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解密生命
  作者:周祥
  引子:
  关于地球上的生命究竟是如何诞生的,至今没有一个公认的令人信服的说法,这就给生命的源头蒙上了一层神秘的色彩。
  当然,要弄清楚地球生命的起源,就非常有必要知道地球是如何演化的,其中与生命尤为相关的便是大气,因为是它为生命的出现创造了必要的条件。
  生命之源
  生命之旅
  生命基质:细胞
  生命之舟:染色体
  豌豆的启示
  生命密码箱:基因
  生命语言:DNA
  生命密码
  基因突变与改造生命
  基因猪与克隆羊
  生物工程大观
  基因工程——M分子水平上对生命作人为干预
  基因疗法
  病毒灵丹妙药——干扰素
  细胞工程
  蛋白质工程——第二代基因工程
  让绵羊自己“剪毛”
  生物芯片
  微生物工程
  未来世界
生命之源
  关于地球上的生命究竟是如何诞生的,至今没有一个公认的令人信服的说法,这就给生命的源头蒙上了一层神秘的色彩。
  当然,要弄清楚地球生命的起源,就非常有必要知道地球是如何演化的,其中与生命尤为相关的便是大气,因为是它为生命的出现创造了必要的条件。
  地球大气的演进可以分为三个阶段:第一代大气即原始大气在地球演化的初期就消失了;第二代大气是被地球内部物理化学反应挤压出来的,称为还原大气。还原大气的显著特征便是缺氧,只是由于后来出现了植物,植物的光合作用提供了大量的氧气,才使得还原大气变成了以氮、氧为主的现代大气,即氧化大气。据此,科学家们推测,在35亿年之前,地球上就已经出现了生命。
  推测终归是推测,地球生命起源依然是一个悬而未决的问题。现在,可以肯定地认为,大约在40亿年前,地球上只有岩五和水,地表温度很高,缺氧的大气使来自太阳的紫外线可以畅通无阻地射到地表,而紫外线具有相当强的化学活性,它是生命形成的催化物。诸多关于生命起源的假说就是从这里开始的。
  1924年,被誉为世界研究生命起源的先驱。苏联生物学家奥巴林在他的《生命起源》一书中把生命起源的历史分为三个阶段:有机物产生;氨基酸、高分子聚合物形成;具有新陈代谢机能的蛋白质产生。奥巴林认为,生命发生的可能过程应为蛋白质分子一分子团团聚体,团聚体内部结构的完善可以导致原始生命的出现,并最终产生结构、功能复杂的生命单体。先是原始单细胞生物,然后向两个方向进化:一是自养能力强化而运动功能退化,进化至单细胞菌藻类植物,成为植物界进化的源头;另一方向则是运动功能强化而自养功能退化,进化至单细胞原生动物,成为动物界进化的源头。
  奥巴林的生命起源假说拥有很大一批追随者,其中不乏闻名于世的身体力行者。20世纪50年代,美国人米勒开创了生命起源模拟实验的先河。1953年,米勒依据奥巴林的假说,着手开始了原始大气模拟实验。他把甲烷、水蒸汽、氨、氧气的混合物装在一个完全密闭的装置内,让它们循环流经一个模拟太阳紫外线辐射的电弧。在历经一周的连续放电之后,密闭装置内产生了甘氨酸、丙氨酸等11种氨基酸,其中有4种氨基酸存在于天然蛋白质中。米勒实验的成功给了后来者极大的鼓舞,此后,世界各国科学家纷纷投身于寻找生命源头的研究中。1959年,德国科学家格罗特和维斯霍夫设计了一个用紫外线代替放电的实验,同样得到了氨基酸;1961年,美国的生物化学家奥洛把氰化物加入实验混合物中,得到了很多种氨基酸及一些短链的肽,还制成了一种重要的生命物质一瞟吟;1962年,奥洛又制成了核糖和脱氧核糖;1963年,美国人波南佩鲁马做了同米勒相似的实验,他用电子作能源,制成了腺瞟吟;接着,他又和同事们一起在紫外线的作用下,制成了腺膘吟校普。到了周世纪70年代,组成蛋白质的20种氨基酸已能够全部通过人工模拟自然条件的方法合成。奥巴林假说中关于生命起源的有机物产生阶段已多次为实验所证实,大的分歧出现在蛋白质与生命物质产生阶段。在奥巴林生命起源假说中,海水是不可或缺的,它被认为是生命的摇篮。奥巴林派坚持认为,如果没有原始海洋,有机物质难以储存聚集,最终形成有自我复制功能的生命单体。
