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解密生命
  作者:周祥
  引子:
  關於地球上的生命究竟是如何誕生的,至今沒有一個公認的令人信服的說法,這就給生命的源頭蒙上了一層神秘的色彩。
  當然,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,其中與生命尤為相關的便是大氣,因為是它為生命的出現創造了必要的條件。
  生命之源
  生命之旅
  生命基質:細胞
  生命之舟:染色體
  豌豆的啓示
  生命密碼箱:基因
  生命語言:DNA
  生命密碼
  基因突變與改造生命
  基因豬與剋隆羊
  生物工程大觀
  基因工程——M分子水平上對生命作人為幹預
  基因療法
  病毒靈丹妙藥——幹擾素
  細胞工程
  蛋白質工程——第二代基因工程
  讓綿羊自己“剪毛”
  生物芯片
  微生物工程
  未來世界
生命之源
  關於地球上的生命究竟是如何誕生的,至今沒有一個公認的令人信服的說法,這就給生命的源頭蒙上了一層神秘的色彩。
  當然,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,其中與生命尤為相關的便是大氣,因為是它為生命的出現創造了必要的條件。
  地球大氣的演進可以分為三個階段:第一代大氣即原始大氣在地球演化的初期就消失了;第二代大氣是被地球內部物理化學反應擠壓出來的,稱為還原大氣。還原大氣的顯著特徵便是缺氧,衹是由於後來出現了植物,植物的光合作用提供了大量的氧氣,纔使得還原大氣變成了以氮、氧為主的現代大氣,即氧化大氣。據此,科學家們推測,在35億年之前,地球上就已經出現了生命。
  推測終歸是推測,地球生命起源依然是一個懸而未决的問題。現在,可以肯定地認為,大約在40億年前,地球上衹有岩五和水,地表溫度很高,缺氧的大氣使來自太陽的紫外綫可以暢通無阻地射到地表,而紫外綫具有相當強的化學活性,它是生命形成的催化物。諸多關於生命起源的假說就是從這裏開始的。
  1924年,被譽為世界研究生命起源的先驅。蘇聯生物學家奧巴林在他的《生命起源》一書中把生命起源的歷史分為三個階段:有機物産生;氨基酸、高分子聚合物形成;具有新陳代謝機能的蛋白質産生。奧巴林認為,生命發生的可能過程應為蛋白質分子一分子團團聚體,團聚體內部結構的完善可以導致原始生命的出現,並最終産生結構、功能復雜的生命單體。先是原始單細胞生物,然後嚮兩個方向進化:一是自養能力強化而運動功能退化,進化至單細胞菌藻類植物,成為植物界進化的源頭;另一方向則是運動功能強化而自養功能退化,進化至單細胞原生動物,成為動物界進化的源頭。
  奧巴林的生命起源假說擁有很大一批追隨者,其中不乏聞名於世的身體力行者。20世紀50年代,美國人米勒開創了生命起源模擬實驗的先河。1953年,米勒依據奧巴林的假說,着手開始了原始大氣模擬實驗。他把甲烷、水蒸汽、氨、氧氣的混合物裝在一個完全密閉的裝置內,讓它們循環流經一個模擬太陽紫外綫輻射的電弧。在歷經一周的連續放電之後,密閉裝置內産生了甘氨酸、丙氨酸等11種氨基酸,其中有4種氨基酸存在於天然蛋白質中。米勒實驗的成功給了後來者極大的鼓舞,此後,世界各國科學家紛紛投身於尋找生命源頭的研究中。