第四章 个体化进
化进个体形成后将如何进一步进行化进?化进个体的两个基本部分是化学膜和膜内容物,因此化 进就包括膜化进和膜内容物化进,这两者是相互依存、相互促进的。被化学膜包围的内容物(亦可称 化学原生质)中的有机和无机分子就像现代细胞的原生质中各组分子那样可以朝夕相处、频繁接触, 在射线能等能源的作用下产生化学键断裂和重组,同时与环境进行物质交换而开始化进。膜内容物化 进的结果产生了一些新的分子,有些可溶入或"嵌入"膜中而改变了膜的性质,其中一些可能因此改善 了膜的半透性和坚牢度。此外,化学膜还可能从外环境中溶入有用物质而改善了性能。化学膜性质的 改善促进了化学原生质从外环境获得有用分子和排出无用物,就这样,在某些化进个体中产生了化学 膜化进和化学原生质化进之间的相互促进作用。此外,化进个体还可能通过与其它个体发生融合、重 组等方式来改变化学膜结构和化学原生质组成。 化进个体的生灭存亡完全是随机性的。问题是物竞天择、适者生存的规律仅适用于生物进化吗? 或者说要先有生物群体后有物竞天择、适者生存的进化规律。"物竞"是指同种或异种生物体之间的生 存竞争。化进个体还不能算是物体,更不是生物体,因为它们尚没有完全的整体自律运动规律,因此 化进个体之间应不存在"物竞",但是"天择"或"适者留存"的规律是存在的。这种适者留存的特点是: 1、那些较能抵御环境的机械、物理和化学等因素破坏的个体,而不是化进程度更好的个体较能留 存。 2、由于没有生殖作用,适者留存的仅是单一的个体。这也说明生命起源何以需要这样漫长的时间。 化进个体形成时对环境已有一定程度的不平衡,随着化进进展,化进个体将对环境愈来愈不平衡, 内部结构的特定度也愈来愈高,在熵流中逆溯的能力也开始形成或提高,这使如肽键、磷酸酯键等在水 溶液中难以形成的化学键得以形成。 化学原生质化进和膜化进所牵涉的化学反应看来不会全部系一般的化学反应,即根据现代一般化学 规律和合成经验所指出的那些化学反应。现代一般化学规律所描述的化学反应是统计的,对反应条件的 规定是经验的。它只指出反应的主要方向,特别是有机化学反应。化进个体中所发生的化学反应在数量 上很少,在时间上很长,反应时同时存在很多其它分子,各相同分子所处微环境可能不同,因此,不能 完全根据化学教科书上的叙述及在实验室中的合成实践经验去推测哪些化学反应能否发生并据此去推测 化学进化的历程。例如,在现代实验室中模拟原始海洋条件生成氨基酸的报道中也说不清这些氨基酸是 经过什么化学历程形成的。这是说,在化进个体中和在原始海洋中除了一般的化学反应外还可能发生一 些"异常"的化学反应,例如: 1)有些有机反应和反应产物根据现代有机合成理论和经验常被认为不会产生的却常可在某些反应的 副产物中存在,这是因为参加反应的同种粒子可能有不同的能态分布和反应活性之故。 2)原始海洋中某些固体表面对一些有机分子的吸附和催化作用降低了某些反应的活化能使某些不易 发生的反应得以实现。 3)在早期地球表面熵变剧烈的时空域中所产生的异常化学反应,例如在放电或高能射线经过的路程 中或海啸边缘等温度剧变区域中某些分子或其碎片被激活可能产生异常化学反应。 4)大分子的酶样催化反应(酶活性中心作用机制假说),即某些化进研究者称之为弱作用的催化作 用。化学分子从物理的眼光来看是一种微观电磁系统,分子中有一个或多个带正电粒子和多个电子按化学 键的特定空间关系结合和按量子力学的规律运动。化学分子这种微观多极电磁系统的结构和运动状态是受 外界电磁场影响的,但是单调的外加电磁场对化学分子和化学反应所产生的影响也是很单调的和不显著的, 这在过去已有很多报道。