  但是,美国生物化学家福克斯却不这样认为,1960年,他提出了另一种生命起源的假说一类蛋白微球体假说。福克斯认为,早期的地球温度很高,依靠热能就足以使简单的化合物形成复杂的化合物。为了证明自己的假说,早在1955年,福克斯就开始进行实验。他把各种氨基酸的混合物加热到200℃,3小时后,它们形成了形似蛋白质的分子链,被称为类蛋白。1960年,福克斯又把酸性类蛋白放人稀酸中加热溶解,冷却后缩结成团,形成微球体。在光学显微镜下,福克斯发现这种微球体很像细菌,并且在特定处理后还能出芽,芽长大后能脱落下来;小球还能分裂,一分为二或者彼此连成长串。
  福克斯的类蛋白微球体假说否定了生命发生对原始海洋的依赖,因而被称为“陆相起源派”。科学历来具有极大的包容性,多年以来,奥巴林派与福克斯派长期致力于发展完善各自的理论,其间并无多少争论。在数十亿年前,什么样的事情都有可能发生,而今天的人类只能在想象中追寻昔日的印迹,追寻原始生命发生的轰轰烈烈的景象。奥巴林派与福克斯派的学术价值都得到了同样的认可,团聚体和微球体都被看成是生命发生过程中的原始细胞模型。
  在“海纳百川,有容乃大”的科学精神的鼓舞下,近年来,关于地球生命起源的假说纷起林立,比较著名的有“火山学派”与“外来生命学派”。福克斯的“类蛋白微球体”迄今在自然界尚未被发现,而有生命的类病毒却可以在自然界发现。类病毒的前导物质为单质磷酸,科学家在研究火山气体时发现其中含有单质磷酸复合形成的大分子磷酸。据此,“火山学派”认为,由于火山爆发生成了大量大分子磷酸,这种物质溶入海水,成为地球生命之源。有一件事可以佐证“火山学派”的结论。1977年,海洋学专家柯利斯在太平洋底考察海底火山时无意中发现,在沸腾的火山岩浆喷口周围活跃着形形色色的生命形态,有鞋底大小的蛤,也有肝达近两米的大管虫。这时,一个奇思妙想在他的脑海中产生:地球上的生命很可能就是在这样的条件下催生的,因为在地球形成生命的初期,地球的环境也是相当恶劣的,许多地方都很类似于海底火山四周围的环境。柯利斯的发现及假设并未引起足够的重视,从未有过科学家真正去认真地加以验证。绝大多数探索生命源头的人都不会相信,生命是在滚烫有毒的环境中诞生的。直到最近几年,才有一些科学家开始挽起袖口验证热液出口是否有发生生化反应的可能性。试验结果表明,那些炙热的、甚至含有大量有毒物质的热液喷口处果真有早期生命产生所必需的化学变化。1996年8月,美国基因组研究所的科学家宣称,他们解开了当初由柯利斯提出的作为生命第三分支(另两种为细菌与真核细胞)而存在的一种原始生物杨氏产甲烷球菌的1700个基因密码。杨氏产甲烷球菌生活在太平洋洋底2623米水深的一座火山口的边沿上,其生活不受阳光的影响,而且不以有机碳作为食物源。它靠火山口排放出的二氧化碳、氮和氢为生,释放甲烷。研究人员从这种微生物中抽取了生命体中最重要的生命物质DNA。科学家认为,这种微生物可能是原始生命最早的形式,还可能是外星上最有可能存在的生命形式。
  和“火山学派”主张生命是从地下冒出来的不同,外来生命学派则坚定地认为,地球生命是从天上掉下来的。科学家们发现,从天外坠落到地球上的陨石中包纳了构成地球生命的全部基本要素;宇宙中存在着有机分子云,地球上发生流感的周期与某些管星的运行轨道接近地球的周期十分一致。此外,在地球上还发现了能在232℃高温下生活的细菌。美国康奈尔大学的著名天文学家卡尔·萨根对于丰富完善“外来生命学”功勋卓著。通过地球初级阶段的多种电脑模型和对星际尘埃粒子的深入分析,萨根认为,陨星曾是促成生命起源的分子的主要源泉。萨根的言外之意是,假如他的论点成立,并能发现外星生命实质上与地球生命相同,那么,现行的生命起源及胚种论等学说就得重新改写了。
  或许,萨根是对的。迄今为止,生命究何端,学术界依然各执已见,莫衷一是,谁都可以拿出“足够的证据”来证实自己的真知灼见。这也难怪,35亿年前发生的事情,又有谁能够确切地知晓呢?
