互动科普

空气、水和岩石是早期地球上仅有的几种原料。最初的实体必也是从这些原始的资源中产生出来的。新的实验提示，矿物—岩石的基本成份可能在这一戏剧性的过程中扮演了主角。

生命的起源是一个化学过程。当地球在45亿年前形成以后，小行星在其后的5亿年时间里频繁撞击地球，反复地使地球表面震裂，形成一个毫无生气的荒凉世界。然而，在这一地狱般的时代过去后几亿年之内，微生物便大量涌现出来。最初的生命实体必定是在这段过渡期问的某一时刻从水、空气和岩石中产生出来的。

在这3种原料中，大气和海洋早就披公认为生命起源这幕大戏中的主角，而岩石以及构成岩石的矿物质只不过被当作配角甚至是道具，仅仅在需要时被叫出来跑跑龙套而已。但是科学家们现在逐渐意识到，分派岩石担当这样的小角色其实是错误的。事实上，最近进行的一系列引人入胜的实验表明，矿物质在导致生命演化出来的基本化学反应过程中起着关键性的作用。

生命起源史中的第一幕必定造就了完整的一批批具有自我复制能力的碳基分子。即使是完成进化历程中这样初始的一步，也需要一系列的化学转变过程，其中每一一过程都把一组有机分子的结构和复杂性推进到一个新的层次。远古地球上最丰富的碳基化合物是每个分子只有一个碳原子的气体，即：二氧化碳、一氧化碳以及甲烷。但是生物的最基本的结构单元(包括富含能量的糖类、形成膜的脂类以及复杂的氨基酸等)其每个分子可能含有一打以上的碳原子，然后许多这类分子必定又互相结合起来形成长链状聚合物和其它分子阵列，以便完成生命的各种化学任务。在早期地球的恶劣条件下(当时的紫外辐射很强烈，分子团往往刚一形成便被紫外辐射分解了)，把小分子互相连接起来形成这些长长的复杂结构必定是特别困难的事情。

碳基分子需要保护和帮助才能上演这出戏。事实证明，在导致生命产生的化学反应中，矿物质可能起着至少5种重要作用，有时是被动的道具，有时是活跃的演员。矿物质结构中的微小腔室可以保护简单的分子免遭环境的破坏．而矿物质表面则为这些分子的组装和生长搭起了现成的架子。某些矿物质的结晶表面除了有这些保护作用和支持作用外，还能主动地选择特定的分子，也就是与那些将演变成有重要生物作用的分子相类似的分子。而另一些矿物质中的金属离子则可以引起有意义的反应，例如把简单分子转化为自复制分子的反应。然而，最令人感到意外的或许是不久前研究人员发现有迹象表明，溶解矿物质的元素能够被结合进生物分子中。换言之，矿物质可能不仅仅是帮助生物分子结合在一起，它们可能已经变成了生命本身的一个组成部分。

遮风挡雨

从1859年查理·达尔文的“物种起源论”发表以来的大半个世纪中，许多科学家都在推测生命的化学起源的问题。部分科学家呈颇有先见之明地在他们创造的生命起源剧本中提到了岩石和矿物质。但是支持这些推测的实验证据是零散的，不完整的。 

最著名的实验之一是1953年芝加哥大学进行的一项实验。那一年化学家Harold C．Urey的一位年轻有为的研究生Stanley L．Miller试图在瓶子里模拟地球的原始海洋与大气。Miller将甲烷、氨以及其它的一些据认为构成早期大气成份的气体密封在一个部分充水的玻璃烧瓶中。当他让电火花穿过烧瓶中的气体以模拟史前的闪电暴风时，开始时透明的水随着氨基酸和其它的基本有机分子在水中越积越多而变成粉红色，随后又变成褐色。借助这一简单而精巧的方法，Miller把关于生命起源的研究从纯粹猜测的哲学推理变成了一门严格的实验科学。流行报刊采用耸人听闻的手法添油加醋地描述Miler的成果，说什么合成昆虫或许很快就会从试管中产生出来。科学界当然要谨慎克制得多，但是许多研究人员觉得在实验室创造生命的重大障碍己经解决了。

