化学起源说

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化学起源说是人们普遍接受的生命起源假说,由奥巴林和霍尔丹提出,这一假说认为,地球上的生命是在地球温度逐步下降以后,在极其漫长的时间内,由非生命物质经过极其复杂的化学过程,逐渐地演变而成的。最终,以生化系统和遗传系统的建立为标志的细胞得以诞生。
中文名
化学起源说
外文名
Theory of chemical evolution
学说性质
起源说
属    性
化学与生物化学反应
阶段性
将生命的起源分为四个阶段

化学起源说化学起源的阶段

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化学起源说将生命的起源分为四个阶段。
第一个阶段
从无机小分子生成有机小分子的阶段,即生命起源化学进化过程是在原始的地球条件下进行的。需要着重指出的是米勒的模拟实验。在这个实验中,一个盛有水溶液的烧瓶代表原始的海洋,其上部球型空间里含有氢气氨气甲烷水蒸汽等“还原性大气”。米勒先给烧瓶加热,使水蒸汽在管中循环,接着他通过两个电极放电产生电火花,模拟原始天空的闪电,以激发密封装置中的不同气体发生化学反应,而球型空间下部连通的冷凝管让反应后的产物和水蒸汽冷却形成液体,又流回底部的烧瓶,即模拟降雨的过程。经过一周持续不断的实验和循环之后。米勒分析其化学成分时发现,其中含有包括5种氨基酸和不同有机酸在内的各种新的有机化合物,同时还形成了氰氢酸,而氰氢酸可以合成腺嘌呤,腺嘌呤是组成核苷酸的基本单位。米勒的实验试图向人们证实,生命起源的第一步,从无机小分子物质形成有机小分子物质,在原始地球的条件下是完全可能实现的。
米勒实验装置 米勒实验装置
第二个阶段
从有机小分子物质生成生物大分子物质。这一过程是在原始海洋中发生的,即氨基酸、核苷酸等有机小分子物质,经过长期积累,相互作用,在适当条件下(如黏土的吸附作用),通过缩合作用或聚合作用形成了原始的蛋白质分子和核酸分子。
第三个阶段
生物大分子物质组成多分子体系。这一过程是怎样形成的?前苏联学者奥巴林提出了团聚体假说,他通过实验表明,将蛋白质、多肽、核酸、明胶、阿拉伯胶和多糖等放在合适的溶液中,它们能自动地浓缩聚集为分散的球状小滴,这些小滴就是团聚体。奥巴林等人认为,团聚体可以表现出合成、分解、生长、生殖等生命现象。例如,团聚体具有类似于膜那样的边界,其内部的化学特征显著地区别于外部的溶液环境。团聚体能从外部溶液中吸入某些分子作为反应物,还能在酶的催化作用下发生特定的生化反应,反应的产物也能从团聚体中释放出去。另外,有的学者还提出了微球体和脂球体等其他一些假说,以解释有机高分子物质形成多分子体系的过程。
第四个阶段
有机多分子体系演变为原始生命,包括以生化系统和遗传系统的建立为标志的细胞的诞生。这一阶段是在原始海洋中形成的,是生命起源过程中最复杂和最有决定意义的阶段。目前,人们还不能在实验室里验证这一过程。

化学起源说达尔文—生命起源的温暖小水池

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1871年,英国博物学家达尔文在写给英国植物学家胡克(Joseph Dalton Hooker)的一封信中谈到了生命起源的问题,他写道,“人们常说初次产生生物的一切条件现在都具备,过去也会是如此。然而如果(好家伙!这是
达尔文的温暖小水池 达尔文的温暖小水池
多么伟大的如果!)我们能够想出某一个温和的小池塘,并有氨、磷酸盐、光、热、电等所有的东西,并想像形成了某种蛋白质似的化合物,准备经历更复杂的变化;在现在情况下这样的物质将会立刻被吞食或吸收,这种情形在生物形成之前是不会发生的”(迈尔1990)[1] 
达尔文关于生命可能起源自温暖小水池的观点现在都还受到一些学者的追捧。虽然20世纪的实验科学已经证实,在合适的光、热或电的条件下,由无机物(氨等)确实可以形成有机分子(氨基酸、肽类),但这实际上离揭示真正的生命起源还相差甚远。
美国化学家夏皮罗(Robert H. Shapiro,1935年-2004年)在1986年的著述中注意到达尔文上面这段似乎不经意的说法,“竟然与今天的知识相当符合,如果不是因为他有远见,就是说明多年来生命来源的研究没有什么进步”(詹腓力1999)[2] 

