生命起源与地球环境条件的关系

2023-08-11 理论教育版权反馈

【摘要】：（一）生命不能自然发生关于生命起源问题，古代有许多假说。图4-4-2巴斯德的试验（二）生命的化学起源1.原始地球的环境条件据科学家推测，地球的年龄距今约为46亿年。这一学说认为，当时地球上的原始海洋可能仍然是一片沸腾的热海，不可能出现原始汤的化学进化过程，而生命的起源可能与热泉生态系统有关。

（一）生命不能自然发生

关于生命起源问题，古代有许多假说。自生论认为生命能从非生命物质中自然发生。例如，我国古代就有“白石化羊”“腐草化萤”的说法，古代的欧洲流行“腐肉生蛆”的说法。由于生产力和科学水平低下，自生论观点在漫长的历史阶段一直占统治地位。17世纪中期，意大利医生列迪设计了一个简单的实验，他在盛肉的瓶子上扎上纱布，过几天肉腐烂了，但却没有生出蛆来，而苍蝇产在纱布上的卵，却变成了蛆。由此他得出结论，蛆是苍蝇产在肉上的卵变来的，而不是肉腐烂后突然产生蛆，否定了“腐肉生蛆”的假说（图4-4-1）。但是不久后，在显微镜下发现腐肉瓶内有微生物，于是自生论又抬头了。

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图4-4-1　列迪的实验

到19世纪60年代，法国微生物学家巴斯德设计了一个精确的实验。他把肉汤注入一个特制的曲颈玻璃瓶里，煮沸灭菌。尽管空气可以通过曲颈的长管进入瓶内，但瓶内肉汤却经久不见混浊变质。这是因为悬浮在空气中的细菌及其孢子重于空气，它们只能停留在曲颈的部位，而进不了瓶。巴斯德又将瓶颈截断，让空气直接进入瓶内，结果微生物大量繁殖，肉汤浑浊变质（图4-4-2）。巴斯德解释，肉汤不会自然产生细菌，而是细菌使肉汤腐败，细菌是腐败的原因，而不是腐败的结果。至此，巴斯德真正地否定了自生论，生命不可能自己产生。

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图4-4-2　巴斯德的试验

（二）生命的化学起源

1.原始地球的环境条件

据科学家推测，地球的年龄距今约为46亿年。如果我们穿过时间隧道来到40亿年前的地球，可以看到地球上火山频繁爆发，岩浆四处翻滚，地壳不断运动，天空电闪雷鸣，有时又滂沱大雨。在早期的地球环境条件下原始的生命是怎样产生的呢？关于这个问题，很久以来就有各种不同的观点。现在大多数学者认为，原始的生命是由原始地球上的非生命物质，通过长期的化学作用，逐步由简单到复杂演变而成的。

2.生命的起源

目前，关于生命起源的假说主要有两种。

（1）原始汤的化学进化学说

从20世纪20年代开始，科学家提出化学进化假说，认为最初的原始生命是由地球上非生命物质通过化学作用，逐步由简单物质进化到复杂物质。该学说认为生命起源的化学进化过程可分为以下三个阶段：

第一个阶段：从无机小分子到形成有机小分子。原始大气中大致的成分为CH4、NH3、CO、CO2、H2、H2O蒸气和HCN，它们在大自然不断产生的闪电、紫外线和射线的作用下，就可能合成氨基酸、脂肪酸、碱基和核糖等有机小分子。

为了检验这种推测，1953年，美国学者米勒等人首先模拟原始地球的条件和大气成分，将甲烷、氨、氢、水蒸气等泵入一个密闭的装置内，通过火花放电（模拟闪电），合成出氨基酸（见图4-4-3）。这说明在原始地球条件下，由无机小分子生成有机小分子是完全可能的。