但是,当一个化学分子接近另一个化学分子到十分接近(或称碰撞)时它们彼此 受到的电磁影响就不是单调的而是有很大的空间特异性。如果这种相互电磁影响的空间特异性合适而且强 度足够则可能引起化学分子的一方或双方的结构被改变或破坏而产生重组,这就是化学反应。化学分子的 结构虽均为正负带电粒子组成,但其正负粒子的数目、组成、空间配置方式、电子云密度分布及能量状态 等因素各不相同。对于由在不同部位相互碰撞而产生的外来不均匀电磁场影响的反应均有其特异性。正是 这些因素决定了两个分子碰撞后能否反应及反应方式。这种由两个分子相互接触而产生的特异相互电磁影 响虽然开始时只在接触部位但最终将影响到整个分子。如果这种相互接触分子的一方是大分子而另一方是 小分子(或大分子)在接触后大分子一方因结构复杂或特殊可将这种影响缓冲消散,但另一方分子则由此 产生重组。这样,这种碰撞后本身不改变但引起另一方分子产生化学反应的大分子就是催化剂。或者说, 一种分子因与某种大分子的特定部位碰撞受到了特异的电磁影响,引起激发,降低了活化能而产生的化学 反应即催化反应。酶分子的活性中心就是这种大分子的特定部位。现代酶分子的结构和催化功能已进化的 相当完善,有很高的催化效率和催化特异性。这种相当完善的催化结构和功能的产生不会是全或无,或者 说是要么没有,有了就十分完善。所以看来,现代细胞中酶分子的形成应该有一个从低效率到高效率,从 低特异性到高特异性的过程。这个过程曾经历了亿万年的漫长岁月,这是化学进化的主要内容之一,其起 始形式可能就是某种大分子的酶样催化过程即弱作用过程。这是说,在化进个体中形成的某些可溶于水的 大分子(譬如氨基酸聚合物)因单键旋转、长链折叠致使某些侧链基团在空间接近,由于次级键的作用使 这些基团间的空间关系被固定下来形成一些由极性和非极性基团组成的特定空间配置结构。这些比较固定 的或者说只能在一定空间范围内运动的多基团特定空间配置结构中的某一些作为上述酶分子活性中心的类 似物可能有某种微弱的催化作用,即大分子酶样催化作用或弱作用。或者说弱作用就是现代酶促反应的前 身,现已知在水溶液液中蛋白水解酶在不定条件下可以转合成肽链,因此在水溶液中的酶样催化反应也可 合成肽键。上述这种分子内多基团的空间特异配置结构就是现代酶活性中心的雏型。问题是这种有用的结 构和功能是如何在可遗传的机制中被保留下来并不断进化。弱作用促进了化进个体中化学原生质和化学膜 的化进,结果导致生命前体中酶或类酶分子的形成。现代基些蛋白水介酶在一定条件下可以逆转合成肽键, 因此弱作用或类酶分子可能也有类似作用。 化学进化和生物进化应该是一种既发展又继承的过程。现代生命这种蛋白质核酸体系的形成从分子结 构来说应该有一个从简单到复杂,从低级到高级的发展过程,即初始生命体的结构曾经有过原始的、过渡 的或低级的但仍可运作的形式。现代生命即使是最简单的单细胞生物,其中蛋白质生物合成体系、核酸遗 传物质体系及生物膜功能等都已进化的十分高级和复杂,但生命应该曾经以远比此更低级更原始的形式存 在过(不是指现代生命的低级种属),只是因为物竞天择、适者生存的进化原因而消亡(这些原始或低级 的生命形式不会形成化石留存下来供我们研究),这使现代人们无法去寻觅过去生命结构原始形式的遗迹。 这不仅对早期的生物进化是如此,对于化学进化从初始的化进个体到最后形成生命前体,其结构与功能亦 曾有过许多低级的或中间的状态。这就是进化的发展观点。在另一方面,发展应该是有继承的,现代生命 的结构与功能多是从早期结构的基础上发展而来。