地球上的原始生命是如何诞生的?
虽然蛋白质和核酸都是重要的生物大分子,但不能说是活的。只有蛋白质组才能称之为生命。蛋白体是由蛋白质和核酸组成的多分子系统,具有形成“相”的能力,用自己的表面将它从原始的海洋水中分离出来。但它以开放系统的形式与环境互动。蛋白质组有两个特点:①与无机领域普遍的熵增趋势相反,具有熵减的特点。蛋白质体内分子的随机热运动不同于无机世界,它具有规律性和有序性。蛋白质组的熵减或有序是通过外界不断补充物质、能量和信息,或者蛋白质组从环境中吃掉负熵来维持的。这个过程其实用生物语言表述就是蛋白质组的代谢,即蛋白质组与环境之间的物质和能量交换。如果这种交换停止,蛋白质组的多分子系统从有序变为无序,熵值增加,蛋白质组解体。因此,代谢是蛋白质组的第一个重要特征。②蛋白质组在代谢的基础上自我保存、自我再生或自我繁殖的能力。
从蛋白质、核酸到蛋白质组,看似只有一步之遥,但这一步在自然发生的过程中是困难的。虽然原始海洋长期积累了丰富的有机质。如氨基酸、核苷酸、卟啉、核酸和蛋白质,其含量可能达到65438±0%,但即使在如此高的浓度下,也无法形成蛋白质和核酸的多分子体系。那么,蛋白质组是如何形成的呢?目前,关于这个问题仍有不同的解释。一种是通过蒸发、冷冻或粘土吸附来浓缩蛋白质和核酸。在浓缩过程中,蛋白质和核酸相互作用建立一定的关系,然后被形成的膜包围,形成多分子体系。这种解释缺乏实验依据,难以置信。当然,通过浓缩来加速蛋白质和核酸之间的相互作用是可取的。
另一种解释是类蛋白微球理论,由美国学者Fox等人提出。他认为,在热点地区聚合成功后,当它被雨水冲刷时,它会聚集成同样大小的微球,进入原来的水域。将类蛋白转化为微球的过程就像做汤圆一样简单。模拟实验得到的微球看起来像细胞。它们大小一样;双层结构的外膜与水分离。它们也有新陈代谢,可以像酵母一样发芽繁殖,但微球不含核酸。因此,福克斯等人认为,生命起源首先形成微球,然后微球为核酸的后期发展提供了独特的环境。
另一种解释是著名的聚合体理论。苏联学者奥巴林根据胶体在水中凝结成聚集体的现象,提出聚集体是生命起源的原始模型。在实验中,蛋白质、核酸、多肽和多核苷酸溶液被用于在一定温度和酸度下分离聚集体。这种聚集体也有代谢现象,加入叶绿素也有微弱的光合作用能力,也会生长繁殖。据此,Obalin等人认为聚集体的形成过程是最早的多分子体系形成的合理过程。有人在研究几百米到几千米外的海水时,用电子显微镜观察到了类似于聚集体的结构。
最初形成的聚合物可以变化。这些多分子系统大川现在有不同的生命类型,有的只含有蛋白质分子,就像福克斯制备的类蛋白质微球;有些是由蛋白质和脂质或蛋白质、多糖和脂质组成的多分子体系。当然,还有蛋白质和核酸组成的多分子体系。起初这些生命类型都有发展的能力,只是在后来的发展中才表现出高低。
蛋白质和核酸组成的系统与今天的病毒非常相似,或许它们的分子量甚至比今天的病毒还要小。它们应该是无细胞的,外面是蛋白质,中间是核酸,很像元宵,我们不妨称之为原病毒。它们生活在“原始海洋”中,原始细胞就是由这种原始的、自由生活的原病毒进化而来的。今天的病毒只是未改变的原病毒的后代。细胞出现后,已经发展成为适应寄生生活的类型。根据这个假设,噬菌体应该是最原始的一类病毒;其他病毒是随着高等寄生虫的出现而逐渐转移和进化的。但很多人认为病毒是退化生物,是被细菌逐渐降解的;另一些人认为病毒是一种逃逸的有机体,是从细胞中逃逸出来的染色体物质或核酸片段。根据这两个假说,非细胞阶段的生命类型似乎已经灭绝,没有留下后代。
原始海洋中的有机物非常丰富,“居民”极其稀少。所以原始生活就像生活在水上乐园,不愁“吃”“喝”,自由自在。然而,随着各种原始生命类型的形成和繁衍,原始海洋中的矛盾日益尖锐。首先,多分子体系消耗了大量现成的有机小分子。随着有机物的减少,多分子系统也开始竞争。在长期的自然选择过程中,当蛋白质与核酸的生命类型之间,以及其内部的多核苷酸与多肽之间存在密码关系时,这种生命类型就能获得完美保存信息的能力。因此,由蛋白质和核酸组成的生命形式压倒性地击败了其他类型的多分子系统。