1959年,德國科學家格羅特和維斯霍夫設計了一個用紫外綫代替放電的實驗,同樣得到了氨基酸;1961年,美國的生物化學家奧洛把氰化物加入實驗混合物中,得到了很多種氨基酸及一些短鏈的肽,還製成了一種重要的生命物質一瞟吟;1962年,奧洛又製成了核糖和脫氧核糖;1963年,美國人波南佩魯馬做了同米勒相似的實驗,他用電子作能源,製成了腺瞟吟;接着,他又和同事們一起在紫外綫的作用下,製成了腺膘吟校普。到了周世紀70年代,組成蛋白質的20種氨基酸已能夠全部通過人工模擬自然條件的方法合成。奧巴林假說中關於生命起源的有機物産生階段已多次為實驗所證實,大的分歧出現在蛋白質與生命物質産生階段。在奧巴林生命起源假說中,海水是不可或缺的,它被認為是生命的搖籃。奧巴林派堅持認為,如果沒有原始海洋,有機物質難以儲存聚集,最終形成有自我復製功能的生命單體。
  但是,美國生物化學家福剋斯卻不這樣認為,1960年,他提出了另一種生命起源的假說一類蛋白微球體假說。福剋斯認為,早期的地球溫度很高,依靠熱能就足以使簡單的化合物形成復雜的化合物。為了證明自己的假說,早在1955年,福剋斯就開始進行實驗。他把各種氨基酸的混合物加熱到200℃,3小時後,它們形成了形似蛋白質的分子鏈,被稱為類蛋白。1960年,福剋斯又把酸性類蛋白放人稀酸中加熱溶解,冷卻後縮結成團,形成微球體。在光學顯微鏡下,福剋斯發現這種微球體很像細菌,並且在特定處理後還能出芽,芽長大後能脫落下來;小球還能分裂,一分為二或者彼此連成長串。
  福剋斯的類蛋白微球體假說否定了生命發生對原始海洋的依賴,因而被稱為“陸相起源派”。科學歷來具有極大的包容性,多年以來,奧巴林派與福剋斯派長期致力於發展完善各自的理論,其間並無多少爭論。在數十億年前,什麽樣的事情都有可能發生,而今天的人類衹能在想象中追尋昔日的印跡,追尋原始生命發生的轟轟烈烈的景象。奧巴林派與福剋斯派的學術價值都得到了同樣的認可,團聚體和微球體都被看成是生命發生過程中的原始細胞模型。
  在“海納百川,有容乃大”的科學精神的鼓舞下,近年來,關於地球生命起源的假說紛起林立,比較著名的有“火山學派”與“外來生命學派”。福剋斯的“類蛋白微球體”迄今在自然界尚未被發現,而有生命的類病毒卻可以在自然界發現。類病毒的前導物質為單質磷酸,科學家在研究火山氣體時發現其中含有單質磷酸復合形成的大分子磷酸。據此,“火山學派”認為,由於火山爆發生成了大量大分子磷酸,這種物質溶入海水,成為地球生命之源。有一件事可以佐證“火山學派”的結論。1977年,海洋學專傢柯利斯在太平洋底考察海底火山時無意中發現,在沸騰的火山岩漿噴口周圍活躍着形形色色的生命形態,有鞋底大小的蛤,也有肝達近兩米的大管蟲。這時,一個奇思妙想在他的腦海中産生:地球上的生命很可能就是在這樣的條件下催生的,因為在地球形成生命的初期,地球的環境也是相當惡劣的,許多地方都很類似於海底火山四周圍的環境。柯利斯的發現及假設並未引起足夠的重視,從未有過科學家真正去認真地加以驗證。絶大多數探索生命源頭的人都不會相信,生命是在滾燙有毒的環境中誕生的。直到最近幾年,纔有一些科學家開始輓起袖口驗證熱液出口是否有發生生化反應的可能性。試驗結果表明,那些炙熱的、甚至含有大量有毒物質的熱液噴口處果真有早期生命産生所必需的化學變化。