第1章 序
生命物質的發生和發展是本章要學習的主要內容。生命物質是如何發生的？這是生命的起源問題，也是生命的化學進化過程。當原始地球上出現了原始生命，其發展過程就是生物的進化問題了。原始生命是沿著由簡單到複雜、由低級到高級、由水生到陸生的方向而進化的。進化到今天，已發展成為具有200多萬種生物的五彩繽紛、絢麗多彩的生物界。
第2章 生命的起源
一、關於生命起源的幾個假說
(一)特創論(或神創論)
這一假說認為，現在地球上的各種生物都是由神創造出來的，認為生命是上帝或神按照一定的目的，一次性地創造出來的。這一假說極為簡單地把生命的起源推到了一個不可知、也無法證明的上帝和神的身上，這是在有科學之前，由於人類的愚昧無知而提出的。
(二)自生論(或自然發生論)
這一假說是很多人根據一些錯誤的觀察而提出的，認為生命是自然而然地由非生命物質產生的，而且是從非生命物質中突然產生出來的。例如，中國古代有"腐草化螢"、"朽木化蟬"、"白石化羊"等說法，希臘有"泥土變魚"的傳說，17世紀歐洲有"腐肉生蛆"的說法等。這一假說本來出自原始社會人類的自然觀，認為生命來自非生命物質，具有樸素的唯物主義因素，但因為是觀察十分粗糙的結論，所以這一看法實際上又否認了生物與非生物之間的轉化條件，從而否認了生物與非生物之間的界限。
(三)生源論(或生生論)
法國微生物學家巴斯德用一係列實驗證明了，生物是不可能自然發生的，連渺小的微生物也不可能自然發生，它們隻能由散布於空氣、土壤、水流和各種物體上的微生物孢子發育長成，或者說隻能通過繁殖而產生。這是生源論的代表，認為生命隻能由同類生物產生，而不能自然發生。這一假說雖然證明了自生論是錯誤的，但又否認了非生物轉化為生物的可能性，從而否認了生物與非生物之間的聯係。按生源論的看法，生命不能自然發生，隻能以繁殖的方式產生，那麼，地球上最初的生命又是怎樣產生的呢？生源論的假說是無法解釋的。
(四)宇宙生命論(或泛生論)
這一假說提倡"一切生命來自生命"的觀點，並認為地球上的最初生命來自宇宙間的其他星球，即"地上生命，天外飛來"。此假說認為，宇宙太空中的"生命胚種"可以隨著隕石或其他途徑跌落在地球表麵，即成為最初生命的起點。現代科學研究已經證明，太 空的各星球之間，在自然狀況下，是沒有保存生命的條件，因為沒有氧氣，溫度接近絕對零度，又充滿著具有強大殺傷力的紫外線、X射線和宇宙射線，因此任何"生命胚體"是不可能保存的，也不可能從宇宙帶到地球上來。這個假說實際上把生命起源的問題推到了無邊無際的宇宙中去了，否認了生命是地球上物質發展變化的必然結果，同時這個假說對於"宇宙中的生命又是怎樣起源"的問題，仍然是無法解釋的。
(五)化學進化論(或新自生論)
這個假說也主張生命是由非生命物質產生的，但與"自生論"不同，認為生命是在長時期宇宙進化中發生的，是宇宙進化到某一階段的產物，不是現在條件下由非生命物質產生的。近幾十年來，隨著現代自然科學的發展，對於生命起源的化學進化問題的研究，從天文學、地質學、物理學、化學、生物學、古生物學、古生物化學等多學科，進行了綜合研究，取得了很大進展，提出：在幾十億年的漫長歲月中，地球上由沒有生命的無機物逐步發展而成為今天的生命世界。這一化學進化的理論已為廣大學者所接受、所承認。
二、生命起源的化學進化
(一)生命的起源與地球的形成相聯係
地球從形成到現在大約有46億年的曆史。早期的地球是熾熱的球體，地球上的一切元素都呈氣體狀態，那時談不到生命的發生。後來隨著地球的慢慢冷卻，才逐漸為生命的發生提供了一定的條件。至今發現的最古老的原核生物的化石，距今約34億年，如1977年10月在南非35億年前的斯威士蘭係的古老堆積岩中，發現了200多個在顯微鏡下可以清楚看到與原核藻類非常相近的古細胞化石。因此，可以認為地球形成之初的十幾億年是生命起源的化學進化階段。原始地球為生命起源的化學進化提供的條件主要是以下三個方麵：
1．物質條件--還原型的原始大氣
2．能量條件--原始地球上不斷出現的宇宙射線、紫外線、閃電、熱能等。
3．一定的環境場所條件--原始海洋等
原始地球第二次形成的大氣層中，是沒有氧氣的，因此是還原型的。正是這些大氣層中的氣體成分在一定的能源作用下，形成各種無機物和有機物，為生命的產生創造了條件。同 時，由於火山噴發的頻繁，地殼發生變動，形成高原和山峰、低地和山穀。大氣層中的水蒸氣逐漸增多達到飽和，冷卻而形成雨，降落到地麵，聚集於低窪地帶，而形成原始海洋。
(二)化學進化的基本階段
綜合現代各學科研究的成果，科學家比較一致地認為生命起源的過程大致經曆了四個
