三、生命起源的各种观点
生命起源的宇宙观则是带有普遍性的观点，除此以外还有许多深入研究的局部见解值得讨论。
1.星际尘粒氨基酸合成与胚种论
近些年来，科学家从高空尘粒采样收集到多种氨基酸成分，它来自何方还不得而知。1999年美国密苏里大学天文物理学家W.H.Sorrell提出星际尘粒合成氨基酸的新证据。通过毫米波排列（millimeter wave array）观察发现甘氨酸（glycine）在稠密的人马星座（Sagittarus B2）星云中形成。如果这种观察是可靠的，就将改变今天分子空间形成的一系列问题。因为作为通常星云化学的气相反应制造是不可能的。实验室研究提供了一种新的范例，氨基酸和其他有机大分子在冰粒膜的大体积内在乙酸存在下，通过紫外星光的照射获得化学合成。频繁的化学爆炸过程将喷射出大量有机尘粒的碎片进入周围星云，大碎片经喷溅变成小碎片，最后通过光分离成各个分子。因此，一定浓度（1010～1015cm- 2）的氨基酸将出现在气相中。一种可估量的有机分子能够存活下来播种原始行星，遍及银河系带有所必需的蛋白质和核酸生物前有机分子。
宇宙胚种论（panspermia）最初由希腊哲学家Anaxagoras（公元前500）提出的，他认为生命种子来自宇宙，它在任何合适地方都能生存繁衍。1907年瑞典化学家Arrhenius提出了生命种子的特殊模式。他认为细菌孢子（spores）通过地球引力释放出去的可能性，最后借助太阳辐射压逐出太阳系。一旦细菌孢子到达星际空间，它们将进入另行星系统并提供生命种子。Arrhenius的胚种观念却未能解释地球细菌是如何发生的，如果生命种子来自太阳系，它们又如何发生，同样问题是存在的。另外实验证明细菌孢子如枯草芽孢杆菌（Bacillussubtilis）长期暴露在星际紫外下是不能存活的。
现在，新的胚种论可能成立，因为类似于Sagittarius B2形成星云的星是有机尘粒的巨大制造厂。这些颗粒具有厚的吸收冰层保护内在氨基酸和其他有机建材免受辐射伤害。即使冰层颗粒受热升华迅速发生相气而又扩大凝聚，有机物不会发生自由氧的化学伤害，因为增加的氧原子阻隔在颗粒表面。星际氨基酸证明非外消旋特性。这将告诉我们紫外星光以圆偏振光穿过亚星云冰粒膜内部合成所致，它可能选择性地淘汰了D型或L型分子。可是，构成生命的蛋白只由左旋氨基酸组成，为什么这样？有人解释：最初左旋氨基酸与右旋氨基酸可能在分子星云中等量形成，后来因为分子受到周围原始恒星释放的右旋圆偏振光（circular polarization）紫外照射，右旋氨基酸被分解而左旋氨基酸过剩被组成到生命机体中来。
Greenberg（1993）提出地球生命是在46亿年前一次通过大量有机尘埃的太阳系螺旋臂区播种上的。他的胚种论来自太阳系通过银河系，聚集种子是处于黑暗旋螺臂（spiral arm clouds）。太阳系以它的圆形轨道运行，其速度Vs＝25km·s-1，围绕着银河中心（galactic centers）以每1亿年通过螺旋臂时增加有机尘埃。近来观察证明星际尘粒在今天仍向太阳系扩散，它不受太阳风动力学和辐射压的影响。今天的太阳系不是处于黑暗星际的边缘，否则，高度的昏暗将不可能观察到银河系和附近的银河系星体。
Chyba和Sagan（1992）还讨论了有机物从陨石、彗星、小行星和星际尘粒（IDP）进入地球大气的沉积速率。他们找到40亿年前IDP沉积有机物的速率，R≤108kg·a，并推算出彗星、小行星、陨石的沉积率大于IDP10倍。地球的有机尘动乱沉积总量在每次通过螺旋臂获得6×1015gm和3×1016gm，粗略估计为今天生物产量的1％～10％。因此，在地球形成到生命发生的10亿年间，总共通过几次，已有足够的星际有机物作为原始微生物建材播种到这个星体上来。同样结论适用于火星上，其播种量约为1.0×105gm和5.4×1015gm。所以，胚种论能够解释地球和火星上的生命起源同时发生的事实。
