生命起源的化学进化过程的假说

生命起源的化学进化过程的假说组长：林晨辉组员：陈茂祥，范伟东,郭楚昊，李龙翔，王振杰指导老师：黄经纬摘要：大约46亿年前，地球在茫茫宇宙中诞生了。当时的地球是一个炽热的不规则球体，火山爆发的巨响隆隆不绝，岩浆像沸腾的粥一样冒着泡，源源不断的从火山口涌出，流向地面低洼处。大约过了一亿年的时间，地球上的温度才逐渐降了下来。那时的地球是一个荒凉沉寂的世界。然而，在今天的地球上，生活着几百万种动物、植物和微生物。在世界各个角落都布满了它们的踪迹，构成了一个绚丽多彩的生命世界。地球由一个死气沉沉的世界演变成为了一个生机勃勃的乐园，就是因为生命这种奇妙自然现象的出现。那么，地球上最初的生命是如何诞生的呢？生命起源是一个亘古未解之谜，地球上的生命产生于何时何地？是怎样产生的？千百年来，人们在破解这一谜底之时，遇到了不少陷井，同时也见到了前所未有的光明。从古至今，有很多说法来解释生命起源的问题。如西方的创世说，中国的盘古开天地说等。但直到十九世纪，伴随着达尔文《物种起源》一书的问世，生物科学发生了前所未有的大变革，同时也为人类揭示生命起源这一千古之谜带来了一丝曙光，这就是现代的化学进化论。关键词：无机小分子有机小分子多分子体系原始生命米勒实验团聚体假说生命起源的化学进化一.生命的起源与地球的形成相联系地球从形成到现在大约有46亿年的历史。早期的地球是炽热的球体，地球上的一切元素都呈气体状态，那时谈不到生命的发生。后来随着地球的慢慢冷却，才逐渐为生命的发生提供了一定的条件。至今发现的最古老的原核生物的化石，距今约34亿年，如1977年10月在南非35亿年前的斯威士兰系的古老堆积岩中，发现了200多个在显微镜下可以清楚看到与原核藻类非常相近的古细胞化石。因此，可以认为地球形成之初的十几亿年是生命起源的化学进化阶段。原始地球为生命起源的化学进化提供的条件主要是以下三个方面：1．物质条件——还原型的原始大气2．能量条件——原始地球上不断出现的宇宙射线、紫外线、闪电、热能等3．一定的环境场所条件——原始海洋等原始地球第二次形成的大气层中，是没有氧气的，因此是还原型的。正是这些大气层中的气体成分在一定的能源作用下，形成各种无机物和有机物，为生命的产生创造了条件。同时，由于火山喷发的频繁，地壳发生变动，形成高原和山峰、低地和山谷。大气层中的水蒸气逐渐增多达到饱和，冷却而形成雨，降落到地面，聚集于低洼地带，而形成原始海洋。二．化学进化的基本阶段生命起源的化学进化过程，即由非生命物质经一系列复杂的变化，逐步变成原始生命的过程。它发生在地球形成后的十多亿年间。原始生命就是由非生命物质通过极其复杂、漫长的过程一步一步演变而形成的。据推测，生命起源化学进化过程包括四个阶段：第一阶段，从无机小分子生成有机小分子；第二阶段，从有机小分子形成有机大分子；第三阶段，从有机大分子组成能自我维持稳定和发展的多分子体系；第四阶段，从多分子体系演变为原始生命。1．化学进化过程的第一阶段：从无机小分子物质生成有机小分子物质原料：原始大气中的各种成分。能量：大自然不断产生的含有极高能量的宇宙射线、强烈的紫外线和频繁的闪电等。1953年，美国芝加哥大学的学者米勒及其助手在实验室内首次模拟原始地球在雷呜闪电下将原始大气合成小分子有机物的过程。米勒等人设计的火花放电装置如课本的图中所示。他首先把200毫升水加入到500毫升的烧瓶中，抽出空气，然后模拟原始大气成分通入甲烷、氨、氢等混合气体。