據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，1966年，一位年輕的化學(xué)家提出了一個(gè)頗有爭(zhēng)議的地球生命起源假說(shuō)。50年過(guò)去了，他的理論是否得到了某種程度的驗(yàn)證？從表面上看，毫無(wú)生氣的石頭似乎怎么也無(wú)法和生命聯(lián)系在一起，畢竟只有在受到?jīng)_擊的時(shí)候，石頭才會(huì)移動(dòng)一下。但是，石頭內(nèi)部的礦物是否與生命的起源存在聯(lián)系呢？化學(xué)家格雷厄姆·凱恩斯-史密斯的整個(gè)科學(xué)生涯都在推動(dòng)一個(gè)簡(jiǎn)單而又充滿爭(zhēng)議的理論：生命并不是來(lái)源于類似脫氧核糖核酸（DNA）的有機(jī)分子，而是來(lái)源于簡(jiǎn)單的礦物晶體。
如今，距離凱恩斯-史密斯第一次提出生命起源的觀點(diǎn)已經(jīng)過(guò)去了半個(gè)世紀(jì)。一些科學(xué)家嘲笑他；另一些則謹(jǐn)慎地，或者全心全意地表示贊同。這些觀點(diǎn)從未成為主流學(xué)說(shuō)，但也從未被完全拋棄。那么，凱恩斯-史密斯的驚人理論有哪些合理的地方？生命是否真的起源于礦物晶體？
凱恩斯-史密斯現(xiàn)年85歲，與妻子多蘿西居住在英國(guó)格拉斯哥郊區(qū)。他患有一種與帕金森氏癥有關(guān)的罕見疾病，行動(dòng)不便。然而，他在科學(xué)上的好奇心和對(duì)生活的幽默感并沒(méi)有消退。他的科學(xué)著作，以及他繪制的科學(xué)草圖，擺滿了他家樓上的書房——與他家里的繪畫作品一樣多。20世紀(jì)50年代，當(dāng)凱恩斯-史密斯在愛(ài)丁堡大學(xué)求學(xué)的時(shí)候，他開始對(duì)生命起源的問(wèn)題產(chǎn)生了濃厚的興趣。
盡管學(xué)習(xí)的是有機(jī)化學(xué)，但凱恩斯-史密斯知道，生命的基礎(chǔ)分子——如DNA和蛋白質(zhì)——會(huì)變得非常脆弱并迅速變化。因此，這些復(fù)雜的分子是如何從含有簡(jiǎn)單化合物的原生湯中形成的呢？科學(xué)家至今都對(duì)這一問(wèn)題充滿困惑。
在1953年發(fā)表的一項(xiàng)研究——DNA結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)的同一年——中，一位名為斯坦利·米勒的生物化學(xué)家對(duì)模擬的地球早期氣體和液體混合物進(jìn)行了電擊。實(shí)驗(yàn)的結(jié)果令人震驚，簡(jiǎn)單的化學(xué)物質(zhì)經(jīng)過(guò)電擊后形成了更為復(fù)雜的分子，有些正是生命的基礎(chǔ)：氨基酸——蛋白質(zhì)的組成單元。
這一實(shí)驗(yàn)成為了新聞報(bào)道的頭條。當(dāng)時(shí)《時(shí)代》（Time）雜志的封面上寫著“科學(xué)：半個(gè)造物主”（Science：Semi-creation）。米勒的論文成為科學(xué)史上里程碑式的文章。但是，對(duì)凱恩斯-史密斯來(lái)說(shuō)，這個(gè)實(shí)驗(yàn)所引出的問(wèn)題要遠(yuǎn)多于給出的答案。
盡管米勒在實(shí)驗(yàn)中獲得了一些最基本的生命分子，但他的實(shí)驗(yàn)并未解釋這些分子以及其他生命基礎(chǔ)分子——如形成DNA的核苷酸——如何以一定的順序出現(xiàn)，從而形成生命形成所需的復(fù)雜分子。