2.黏土、微气粒及热泉与生命起源
1983年7月美国格拉斯哥（G.lasgow）大学举办了一次黏土矿物质与生命起源（clay minerals and the origin life）专题科学研讨会。这次会议聚集了地质学、土壤学、矿物学、晶结学、地质化学、生物化学和化学等40多位学者参加，探讨了黏土矿物质在地球表面前寒武纪（precambrian）早期有机体生命出现中的作用。专家们对黏土结构的形成与作用，黏土在早期地球和太阳系中的存在，黏土在碳氢化合物和含氮化合物形成的催化作用和原始基因编码进行了讨论。目前所知与生命起源有关的矿物有磁铁矿、黄铁矿（FeS）和硅酸盐颗粒（橄榄石（Mg，Fe）2SiO4）。这里的黏土矿物可能来自宇宙尘埃在原始海洋的沉积。迄今每年落入地球的宇宙尘埃尚有300多吨，尘粒不到1毫米大小，大部由多种的铁、镍、肽、硅、铝、镁氧化物组成，还有一部分尘粒由磁铁矿组成，这与地球的结构相似，它们还带有氨基酸成分。
一般认为原始地球表面有机化合物聚合与分解是很强烈的。为了使原始雏形细胞形成和化学反应，矿物可以扮演重要角色。因为矿石结构中的微孔可以保护各类分子聚合尽至可以主动选择特定分子，后来扮演催化活性功能。其实，矿物中金属离子也能催化生化反应，协助小分子聚合，例如镁、铁、铜离子。科学家已证明，氨基酸能在黏土表面聚合，并脱水连接成多肽键。由此推测原始地球表面泥底若含有黏土，太阳一晒提供反应能量即有多肽键形成，这些小多肽键又可折叠形成小一点的蛋白质，即具有构成雏形细胞基础的功能区。
2001年，据美国《气象协会通报》报道，由美国科罗拉多（Colorado）大学和英国牛津（Oxford）大学的NOAA合作研究组C.Dobson和A.Tuck等提出“生命起源可能始于微小气粒（Origin of life on earth may havew ith tiny atmospheric droplets）”的新理论。科学家认为由海洋表面波浪产生的空气溶胶粒（aerosol particles），外表凝聚有机物的小水泡易在空气中爆裂，其微小颗粒飘浮在空中几天、几月尽至更长。它们的内含物暴露在更广泛的温度、湿度和阳光下，通过蒸发，简单有机物浓度变得更高，或许偶然与其他颗粒相遇，因带有痕量金属，进行化学反应。这样，各种结合反应有助于形成更复杂的而生命必需的有机分子，如蛋白质和核酸形成。在早期大气缺O2和O3时将有助于这些过程发生。
研究者证明空气溶胶粒有许多类似于细菌和其他单细胞有机体的特性，例如，它们大小相似，内在有水溶液，盐度有别于海洋。他们还认为颗粒的凝聚与分裂类似于细胞早期的繁殖与复制。空气溶胶粒的大量发生，在漫长的地质年代过程中循环，将允许选择成功的化学分子去进化。关于细胞膜双层的存在，研究都作了论证而解释：空气发生颗粒可能形成的有机材料双层膜，第一层是当它们离开海洋表面时出现，第二层是当它们从空气返回海洋时产生。许多以前的单细胞发生理论大多承认前生命的化学发生在地球水域，如池子、海洋，但生命之汤如何达到足够的能量和化合物的浓度，也就引起疑虑。然而，这种空气溶胶粒理论有助于回答许多问题，并通过实验将找到更多的证据。
此外，W.Borgeson（2002）等提出深海热液处的生命起源观点，因为在那热泉附近存在早期生命之汤的聚合物和自由能及其不同温度的反应条件。根据星雨大撞击时期，地球表面条件恶劣而地表深处环境稳定，这就是含有催化剂与自由能的微孔环境，可能稍稍地演化着生命。现有的观察表明地层2000～3000m深处和深海热泉生存着嗜甲烷、嗜铁和嗜热细菌而热泉口细菌能在383K（开氏温度）形成。由此推测这类细菌是最古老细菌的后代，而且它们的祖先就在热泉处形成。