生命之旅
  在生命起源的历史阶段中,多分子体演变为原始生命是最复杂、最有决定意义的阶段。至于多分子体如何演变成为原始生命,迄今为止,科学家们并没有弄清楚,他们只能用“经过长期不断地相互作用”把这段关键而复杂的过程一笔带过。总之,35亿年前,地球生命出现了。
  现在能够找到的最早化石是出现在南非的细菌球状和材状结构化石,现已确定这是35亿年前的化石。此后的一段漫长时间(约30亿年),*命史几乎一片空白。那么长的时间内,谁统治着整个地球,它们都干了些什么,今天的人们根本无法想象。或许,那些简单得不能再简单的生命体真是静悄悄地蠕动了30亿年,直到5一利己年前才变成了最原始的藻类和结构相对复杂的微生物。
  大约在4.5亿年前,地球,确切地说是海洋出现了~个统治者,这种生物就是现已灭绝的三叮虫。三叶虫是一种原始的无脊椎动物,其身体结构已相当精巧、完善。在那个古老的世界里,三叶虫是生活得最为舒坦的动物。有时候,它在水面上游来游击;有时候,它却在海底的泥沙里钻来钻去。它有许多子孙,其中有一些进化成为新的物种。三叶虫称王称霸的日子一直持续到2亿年前,但是后来却不知为什么全部灭绝了。只有一种三叶虫进化成为水蝎,后来也悄无声息地退出了历史舞台,取而代之的是淡水溪流的泥底里出现的甲胄鱼,它们披盔挂甲,样子很威武,是最原始的脊椎动物。
  早期的生命都是在海水中成长的,大约在4亿年前,生物才从海洋中络绎不绝地登上I陆地。河先是植物,大约在利己500万年前,裸棵等一类低等植物在陆地上扎下了根,这些植物高约40厘米左右,茎上长满丁带刺的小叶,种种迹象表明,它们应当是海藻一类植物的后代。接着是动物,在鱼类时代的某个时期出现了能呼吸空气的有鼻孔的鱼类,包括肺鱼的一族和总鳍类的一支。这些有鼻孔的鱼类并不甘心总是在海洋中游像最终,它们还是设法爬上了陆地,成为原始的两栖动物。第一批登陆的原始两栖动物生活得颇为艰辛,它们往往要在比水的浮力大好几倍的地球引力下挣扎着呼吸几口新鲜空气,然后再回到水中,那儿才是它们舒适的生活环境。几千万年以后,许多古代的两栖动物都灭绝了,只在地球的温带留下了它们的后裔,主要是青蛙、病蛤蟒和珠饿之类的动物。这时,自然选择再次制造了奇迹:一些两栖动物可以体内受精。生下的卵外面包有一层皮质硬壳,不受干旱和来自陆地的各种危险的影响,并且它们还可以离开水生殖。这些两栖动物最后进化成为爬行动物,从此,曲指算来,爬行类出现并逐渐开始在陆上横行霸道应当是1-2亿年前的事情了。那时候,地球气候温暖如春,遍地都是茂密的森林,给爬行动物提供了异常丰富的食物源。因此,它们逐渐繁盛起来,种类也越来越多:有的长了长腿,喜欢在陆地上奔跑;有的则完全失去了双腿,长得像蛇一样;有的腿又变成了像鱼类~样的鳍状肢,重新回到水里;有的长起了翅膀,向天空中飞去……最为突出的一类分化为鳄鱼和恐龙。恐龙后来成为株罗纪(距今195亿年)、白查纪(距今137亿年)世界的统治者,好莱坞大片《株罗纪公园》曾将恐龙用电脑特技的手段再现于银幕之上。
  6000万年前,不知什么原因,恐龙从地球上神秘地消失了。此后,一些身体小的爬行动物进化成为现在的蛇、渐惕和乌龟之类,而另一类小型的恐龙则进化为鸟类的祖先始祖鸟。在恐龙还是地球霸主的年代里,有一些从最初的爬行动物发展出来的小动物就开始活跃起来。与爬行动物相比,它们有两个显著的差异:-,它们遍身长毛;二,它们的血恒温恒热。而此前,大多数脊椎动物的血液都不能保持一定的温度。到了爬行动物的全盛期过后,这些新兴的动物似乎表现出了对地球环境更为强大的适应力,因而也得到了很大的发展,它们后来成为最古老的哺乳类动物。
  在此后的3000万年间,像爬行动物当初发展的轨道一样,哺乳动物经历了一个迅速发展的繁荣期。
  今天众多的各类哺乳动物都是从早期的原始动物分化而来的。原始哺乳动物中有一种吃水果、昆虫、栖居树上的小动物成为灵长自动物的直接祖先,从它们的各种身体特征来看,它们应当是现代狐猴的祖先。科学家们在美国怀俄明州发现了生活在5800万年前的古狐猴的化石。它们的一些后代进而演变成现代猿,如大猩猩、长臂猿及黑猩猩;同时,另有少数的古狐猴从树上跳了下来到地面搜寻食物,并慢慢地站立起来,发现并学会了使用火。在这条进化大道上,它们慢慢地向人类演变着,把生命之旅带进了人类文明的新纪元。当生命日历翻到了新生代第四纪——距今250万年前的时候,人类的祖先出现了,喜怒交加、爱恨交织、血腥仇杀、和平发展的人类文明史终于揭开了序幕。