在米勒的實(shí)驗(yàn)中，“較簡(jiǎn)單的分子更容易出現(xiàn)，并且比復(fù)雜分子更容易形成，”凱恩斯-史密斯說(shuō)，“要制造出一個(gè)核苷酸分子的想法是荒謬的。分子越復(fù)雜，它形成的可能性就越小?！睂?duì)凱恩斯-史密斯來(lái)說(shuō)，這是真正的問(wèn)題所在。他認(rèn)為，在我們精妙的遺傳材料系統(tǒng)出現(xiàn)之前，還存在著另一個(gè)不同的階段。
“這是個(gè)非常有趣的實(shí)驗(yàn)，”凱恩斯-史密斯說(shuō)道。他將該實(shí)驗(yàn)形容為“美麗的”，但并不足以滿足他的好奇心。于是，他決定回到一些基本的東西。凱恩斯-史密斯問(wèn)了自己兩個(gè)問(wèn)題：對(duì)一個(gè)生命系統(tǒng)來(lái)說(shuō)有哪些必要的特征，這些特征是否能在其他地方找到，而不僅僅局限于我們目前所知的生命形式？
他的目標(biāo)是找到一個(gè)比現(xiàn)代生命簡(jiǎn)單得多的系統(tǒng)，但又擁有生命系統(tǒng)的一些最關(guān)鍵的特征。他在一個(gè)很不尋常的地方找到了答案：黏土。提到黏土，我們大多會(huì)想起陶瓷廠或?qū)W校里的制陶課。一般的印象中，黏土只是一種潮濕的、沙礫很細(xì)的泥土。但是，凱恩斯-史密斯認(rèn)為，黏土并不僅僅如此。在某種抽象的意義上，黏土其實(shí)很像生命。
▲晶體從不會(huì)是完美的規(guī)則形狀
▲黏土晶體可以呈現(xiàn)出許多形態(tài)
▲黏土具有非常廣泛的用途
如果在顯微鏡下觀察黏土，你會(huì)發(fā)現(xiàn)它由微小的晶體組成。在每個(gè)晶體中，原子以某種結(jié)構(gòu)排列，并以緊密壓縮的規(guī)則形式不斷重復(fù)。只要條件合適，比如放在含有相同化學(xué)成分的水體中，晶體都會(huì)生長(zhǎng)。晶體還會(huì)分裂，一個(gè)“母”晶體會(huì)產(chǎn)生“子”晶體。
晶體甚至還擁有自己的特質(zhì)，并會(huì)將這些特質(zhì)傳給子晶體——很像生物將性狀遺傳給后代。有時(shí)候，當(dāng)晶體分裂的時(shí)候，也會(huì)引入新的特質(zhì)，比如由斷裂壓力導(dǎo)致的新形態(tài)。這一點(diǎn)與生物的遺傳突變很相似，生物的新性狀正是來(lái)源于突變。換句話說(shuō)，凱恩斯-史密斯推理得出，晶體的基本特征意味著它們是生命演化開始前的最初形態(tài)。
當(dāng)晶體將某些特質(zhì)傳遞給子晶體時(shí)，這些特質(zhì)可能幫助也可能妨礙新晶體的產(chǎn)生。例如，子晶體可能最終會(huì)變得更容易分裂成兩塊晶體。如果晶體的特征影響了它分裂的能力，那就相當(dāng)于這塊晶體擁有了某種演化優(yōu)勢(shì)。
在某種程度上，晶體的物理裂縫（或者稱其為特質(zhì)）可以被視為遺傳信息。因此，凱恩斯-史密斯認(rèn)為，晶體礦物可以被視為受制于一種簡(jiǎn)化的自然選擇演化形式。這一理論現(xiàn)在被稱為“晶體等同基因假說(shuō)”（crystals-as-genes hypothesis）。
凱恩斯-史密斯提出，在后來(lái)的階段，DNA等生物分子開始與晶體結(jié)合。這促進(jìn)了復(fù)制過(guò)程。最終，一種“遺傳取代”發(fā)生了：生物分子發(fā)展出了自我復(fù)制的能力，并離開了晶體。凱恩斯-史密斯將這些推理發(fā)表在半個(gè)世紀(jì)前（1966年）的一篇論文中。
他的理論很優(yōu)雅，但存在一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題：幾乎無(wú)法找到檢驗(yàn)的方法。50年來(lái)，只有屈指可數(shù)的幾個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)凱恩斯-史密斯的假說(shuō)進(jìn)行了探索。