与海底热泉生命起源说有关的是海底“海烟囱”起源观。现代海底“黑烟囱”的研究始于1977年，当时，美国的阿尔文（Alrin）号载人潜入东太平洋中脊的底部采得黄铁矿、闪锌矿和黄铜矿组成的硫化物。1979年又在同一地点2610～1650m的海底熔岩上，发现了数十个冒着黑色和白色烟雾的烟囱，约350℃的含矿热液从直径约15cm的烟囱中喷出，与周围海水混合后，很快产生沉淀变为“黑烟”。沉淀物主要由磁黄铁矿、黄铁矿、闪锌矿和铜—铁硫化物组成。这些海底硫物堆积形成直立黑烟，周围含有大量含硫、含铁细菌，而这些矿物质亦被视为与生命发生早期化合物催化聚合有关。近30年来，海底热泉口和海底黑烟囱有多处发现，由马斯塔（A.Mustard，2011）潜入冰岛附近海域板块向喷出的热泉口拍摄（图2-6）海底烟囱。
图2-6 海底烟囱
3.生命起源的综合观
宇宙星云是天体物理尘埃物质和能量转变的产物，生命也来自尘粒物质自聚化学反应的信息与传递产物。比利时细胞学家德迪夫（C.De.Duve）的《生机勃勃的尘埃》之书（1995）是最具代表性的尘埃生命起源说。他引读者在40亿年造就生命的时光隧道中穿梭，令人眼花缭乱，用7个层次，即地球发生的化学时代、信息时代、原细胞时代、单细胞时代、多细胞时代、心智时代，以及向我们提出的未来时代而挑战了生命起源的疑难问题。
德迪夫很自信地认为“生命在给定的条件下，注定会产生，只要具备相同的条件，无论何时何地都会如此”。他又强调碱基配对源于与信息传递无关的化学事件，与信息时代一同出现的关键因子是偶然性。突变是偶然事件，不可否认偶然性在进化过程中的重要作用。机遇在限制性条件范围内发生，这些条件也制约了机遇的自由发挥，这一受限偶然性观点作为主旋律贯穿于我们对地球生命历史的重建过程。
化学家总着眼于生命起源的化学发生，肽核酸（PNA）是一种有希望的RNA前体已被提出。如果热力学有利于PNA一类似原始基因的形式，那么也强化了RNA发生于作用。米勒实验室仍用火花放电方法，对CH4、NH3和H2O为主要的混合物，在特有理论技术安排下，经过几年的努力，首先合成了PNA主成分AEG，随之合成乙二胺。氰化物（NH4CN）的聚合作用在甘氨酸存在导致腺嘌呤和鸟嘌呤—N9—乙酸合成，而胞嘧啶和尿嘧啶—N—乙酸由氰基乙醛与脲基醋酸反应获得。初步试验认为AEG在100℃下可以迅速聚合，能获得多肽分子的PNA。PNA成分的容易合成和AEG的聚合作用能力致使PNA成为最初的遗传材料的可能。这项研究成果，使得人们相信PNA而不是RNA可以作用生命起源早期最初的遗传分子（R.E.Nelson，S.L.Miller，2000）。
按照现在的RNA对蛋白质的转译作用和RNA反转录对DNA的作用，只要有了RNA发生，原始生命的遗传信息与复制才成为可能。然而，在原始地球上，RNA聚合酶未形成时，核糖核酸的聚合物是如何形成的？目前无确实证据，但是以试管中的实验证明：核糖核酸聚合物是可以获得。由此，人们推测蛋白质的合成是在矿石或黏土中进行脱水反应的结果，而RNA的聚合作用也需要核苷酸以氨基氰（cyanamide）当作浓缩剂在无水加热的环境下形成。有实验证实矿物质高岭土具有类似催化剂功能形成磷酯键，此形成的2′，3′—CAMP被认为和RNA形成聚合体过程有很大的关系。
最近，美国哈佛大学R.Alonso等（2009）对地球上生命起源的化学发生问题进行了广泛讨论，他们相信原初生命形成的非常重要的遗传分子RNA可能会在某种环境下形成，即所谓有个RNA世界存在，才能使生命得到发生与发展。从目前细胞遗传信息与基因表达看来，RNA是DNA和蛋白质中间传递体，它应先于DNA独立存在而随后被DNA取代。目前，科学家的任务就是要用实验寻找各种原始条件合成核苷酸和RNA具有自我复制的人工有机体，以揭示早期的生命发生。这个论点的提出可视为对生命起源的研究进入了新阶段。尽管目前关于生命起源于无生命物的研究已取得不少进展，但是不依靠现存RNA为模板，要获得具有自我复制能力的RNA仍然是非常困难的。