化学起源说细胞的诞生

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但是,到底细胞是如何起源的呢?这是生命起源面临的最大难题。第一个细胞的起源也就宣告了地球上生命的起源,因此,从这种意义上来说,细胞的起源就等同于生命的起源。最近,谢平(2014)提出了细胞的光养起源假设[3]  。在一定意义上来说,生命的起源始于有机物质的个性化体系的建立,或者说,没有个性便不会有真正生命的诞生。试问,如果有机分子只是飘忽无定地在“汤”中荡漾,怎会出现现在的生命?哪种生命不以个体形式而存在呢?因此,能导致独立生命系统形成的简单的质膜结构的出现(不论通过何种机制或过程)必定是细胞进化的最关键的一步。不仅需要前细胞体整体的独立性,一些重要生命过程(特别是光合作用)也需要细胞内的独立性,即需要内膜系统,看看蓝细菌的专门的光合机构—类囊体就是如此。
在具备简单膜结构的前细胞体中,光合作用指向的选择过程促进主要生命物质的功能分化—脂质构建细胞膜、蛋白质主要扮演催化者、DNA储存遗传信息、RNA构成DNA与蛋白质之间的桥梁、糖类暂时性储存光合作用转化而来的化学能……。这不完全只是随机过程(虽然在很大程度上是),它更是具有目的性指向(最有效的太阳光能利用)的化学性与生命性的巧妙融合,它为生化反应的秩序化与生命过程的程序化铺垫了基石。
一种可能的细胞起源与演化机制 一种可能的细胞起源与演化机制
在这里,借用艾根所描绘的反应循环→催化循环→超循环的发展模式。生命通过具有限时性的所谓“永恒”的反应循环,基于一系列复杂而精致的正负反馈关系,连接成一种时限性的生命平衡系统,以便能最有效地将太阳光能转化成化学能。看看蓝细菌的光化学反应中心发生的若干循环反应(水的裂解、电子的循环传递等)、碳的固定(卡尔文循环)和呼吸(三羧酸循环)……以及这些循环之间的连接与正负反馈调控等,这就是生化反应的秩序化过程[4] 
生命的另一个本质特征就是将遗传物质指挥生命构建过程程序化,即将生命构建过程信息化地储存于DNA之中,这是个性化的生命获得自我繁殖特性必须迈出的重要一步。最后是细胞分裂机制的逐渐形成,这得益于细胞膜的半通透性(小分子养分的进入与大分子碳水化合物的堆积),以及二
遗传密码子的起源——ATP中心学说 遗传密码子的起源——ATP中心学说
者之间的矛盾及其必然的结果—细胞破裂过程的无数次重复。精确而周期化的细胞分裂才能使稳定的遗传成为了可能,这时像我们在现存生物中能所见到的细胞才成功地诞生了,细胞运行机制才得以程序化了[5] 
参考资料
  • 1.    迈尔 E. 2009. 进化是什么. 田洺译. 上海:上海科学技术出版社
  • 2.    詹腓力. 1999. 审判达尔文. 北京: 中央编译出版社
  • 3.    谢平.生命的起源-进化理论之扬弃与革新.北京:科学出版社,2014(电子版下载地址 http://wetland.ihb.cas.cn/lwycbw/qt/)
  • 4.    谢平. 2016. 进化理论之审读与重塑. 北京:科学出版社
  • 5.    ATP中心假说  .百度百科.2015-11-15[引用日期2015-11-23]
词条标签:
理学