從有機分子到細胞生命。我們知道，生命的兩大基石是蛋白質(zhì)和核酸。雖然我們前面兩節(jié)課，并沒有解決地球上蛋白質(zhì)和核酸的起源問題。但我們現(xiàn)在不得不假設一下，說好了啊，只是假設。假設在原始地球條件下，這兩大物質(zhì)已經(jīng)形成了。但很明顯，這兩種生物大分子單獨存在的時候并不會表現(xiàn)任何生命現(xiàn)象，而我們平時看到的大分子的生命現(xiàn)象，是因為它們形成了多分子體系。那么，現(xiàn)在很直接的問題就是：生物大分子是如何組裝成多分子體系呢?它們需要在什么條件下才能組裝呢？所以，這是生物大分子合成后，緊接著要解答的問題。目前有兩個經(jīng)典的實驗模型也許可以給我們提供一些思路。

第一個呢，是前蘇聯(lián)生物化學家奧巴林所提出的團聚體模型。他認為呀，原始海洋中的生物大分子要想繼續(xù)演化成生命，必須組成一個體系，并形成一個分界或者一個膜與周圍環(huán)境分開，這才有可能維持一個相對穩(wěn)定的環(huán)境條件進一步發(fā)生演變。他就思考這個問題，想到了將蛋白質(zhì)溶液與核酸溶液混合起來，構(gòu)成了一種多分子體系。然后他就在顯微鏡下觀察，果然就看到了團聚體小滴，與水之間有明顯的界限，這張圖就是他觀察到的團聚體小滴的照片。接著，他又混合了更多的溶液來進行觀察，發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)與糖類、蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)與核酸，都可能形成團聚體。所以，奧巴林就認為，這些團聚體能表現(xiàn)某些生命現(xiàn)象，當然就可以作為生物模型來進行研究啦。但是，奧巴林所制造的這種團聚體，有一個很明顯的悖論，他用的原料是白明膠和阿拉伯膠，大家可能知道，這是現(xiàn)代生物體所產(chǎn)生的物質(zhì)啊，有了生命之后，產(chǎn)生這樣的現(xiàn)象并奇怪呀。也就是說，最終呀，這個實驗觀察其實是缺乏說服力的。

第二個，就是美國科學家?？怂固岢龅念惖鞍孜⑶蝮w模型。1959，福克斯以20種天然氨基酸為原料，模擬原始地球的干熱條件進行實驗。他之所以用20種天然氨基酸為原料，就是為了讓這種物質(zhì)的生化機能與蛋白質(zhì)接近，但是呢又不能是生物合成的蛋白質(zhì)，所以，我們這里暫且稱這個為類蛋白吧。為了模擬原始地球的干熱條件，他就將各種氨基酸按一定比例混合，在干燥無氧條件下加熱到160℃~170℃，最后他得到了分子量很高的類蛋白微球聚合物，然后再這些物質(zhì)放到很稀的鹽水中加熱，使其溶解，冷卻后溶液變成了白色渾濁狀，這就是就他在顯微鏡下觀察類蛋白微球體時拍攝的照片。

然后，?？怂咕蛯Υ擞肿隽撕芏鄬嶒?。他發(fā)現(xiàn)，當類蛋白微球體加壓的時候呀，會發(fā)生類似細胞分裂的現(xiàn)象。當改變類蛋白微球體懸液的酸堿度的時候，可以表現(xiàn)出雙層膜的特征。微球體懸液放置一段時間后，還可以看到出芽的現(xiàn)象。把芽分離出來，置于飽和的類蛋白溶液中，并從37℃冷卻到25℃，芽還可以生長，變成第二代微球，第二代微球也會和第一代微球那樣具有能分裂，出芽，長大等類似生物的現(xiàn)象。所以，通過上面所介紹的這兩個模型呀，說明了生物大分子是可以自動聚集起來的，并形成獨立的多分子體系。

剛才說到了膜，那么膜起源這個過程，首先是脂肪酸膜的出現(xiàn)，這樣，構(gòu)成生命的化學物質(zhì)就可以被捕捉到膜內(nèi)，并孕育出更復雜的生命活動。但問題是，膜系統(tǒng)這樣復雜的結(jié)構(gòu)，如何才能獲取自我復制和繁殖的能力，從而允許演化的發(fā)生呢？德國馬普研究所一幫科學家，就研究了這種化學活性液滴，也就是”化學物質(zhì)在周圍液體和液滴內(nèi)反復進出”的物理行為，發(fā)現(xiàn)這些液滴生長到細胞大小后就會自動發(fā)生分裂。咦，這種行為似乎與我們的常識不一致吧。大家在觀察水中油滴融合的時候，也許油滴只會變得越來越大，但并不會發(fā)生分裂。他們的這個研究結(jié)果，發(fā)表在2016 年 12 月的Nature Physics上，有興趣的可以看一看。這篇論文用化學活性液滴的生長、分裂行為來解釋細胞繁殖，大家看，是不是為我們描繪了又一個生命起源的可能圖景。

現(xiàn)在的大多教科書中都說：所謂細胞，就是出現(xiàn)膜結(jié)構(gòu)，可區(qū)分出外部和內(nèi)部。所以膜起源就非常重要。我們這里看一個膜起源假說，這個學說認為：膜結(jié)構(gòu)和分隔化的形成是生命功能實現(xiàn)的必要條件，這樣的過程發(fā)生在3538億年前。這個假說還認為，原始的第一個細胞必須具備以下幾個基本性質(zhì)：(1)有類似質(zhì)膜的生物膜；（2）有能完成自我復制和自發(fā)整合的生命大分子物質(zhì)體系；（3）具有內(nèi)在的物質(zhì)代謝、能量代謝和信息交流的基本性能。