将入口玻璃管熔化封闭，然后把烧瓶内的水煮沸，使水蒸气驱动混合气体在玻璃管内流动，进入容积为5升的烧瓶中，并在其中连续进行火花放电7天，模拟原始地球条件下的闪电现象，再经冷凝器冷却后，产生的物质沉积在U型管中，结果得到20种小分子有机化合物，其中有11种氨基酸。这11种氨基酸中，有4种氨基酸——甘氨酸、丙氨酸、天门冬氨酸和谷氨酸，是天然蛋白质中所含有的。继米勒的工作后，不少学者利用多种能源（如火花放电、紫外线、冲击波、丙种射线、电子束或加热）模拟原始地球大气成分，均先后合成了各种氨基酸，以及组成生物高分子的其他重要原料，如：嘌呤、嘧啶、核糖、脱氧核糖、核苷、核苷酸、脂肪酸等。由此可以看出：在原始地球条件下，原始大气成分在一定能量的作用下，完全可以完成从无机物向简单有机物的转化。但是有的科学家也认为，早期地球上的任何CH4、NH3和H2S都会迅速被紫外线辐射所分解，释放出的H2多数也会逃逸到太空中。后来，当地表温度下降后，散布在原始大气里的、达到饱和状态的水蒸气遇冷形成雨水而下降，流到低地就形成原始海洋。氨基酸等小分子有机物经雨水作用最后汇集在原始海洋中，日久天长，不断积累，使原始海洋含有了丰富的氨基酸、核苷酸、单糖等有机物，为生命的诞生准备了必要的物质条件。米勒实验由此看出：在原始地球条件下，原始大气成分在一定能量的作用下，完全可以完成从无机物向简单有机物的转化。2．化学进化过程的第二阶段：从有机小分子物质形成有机高分子物质原始海洋中的氨基酸、核苷酸、单糖、嘌呤、嘧啶等有机小分子物质经过极其漫长的积累和相互作用，在适当条件下，一些氨基酸通过缩合作用形成原始的蛋白质分子，核苷酸则通过聚合作用形成原始的核酸分子。生命活动的主要体现者——原始的蛋白质和核酸的出现意味着生命从此有了重要的物质基础。美国学者福克斯认为，原始海洋中的氨基酸可能被冲洗到火山附近等温度高于水沸点的热地区，它们在那里蒸发、干燥和聚合，产生的类蛋白又被冲回海洋，进一步发生其他反应。他在实验室内将多种纯氨基酸混合，在无水条件下加热至160—200℃，几小时后就得到具有某些天然蛋白质性质的类蛋白。（原始的蛋白质和核酸与现代生物中的蛋白质和核酸并不一样，它们又经过若干亿年的不断演变，以至结构越来越完善，功能越来越复杂，才形成像现在的蛋白质和核酸的高分子化合物。）以后又有人模拟原始地球条件，用核苷酸等小分子有机物合成类似天然核酸的物质。在原始还原性大气中生成的生物小分子（如氨基酸等）被雨水冲淋，溶解于原始海洋中，这些生物小分子要进一步变为生物大分子（如氨基酸变为蛋白质），就必须脱水缩合；而在原始海洋中进行脱水缩合，就像要使泡在水中的葡萄变干那样困难。科学家提出种种假说试图解决这个难题，目前比较可信而又可用实验证明的主要有两种：①以色列科学家卡特恰尔斯基（A.Katchalsky）认为，原始海洋中的氨基酸是在某些特殊的粘土（原始地球和现在都有这样的粘土）上缩合成多肽的。他们在实验室内先将氨基酸与腺苷酸起反应，生成“活化的”氨基酸即“氨基酰腺苷酸”，后者在某些片层状粘土如蒙托土（montmorillonite）上，就能缩合成长短不一的多肽链：②日本科学家赤崛四郎等提出一个能绕过“脱水缩合”这道难关的“聚甘氨酸理论”来说明多肽链的形成。他们认为，在原始大气中产生的甲醛与氨和氰发生反应，能生成一种名叫“氨基乙酰氰”的有机物，这种物质能够聚合，然后水解，生成聚甘氨酸（即多个甘氨酸聚合在一起所形成的多肽链），最最后经过侧基（R）的变化而得到由各种氨基酸残基组成的蛋白质，即：3．