没有过多久，这些研究人员便不得不抛弃了他们的乐观想法。Miller可能是发现了一种利用地球早期的水与气体资源来合成多种生命结构单元的方法，但他并没有发现这些简单的单元是如何互相连接起来形成生命所固有的复杂分子结构(例如蛋白质和DNA)，也没有发现它们在何处形成这些结构。

为了解决这个难解之谜，Miller和其他研究生命起源的科学家建议把岩石作为道具。他们猜测，漂浮在海水中的有机分子可能随飞溅的海水进入到多岩石海岸一带因潮汐作用而形成的水塘中，由于反复的蒸发作用，这些分子的浓度变得越来越大，就像放在灶上炖的一锅汤，越熬越浓一样。

然而，近几年来，研究人员设想生命的组成要素可能是在小得多的容器内积聚起来的。某些岩石(例如灰色的火山浮岩)满布着气囊，这些气囊是当岩石仍处于熔融状态时气体在岩石内部膨胀而形成的。许多常见的矿物(例如长石)在风化过程中产生出许多微小的凹坑。在早期地球上，每块岩石内的每一个微小腔室中可能都在进行着一项单独的分子自组织实验，只要有足够长的时间和足够多的腔室，总会碰巧产生出恰当的分子组合，最后发展成有资格被称为“生命”的东西。

上述猜测在很大程度上是基于这样一种见解，即生命非常脆弱，因此必须依靠岩石才能生存下去。但是，1977年，一项惊人的发现对关于生命的脆弱性(可能还有生命的起源)的传统见解提出了挑战。在此之前，大多数科学家都认为，生命是在条件适宜的海洋表面上或接近这种海洋表面的地方，借助于靠阳光驱动的化学过程而繁衍起来的。但是，当探索深海的科学家们首次发现在海底火山口的过热开口处繁衍着多种多样的生态系统时，这一观点开始有了变化。这些极不寻常的环境能够在完全见不到阳光的地方支持复杂的生物群落生存下去。在这种漆黑一团的环境中，生物所需的能量有很大一部分不是来自光，而是来自地球内部的热量。在获得了这样一种认识之后，有几位研究人员开始考虑这样一个问题:与生命起源有关的有机反应是否会发生在这些所谓热液口周围的高热和高压环境中。

Miller和他的同事们反对生命的热液起源说，其理由之一是氨基酸在受热时会很快地分解。但结果证明这神反对意见其实只有在关键的矿物质未被考虑在内时才可能是站得住脚的。不久前我所在的单位(华盛顿卡内基学会的地球物理实验室)进行的一系列实验支持了矿物质可能为生命的组成要素提供了保护这一看法。我的同事Jay A.Brandes(当时他是卡内基学会的一位博士后研究人员，现在在得克萨斯大学阿朗萨斯港海洋科学研究所工作)提出，矿物质有助于使比较脆弱的氨基酸保持完好无损。1998年我们进行了一项实验，在这项实验中，置于高压水里的一种氨基酸(白氨酸)在加热到摄氏200度的高温时，几分钟内就分解了，与Miller巫其同事们所预测的一点不差。然而，当Brandes向这一混合液中加入海底热液口内以及热液口周围常见的一类硫化铁矿物时，白氨酸在几天的时间里保持完好无损，而这一时间长得足以使它与其它各种关键的分子发生反应了。

据以立足的岩石

即使各种合适的原料聚集在一处受到保护的安全地点（可能是潮汐作用形成的水塘，也可能是矿物质表面上的微小凹坑或是海底热液口管道内的某个地方)，但各个分子仍然悬浮在水里。这些流浪的分子需要找到一个支持结构(即某种形式的脚手架)使得它们能够立足其上并彼此进行反应。 

把稀溶液中的分子组合起来的最简单方法之一就是让它们集中在一个平坦的表面上，四处漂泊的分子可能被吸引到某个潮汐水塘的平静水面上，或许也可能被吸引到聚集于水面的各种化合物所形成的一层原始的"油膜"上，但是这样的环境对于脆弱的分子来说，存在着潜在致命的威胁。强烈的闪电风暴和紫外辐射不停地轰击着早期的地球，其强度要比现今的闪电和紫外辐射大许多倍，这样的条件会迅速地破坏复杂的分子链的键。 