這一張圖是我們熟悉的中心法則，我們知道如今的生命形式建立了從DNA到RNA，再到蛋白質(zhì)的秩序，生命的主宰物質(zhì)就是核酸和蛋白質(zhì)。同樣，生物大分子起源的研究是解開生命起源奧秘的鑰匙，那么核酸與蛋白質(zhì)究竟是哪個先發(fā)生的呢？排列組合一下，那只有三種情況：核酸先、蛋白質(zhì)先、二者同時。但核酸先發(fā)生的可能性要大一些，因為核酸的構(gòu)成成分相對來說比較簡單，聚合較容易一些。后來，RNA催化活性的發(fā)現(xiàn)，就解決了先有多聚核苷酸，還是先有多肽鏈的兩難困境，表明最初的生化系統(tǒng)是集中在RNA上，這就是著名的RNA世界假說。

該假說認為，在生命起源的某個時期，生命體僅僅由一種高分子化合物RNA組成，沒有蛋白質(zhì)和蛋白質(zhì)酶。而遺傳信息的傳遞是RNA的復制，其復制機理與當今DNA復制機理相似，而作為生物催化劑的蛋白質(zhì)，因為需要基因編碼，所以那個時候還不存在。那么這個時候的催化反應只好由具備催化活性的RNA分子，也就是核酶來代勞了。此時，RNA是唯一的遺傳物質(zhì)，是生命的源頭。

說到從原始生命體到真正細胞形態(tài)生命的這道鴻溝，我們不得不提及一下元古宙時期的藍細菌繁盛時代。以前的教科書認為藍細菌繁盛時代是從25億年到7億年前，但美國加州大學1989年的一項工作，將這個年限提前到了35億年前。我們知道，藍細菌是一種很奇特的生物，它能像植物一樣進行光合作用，但卻是原核生物，因此在進化生物學上有著非常重要的意義。尤其值得關(guān)注的是，這漫長的藍細菌繁盛，造成了地球環(huán)境的重大變化：首先，藍菌光合作用釋放氧氣改變了地球大氣成分，同時由于藍細菌活動引起的碳酸鹽沉積，大氣中的CO2含量逐步下降，為真核生物及多細胞生物起源創(chuàng)造了條件；其次，海洋物理化學性質(zhì)發(fā)生改變，像這個鈣、鎂離子的濃度就開始下降，這當然就引起了pH值的相應改變；另外，地球表面平均溫度下降，這部分是因為大氣CO2濃度下降所導致的，我們能理解。而同時，我們知道，藍細菌繁盛時代所造成的環(huán)境改變，又是藍細菌自身衰落的主要原因。其實在生物進化中，許多物種的出現(xiàn)與衰落都有類似的情況。

我們再來看一些化石證據(jù)。15億年前的細胞化石，其個體的直徑只有10微米，而14億年前的細胞化石，其個體直徑達到了60微米。這個證據(jù)就說明，在地球上是先有原核細胞，再有真核細胞的。但是，真核細胞是不是真的來自原核細胞，或者說怎樣來自原核細胞，這些問題到現(xiàn)在為止還沒有一個滿意的答案。

那么，有關(guān)真核細胞的產(chǎn)生，現(xiàn)在有兩種爭論不休的說法，一種是分化假說，或稱為膜進化假說，另一種是共生起源假說。分化假說認為，真核細胞器是由原生質(zhì)外膜向內(nèi)伸和核質(zhì)再分配而同時形成的，原核生物到真核生物是漸進的、直接的進化過程。但這里有一個問題是，既然各種細胞器是同時形成的，那為何不同的細胞器生化特性又如此不同呢？而共生起源假說則認為，一種較大的細胞把另一種較小的細胞“吞吃”到細胞里面，但并不把小細胞消化掉，而是與其建立起一種互惠的共生關(guān)系，即大細胞利用小細胞的某種功能，從中得益，小細胞則利用大細胞提供的環(huán)境與食物，得以更好的生存。正如我們這張圖所展示的，線粒體可能來源于紫細菌，葉綠體可能來源于藍細菌。而且，現(xiàn)在越來越多的分子生物學證據(jù)，還傾向于支持該學說。但這個學說也有一個問題，無法解釋細胞核的起源；而且，根據(jù)內(nèi)共生學說，在代謝上占明顯優(yōu)勢的共生體要將大量遺傳信息轉(zhuǎn)移到宿主細胞上，這顯然很讓人費解。

無論如何，我們知道真核生物在進化有非常重要的意義。首先，真核細胞的形成，為生物的性分化和有性生殖打下了基礎，也是推進生物進化的主要動力。在生物進化的30億年中，無性生物時代占了近三分之二的時間，生命長期處于單細胞階段，進化極為緩慢。有性生殖出現(xiàn)后，個體不再是一成不變地拷貝親本的基因。在有性生殖下，每個個體都有兩套基因，通過基因重組產(chǎn)生新的遺傳變異成為可能，提高了物種的變異性，增大了變異量，進化速度也就加快了。

其次，真核細胞的出現(xiàn)，推動了生物向多細胞化方向的發(fā)展。盡管從一些原核生物開始就有了多細胞化傾向，但原核細胞的遺傳系統(tǒng)根本就不足以實現(xiàn)細胞間復雜的遺傳調(diào)控，所以不可能進化到組織、器官的結(jié)構(gòu)水平，只是停留在細胞集群的等級上。只有真核細胞才有細胞分化的可能，發(fā)展出分化組織，產(chǎn)生能行使特殊功能的器官，使生物向更高級方向發(fā)展。

有關(guān)多細胞生物進化的問題，我們下一節(jié)課再討論，本節(jié)課到此結(jié)束。