病毒
原始生命在斗争中得到完善和发展。原始生命中的核酸和蛋白质之间最初的密码关系一定非常简单。随着生命的进化,核酸分子越来越长,从病毒到细菌到高等动物的细胞都可以解释。DNA越来越长,遗传信息越来越多。此外,在原始生命中,有些病毒与今天的病毒相似。它们要么含有DNA和蛋白质,要么只有RNA和蛋白质;一些原始生命不同于现在的病毒,它同时含有DNA和RNA核酸和蛋白质。最初,很可能DNA和RNA都可以与蛋白质建立密码关系,从而指导蛋白质的合成。只是DNA分子具有稳定的双螺旋结构,在自然选择中充当遗传物质是最有优势的,所以在今天的生物中,除了病毒,遗传的力量都被DNA垄断了。
原始生命是非细胞的,它们不能自己产生有机物,大气中也没有氧气,所以过着异养(现成的)、厌氧的生活。经过长期的进化,大约在35亿年前,原始生命的内部结构逐渐变得复杂,形成了一层细胞膜,在自身周围构建了一层界膜。由于这种特殊的结构,它有效地控制了物质的进出,允许营养物质流入和废物排出,将原始生命转化为原始细胞。随着第一个细胞的诞生,整个有机世界形成的基础也随之产生。我们看到的所有现代生物都是以细胞的形式存在的。即使是非细胞病毒也必须侵入细胞才能繁殖。细胞是生命的结构单位、功能单位和生殖单位,也是生命史上的一大创新。
原始地球上没有游离氧,大气中也没有臭氧层。紫外线可以直射进来。这种条件有利于原始地球化学、有机物的积累和生命的起源。一旦生命形成,紫外线会杀死生命,原始海洋中的有机物会被耗尽。从长远来看,厌氧和异养原始生命的发展将受到限制。但是没有办法在天堂“生活”。叶绿素的核心卟啉环是在化学进化中合成的。生命有无限的变异潜力,厌氧生物中发育出一种含叶绿素的蓝藻。它们利用光能进行光合作用,将无机物直接合成有机物。从此,生活自己解决了“吃”的问题。
光合作用的产物之一氧气逐渐产生了大气中的臭氧层。臭氧屏障阻止紫外线辐射,保护生命。光合作用产生的氧气也促进了还原性气氛向氧化性气氛的转化,从而使生物从无氧糖酵解向有氧氧化发展,大大提高了生物能量代谢的效率。
自养生物利用光能从水、二氧化碳和氨盐中合成糖和蛋白质。异养生物通过吃自养生物将有机物分解为水、二氧化碳和氨盐,从此自养与异养、合成与分解之间就产生了矛盾。因为这两对矛盾的对立统一形成了一个完整的生态系统,为未来生命的大发展开辟了一条全新的道路,所以出现了细胞。
后来随着细胞的进一步发育,细胞本身出现了细胞核。细胞核的主要成分是染色体,染色体是一种核蛋白,是核酸和蛋白质的结合体。染色体被核膜包围,形成细胞核。有核细胞被称为真核细胞。目前大多数生物的身体都是由真核细胞组成的。
一个细胞有一个基本特征,它可以分为两部分。1细胞在一定条件下可分裂成2个子细胞。当每个子细胞长大后,可以一分为二。这样继续分裂下去,细胞会越来越多。
最早的动物是单细胞动物,分裂产生的子细胞仍然独居。多细胞动物是后来发展起来的。也就是说,在进化过程中,一些单细胞动物的遗传力发生了变化,它们产生的子代动物的遗传力也发生了变化。它们产生的子细胞不再相互分离,而是组合成细胞群。
单细胞动物
最早的细胞群也很简单。虽然很多细胞是联合在一起的,但还是各自管理自己的生活。慢慢的,一些简单的细胞群发生了很大的变化,联合起来的细胞逐渐分化成各种器官来分担生活中的各种工作。这样,细胞开始协同工作。有些细胞发育成管子,管子的开口就是嘴。这根管子专门消化食物,并为所有生活在一起的细胞提供营养。一些细胞发育成神经。神经可以将信息从一个部位传递到另一个部位,就像电话线一样。后来动物长大后,一些细胞发育成血管系统,营养物质可以通过血管输送到体内所有细胞。因为有些细胞远离消化道,无法直接从消化道获取营养。
不知道这些复杂的变化经历了多少亿年。因为那些古动物又小又软,很难留下化石。然而,我们已经知道,所有最重要的无脊椎动物都是在5-6亿年前发展起来的,它们的化石陈列在自然历史博物馆里。