后者不可能将前者的基本结构和运动规律摒弃殆尽。譬 如说,作为蛋白质存在形式的现代生命是以氨基酸作为原始结构单体的,如果说,在化进早期不是以氨基 酸而是以其它什么东西作单体的,只是到了后来才改为以氨基酸为单体。这将像一个国家、一个民族在文 化和科技有了高度发展后就摒弃了过去的一切文化遗产以致连原来的文字也不用了,这是难以想像的。所 以我们应该相信,氨基酸在当时原始海洋中是能化学地形成的,尽管其品种,其侧链基团在进化中会有些 变化,但在整个化进过程中应该始终是以氨基酸及其聚合物作为化进的单体和起点。问题是氨基酸聚合物 如何化进成初始的蛋白质?对此,可能化进的主要过程之一就是在化进个体中的氨基酸聚合物经过各种程 度不同的大分子酶样催化作用、逐步形成类蛋白或蛋白质的过程。 在化进主流中我们应该注意到磷酸有机物的作用。如果将从氨基酸聚合物到蛋白质作为化进主流,首 先的难题在于起始时如何在水溶液中形成肽键,以及激活能量来源。在现代有机化学实验中,在两个氨基 酸之间形成肽键的方法有酰卤法、叠氮法、活化酯法、DCCI法及混合酸酐法等。这些方法的相似点是: 1) 大都在非水溶液中进行。 2) 大都是先使羧酸基活化起来。 可能在水溶液中进行并先使羧基活化起来的方法是活化酯法和混合酸酐法。在现代生物体的蛋白质生 物合成机制中大自然采用的亦正是混合酸酐法和活化酯法(即磷酸的混合酸酐和磷酸酯法)。由此可见, 在现代蛋白质生物合成机制中我们看到了磷酸有机物的重要作用。特别是在肽键形成时,在提供能量、活 化羧基和引导合成方向上的作用。可能在整个化进过程直至生物进化开始,一直是由磷酸有机物在促进肽 键形成,只是磷酸有机物的结构因化进而有变化。在这里让我们想像一下,肽键能否在某种较简单的含高 能磷酸键的有机物的作用和在某种氨基酸聚合物的酶样催化下可以较低的效率和特异性而形成?这些较简 单的氨基酸聚合物和磷酸有机物在整个化进道路上甚至在化进后期还可能存在,直至后来才被精密的蛋白 质生物合成体系所取代。此外,在现代生命体系中的糖类、脂肪等能量物质的代谢中,在遗传物质本身的 结构及运作过程中,在很多酶反应中,在生物膜的各种功能中以及几乎是所有生命活动中我们都看到了磷 酸有机物及磷酸化反应的无所不在的作用。从有机磷农药对现代生物体的毒性以及对人畜和昆虫的不同毒 理作用也可体会到磷酸有机物对生命活动的介入程度,其生理毒性可能就是它们是现代生命体系中正常磷 酸有机物的结构类似撷抗物,这与有机砷的毒性作用(以砷酸撷抗磷酸)是类似的。 化学个体中磷酸有机物的各种可能作用都有一个化学能来源问题,或者说都要先形成一些所谓带有高 能磷酸键的磷酸有机物,才能使各种磷酸化反应得以进行。在现代生物体中,高能磷酸键首先来自光合磷 酸化以及次生的糖类、脂类等能量物质的降介。在化进中初始的带有高能磷酸键的有机物可能来自: 1)、磷元素的各种低氧化价的磷化合物与有机物的作用。宇宙演化及尸体腐烂等均可产生磷元素以后 氧化成酸。磷的含氧酸中磷原子的外观氧化价变化多端,有次磷酸、偏亚磷酸、焦亚磷酸、亚磷酸、连二 磷酸、三聚磷酸、焦磷酸、正磷酸以及它们的各种聚合体等。宇宙中产生的磷元素及其低氧化价的磷氧化 物在与某些有机物作用中可能形成带有高能磷酸键的磷酸有机物。 2)、某些一般磷酸有机物分子,当有机部分结构改变时分子内能量重新分配可使其中一般磷酸酯键转 变成高能磷酸键,在现代生物体中的磷酸有机物代谢中也有此现象。如:
