德·道金斯在1986年出版的《盲眼钟表匠》(The Blind Watchmaker)中就讨论了“晶体等同基因假说”。

  最终,在出版商的鼓励下,凯恩斯-史密斯开始撰写一本阐述自己理论的大众科普书。这本名为《生命起源的七条线索》(Seven Clues to the Origin of Life)的书于1990年出版。该书的写作风格如同在描写一桩神秘的谋杀案,虽然是有机化学的内容,却非常扣人心弦。

  凯恩斯-史密斯称自己很享受为更多读者写作的过程,因为能将一个观点更加简单、直观地说出来,令他感觉很满足。“我对有些人感到极其失望,他们认为那些更加复杂的理论更可能是真的,”他说道。

  但是,尽管做了许多努力,他的理论最终还是无法进入科学主流。“我感到很困惑,为什么科学中有些东西会变得很受欢迎,另一些则不受关注,”卡尔说,“这里面并没有公众品味的原因。”不过,即使凯恩斯-史密斯的惊人理论从未获得成功,但它还是在两个方向上影响着生命起源的研究,即使是在今天。

  首先,这些理论引出了生命是由什么组成的问题,并提供了一种无需常见分子——如DNA——而出现类似生命过程的方式。其次,凯恩斯-史密斯的多学科研究——结合了生物学、化学和地质学——远远超出了当时的年代。

    “截至目前,生命起源的研究其实还是化学主导的,”布朗说道。但是,过去二十年中,该领域已经逐渐扩展:除了尝试制造关键的生命化学物质,研究者还开始利用遗传学研究最早的生命形态,并利用地质学找出适合这些生命形成的条件。

  “我推测这些理论在人们眼中可能会显得有些怪异,但他确实为我们指引了正确的方向,”布朗说,“现在人们意识到,生命并不是从一个玻璃瓶中的水里面产生的,而是环境中的化学条件和地质学条件造就的。这就是他的遗产:在岩石中寻找更多的细节。”

  凯恩斯-史密斯的理论可能永远也不会有坚实的证据。“如果有一个大型科研集团,有强大的技术实力来支持,那就有足够的资源来切实地推动实验,”布朗说,“但这其实只是一个非常小的圈子,并且有点走得太远了。”

  事实上,缺乏证据的假说并不是凯恩斯-史密斯的真正遗产。他所设想的生命起源图景有可能是完全错误的。但是,从启发人们以新的方式看待生命起源问题的角度来说,他的工作已经超出了原本的意义。(任天)  [责任编辑:赵清建]

(转自:光明网)

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