生命有机体从何起源？Science 评论《生命的起源》发表100周年
生命有机体从何起源？Science 评论《生命的起源》发表100周年
生命何时、何地、如何出现在地球上？1924年，生物化学家亚历山大·奥巴林（Aleksandr Oparin）发表《生命的起源》一书，认为生命是从无氧的原始环境中涌现，有机化合物在这样的环境中合成和积累，形成类凝胶液滴，从中进化出第一批异养有机体。近日 Science 杂志发表文章，纪念生命起源的异养理论（heterotrophic theory）提出100周年。
在1924那个年代，人们还不知道DNA是双螺旋的。但奥巴林却提出了原始细胞源于最近研究火热的凝聚体液滴，以及预言原始细胞诞生于无氧环境（这与最近发表在《自然·生态学与进化》[1]上的现代进化生物学研究结果不谋而合）。跨越100年，奥巴林的思想仍然在指引我们。
草蛇灰线，伏脉千里，生命起源研究无疑建立在重岩叠嶂的假说与推测之上，各种似乎对立的观点与困惑并存，共同拼凑出如梵高夜空般纷繁复杂的图景。千古兴亡多少事? 悠悠40亿载的时光磨灭了太多线索和证据，可能永远没有谁能为生命起源问题一锤定音，但这并不会冷却人们寻找故乡的热情。或许生命起源是一抹乡愁，但若要问研究生命起源问题能给我们带来什么（或者说能有什么应用）？也许大自然是想教会我们如何创造生命，如何给时光以生命。
1924年，一本名为《生命的起源》（The Origin of Life）[1]的小书开始在莫斯科流传。该书由年轻的生物化学家亚历山大·奥巴林（Aleksandr Oparin）撰写，他曾加入卡尔波夫物理化学研究所（Karpov Physicochemical Institute）的阿列克谢·巴赫（Alexei Bakh）实验室，从事光合作用研究。该书提出，生命是在无氧的原始环境中涌现的。这种原始环境促使了有机化合物的合成和积累，随后这些化合物形成类凝胶液滴。第一批异养有机体正是从这种液滴进化而来。该卷在学生社团、工人俱乐部和生物教师中广受欢迎，其袖珍本很快售罄，再也没再版。在其问世100周年之际，奥巴林的远见卓识仍值得重温。
在《生命的起源》中，亚历山大·奥巴林（Aleksandr Oparin）概述了一个扣人心弦的案例，描绘了生命的生物化学基础。｜照片：ASAHI SHIMBUN VIA GETTY IMAGES
奥巴林的早期影响
像许多俄罗斯本科生一样，奥巴林接触到了恩斯特·海克尔（Ernst Haeckel）的思想。海克尔可能是第一个提出进化序列（evolutionary sequence）的人，该序列从太阳系起源的星云假说开始，然后是地球的形成和原始海洋的凝结。海克尔认为，纯粹唯物主义对生命本质的解释可以基于蛋白质和原生质的物理和化学特性，而其中蕴藏了新陈代谢和遗传。在一元论信仰的推动下，他认为细菌不过是未分化且富含蛋白质的无核原生质液滴，能自发出现在原始海洋中 [2]。
作为一名学生，奥巴林还对克里孟特·季米里亚捷夫（Kliment A. Timiriazev）的公开讲座印象深刻。季米里亚捷夫是一位有影响力的植物生理学家和农学家，积极推广达尔文主义和左翼政治观点，受到俄罗斯自由主义者的喜爱。巴赫和季米里亚捷夫是众所周知的、备受尊敬的顶尖科学家，其学术成就为他们在苏联政府中赢得了相当大的影响力。与巴赫一样，季米里亚捷夫也致力于研究 CO2 化学和叶绿素性质，并都强烈反对孟德尔遗传学，认为孟德尔遗传学是对达尔文理论的反动攻击[3]。
季米里亚捷夫于1911年离开莫斯科大学以抗议沙皇政府，但除了公开演讲，还继续在公寓里与学生和同事开会。奥巴林对进化论思想的兴趣很快引起了季米里亚捷夫的注意。奥巴林被邀请参加季米里亚捷夫的研讨会。奥巴林未入党，但从学术生涯的早期阶段开始，他就享受着智识带来的影响力和科学家的支持，在苏联建制派中举足轻重[4, 5]。