階段(表1-6-1)：
(三)對生命起源化學進化的研究
1．主要的研究方法和成績
為了研究在原始地球條件下，生命是如何通過化學進化過程而產生的，科學家們主要運用的是模擬原始地球大氣的方法，其中最著名的是米勒實驗。1953年，美國學者米勒(S．L．Miller)等人首次模擬原始地球的大氣成分，把甲烷(CH4)、氨(NH3)、氫(H2)、 和水蒸氣(H2O)，封閉在無氧的玻璃容器內，加以連續的火花放電，以模擬雷電所造成的自然能源。米勒設計的實驗裝置如圖1-6-1所示。首先把水加入500毫升的燒瓶中，抽出空氣使裝置內呈真空後，加入CH4、NH3、H2的混合氣體。然後把燒瓶內的水煮沸，水蒸氣驅動混合氣體進入容積為5升的燒瓶中。在5升燒瓶中連續進行火花放電一周，結果得到20種有機化合物，其中有11種氨基酸。這11種氨基酸中有4種氨基酸是天然蛋白質中所含有的，它們是甘氨酸、丙氨酸、天門冬氨酸、穀氨酸。米勒及其合作者們以後又進行了大量的研究工作，通過火花放電已經合成出30多種氨基酸，其中16種為天然蛋白質所含有的。
其他國家的科學家們也運用模擬實驗方法，采用各種不同的氣體混合物作為初始物質以模擬原始地球大氣，並采用放電、紫外線、電離輻射和加熱等，以模擬原始地球的自然能源條件，結果證明所有構成生物體的20種氨基酸均可在模擬原始地球的條件下經多種途徑產生。
除了氨基酸以外，其他的小分子有機物，如瞟呤、嘧啶等有機堿，核糖、脫氧核糖和脂肪酸等，也可以在模擬實驗中形成。例如，有人將CH4、NH3、水蒸氣及H2的混合物，通過電子束射擊，合成了腺瞟呤；有人用氰酸鹽和丙炔腈合成了胞嘧啶；有人用紫外線或γ射線照射稀釋的甲醛溶液，合成了核糖及脫氧核糖；有人用甲烷與水通過電暈放電作用生成了包括乙酸、丙酸、丁酸、異丁酸、異戊酸、異己酸等在內的一係列單羧酸，等等。
上述模擬實驗的方法，已成為研究生命起源化學進化的主要研究方法，而且通過模擬實驗的廣泛開展，使化學進化的第一階段的推測得到了科學實驗的證實。另外，通過模擬實驗也合成出了類似蛋白質和類似核酸的物質，但是與現在的蛋白質和核酸相比；還有一定差別。原始地球上的蛋白質和核酸的形成過程，是否與模擬實驗的過程類似，還不能予以證實。但是，模擬實驗已經為化學進化的第二階段的研究提供了一些線索。例如，美國學者福克斯(S．W．Fox)等人將一定比例的氨基酸混合物，加熱到160～170℃，得到了分子量很高的聚合物，稱為熱類蛋白。這種類蛋白具有蛋白質的某些特性，但又有一些不同於蛋白質的特性。
2．關於生命起源化學進化的假說
生命起源的化學進化過程中，多分子體係是怎樣形成的？關於這一問題的研究很難進行模擬實驗，很多科學家對此提出了許多看法，其中以團聚體假說和微球體假說最為著名。
(1)團聚體假說 這一假說是由蘇聯學者奧巴林(A．И．OnapИH)提出的。他認為生命發生途徑的原始階段大致可以分為三個基本階段：①有機物產生階段；②氨基酸高分子聚合物--原始蛋白質產生階段；③蛋白體產生階段，即團聚體產生階段。奧巴林等人把原來均勻、透明的白明膠的水溶液與阿拉伯膠的水溶液混合在一起後，溶液由透明變得混濁了。在顯微鏡下觀察可以看到在均勻的溶液中出現了小滴，即團聚體。團聚體以明顯的邊界與周圍均勻液體分開。實驗證明，用蛋白質、核酸、多糖、磷脂、多肽及多核苷酸等溶液相互混合也能形成團聚體。奧巴林等人認為，團聚體可以表現出合成、分解、生長、生殖等生命現象。例如，團聚體小滴能從周圍水溶液裏吸收不同的物質，使自己的體積和重量都有所增長。長到一定程度時，團聚體還能"出芽"，形成小團聚體如圖1-6-2。如果在團聚體中加入某些酶，那麼團聚體就能合成某些有機物。團聚體與周圍環境有一個明顯的界限，這是原始膜形成的一種可能形式。根據這些特性，奧巴林等人認為團聚體是原始生命的形成過程中極為重要的一個階段。
(2)微球體假說 這一假說是由美國學者福克斯(S．W．Fox)提出的。這一假說認為類蛋白體形成的微球體就是最初的多分子體係。福克斯等人把酸性類蛋白物質放到加熱的稀釋的鹽溶液中，冷卻後，放在顯微鏡下艦察，發現了溶液中形成無數個球狀小體。福克斯稱這些球狀小體為"類蛋白微球體"。微球體的直徑約為2～7微米，而且具有穩定性，在每分鍾3000次的速度下離心處理，仍然能保持它的結構。它的超微結構有點像細菌，具有雙層的界膜，通過這個界膜，與周圍環境進行有選擇的物質交換。微球體在高滲透壓的溶液中體積縮小，在低滲透壓的溶液中體積膨脹。微球體也能進行"出芽"生殖。福克斯認為，類蛋白可以作為原始蛋白的模型，微球體可以作為原始細胞的模型。