研究生命起源的科学家中有一部分人对地质学也很感趣，这些科学家早就认识到，矿物质可以提供一类具有良好特性的替代表面，使重要分子能够在其上组合起来。如同容器假说一样，关于矿物质为生命起源提供场所的设想也是在半个世纪以前问世的。当时有几位科学家开始猜想，粘土可能具有吸引有机分子的特殊能力（见58页图)。这类无处不在的矿物质处于湿的状态时，摸起来给人以滑溜溜的感觉，这是因为它们的原子形成了一些平坦而光滑的层面，各层的表面常常携带电荷，这些电荷或许能够吸引有机分子并把它们保持住。后来的实验证实了这些猜想。20世纪70年代后期，以色列的一个研究小组证明，氨基酸能够集聚在粘土表面上，然后互相连接起来形成类似于生物蛋白质的短链。当研究人员让含有氨基酸的水基溶液在一个盛着黏土的容器中蒸发时——这种情况跟一个池底满是泥浆的浅水池或潮汐水塘蒸发的情况差不多——这些化学反应便开始出现了。

更近一些时候，由伦塞勒理工学院的James P Ferris以及斯克里普斯海洋学研究所的Gustaf Arrhenius领导的两个独立的研究小组证明，黏土和其它层状矿物质能够吸引多种有机分子并将其组装起来。过去10年里伦塞勒理工学院的研究小组进行了一系列极为出色的实验，发现黏土可以充当组装RNA的结构单元的脚手架(RNA是生物中一类特殊的分子，其作用是把遗传指令翻译成蛋白质)。一旦有机分子附着到矿物质脚手架上，便可以产生出各种类型的复杂分子。但是只有其中少数几种特定的分子最终被吸收进活细胞中。这就意味着必定有某种类型的模板从这许许多多分子中挑选出了那些最终将具有重要的生物学作用的原始分子。最近的实验再一次证实，矿物质对于完成这一任务可能起到了关键的作用。

 优先对待

某些矿物的晶面可以主动地选择并富集那些将具有最重要生物作用的分子。

上述选择过程中或许最神秘莫测的一个情节就是，所有生物的组成都以某种类型的氨基酸为主，这一现象相当令人不可思议。同许多有机分子一样，氨基酸也有两种形式。两种形式的氨基酸分子含有相同种类的原子，但是它们的结构则互为镜像，这种现象称为手性对称性；为简单起见，科学家们把这两种形式的分子分别称为“左旋”(或L)与“右旋”(或D)分子。有机合成实验(倒如Miller进行的那类实验)所产生出的分子毫无例外全都是L型与D型各占50％，然而在生物中却是左旋氨基酸占据优势——左旋分子的过量比例接近100％。

研究人员提出了十几种理论来解释这一奇异的现象，有的理论采用比较通俗的解释，有的则借助于种种新奇的说法。某些天体物理学家提出，可能是地球在形成的时候就是以左旋氨基酸为主，而其原因则是发生在形成太阳系的尘埃和气体云中的某些过程导致了左旋氨基酸的过量。这个理论存在的主要问题是，在大多数场合中这些过程只能产生极其微小的左旋分子或右旋分子，过量——不到1％。

也有可能是地球诞生之初，其左旋氨基酸和右旋氨基酸各占50％，后来物理环境中的某一重要特征优先选择了其中一种氨基酸而不是另一种氨基酸。我认为，这种特异性物理环境的最明显的候选者是其表面结构互为镜像的结晶表面【参看58页图l】。2000年春，我把候选者的范围逐渐缩小后锁定在方解石上。方解石是组成石灰石和大理石的一种常见矿物。我之所以选择它，其原因之一是这种矿物常常具有十分漂亮的一对对互为镜像的表面。许多软体动物的壳中的方解石其化学结构都牢固地结合在氨基酸上。知道了这一事实后，我开始猜想方解石的表面上可能分布着一些特殊的化学键合位点，它们特别适合于同两类氨基酸中的某一种或另一种结合。在我的同事，卡内基学会的Timothy Filley(目前在普渡大学)以及乔治-华盛顿大学的Glenn Goodfriend的帮助下,我对这一假说进行了一百次以上的检验。

