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生命的躍升:生命的起源不是你想的那樣

生命的起源不是你想的那樣

一九五三可能是史上重要的一年,標誌著英國女王伊麗莎白二世加冕、人類首度登上聖母峰、俄國史達林的死亡、DNA的發現,以及最後但同樣重要的一件,那就是米勒跟尤瑞的實驗,它象徵著一系列生命起源研究的開端。米勒那時候還是諾貝爾化學獎得主尤瑞實驗室裡面一名固執的學生。他在二○○七年過世,也許還帶著極度的不甘,直到臨終前仍為捍衛自己半世紀前大膽提出的觀點而奮鬥。不過不論米勒那獨特論點後來的命運為何,他真正留給後人的遺產,應該是藉由那些非凡的實驗所開啟這領域的一扇門,以及那些直到今天依然讓人震驚的結果。

當年米勒在一個大燒瓶裡裝滿水和混合氣體,用來模擬他所認為的早期地球大氣組成。他所選擇的氣體是氨氣、甲烷跟氫氣。這些是根據光譜觀察後,據信為組成木星大氣的成分,因此也很有可能充斥在年輕地球的大氣中。接著米勒在這瓶混合物中通電用來模擬閃電,然後在靜置幾天、幾個禮拜或是數月後,米勒把樣品拿出來分析,看看他到底烹調出了些什麼。實驗結果大大出乎意料,遠遠超過他的想像。

米勒所煮的是一鍋太古濃湯,一鍋近乎謎般的有機分子,其中還包括一些建造蛋白質的基本成分,也就是胺基酸;這或許是當時最能代表生命的分子了,因為彼時DNA還沒沒無名。更驚人的是,米勒做出的胺基酸正好就是生命所使用的那幾種,而不是其他各種大量可能的隨機排列組合。換句話說,米勒僅僅電極了很簡單的氣體組合,構築生命所需最基本的成分就這麼凝結而出,好像它們早就等待已久隨時準備登場般。霎時間生命的起源看起來變得好簡單。這結果必定非常符合當時的某些潮流,因而甚至登上《時代雜誌》的封面,為科學實驗帶來前所未見的轟動宣傳。

不過隨著時間過去,太古濃湯的構想漸漸失去支持。因為當對太古岩石進行分析後發現,地球其實從來就沒有充滿氨氣、甲烷與氫氣過,或者至少不是在隕石大轟炸把月亮轟出去之後。此時太古濃湯理論的人氣跌到谷底。遠古那次大轟炸扯碎了地球的第一個大氣層,把它們整個掃到外太空去。如果用比較接近實情的大氣組成來做實驗,則結果頗令人失望。對二氧化碳跟氮氣的混合氣體,外加極微量的甲烷和其他氣體電極一陣子之後,只會得到很少的有機分子,而幾乎沒有胺基酸。現在當初太古濃湯的那個實驗,變得像只是為滿足好奇心所做,雖然還是一個很好的實驗,證明有機分子可以簡單地從實驗室裡面做出來,但除此之外別無意義。

不過隨後科學家又在太空中找到大量的有機分子,這發現拯救了太古濃湯理論。這些有機分子多半存在彗星與隕石上,有些彗星跟隕石甚至幾乎就只是混了大量有機分子的髒冰塊,而其中的胺基酸種類跟電極氣體產生出來的非常相近。在驚訝之餘,科學家開始尋找:這些組成生命的分子有無任何特殊之處?在眾多有機分子中,是否有一小群特別適合形成生命?至此,隕石大轟炸有了另外一個面貌,它不全然是毀滅性的,這些撞擊變成為地球帶來水與生命源頭有機分子的終極來源。這個太古濃湯並不是在地球上形成,而是從外太空來的。雖然大部分的有機分子會在撞擊的過程中耗損掉,不過科學計算的結果顯示,仍有足夠的分子可以留下來成為湯的原料。

這假設雖然不像霍伊爾爵士所提倡的生命是由外太空播種到地球上那樣極端,不過它確實把生命起源(或至少太古濃湯)跟宇宙的組成成分連結在一起。地球生命現在不再只是一個例外,而是統治整個宇宙的定律之一,就像重力一樣無可避免。天文學家當然很歡迎這個理論,至今依然。除了這點子實在不錯以外,更重要的是它讓天文學家有飯可吃。