1996年8月,美國基因組研究所的科學家宣稱,他們解開了當初由柯利斯提出的作為生命第三分支(另兩種為細菌與真核細胞)而存在的一種原始生物楊氏産甲烷球菌的1700個基因密碼。楊氏産甲烷球菌生活在太平洋洋底2623米水深的一座火山口的邊沿上,其生活不受陽光的影響,而且不以有機碳作為食物源。它靠火山口排放出的二氧化碳、氮和氫為生,釋放甲烷。研究人員從這種微生物中抽取了生命體中最重要的生命物質DNA。科學家認為,這種微生物可能是原始生命最早的形式,還可能是外星上最有可能存在的生命形式。
  和“火山學派”主張生命是從地下冒出來的不同,外來生命學派則堅定地認為,地球生命是從天上掉下來的。科學家們發現,從天外墜落到地球上的隕石中包納了構成地球生命的全部基本要素;宇宙中存在着有機分子云,地球上發生流感的周期與某些管星的運行軌道接近地球的周期十分一致。此外,在地球上還發現了能在232℃高溫下生活的細菌。美國康奈爾大學的著名天文學家卡爾·薩根對於豐富完善“外來生命學”功勳卓著。通過地球初級階段的多種電腦模型和對星際塵埃粒子的深入分析,薩根認為,隕星曾是促成生命起源的分子的主要源泉。薩根的言外之意是,假如他的論點成立,並能發現外星生命實質上與地球生命相同,那麽,現行的生命起源及胚種論等學說就得重新改寫了。
  或許,薩根是對的。迄今為止,生命究何端,學術界依然各執已見,莫衷一是,誰都可以拿出“足夠的證據”來證實自己的真知灼見。這也難怪,35億年前發生的事情,又有誰能夠確切地知曉呢?
生命之旅
  在生命起源的歷史階段中,多分子體演變為原始生命是最復雜、最有决定意義的階段。至於多分子體如何演變成為原始生命,迄今為止,科學家們並沒有弄清楚,他們衹能用“經過長期不斷地相互作用”把這段關鍵而復雜的過程一筆帶過。總之,35億年前,地球生命出現了。
  現在能夠找到的最早化石是出現在南非的細菌球狀和材狀結構化石,現已確定這是35億年前的化石。此後的一段漫長時間(約30億年),*命史幾乎一片空白。那麽長的時間內,誰統治着整個地球,它們都幹了些什麽,今天的人們根本無法想象。或許,那些簡單得不能再簡單的生命體真是靜悄悄地蠕動了30億年,直到5一利己年前纔變成了最原始的藻類和結構相對復雜的微生物。
  大約在4.5億年前,地球,確切地說是海洋出現了~個統治者,這種生物就是現已滅絶的三叮蟲。三葉蟲是一種原始的無脊椎動物,其身體結構已相當精巧、完善。在那個古老的世界裏,三葉蟲是生活得最為舒坦的動物。有時候,它在水面上遊來遊擊;有時候,它卻在海底的泥沙裏鑽來鑽去。它有許多子孫,其中有一些進化成為新的物種。三葉蟲稱王稱霸的日子一直持續到2億年前,但是後來卻不知為什麽全部滅絶了。衹有一種三葉蟲進化成為水蝎,後來也悄無聲息地退出了歷史舞臺,取而代之的是淡水溪流的泥底裏出現的甲胄魚,它們披盔挂甲,樣子很威武,是最原始的脊椎動物。