我们的实验从原理上说是很简单的，但它需要进行周密的洁净室操作，以免实验受到环境中无处不在的氨基酸的污染。我们把一块充分成形的拳头大小的方解石晶体浸入一种常见的氨基酸——天门冬氨酸的溶液中，其中左旋氨基酸与右旋氨基酸各占5O％。经过24tb时后，我们把方解石晶体从溶液中取出，放在水里洗净，然后仔细地把所有粘附在特异晶体表面上的分子收集起来。在一次又一次的实验中，我们都观察到“左手”表面选择左旋氨基酸，而“右手”表面则选择右旋氨基酸。在某些情况下，左旋氨基酸的过量比例接近40％。

奇妙的是，具有精细的台阶状表面的方解石面其选择性最强。这一结果促使我们猜想此类台阶状边缘可能迫使左旋与右旋氨基酸在各自的面上整齐地排列成行。在环境条件合适时，这些排列整齐的一行行氨基酸可能通过化学结合而形成类似于蛋白质的分子——某些分子完全由左旋氨基酸组成，而另一些分子则完全由右旋氨基酸组成。如果蛋白质的形成的确能够发生，那么这一结果就更加令人振奋了，因为其他一些研究人员最近进行的实验表明，某些蛋白质具有自复制能力。在地球的早期历史上，自复制的蛋白质可能就是在方解石晶体面上形成的。

左手与右手晶体面的数目大致相等，因此对左旋氨基酸的手征性选择或许不是在世界上所有地方一下子同时发生。我们的实验结果以及理论预测提示，最初一批成功的自我复制分子——现今地球上所有各种各样的生命形式的先驱——是在某一特定的时间和地点诞生的。成功的分子恰巧在优先选择左旋氨基酸而不是选择右旋氨基酸的结晶面上演化出来，这完全是一件偶然的事情。 

毫无疑问，矿物质可以起到容器、脚手架和模版的作用，有助于选择并组织原始地球上各种各样的分子。但是许多研究生命起源的科学家猜测，矿物质起到比此主动得多的作用——它们是推动地球早期多种复杂生物分子发展的各个关键的合成步骤的催化剂。

矿物固碳

1997年，在卡内基学会研究人员Brandes领导下进行的实验阐明了这一设想。生物反应需要氨中所含的氮，但是据认为在原始地球上唯一常见的氮化合物就是氮气。Brandes猜测，或许热液喷口处的环境起着一种工业流程的作用——它让氮和氢经过一个炽热的金属表面上方，从而合成了氨。果然，当我们让氨、氧和氧化铁矿物(磁铁矿)处于海底热液口附近所特有的温度和压力环境时，磁铁矿就起了催化剂的作用，使氨得以合成(参看5页图)。

矿物质可能催化了生命起源最初的关键几步，这一设想最有力地体现在化学家Gunter Wachter—shauser(他是一位德国专利律师，但他对命起源也有极大兴趣)提出的一项划时代的理论中。他在1988年提出的这项有机进化理论认为，矿物(主要是在深海热液喷口处大量存在的硫化铁和硫化镍)可以起着模板、催化剂和能源的作用，促进物分的形成。事实上，他认为原始生命实体就是粘附在黄铁矿(由铁和硫构成的一种矿物)的带正电表面上的分子覆盖层。他进而提出，这些生命实体从形成黄铁矿的化学反应中获取能量。这一假说之所以有道理，其原因之一是某些代谢催化剂(即帮助生物细胞处理能量的催化剂)其核心有一团金属和硫原子。

在过去3年的很长一段时间里，Wachtershauser的这个引人注目的理论对我们在卡内基学会所进行的实验产生了很大的影响。我们的研究小组(包括地球化学家GeorgeCody和岩石学家Hatten S Yoder)着重研究了这样一种可能性：如果有矿物存在(特别是氧化物和硫化物)，则新陈代谢可以在不存在任何酶的情况下进行。我们的实验法很简单，基本上就是模仿Miller的耶次著名实验，即把早期地球上存在的几种成份(水、氧化碳和矿物)置于一个受控环境中。我们在实验中尝试模拟深海热液喷口处常见的极大压力和滚烫的温度。我们的实验多数是检验密封在一个焊接金囊(其大小相当于人们日常服用的维生素胶丸)内的各种成份之间的相互作用。我们把多达6个金囊放进Yoder的“炸弹”内，这枚所谓的炸弹其实是一个沉重的钢制压力容器，它以将近2000个大气压的压力挤压这微小的金囊，同时将它们加热到摄氏250度左右。 