  从最古老的单细胞到有着复杂生命结构与思维的人类诞生,在漫长的30多亿年生命行进征程中,形形色色的生物从出生到灭亡,从低等到高等,究竟是何种神奇的力量推动着生物的进化发展呢?多少个世纪以来,人们绞尽脑汁,企图找到令人信服的答案,最终都以百思不得其解而告终。直到19世纪,法国人居维叶才提出了一个让人们勉强接受的“灾变论”。居维叶认为历史上地球表面曾发生过灾难性的巨变,这些巨变都是在瞬间造成的。在毫无防备的情况下,地球上的大部分生物骤然间死亡了,后来变成化石,而寥寥可数的几个残存生物则发展出了新的物种。居维叶生活在拿破仑时期,当时是拿破仑的大红人。由于这层微妙的关系,居维叶得以快意地痛击学术对头拉马克,并在学界推行他的灾变说。由此,居维叶也博得了“生物学界的独裁者”的雅号。在生物进化思想发胜负上,店维叶的论敌拉马克是一位必须提到的人物,他被认为是进化论的伟大先驱。拉马克反对“灾变论”而主张“生物是进化”的学说,他认为,生命的历史自古至今从未中断过,在环境的影响下,生物的器官起使用越发达,不使用便会退化、消失。这就是拉马克毕生所倡导的“用进废退”学说。
  就在对生命演进机理持不同见解的各门各派展开激烈论战、争论不休的时候,一个划时代的人物出现了。自古以来众说纷纭、莫衷一是的进化论思想终于在19世纪英国伟大的博物学家达尔文手中形成了具有无可争议说服力的体系。到了1859年达尔文的《物种起源》一书出版后,生物普遍进化的思想以及物竞天择、适者生存的进化机制已成为学术界、思想界的公论。由此,达尔文的生物进化论被称为19世纪自然科学的三大发现之一。
  查理·达尔文1809年2月12日生于英国希罗普郡,幼年时代,他并没有表现出什么特别的天份,只是到了青年时代,好玩爱动、迷恋大自然的天性才给他带来了好运气。
  1828年8月,达尔文搭乘美国海军的海洋考察船“贝格尔号”坏航世界,探索贸易路线,开始了改变化一生命运的事业之旅。达尔文在“贝格尔号”上生活了将近5年,每航行到一个地方,他都坚持采集岩石、植物和动物的标本,还记下了许多珍贵的笔记。1836年达尔文回到英国后,他已成为一个训练有素的博物学家。在环球考察后,达尔文得出了一个重要的结论:某个物种只要条件比其它物种优越,哪怕是略见优越,也会有很好的机会生存下来并且繁殖后代。这便是著名的“自然选择”理论,“适者生存”是“自然选择”理论的精髓。20多年后,在举世闻名的《物种起源》一书中,达尔文提出了一个又一个令人震惊的论断:生命只有一个祖先,因为生命都起源于一个原始细胞的开端;生物是从简单到复杂。从低级到高级逐步发展而来的,生物在进化中不断地进行着生存斗争,进行着自然选择;
  人类的悠久家史并不比猪、狗“高贵”多少,人类也是起源于“某些原始细胞”,后来逐渐进化,变成了鱼、两栖动物、哺乳动物,再经过进化才变成了类人猿和今天的人类……
  达尔文的《物种起源》一书成了生物学史上的经典著作。如今,《物种起源》所提及的许多观点已成为人尽皆知的常识。达尔文的生物进化论后来不断地得到了发展。20世纪40年代初,英国人霍尔丹和美籍苏联生物学家杜布赞斯基创立了“现代进化论”。
  现代进化论者摒弃了达尔文把个体作为生物进化基本单位的说法,他们认为,应当把群体作为进化的基本单位。突变本身是物种的一种适应性状,它既是进化的动因,又是进化的结果,自然选择的作用不是通过对优胜个体的挑选,而是以消灭无适应能力的个体这一方式而实现的。现代进化论很好地解释了古典达尔文主义无法解释的许多事实。
  遗憾的是在达尔文时代,遗传学先驱孟德尔还没有能够让世人相信他的遗传学说,否则,达尔文定会痛不欲生,因为1838年,他选择了亲舅舅的女儿、表姐埃玛作为终身伴侣。据说,到了晚年,达尔文对孟德尔和他的遗传学略有所闻,他常常为他的近亲结婚感到不安。
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