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充满争议的生命起源假说:源自矿物晶体而非DNA有机分子

ufo在线 科学探索 2019-09-18 20:02:27 47 0 标签1标签2
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

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   一块黏土

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   黏土中的晶体

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   黏土的组成有许多形式

     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。

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   晶体从不会是完美的规则形状

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   黏土晶体可以呈现出许多形态

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   黏土具有非常广泛的用途

     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-geneshypothesis)。

     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。

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