化学进化过程的第三个阶段：从有机高分子物质组成多分子体系以原始蛋白质和核酸为主要成分的高分子有机物，在原始海洋中经过漫长的积累、浓缩、凝集而形成“小滴”，这种“小滴”不溶于水，被称为团聚体或微粒体。它们漂浮在原始海洋中，与海水之间自然形成了一层最原始的界膜，与周围的原始海洋环境分隔开，从而构成具有一定形状的、独立的体系。这种独立的多分子体系能够从周围海洋中吸收物质来扩充和建造自己，同时又能把小滴里面的“废物”排出去，这样就具有了原始的物质交换作用而成为原始生命的萌芽，这是生命起源化学进化过程中的一个很重要的阶段。但这时还不具备生命，因为它还没有真正的新陈代谢和繁殖等生命的基本特征。团聚体假说这一假说是由原苏联学者奥巴林提出的。把均匀、透明的白明胶（一种动物蛋白质）的水溶液与阿拉伯胶（一种多糖）的水溶液混合在一起用显微镜观察可以看到：原来均匀、透明的胶体溶液变得浑浊了，继而出现了具有明显界膜的小滴，奥巴林把这种小滴称为团聚体。由于发现这种团聚体可以表现出合成、分解、生长等生命现象，奥巴林等人认为团聚体可能是原始生命形成过程的一个重要阶段。4．化学进化过程的第四个阶段：从多分子体系演变为原始生命具有多分子体系特点的小滴漂浮在原始海洋中，经历了更加漫长的时间，不断演变，特别是由于蛋白质和核酸这两大主要成分的相互作用，其中一些多分子体系的结构和功能不断地发展，终于形成了能把同化作用和异化作用统一于一体的、具有原始的新陈代谢作用并能进行繁殖的原始生命。这是生命起源过程中最复杂、最有决定意义的阶段，它直接涉及到原始生命的发生，是一个飞跃，一个质变阶段。所以，这一阶段的演变过程是生命起源的关键，但目前仅仅是推测，如果能得到证实并能进行模拟的话，那么就意味着能人工合成生命，这将是生命科学上一个重大的突破。三．我国在生命起源研究方面的重大成就1)1959年，我国科学工作者利用火花放电的方法，从H2、CH4、H2S和水蒸气的混合气体中也合成了几种氨基酸，如胱氨酸、半胱氨酸和一些硫化物。2)1965年，我国科学工作者在世界上首次用化学方法人工合成了具有全部生物活性的结晶牛胰岛素(含有51个氨基酸的蛋白质)。3)1971年，我国科学工作者测定了猪胰岛素的晶体结构。4)1977年，我国科学工作者在探明核苷酸排列顺序的情况下，在人为的定向控制下，按一定排列顺序合成了含有16个核苷酸的核酸片段，称为核糖16核苷酸。5)1981年11月，我国科学工作者又首次人工合成了酵母丙氨酸转运核糖核酸。这次合成的核糖核酸含有76个核苷酸，分子量约为26000，比牛胰岛素的分子量约大4倍，分子结构也比胰岛素复杂得多。上述工作不但反映了我国在探索生命起源问题方面的重大成就，而且对于人类研究蛋白质、核酸的结构与功能的关系和规律，并为将来人工制造新的生命物质，改造和创造生命，有着极为重要的理论意义和实践意义。附：整合之后的进化表四、总结：地球上的生命也许就产生在距今38亿年到40亿年之间，但是我们应该清醒的明白，我们距离揭开生命起源这一亘古之谜，还有一段遥远的科学历程。从无机物到有机物，到有机化合物到有机生命体的演化，同时还具有很多的偶然性，并不是有这种环境，有这种形成条件，它就能产生生命。有人曾经比喻说，这些无机物好像一个垃圾堆里面什么都有，塑料、塑料瓶子、铁，废弃金属、油，而生命，一个单细胞，就像一辆精美的奔驰车，在一阵台风过后，这些垃圾组装成了一个奔驰车。因此我们可以想像，这个生命起源的过程是非常非常地艰难。因此，也许我们在这个蓝色的星球，是生命的惟一的乐园，因此请保护我们的地球，珍惜地球上的生命，我们不能奢望地球上第二次的生命起源。