到1917年奥巴林大学毕业时，他的学术背景包括自然历史、生物化学和植物生理学，这些知识是在俄罗斯研究传统中获得的，坚定致力于分析自然现象的整合方法。幸得季米里亚捷夫的教诲，他不仅熟悉了俄罗斯几乎所有关于进化论的文献，而且也许更重要的是，他熟悉了比较分析的达尔文方法和生命特征的历史解读。
我们的厌氧祖先
像许多同时代人一样，季米里亚捷夫坚信有机化合物的唯一来源是光合作用。正如他在1912年所写的那样，“大自然没有其他形成有机物的实验室，除了叶子，或者更严格地说，叶绿体……唯独在此，有机物才能从无机物中重获新生” [6]。然而，奥巴林非常清楚光合作用的生化复杂性，他无法调和达尔文主义观点中那种逐渐从简单到复杂的缓慢进化与这种主流观念，即当生命自发出现时，它已经被赋予了自养代谢（autotrophic metabolism），其中包括具有代谢能力去固定CO2和合成有机化合物的叶绿体。
奥巴林得出结论，解决方案在于厌氧和好氧生物中发酵代谢及其酶的广泛生物分布，用达尔文的术语来说，这意味着众生都源于厌氧的异养祖先。他争辩说，第一批有机体无法合成自己的食物，而必须完全依赖于原始环境中存在的有机物质。这要求在生命出现之前存在一个有机化合物的非生物来源。
原始前体的涌现
奥巴林继续从德米特里·门捷列夫（Dmitri Mendeleyev）等人在19世纪实验合成碳氢化合物和其他有机化合物的报告中收集零散证据。从这些报告中，结合陨石和彗星光谱中存在有机分子的证据，他得出结论，原始的无氧陆地环境必定富含有机化合物，这些化合物在前细胞阶段成为构建富含蛋白质的类凝胶液滴的起始材料，随后这些液滴进化成厌氧的异养细菌 [4，5]。
尽管奥巴林在《生命的起源》中没有使用“前生命化学”（prebiotic chemistry）一词，但他对实验观察和孤立化学现象的编撰和重新阐述促成了一个非目的论的进化序列。该序列基于这样一种认识，即在非生物条件下形成的有机化合物是生命出现的必要不充分条件。事实上，这本书是一个多学科研究计划的大纲，旨在从有机体的化学和生化起源中划分出自生成（spontaneous generation）[5，7，8]。
同年，地球化学家 Charles Lipman 和微生物学家 R. B. Harvey 独立发表了一些类似的方案，但都不具备奥巴林方案的科学性或方法学的优雅凝练。1929年，英国博学家 John B. S. Haldane 也提出了类似的想法，他在一篇短文中建议富含 CO2 的大气会促成一种富含有机物的原始汤，而类噬菌体的实体可从中进化出来，并成为第一个异养细胞的前体 [9]。
奥巴林的想法为斯坦利·米勒（Stanley Miller）的早期地球模拟提供了信息。｜照片：JIM SUGAR VIA GETTY IMAGES
生命起源的新理论
事后看来，《生命的起源》可被认为是奥巴林1936年出版的书的前身，该书与第一本书 [5] 的标题相同，这代表了一项重大的科学成就。在后一本书中，他基于许多科学领域描绘出一幅惊人详细的前生命进化图景，其始于有机化合物在高度还原的原始环境中的合成和积累。
奥巴林始终拒绝将生命还原为单个活着的分子，并抛弃了海克尔的还原论假设，即功能分子和结构的偶然组装可能诞生出活着的有机体。因此，他用凝聚体模型来引出多分子系统的前细胞进化过程，而第一个厌氧异养有机体最终从凝聚体（coacervates）模型中进化出来。但要明白，他提议的关键不是关于生命的代谢起源，也不是关于凝聚体，凝聚体只是他从荷兰蛋白质化学家 Hendrik G. Bungenberg de Jong 那里借来的概念。实际上，他所做的是提出了一种前生命和前细胞过程的进化理论，以致原始地球上第一个细胞的诞生，这开辟了全新的实验及理论场域 [4, 5]。
奥巴林的第二本书中明显不存在基因。这既无关政治压力，也无关他亲近党的意识形态。当时，许多苏联生命科学家对现代综合理论的理睬只是敷衍了事，而且和许多其他人一样，他仍确信孟德尔主义和达尔文进化论之间的不相容性。