  早期的生命都是在海水中成長的,大約在4億年前,生物纔從海洋中絡繹不絶地登上I陸地。河先是植物,大約在利己500萬年前,裸棵等一類低等植物在陸地上紮下了根,這些植物高約40釐米左右,莖上長滿丁帶刺的小葉,種種跡象表明,它們應當是海藻一類植物的後代。接着是動物,在魚類時代的某個時期出現了能呼吸空氣的有鼻孔的魚類,包括肺魚的一族和總鰭類的一支。這些有鼻孔的魚類並不甘心總是在海洋中遊像最終,它們還是設法爬上了陸地,成為原始的兩棲動物。第一批登陸的原始兩棲動物生活得頗為艱辛,它們往往要在比水的浮力大好幾倍的地球引力下掙紮着呼吸幾口新鮮空氣,然後再回到水中,那兒纔是它們舒適的生活環境。幾千萬年以後,許多古代的兩棲動物都滅絶了,衹在地球的溫帶留下了它們的後裔,主要是青蛙、病蛤蟒和珠餓之類的動物。這時,自然選擇再次製造了奇跡:一些兩棲動物可以體內受精。生下的卵外面包有一層皮質硬殼,不受幹旱和來自陸地的各種危險的影響,並且它們還可以離開水生殖。這些兩棲動物最後進化成為爬行動物,從此,麯指算來,爬行類出現並逐漸開始在陸上橫行霸道應當是1-2億年前的事情了。那時候,地球氣候溫暖如春,遍地都是茂密的森林,給爬行動物提供了異常豐富的食物源。因此,它們逐漸繁盛起來,種類也越來越多:有的長了長腿,喜歡在陸地上奔跑;有的則完全失去了雙腿,長得像蛇一樣;有的腿又變成了像魚類~樣的鰭狀肢,重新回到水裏;有的長起了翅膀,嚮天空中飛去……最為突出的一類分化為鰐魚和恐竜。恐竜後來成為株羅紀(距今195億年)、白查紀(距今137億年)世界的統治者,好萊塢大片《株羅紀公園》曾將恐竜用電腦特技的手段再現於銀幕之上。
  6000萬年前,不知什麽原因,恐竜從地球上神秘地消失了。此後,一些身體小的爬行動物進化成為現在的蛇、漸惕和烏龜之類,而另一類小型的恐竜則進化為鳥類的祖先始祖鳥。在恐竜還是地球霸主的年代裏,有一些從最初的爬行動物發展出來的小動物就開始活躍起來。與爬行動物相比,它們有兩個顯著的差異:-,它們遍身長毛;二,它們的血恆溫恆熱。而此前,大多數脊椎動物的血液都不能保持一定的溫度。到了爬行動物的全盛期過後,這些新興的動物似乎表現出了對地球環境更為強大的適應力,因而也得到了很大的發展,它們後來成為最古老的哺乳類動物。
  在此後的3000萬年間,像爬行動物當初發展的軌道一樣,哺乳動物經歷了一個迅速發展的繁榮期。
  今天衆多的各類哺乳動物都是從早期的原始動物分化而來的。原始哺乳動物中有一種吃水果、昆蟲、棲居樹上的小動物成為靈長自動物的直接祖先,從它們的各種身體特徵來看,它們應當是現代狐猴的祖先。科學家們在美國懷俄明州發現了生活在5800萬年前的古狐猴的化石。它們的一些後代進而演變成現代猿,如大猩猩、長臂猿及黑猩猩;同時,另有少數的古狐猴從樹上跳了下來到地面搜尋食物,並慢慢地站立起來,發現並學會了使用火。在這條進化大道上,它們慢慢地嚮人類演變着,把生命之旅帶進了人類文明的新紀元。當生命日曆翻到了新生代第四紀——距今250萬年前的時候,人類的祖先出現了,喜怒交加、愛恨交織、血腥仇殺、和平發展的人類文明史終於揭開了序幕。
  從最古老的單細胞到有着復雜生命結構與思維的人類誕生,在漫長的30多億年生命行進徵程中,形形色色的生物從出生到滅亡,從低等到高等,究竟是何種神奇的力量推動着生物的進化發展呢?多少個世紀以來,人們絞盡腦汁,企圖找到令人信服的答案,最終都以百思不得其解而告終。直到19世紀,法國人居維葉纔提出了一個讓人們勉強接受的“災變論”。居維葉認為歷史上地球表面曾發生過災難性的巨變,這些巨變都是在瞬間造成的。在毫無防備的情況下,地球上的大部分生物驟然間死亡了,後來變成化石,而寥寥可數的幾個殘存生物則發展出了新的物種。