▲早期地球具有非常獨(dú)特的環(huán)境條件
▲細(xì)菌是最簡(jiǎn)單的生命形式之一
▲格雷厄姆·凱恩斯-史密斯及其妻子多蘿西
德國(guó)慕尼黑大學(xué)的迪特爾·布朗（Dieter Braun）表示，問(wèn)題的棘手之處在于沒(méi)有任何實(shí)驗(yàn)技術(shù)能夠在如此微小的尺度上，對(duì)凱恩斯-史密斯提出的過(guò)程進(jìn)行檢驗(yàn)。研究者必須在水中對(duì)納米尺度的晶體進(jìn)行小心翼翼的觀察，獲得它們?cè)跀?shù)天時(shí)間里的變化情況。“這在技術(shù)上非常困難，”布朗說(shuō)道。
布朗稱，我們可能需要某種類似基因測(cè)序的技術(shù)，像“讀取”DNA編碼一樣對(duì)晶體進(jìn)行研究。“我們花了40年才終于能快速地對(duì)DNA進(jìn)行測(cè)序，”他說(shuō)道。此外，遺傳學(xué)家擁有強(qiáng)烈的動(dòng)機(jī)去完善DAN測(cè)序，因?yàn)檫@意味著新的醫(yī)療方法。研究黏土晶體則可能會(huì)同樣困難，同樣昂貴，但不會(huì)帶來(lái)實(shí)際的好處。
即使如此，至少凱恩斯-史密斯的假說(shuō)有一部分還是得到了驗(yàn)證。20世紀(jì)80年代中期，美國(guó)紐約大學(xué)的結(jié)晶學(xué)家巴特·卡爾（Bart Kahr）在一家商店中無(wú)意間翻到凱恩斯-史密斯的著作，才第一次了解到他的假說(shuō)?！拔覑?ài)上了那本書，因?yàn)樗c通常的科學(xué)著作太不一樣了，”卡爾說(shuō)，“它里面獨(dú)特的新觀點(diǎn)多得令人難以置信，而且?guī)缀跏且砸环N文學(xué)式的筆法寫成的?！?/p>
卡爾第二次看到這一假說(shuō)是在21世紀(jì)頭十年的中期，當(dāng)時(shí)該假說(shuō)受到強(qiáng)烈的批評(píng)?！拔腋械胶艹泽@，25年之后，人們還是會(huì)談?wù)摗w等同基因理論’，只是為了將其駁倒，稱不存在任何能夠證明該理論的證據(jù)，”卡爾說(shuō)，“這就像一個(gè)一直不倒的稻草人，每個(gè)人都覺(jué)得自己必須知道，但只是為了輕蔑地表示反對(duì)，因?yàn)樗鼜奈幢粰z驗(yàn)過(guò)。”
卡爾決定在自己的實(shí)驗(yàn)室里檢驗(yàn)這一假說(shuō)。他希望追蹤母晶體如何將特質(zhì)傳遞給子晶體的過(guò)程，以確定黏土晶體中是否存在遺傳現(xiàn)象。他決定將重點(diǎn)放在一種被稱為“螺紋位錯(cuò)”（screw dislocations）的晶體特征上。在晶體內(nèi)原本規(guī)則排列的晶面，有一部分被輕微地?cái)D出，形成一條垂直晶面的位錯(cuò)線。位錯(cuò)是在晶體生長(zhǎng)的過(guò)程中出現(xiàn)的，而晶體內(nèi)部的位錯(cuò)會(huì)呈現(xiàn)出獨(dú)特的模式。
凱恩斯-史密斯將這種不規(guī)則比作老式計(jì)算機(jī)的打孔卡片。他提出，這些位錯(cuò)可以像卡片上的孔洞一樣保存信息?？栂Ｍ麢z驗(yàn)的是，這種位錯(cuò)模式能否被子晶體繼承，以及當(dāng)子晶體斷裂時(shí)會(huì)產(chǎn)生多少“突變”——新的位錯(cuò)。
▲一塊黏土
為了避免布朗所預(yù)見的實(shí)驗(yàn)困難，卡爾采用的是鄰苯二甲酸氫鉀晶體。該晶體比黏土晶體更容易操作得多，“黏土基本上都是很糟糕的晶體，”卡爾說(shuō)道?？柤捌鋱F(tuán)隊(duì)開發(fā)出了一種繪制母晶體和子晶體內(nèi)部位錯(cuò)的技術(shù)。他們發(fā)現(xiàn)，從母晶體到子晶體的位錯(cuò)模式可以很清楚地繪制出來(lái)。他們的結(jié)果于2007年發(fā)表。