我们的这些有机合成实验的主要目标之一是固碳反应，固碳反应是生命的基本化学反应之一，它合成其化学结构中的碳原子数目越来越多的分子。根据我们使用的矿物的具体类型，这类反应有两条不同的路径。我们发现，许多常见矿物(包括铁、铜和锌的大多数氧化物和硫化物)通过种名为费希尔—特普希合成法(F—T法)的普通工业流程来促进碳原子的加入。

这一合成法可以用一氧化碳和氧造出链状有机分子。首先是一氧化碳和氢反应，生成只有一个碳原子的甲烷。向甲烷加入更多的一氧化碳和氢就生成含两个碳原子的乙烷。然后反应就这样继续下去，每一次都新加入一个碳原子。在化学工业中，研究人员利用这一反应来制造含有任意数目碳原子的分子。我们在1996年进行的首批有机合成实验(以及伍兹霍尔海洋学研究所的ThomasMcCollom所进行的广泛得多的研究)证明了在某些热液喷口条件下，F—T反应只需不到一天的时间就可以建造出含有30个或30个以上碳原子的分子。如果这一过程能够在现今地球上的热液区用简单的无机化学原料合成有机大分子，那么在地球出现生物以前的远古时期它也极有可能通过这一途径合成出有机大分子。

矿物可能引发了推动地球早期多种复杂生物分子发展的关键化学反应。

当我们用镍或钴的硫化物进行实验时，我们发现碳原子的增加主要是通过羟基化作用进行的，也就插入一个碳和氧的分子，即碳酰基。碳酰基很容易附着在镍原子或钻原子上，但这种附着并不是牢固得使它们无法与其它分子相连接并转移到其上而形成更大的分子。在一项系列实验中，我们观察到含有9个碳原子的壬基硫醇分子变长后形成含10个碳原子的癸酸分子，而这种化合物类似于促进活细胞中新陈代谢反应的酸类。此外，这一实验中的所有反应物(硫、醇、一氧化碳和水)在靠近富硫化物的热液喷口的地方很容易找到。重复这些简单的反应(这里加入一个碳酰团，那里塞进一个氢氧基)，我们就能够合成种类繁多的复杂有机分子。

我们在卡内基学会进行的l500余次热液有机合成实验，不仅仅补充了肯定曾在早期地球上产生过的有关分子的清单这些实验，还揭示了矿物的另一项更复杂的行为，它可能对生命的化学特性产生重大的影响，先前大多数关于生命起源的研究都把矿物当作一成不变的东西，即有机分子可以在膜上组合起来的一类稳定的平台。但我们却发现，在高压下面热水存在的情况下，矿物会逐渐溶解，而这一过程中从矿物释放出的原子和分子可以成为原始汤中的关键反应物。

问题的核心

我们首次发现矿物参与反应是最近在Cody领导下进行的催化实验所获得的一项意外成果。在催化实验中，密封在金囊内的简单分子的混合物通过羰基化反应产生了含10个碳原F的癸酸，这一点不出我们所料。然而，这一实验同样也产生了相当数量的元素硫、有机硫化物、甲基硫醇和其它含硫化合物。所有这些产物中的硫必定都是从硫化铁矿物中释放出来的。

更引人注目的是铁也被释放出来，而铁的释放导致金囊内的水基溶液被染成鲜艳的颜色，随着矿物逐渐溶化到水中，铁形成了鲜红色和桔黄色的有机金属络合物，其中铁原子被各种各样的有机分子所包围。我们现在正在研究这些具有潜在活性的络合物可以在多大程度上起着促进分子结构合成的酶的作用。

矿物起着生命的基本化学组分的作用，这一点并不完全出人意料。众所周知热液流体具有溶解并富集矿物质的本领。在深海的热液喷口，可以观察到一根根壮观的硫化物柱长到数十英尺高。滚烫的含矿物质海水从海底下面向上升起，遇到深海的冷水后就把一层层矿物沉积在不断长高的硫化物柱上。但是，这在溶解矿物所扮演的角色在生命起源的故事中还没有占据显著的地位。无论溶解矿物具有什么样的行为，看来它都使得生命诞生的历史更加令人感兴趣。