如果热力学有利于PNA一类原始基因形成，那么也强化了RNA的发生于作用。应该说，大自然为生命起源准备大量原材料，其合成途径也是多样的，譬如核苷酸基本化学结构是碱基与五碳糖及磷酸之间以化学键连接，这类分子应该说在原始大气中自然生成，在核糖核酸组成中，它们在没有核酸聚合酶作用是很难聚合的。早期合成催化肯定没有酶类，但有别的催化剂。再者，自然界为何选择磷酸，而不是其他酸，想必是通过多种化合而得到的一种最佳结合。化学分子间，正电荷与负电荷之间的作用形成了最简单也是最原始的离子间作用力。的确，磷酸根所带的负电荷对于蛋白酶结合成核酸的包装成染色体是很重要的。
有很多专家认为卟啉（porphyrin）的合成也是生命起源的必需步骤，根据生命起源的异养性理论，第一个原始细胞应该是从外界环境中获得所需能量，卟啉分子是具有双键的含碳有机化合物，能够吸收日光光能，它是简单碳、氮有机物通过宇宙线和紫外线照射形成的。已知菌类的硫酸盐、铁、氮的代谢如同光合作用一样，需要卟啉，因此，卟啉可能在原始生物演化中出现，也可能在原始细胞出现前在环境中。随后，在藻类和绿色植物叶片的演化过程中结构的主要成分也是卟啉，并在光合作用扮演了极重要的角色。
我们假定原始生命合成过程也有某种化学特性，这可以解释蛋白质合成中令人疑惑的选择性问题。也就是说，在蛋白质的合成过程中，只有20种氨基酸加入，而很多在原始汤中也许有非常丰富的氨基酸却未入选。还有一件令人感兴趣的事，构成蛋白质的20种氨基酸中的19种，除了甘氨酸不能以两种方式存在外，其他皆为“左手性”。这种自然界的L型氨基酸现象被科学家认为是有关生命起源的最奇怪的现象之一。有些科学家认为这与矿石表面结构选择性有关；也有人认为46亿年前恒星诞生地点，在恒温环境下由于紫外偏振光照射，右旋氨基酸可能变为左旋氨基酸。这些左旋氨基酸是由陨石携带到地球上来的。前些年中国科学家提出地球轨道力场的周期性与不对称性也可能选择左旋氨基酸。总之，我们只能假设原始的tRNA的特殊构型是为了挑选合适的氨基酸供蛋白质合成比价稳定。如果氨基酸与tRNA分子之间的连接没有某种程序的特异性，就很难对翻译的起源和遗传密码的出现做出解释。
原细胞时代是一个较长的时期，在这一时期，细胞从无组织到有组织的连续复制和装配，细胞膜从代谢中产生。现在证明磷脂双分子层容易形成，然而，磷脂是一个复杂的分子，原始生命之汤中几乎不存在。一种可能性是最初的细胞边界不是由磷脂构成而是由肽和其他大量的疏水性多聚体构成，形成一种比磷脂分子更松散更易透过的网状物，有利于与外界物质交换。磷脂类可能在晚些时候插入网状边界的洞中，才建立更完全的细胞膜。
最近，A.lazcano（2006）在《Natural History》上选文对“The origins of life”进行比较全面的评述，感叹“厨子多了可能会煮坏生命之汤？”他认为，Crick在《生命起源与本质》一书中提出的挑战性问题：RNA不可能直接来源于蛋白质；地球上的最先文明可能来自宇宙太空，将生命起源的微水激起了波澜。在探讨了“RNA-world”不足之后，导致Miller支持PNA先于RNA的观点，还有其他许多核酸前体的聚合物的实验论证。地球生命起源天体星际和地球深层的黏土矿物作用与热泉液氧化还原聚合物的起源都被提出。
总之，关于生命起源的化学历程的框架是比较清晰的，但是，各种科学观点具体到演化途径的论证还有很大距离，或者，这个谜底还需要长期研究和讨论下去。在此，我想引用张昀（1989）的“生命的演化历程”图解作为概略性的表达（图2-7）。当前，这里的地球生命演化不排斥生物前体物质的宇宙作用。
图2-7 生命的演化历程（张昀1989）(www.xing528.com)
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