然而，他們驚訝地發(fā)現(xiàn)，子晶體在斷裂之后出現(xiàn)了眾多的額外缺陷。子晶體內(nèi)部充滿了這些所謂的“突變”，并且新的位錯(cuò)至少和繼承而來(lái)的位錯(cuò)一樣多。這一結(jié)果給凱恩斯-史密斯的理論出了個(gè)難題。如果晶體是逐漸演化的，那就要求遺傳多于突變，這樣母晶體才能對(duì)子晶體的位錯(cuò)模式施加更強(qiáng)的影響。
“要使這一假說(shuō)變得有說(shuō)服力，你就無(wú)法在一個(gè)世代內(nèi)從青蛙直接變成猴子，”卡爾說(shuō)道。較少的“突變”會(huì)更像“我們現(xiàn)在所知的生命”。不過(guò)，卡爾并不是唯一對(duì)凱恩斯-史密斯的假說(shuō)進(jìn)行探索的人。
麗貝卡·舒爾曼是美國(guó)約翰霍普金斯大學(xué)的一位生物工程師，她同樣受到“晶體等同基因假說(shuō)”的啟發(fā)。在過(guò)去十年中發(fā)表的一系列研究中，她設(shè)計(jì)了一個(gè)將信息編碼于晶體結(jié)構(gòu)中的系統(tǒng)。她并沒(méi)有使用自然出現(xiàn)的礦物晶體，而是使用納米尺度的DNA“瓦片”結(jié)構(gòu)。
▲黏土中的晶體
這種DNA攜帶信息的方式與我們細(xì)胞內(nèi)的DNA不同。相反，舒爾曼像使用魔術(shù)貼一樣，將“瓦片”連接在一個(gè)晶體結(jié)構(gòu)中?！巴咂钡捻樞蚓桶畔??！叭绻覀兛梢曰诜浅：?jiǎn)單的、已知晶體必須遵循的物理規(guī)律，建造出某種晶體，那就可以想象出可行的，在相對(duì)簡(jiǎn)單的環(huán)境中可能出現(xiàn)的演化過(guò)程，”舒爾曼說(shuō)道。
舒爾曼通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬和后續(xù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，DNA“瓦片”能以特殊的形式堆疊起來(lái)，在晶體結(jié)構(gòu)中有效地加密信息。她已經(jīng)找到了一種在晶體形式下呈現(xiàn)和復(fù)制信息的方法。她的發(fā)現(xiàn)在理論上對(duì)生命起源的研究非常有用。“在很大程度上，生命起源研究的部分目標(biāo)其實(shí)是在問(wèn)如何在化學(xué)上設(shè)計(jì)出一個(gè)信息能夠被復(fù)制的系統(tǒng)，”舒爾曼說(shuō)道。
然而，舒爾曼的研究并沒(méi)有證明凱恩斯-史密斯的理論是正確的。首先，她的實(shí)驗(yàn)并沒(méi)有使用黏土。更重要的是，實(shí)驗(yàn)室中行得通的過(guò)程并不一定就是地球生命出現(xiàn)時(shí)的情形。對(duì)于“晶體等同基因假說(shuō)”，需要有更加嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)了。凱恩斯-史密斯自己嘗試了許多年，但進(jìn)展寥寥。“他無(wú)法再獲得資助了，”多蘿西說(shuō)道。擺在申請(qǐng)研究資助之前的一大阻礙是，他的工作涉及到太多不同的學(xué)科了。
▲黏土的組成有許多形式
“有一次我們?nèi)ゼ永Ｄ醽?，格拉厄姆在門洛帕克地質(zhì)調(diào)查局做了演講，”多蘿西說(shuō)，“他們說(shuō)，好，你的地質(zhì)學(xué)還可以，但我不認(rèn)為你的化學(xué)是對(duì)的。之后他到美國(guó)航空航天局做了一次化學(xué)方面的演講，他們說(shuō)，好，你的化學(xué)不錯(cuò)，但我們不是很確信你的生物學(xué)。再后來(lái)，他到加州大學(xué)伯克利分校演講，他們說(shuō)，好，你的生物學(xué)可以，但我不確定你的地質(zhì)學(xué)怎么樣?！?/p>