黄铁矿:生化反应的燃料

我们已经探讨了生物出现以前的化学过程的细节问题，而当我们的目光开始超越出这一范围时，有一点是非常清楚的：生命的起源是一个极其复杂的过程，绝不可能把它想像为单一的事件。我们的研究工作必须立足于这样一个假设：生命的起源是一个由许多较为温和的事件组成的渐进过程，其中每个事件都使生命出现以前的分子世界的有序性和复杂性提高一步，第一步定是合成基本的结构单元。半个世纪的研究揭示了生命分子是大量产生出来的：它们产生于形成太阳系的星云中，产生于海洋表面，产生于热液喷口附近。这古时代的地球曾因财富过多而发愁——它拥有的分子品种多得不可胜数，生命根本就用不完。

矿物有助于使这一混沌状态趋于有序。矿物可能通过两方面的作用促进了最初一批自复制分子系统的问世——首先是限制并富集分子，然后是选择并排列这些分子。自复制分子系统并不构成我们所熟悉的生命，但它能够展示生命的一项关键特性，这是前所未有的事情。按照这一情节的描述，自复制分子系统开始消耗掉其环境的资源。突变产生了一些略有不同的分子变种，这样就出现了一场争夺有限资源的竞争，从而推动分子自然选择的过程。自复制分子系统开始进化，不可避免地向着越来越高效、越来越复杂的方向发展。

我们在卡内基学会的研究工作的一项长远目标是演示那些能够产生自复制分子系统(或许是与所有活细胞都具有的代谢循环有关的一个系统)的简单化学过程。在实验室内创造生命这一目标对科学家们来说还遥不可及，或许我们永远也无法证明是哪些化学转化过程导致地球上生命的出现。目前，我们能够有把握地说的只是，矿物在生命起源的过程中曾起了非常复杂的不可分割的一部分作用，其复杂程度远远超过了大多数科学家的猜想。研究人员希望让矿物在探索生命起源的实验中担当重要角色．这样他们或许就能向着解答最古老的一个科学问题这一目标又迈近一步。

[武晓岚／译 向俊／校]

晶体的力量

表面上看来岩石似乎应该算是最没有生命的东西了。因此，岩石或者是构成岩石的矿物怎么可能为生命的问世助一臂之力呢？答案在于化学。由于化学反应的缘故，岩石从简单的分子长成有序的结构。同样的道理，所有生物从细菌到蝙蝠，之所以能够生长活动，应当归功于细胞内发生的几百种化学反应。40亿年前，地球上不存在生命，化学(而不是生物学)改变着地球的表面。在这段古老的时期中，矿物（以及海水和空气）是最初的生命实体得以从中产生的仅有的几种原料。因此，生命起源过程的最初若干步必定是化学反应。一系列化学变化可能把空气，水和岩石的简单成分重新组合成一批具有自我复制能力的原始的碳基分子。

新的实验揭示岩石在生命起源过程中起容器、脚手架、模板、催化剂和反应物等作用：如果没有岩石的帮助，关键的化学转变过程或许是无法完成的。 

容器——长石和其它常见矿物的风化表面上密布着许多微小的凹坑。这些微型容器可以保护生命的前体分子不受致命辐射的危害。

脚手架——层状矿物(例如粘土)的各个刚性原子层之间可以捕获飘泊的有机分子。简单的分子在这些原子层之间彼此接近并发生反应，生成更复杂的化合物。

模板——方解石这种矿物质往往把左氨基酸与右旋氨基酸吸引到不同的晶面上，这样一种选择过程可以解释为什么生命只利用左旋氨基酸。

催化剂—— 磁铁矿（一种氧化铁矿物)可以促使氮气与氢气复合成氨。氨是生命必不可少的一种化合物，活细胞所需的氨就是从氮中取得的。

反应物——铁和硫是形成某些生物酶(倒如顺头乌酸酶)活性中心的元素，在高温和高压条件下它们可以从硫化铁矿物溶解到水中。

层状矿物起着帮助分子生长的脚手架的作用。