這濃湯還因為添加了分子遺傳學而更美味,主要是因為生命的本質就是「複製子」,特別是基因這種複製子,而基因是由DNA跟核糖核酸(RNA)所構成,它們可以一代又一代精確地自我拷貝(在下一章會談得更詳細)。確實,天擇少了「複製子」這類東西絕對行不通,而也只有透過天擇,生命才可能由簡而繁。如此,對許多分子生物學家來說,生命的起源就等同複製的起源。而太古濃湯符合他們的需求,因為湯裡面有各式各樣的成分,足以讓彼此競爭的複製子成長並演化。這些複製子可以在夠濃稠的湯裡各取所需,形成愈來愈長、愈來愈複雜的聚合物,最後並帶入更多分子來形成精巧的構造,像是蛋白質或是細胞。從這個觀點來看,這鍋湯就像是飄滿英文字母的海洋,正在拼湊出許多單字,現在只等著天擇將它們釣上來去寫出漂亮的散文。

但是,太古濃湯是有毒的。它有毒並不是因為這構想必然錯誤,事實上遠古時期很有可能真有太古濃湯,只不過非常稀薄,遠不像當初想像般濃稠。它有毒是因為這構想讓科學家在尋找生命真相的時候,走了幾十年的冤枉路。如果我們在一個錫鍋裡面裝滿滅過菌的湯(或者一鍋花生醬好了),放個幾百萬年,生命會跑出來嗎?當然不會。為什麼?因為這些成分只會漸漸分解,什麼都不會發生。就算你持續對錫鍋通電也不會改善情況,那些成分只會分解得更快。偶然強大的放電像是閃電,也許會讓某些分子黏在一起形成團塊,不過卻更有可能劈碎它們。我很懷疑複雜的生命複製子能從這鍋湯中出現,就像〈阿肯色州旅者〉這首歌裡說的:「你無法從這裡走到那裡。」因為這不符合熱力學定律,同樣的道理,對一具屍體持續電極也無法讓它復生。

熱力學是許多書本極力避免使用的字彙之一,尤其是那些自詡為科普暢銷書的書籍。但是如果真正了解的話,它的魅力無窮,因為這是關於「欲望」的科學。原子跟分子的存在是由「吸引」「排斥」「需要」以及「釋放」所支配,它們是如此重要,以至於在寫化學書籍時幾乎不可能避免用些情色擬人法:分子「想要」失去或得到電子、電性異性相吸、同性相斥、分子想要與同性質分子共存。當化學物質的每個成分都想要配對的時候,化學反應就會發生,或者它們會不情願地被強大的外力強迫在一起。當然也有某些分子其實很想進行反應,但卻無法克服本身的羞赧。輕柔的調情也許會引發強烈的欲望,然後釋放出極大的能量。不過,或許我該在這裡打住了。

我想說的是,熱力學定律讓這個世界轉動。兩個分子如果不想進行反應的話,那就很難引起反應。如果它們想反應的話,反應就會進行,就算也許要花點時間去克服彼此的羞赧。我們的生命是由這種「需要」所驅動。在食物中的分子其實真的很想要跟氧氣反應,不過幸好這反應不會自發進行(這些分子其實非常害羞),否則我們就會燒起來。但是讓我們存活下來的生命之火,也就是分子間緩慢的「燃燒反應」,其實跟燃燒是同一種反應:就是食物中的氫原子跑出來跟氧原子結合,釋放出讓我們存活的能量。基本上,所有的生命都是由類似的「主要反應」所維持,化學反應「想要」發生,然後釋放出能量去驅動其他的副反應,這就產生了新陳代謝。所有的反應、所有的生命歸結起來都是如此,是出於兩個分子並列在一起時彼此趨向完全平衡,比如氫跟氧,兩個相反的個體快樂地結合成一個分子並釋放出能量,然後除了剩下一小灘熱水外,什麼也沒有。

而這就是太古濃湯的問題所在。從熱力學觀點來看它是死路一條。在湯裡面並沒有哪些分子真的想發生反應,至少不是像氫跟氧想要發生的那種反應。因為在這湯裡面並沒有什麼不平衡,並沒有什麼驅力把生命不斷往上推,推過陡峭的活化能高峰之後,形成一個複雜的聚合物,比如蛋白質、脂質或是多醣類分子,或者更重要的像是RNA或DNA等分子。有些人臆測第一個生命分子是RNA這類複製子,早於任何根據熱力學定律會產生的分子。這樣的想法,套句地質化學家羅素的話來說,就像是「把車子的引擎拔掉之後,還希望微調控電腦可以駕駛它」般荒謬。

(全文未完)

摘自《生命的躍升:40億年演化史上最重要的10個關鍵》第一章 〈生命的起源-來自旋轉的地球之外〉。本書由貓頭鷹出版社出版,獲2012年7月PanSci選書推薦。

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