生命的起源

生物學在講甚麼?–周成功老師的探索筆記 (3)

我們生活的地球大約誕生在 46 億年前,這個熾熱、初生的行星誕生後不到 6 千萬年,又遭逢另一火星大小行星的撞擊。撞擊後飛濺出的物質,形成了我們的衛星:月球。隨著地表的溫度逐漸下降,硬化的地殼形成了陸地。另外來自無數小行星造訪地球時帶來充沛的水分,形成了藍色的海洋。萬事俱備,就等待著生命的出現了!

我們熟悉的生命型式最早在什麼時候?在地球的那個角落出現?科學家只能從各地所挖掘出年代古老的岩石中去探究。推測生命最早出現的證據,來自科學家在西格陵蘭所發現 37 億年前形成的岩石,其中可以觀察到一些類似單細胞形態的岩石結構,猜想那可能是被包埋在岩石中生命的痕跡。但生命究竟如何從無生命的物質中誕生?我們可能永遠沒有一個確切的答案,因為我們永遠無法重複,生命在 37 億年前地球上發生的過程。而在今天的地球上,我們也不可能有機會再重新目睹新生命的誕生。但毫無疑問,生命的起源永遠是個吸引人們去思考與探索的課題。

達爾文在他 1859 年出版的《物種起源》書中,對生命起源的問題並沒有任何著墨。不過 1871 年 2 月 1 日,在他寫給友人的一封信裡,達爾文倒是非常清楚地陳述了他對生命起源的臆測:「如果(多大膽的如果)我們想像在一些溫暖的小池塘裡,充滿了阿摩尼亞、磷酸鹽等等,加上光、熱和閃電可能讓蛋白質形成,並朝向更複雜的形式轉變⋯。」。

達爾文的臆測一直到 1953 年才在實驗室中得到證實。芝加哥大學化學系的博士生米勒,把氫氣、阿摩尼亞、甲烷、水蒸氣等注入一個大燒瓶,在燒瓶裡插入兩根電極,接上高壓電,電極間就產生持續閃電。不一會兒,就有一些

物質凝集在燒瓶底部。分析這些凝集液發現了多種構成蛋白質的基本素材:胺基酸。因此簡單的氣體組成在適當的環境中,的確可以自動形成建構生命的基本材料。

有了建構生命的基本材料後,生命就會自動產生嗎?想想看,你如果把細胞打破、磨碎,再將組成細胞全部的材料裝在試管中。你有可能在試管中再重新得到一個活生生的細胞嗎?答案當然是否定的。科學家一直到今天,還沒有辦法在試管中用沒有生命的物質材料創造出一個有生命的細胞!

不過從今天對生命運作的瞭解,我們可以合理推測,生命起源的環境必須滿足一些基本條件。首先,生命最基本的單元是細胞,而所有細胞都具備細胞膜的結構,隔離細胞內部與外在環境,避免細胞內的物質與組織因擴散作用而消失。另外,細胞還必須透過新陳代謝的化學反應,持續不斷地從外界獲得能量與材料的供給。因此,生命只可能在一個隔離,但有能量與材料供給的空間中產生。顯然達爾文溫暖的小池塘沒有隔離的空間,縱使有一些像胺基酸分子可以自動形成,也會因為擴散作用而稀釋掉了。因此不能滿足生命起源的基本條件!

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圖3-1 2004 年美國商業部國家海洋及大氣管理局在1400 米深太平洋海底所拍攝(www.pmel.noaa.gov),黑煙囪周圍佈滿了巨管蟲。

1977 年科學家在太平洋海底發現了一個狀似煙囪的熱溫泉,還真的不斷冒出滾滾黑煙,而且在黑煙囪周圍充滿了各式各樣的生物(圖 3-1)。熱溫泉的形成是因為海底大陸版塊移動,岩漿湧出、冷卻形成新的地殼。海水從附近裂縫滲入、加溫,同時溶解大量礦物質。高溫的海水尋隙湧出,礦物質碰到外面冰冷的海水,沉澱出微小的顆粒,隨著溫泉噴出。這樣獨特的環境,立刻讓人連想到生命可不可能在此誕生:高溫提供了持續的能量,噴發出的溫泉中充滿各种化合物,在缺氧的環境發生許多化學反應⋯。生命起源於黑煙囪的理論立刻風靡一時。

生命真的可能誕生於海底黑煙囪的火山溫泉中嗎?如果我們仔細分析一下海底黑煙囪的條件,就會發現這似乎仍然不是一個生命理想的出生地。首先黑煙囪的溫度高達攝氏 350 度左右,在這樣的高溫下,大部份的有機化合物都會分解。另外黑煙囪的環境很酸(和胃酸相似),在這樣又熱又酸的環境中,是難以形成一個由細胞膜包裹的生命形式。其實海底黑煙囪欠缺了一個最重要的條件,那就是生命形成需要一個隔離的空間。在這個空間裡,支持生命運作的化學反應得以進行,建構生命的材料得以累積、濃縮。最後黑煙囪形成後只有幾十年的壽命,就會消逝。在這麼短的時間裡,生命難以完成它形成前所必須經歷無數的嘗試。

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圖3-2 碳酸質煙囪群由美國華盛頓大學與伍茲霍爾海洋研究所在2000 年在大西洋海底所發現。 http://www.nsf.gov/od/lpa/news/press/01/pr0156.htm。

科學探索永遠會帶來新的驚喜! 2000 年 12 月,科學家在大西洋的海底,發現了另一個獨特的海底溫泉結構(3-2)。白色碳酸質的煙囪群宛若柏拉圖所提到那個沉入海底的失落城市。於是失落的城市便成了這個海底溫泉的代稱。失落城市是個完全不同於黑煙囪的海底溫泉。首先它的溫度不高,只有攝氏 40 到 90 度之間;其次,它酸鹼度呈鹼性;最有趣的是它多孔、蜂窩狀的結構,洞穴彼此相連,大小與細胞相近。而它的壽命可以高達數十萬年。

失落城市的形成是因為海水滲入地層,與橄欖石作用形成蛇紋岩。在水合的作用下釋放熱和氫氣。源源不絕的氫氣從鹼性的溫泉中釋出,在蜂窩狀的洞穴中,與酸性海水中的二氧化碳作用可以形成甲醛。這也許是自然界中最早、非生物性的固碳作用。甲醛在熱的加持下,可以進一步反應,得到各種有機化合物。穩定的蜂窩狀洞穴提供了半隔絕的空間。大自然在其中經歷無數的嘗試,讓各种化學反應在其中連結與碰撞,生命的秩序與組織,很可能意外地就此誕生。另外化學反應產生的脂肪分子,可以黏附在洞穴壁上形成薄膜。而脂質分子的薄膜形成了細胞膜的雛型,同時也為生命提供了另一種可能:邁出洞穴,自由遨翔在大海中,去拓展未來無數演化的可能(圖 3-3)!

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圖3-3 從生命共同的始祖 (LUCA) 演化出兩種外形相似,但細胞膜與細胞壁結構完全不同的細菌與古生菌。

 

參考讀物

1.  生物學在講甚麼?–周成功老師的探索筆記 (1) http://shs.ntu.edu.tw/shsblog/?p=32713

2. 生物學在講甚麼?–周成功老師的探索筆記 (2) http://shs.ntu.edu.tw/shsblog/?p=32717

3. On the origin of life on earth Science 323: 189-90; 2009.

4.  Lost City of the Atlantic –“The Birthplace of DNA and Earth’s First Living Organisms?”The Daily Galaxy March 07, 2016

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