凱恩斯-史密斯在科學(xué)記者和大眾媒體中找到了更加熱心的聽眾。一些科學(xué)家也表現(xiàn)出了興趣：演化生物學(xué)家兼科學(xué)作家理查德·道金斯在1986年出版的《盲眼鐘表匠》（The Blind Watchmaker）中就討論了“晶體等同基因假說(shuō)”。
最終，在出版商的鼓勵(lì)下，凱恩斯-史密斯開始撰寫一本闡述自己理論的大眾科普書。這本名為《生命起源的七條線索》（Seven Clues to the Origin of Life）的書于1990年出版。該書的寫作風(fēng)格如同在描寫一樁神秘的謀殺案，雖然是有機(jī)化學(xué)的內(nèi)容，卻非?？廴诵南摇?/p>
凱恩斯-史密斯稱自己很享受為更多讀者寫作的過(guò)程，因?yàn)槟軐⒁粋€(gè)觀點(diǎn)更加簡(jiǎn)單、直觀地說(shuō)出來(lái)，令他感覺(jué)很滿足?！拔覍?duì)有些人感到極其失望，他們認(rèn)為那些更加復(fù)雜的理論更可能是真的，”他說(shuō)道。
但是，盡管做了許多努力，他的理論最終還是無(wú)法進(jìn)入科學(xué)主流?！拔腋械胶芾Щ螅瑸槭裁纯茖W(xué)中有些東西會(huì)變得很受歡迎，另一些則不受關(guān)注，”卡爾說(shuō)，“這里面并沒(méi)有公眾品味的原因?！辈贿^(guò)，即使凱恩斯-史密斯的驚人理論從未獲得成功，但它還是在兩個(gè)方向上影響著生命起源的研究，即使是在今天。
首先，這些理論引出了生命是由什么組成的問(wèn)題，并提供了一種無(wú)需常見分子——如DNA——而出現(xiàn)類似生命過(guò)程的方式。其次，凱恩斯-史密斯的多學(xué)科研究——結(jié)合了生物學(xué)、化學(xué)和地質(zhì)學(xué)——遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了當(dāng)時(shí)的年代。
“截至目前，生命起源的研究其實(shí)還是化學(xué)主導(dǎo)的，”布朗說(shuō)道。但是，過(guò)去二十年中，該領(lǐng)域已經(jīng)逐漸擴(kuò)展：除了嘗試制造關(guān)鍵的生命化學(xué)物質(zhì)，研究者還開始利用遺傳學(xué)研究最早的生命形態(tài)，并利用地質(zhì)學(xué)找出適合這些生命形成的條件。
“我推測(cè)這些理論在人們眼中可能會(huì)顯得有些怪異，但他確實(shí)為我們指引了正確的方向，”布朗說(shuō)，“現(xiàn)在人們意識(shí)到，生命并不是從一個(gè)玻璃瓶中的水里面產(chǎn)生的，而是環(huán)境中的化學(xué)條件和地質(zhì)學(xué)條件造就的。這就是他的遺產(chǎn)：在巖石中尋找更多的細(xì)節(jié)?！?/p>
凱恩斯-史密斯的理論可能永遠(yuǎn)也不會(huì)有堅(jiān)實(shí)的證據(jù)。“如果有一個(gè)大型科研集團(tuán)，有強(qiáng)大的技術(shù)實(shí)力來(lái)支持，那就有足夠的資源來(lái)切實(shí)地推動(dòng)實(shí)驗(yàn)，”布朗說(shuō)，“但這其實(shí)只是一個(gè)非常小的圈子，并且有點(diǎn)走得太遠(yuǎn)了?！?/p>
事實(shí)上，缺乏證據(jù)的假說(shuō)并不是凱恩斯-史密斯的真正遺產(chǎn)。他所設(shè)想的生命起源圖景有可能是完全錯(cuò)誤的。但是，從啟發(fā)人們以新的方式看待生命起源問(wèn)題的角度來(lái)說(shuō)，他的工作已經(jīng)超出了原本的意義。
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