奥巴林继续遵循这样的观点，即可用细菌原生质的生长和分裂来解释生物遗传[5]。他没用基因来概念化遗传，因为许多人对基因的存在持怀疑态度。惊讶的是，该名单中包括托马斯·亨特·摩根（Thomas Hunt Morgan），他直到1933年才表示，“遗传学家对于基因是什么——它们是真实的还是纯粹虚构的——没有达成共识”[10]。
前生命化学的开端
1953年米勒在可能的原始条件下合成氨基酸和其他有机化合物[12]，而1938年奥巴林第二本书[11]的英译本在米勒这次著名合成中扮演了开创性角色。米勒实验室模拟的惊人结果标志着我们现在所称呼的前生命化学进入实验室阶段。
日益完善的分析和观测方法表明，有机分子在各种天文和行星环境中存在着惊人的丰富性和多样性。随着分子生物学的发展和对生物催化、RNA繁多角色以及膜和自组织的重要性认识，现已能对原始环境进行越来越精妙的实验模拟。
奥巴林的遗产
随着时间推移，没有科学理论会一成不变，前生命汤仍然是一个好用与风险并存的隐喻。现已能用非酶法合成现代生命形式的许多生化成分，但这一事实并不一定意味着它们对生命起源也是必不可少的，或它们在原始环境中是可行的。
我们不知道生命何时、何地或如何出现在地球上，但目前关于外星有机分子重要性的辩论，以及我们实验室对原始环境的重构，本身就是对前生命化学在原初生命形式涌现过程中所发挥关键作用的认可。
参考文献
- A. I. Oparin, Proiskhodenie zhizni (Moscovky Rabotchii,1924).
- E. Haeckel, The History of Creation: Or the Development of the Earth and Its Inhabitants by the Action of Natural Causes (Henry S. King & Co., 1876).
- A. Vucinich, Darwin in Russian Thought (Univ. of California Press, 1988).
- A. Lazcano, J. Mol. Evol. 83, 214 (2016).
- A. Lazcano, in The First Steps of Life, E. Di Mauro, Ed. (ISTE, 2024), chap. 6.
- K. A. Timiryazev, The Life of the Plant: Ten Popular Lectures (Foreign Languages Publ. House, 1958).
- H. Kamminga, Orig. Life Evol. Biosph. 18, 1(1988).
- N. Sankaran, Stud. Hist. Philos. Biol. Biomed. Sci. 43, 741(2012).
- J. L. Bada, A. Lazcano, Science 300, 745 (2003).
- M. Cobb, Life’s Greatest Secret: The Race to Crack the Genetic Code (Basic Books, 2015).
- A. I. Oparin, The Origin of Life, S. Morgulis, Transl. (MacMillan, 1938).
- S. L. Miller, Science 117, 528 (1953)
导语参考文献
[1] Moody, E.R.R., Álvarez-Carretero, S., Mahendrarajah, T.A. et al. The nature of the last universal common ancestor and its impact on the early Earth system. Nat Ecol Evol 8, 1654–1666 (2024). https://doi.org/10.1038/s41559-024-02461-1
原文链接：