第二个阶段：从有机小分子到形成有机大分子。在原始大气中形成的有机小分子，随着雨水进入原始海洋中，日积月累，原始海洋就成了含有各种有机小分子的有机溶液，这些有机小分子便逐渐合成为有机大分子，如蛋白质和核酸等。1965年，我国在世界上首次人工合成结晶牛胰岛素（一种蛋白质），开创了人工合成蛋白质的新纪元。1981年，我国又用人工方法合成了酵母丙氨酸转运核糖核酸。

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图4-4-3　米勒的实验装置

第三个阶段：从有机大分子到形成多分子体系和原始生命的诞生。单独的蛋白质或核酸，还不是生命，它们必须结合起来，形成多分子体系才能显示出一些生命现象。关于蛋白质和核酸怎样结合形成多分子体系，有两种学说：一种是类蛋白微球体学说，美国人福克斯（S.W.Fox）认为干热聚合的类蛋白，被雨水冲入原始海洋，会聚结成大小一致的微球体，微球体有双层结构的膜，借以与水分开，它还有新陈代谢的现象，能出芽繁殖。另一种是著名的团聚体学说。苏联学者奥巴林（A.L.Oparin，1894—1980年）通过实验把天然的蛋白质、核酸、多肽和多核苷酸溶液，放在一定的温度和酸碱度的条件下，能形成团聚体，这种团聚体也有新陈代谢现象，团聚体能与周围环境交换物质，吸取一些有机物，增大本身的体积和重量，还会生长和繁殖。据此，奥巴林等人认为，团聚体的形成过程是最早的多分子体系的形成过程。

多分子体系形成后出现了生命特征，如能不断地自我更新、自我繁殖和自动调节，原始生命宣告诞生。原始生命最初是非细胞形态，经过漫长的历史演变，逐渐发展成具有细胞状态的原核细胞，继而又产生真核细胞，由单细胞进化到多细胞，以动物为例，以后从二胚层进化到三胚层，从无脊椎进化到有脊椎，从水生进化到陆生，最终从动物中分化出高等的人类。

（2）生命热泉起源学说

20世纪70年代以来，部分学者提出了生命热泉起源学说。这一学说认为，当时地球上的原始海洋可能仍然是一片沸腾的热海，不可能出现原始汤的化学进化过程，而生命的起源可能与热泉生态系统有关。20世纪70年代末，科学家在东太平洋的加拉帕戈斯群岛附近发现了几处深海热泉，在这些热泉里生活着众多的生物，包括管栖蠕虫、蛤类和细菌等生物群落。这些生物群落生活在一个高温（热泉喷口附近的温度达到300℃以上）、高压、缺氧、偏酸和无光的环境中。首先是这些化能自养型细菌利用热泉喷出的硫化物（如H2S）所得到的能量去还原CO2而制造有机物，然后其他动物以这些细菌为食物而维持生活。迄今为止，科学家已发现了数十个这样的深海热泉生态系统，它们一般位于地球两个板块结合处形成的水下洋嵴附近。

热泉生态系统之所以与生命的起源相联系，主要基于以下的事实：①现今所发现的古细菌，大多都生活在高温、缺氧、含硫和偏酸的环境中，这种环境与热泉喷口附近的环境极其相似；②热泉喷口附近不仅温度非常高，而且又有大量的硫化物、CH4、H2和CO2等，与地球形成时的早期环境相似。

由此，部分学者认为，热泉喷口附近的环境不仅可以为生命的出现及其后的生命延续提供所需的能量和物质，而且还可以避免地外物体撞击地球时所造成的有害影响，因此，热泉生态系统是孕育生命的理想场所。但另一些学者认为，生命可能是从地球表面产生，随后就蔓延到深海热泉喷口周围。以后的撞击毁灭了地球表面所有的生命，只有隐藏在深海喷口附近的生物得以保存下来并繁衍后代。因此，这些喷口附近的生物虽然不是地球上最早出现的，但却是现存所有生物的共同祖先。

尽管两种生命起源学说的争论持续至今，但是大家都相信，只要有原始地球那样的理化条件，生命就注定会出现，生命是宇宙和地球演化的自然产物。

生命起源与地球环境条件的关系

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