3)、原始海洋中熵变激烈的时空域如在高能射线经过的路程一、放电作用及火山海啸边缘等温度剧变区 域有可能直接形成高能分子或以后转化成带高能磷酸键的有机物。 在化进过程中化进个体最后终将获得以降介有机分子或吸收光能的方法得到高能磷酸有机物的能力, 以此推动各种化进反应。 在现代生物体中存在的一些相互依存、相互促进的体系在化进个体中可能已有原始的雏型。如化学膜 与化学原生质即为现代生物膜与原生质的雏型,而化进个体中的氨基酸聚合物的酶样催化功能与磷酸有机 物化进两者之间从一开始就有着相互依存、相互促进的作用,它们可能就是现代蛋白质、核酸体系的雏型。 也许上述各种化进反应过去和现在一直存在,只是因为其低效率和产生很少的反应物而没有被人们所 察觉,再说这些东西对现代生命来说仍是营养物质,这就难免被无所不在的现代微生物所吞噬降介。但是 在漫长的化进岁月中特别是当在一些化进个体中发生了这些反应,其后果就是有意义的,这将导致生命前 体的产生。 生物进化的过程是生物个体中优良性质或功能的产生、选择和保留过程。生物个体新性质的产生被认 为系由于遗传物质偶然的突变及环境或生物体其它成分对遗传物质的影响所致。新性质的选择和保留在生 物进化中是不成问题的,可在物竞天择、适者生存的环境中将得到考验和取舍,生物个体产生新性质的原 因既然是遗传物质的变异就当然是可以遗传保留的,生物体还可以通过生殖形成种群以扩大对优良性质的 保留机率。但是在化学进化中亦必须存在对新的结构和功能的产生、选择和保留的过程。对化进个体中的 某些因偶然的化学原因产生的新的性质,化学个体间虽然没有物竞但有天择或适者留存。但这种偶然的化 学变化既不是遗传物质的变异亦不能像生物体那样可以通过生殖形成种群以增加先进性质的保留机率。进 化本来就是新产生的优良性质的积累和叠加过程,在化进中如果新的优良性质能够产生、选择,但不能保 留随生随灭,何来化学进化?化进个体如果必须进步到一定程度后才能产生保留优良性质的结构或机制, 但保优的结构或机制必须先具有才能化进。对这个矛盾可能有两种解释: 1)、化进不需要先具有保存和积累先进性质的结构或机制,化进虽是集体行为但仅由个体完成。具有 同样或类似的较先进性质的化进个体能集体产生,它们虽只占少数但数量不少并不断产生,不会全部被自 然力量灭绝。它们之中的一部分仍可在较先进的基础上再进一步化进直至形成某种有保优作用的结构或机 制。这样进化的速度无疑会很慢,但这正说明初始生命的产生需要漫长的岁月。 2)、在现代蛋白质、核酸体系的生命形式中遗传信息的蕴藏、复制、转录和翻译的机制太复杂、太精 密了,甚至其雏形也难以想像会在初期的化进个体中出现。但是,如果我们设想,保优的结构或机制正如 生命形式本身一样不会是要么没有,一有了就同现代生命那样精密有效,而是有低级或中间状态。所以在 化进初期就有一种易于形成的、简陋的,但有一定效率的保优机制在起作用。只是随着化进水平的提高新 的更有效的保优机制或遗传物质的形成才逐步取代了旧的。以比较生物化学的方法对现代尚留存的不同进 化层次种属生物体内代谢的研究可以体会到这种生化代谢机制的新旧交替。 有人修正了恩格斯对生命的定义,认为生命应该是蛋白质和核酸的存在形式,但这只能是现代生命的 定义。初始的生命体中可能既没有现代蛋白质及其生物合成方式更没有现代核酸体系,这两者都是后来的 生物进化的产物。初始生命体中可能同时存在有蛋白质和核酸的雏形物质即某种相互依存的多聚氨基酸及 有机磷化合物系统及它们之间的低水平的协调作用,这样也可以使初始生命体运转。设想当时这种系统中 会是哪些有机磷化合物以及如何与多聚氨基酸协调作用及如何整体运转,这也许会有助于思维和讨论生命 起源,但这只能由将来的重演生命起源实验过程来证实。 |