居維葉生活在拿破侖時期,當時是拿破侖的大紅人。由於這層微妙的關係,居維葉得以快意地痛擊學術對頭拉馬剋,並在學界推行他的災變說。由此,居維葉也博得了“生物學界的獨裁者”的雅號。在生物進化思想發勝負上,店維葉的論敵拉馬剋是一位必須提到的人物,他被認為是進化論的偉大先驅。拉馬剋反對“災變論”而主張“生物是進化”的學說,他認為,生命的歷史自古至今從未中斷過,在環境的影響下,生物的器官起使用越發達,不使用便會退化、消失。這就是拉馬剋畢生所倡導的“用進廢退”學說。
  就在對生命演進機理持不同見解的各門各派展開激烈論戰、爭論不休的時候,一個劃時代的人物出現了。自古以來衆說紛紜、莫衷一是的進化論思想終於在19世紀英國偉大的博物學家達爾文手中形成了具有無可爭議說服力的體係。到了1859年達爾文的《物種起源》一書出版後,生物普遍進化的思想以及物競天擇、適者生存的進化機製已成為學術界、思想界的公論。由此,達爾文的生物進化論被稱為19世紀自然科學的三大發現之一。
  查理·達爾文1809年2月12日生於英國希羅普郡,幼年時代,他並沒有表現出什麽特別的天份,衹是到了青年時代,好玩愛動、迷戀大自然的天性纔給他帶來了好運氣。
  1828年8月,達爾文搭乘美國海軍的海洋考察船“貝格爾號”壞航世界,探索貿易路綫,開始了改變化一生命運的事業之旅。達爾文在“貝格爾號”上生活了將近5年,每航行到一個地方,他都堅持採集岩石、植物和動物的標本,還記下了許多珍貴的筆記。1836年達爾文回到英國後,他已成為一個訓練有素的博物學家。在環球考察後,達爾文得出了一個重要的結論:某個物種衹要條件比其它物種優越,哪怕是略見優越,也會有很好的機會生存下來並且繁殖後代。這便是著名的“自然選擇”理論,“適者生存”是“自然選擇”理論的精髓。20多年後,在舉世聞名的《物種起源》一書中,達爾文提出了一個又一個令人震驚的論斷:生命衹有一個祖先,因為生命都起源於一個原始細胞的開端;生物是從簡單到復雜。從低級到高級逐步發展而來的,生物在進化中不斷地進行着生存鬥爭,進行着自然選擇;
  人類的悠久傢史並不比豬、狗“高貴”多少,人類也是起源於“某些原始細胞”,後來逐漸進化,變成了魚、兩棲動物、哺乳動物,再經過進化纔變成了類人猿和今天的人類……
  達爾文的《物種起源》一書成了生物學史上的經典著作。如今,《物種起源》所提及的許多觀點已成為人盡皆知的常識。達爾文的生物進化論後來不斷地得到了發展。20世紀40年代初,英國人霍爾丹和美籍蘇聯生物學家杜布贊斯基創立了“現代進化論”。
  現代進化論者摒棄了達爾文把個體作為生物進化基本單位的說法,他們認為,應當把群體作為進化的基本單位。突變本身是物種的一種適應性狀,它既是進化的動因,又是進化的結果,自然選擇的作用不是通過對優勝個體的挑選,而是以消滅無適應能力的個體這一方式而實現的。現代進化論很好地解釋了古典達爾文主義無法解釋的許多事實。
  遺憾的是在達爾文時代,遺傳學先驅孟德爾還沒有能夠讓世人相信他的遺傳學說,否則,達爾文定會痛不欲生,因為1838年,他選擇了親舅舅的女兒、表姐埃瑪作為終身伴侶。據說,到了晚年,達爾文對孟德爾和他的遺傳學略有所聞,他常常為他的近親結婚感到不安。
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