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生命科學

生命從何開始?

2018-07-01 索斯達克 ( Jack W. Szostak )
要解開生命起源之謎,有賴最微小尺度的實驗和對浩瀚宇宙的洞察。


地球生命的存在,究竟是因為幸運,還是依循自然規則的必然結果?在新形成的星球上出現生命,到底是簡單的事,還是一連串不太可能發生的事件所導致的一個幾乎不可能發生的結果?拜天文學、行星科學及化學等各別領域的研究進展所賜,這些深刻的問題現在可望獲得解答。假如能一如科學家所期盼的那樣,在銀河系發現生命一再出現的跡象,這代表通往生命的道路並不那麼艱難。此外,如果事實證明從化學跨越到生物學的途徑並不複雜,那麼宇宙可能充滿生命。


科學家發現了成千上萬的系外行星,帶動生命起源研究的復興。令人驚訝的是,幾乎所有新發現的「太陽系」都與我們所在的太陽系迥然不同。這是否意味我們的太陽系非常奇特,因此有利於生命的崛起?在繞行某遙遠恆星的一顆行星上檢測生命跡象並不容易,但用來篩選細微「生物印記」(biosignature)的技術正迅速發展,也許在一、二十年內我們將有幸看見遠方的生命。


要了解生命的可能起源,首先我們必須弄清楚行星如何形成且成份為何。新一代電波望遠鏡,尤其是設置在智利亞他加馬沙漠、備受矚目的「亞他加馬大型毫米/次毫米波陣列」,提供了許多種美麗的原行星盤(protoplanetary disk)圖像及其化學成份分佈圖。這些資訊有助科學家建立更好的模型,以模擬行星如何從原行星盤的灰塵和氣體組合而成。羅塞塔號(Rosetta)已探測了太陽系內的一顆彗星,而太空船OSIRIS-Rex也將探訪一顆小行星,甚至嘗試帶回樣本,可望提供有關行星組成的基本物質列表。


如同地球這般不太熱也不太冷、不太乾也不太濕的行星一旦形成,之後還需要經過什麼樣的化學過程才能產生構成生命的要素呢?在1950年代,劃時代的米勒-游理實驗(Miller-Urey experiment)以電脈衝電擊(模擬閃電的作用)水與一些簡單化學物質組成的混合物,證明了要製造構成蛋白質的基本分子胺基酸相當容易。然而,要合成其他分子較為困難,顯然我們必須重新澈底思考從化學到生命誕生的途徑。其中關鍵在於RNA的多重功能,RNA是一種非常長的分子,在所有既存生命體內都扮演重要角色。RNA不僅具有酵素的作用,還能儲存及傳遞訊息。特別的是,所有生物體內的所有蛋白質都是藉由核糖體RNA的催化而生成;核糖體是讀取遺傳訊息並製造蛋白質分子的胞器。這項觀察顯示,RNA在生命演化的早期階段居於主導地位。


目前,關於初生的地球如何形成RNA、進而發展出以RNA為基礎的細胞,這個化學過程已成為生命起源研究的核心問題。一些科學家認為,最初的生命使用的是更簡單的分子,後來才演化出RNA。然而,也有研究人員著眼於生命直接起源自RNA的可能性,令人興奮的新想法正在顛覆這個原本靜如一灘死水的化學研究領域。有利於生命形成的地球化學環境,包括火山活動區域或隕石撞擊坑洞,這些地方具有複雜的有機化學特性、多重能量來源,以及劇烈的光-暗、冷-熱和乾-濕循環變化。值得注意的是,在形成RNA的過程中會產生許多化學中間產物,這些物質是從各種反應物中結晶而出、純化,並在早期地球上以有機礦物質的型式不斷蓄積、蟄伏,直到環境條件改變之際才形成生命。


即使關鍵問題已經解決,我們仍需了解在第一個原始細胞內RNA是如何開始複製的。研究人員才剛找出能使RNA自我複製的一些化學能來源,但還有許多研究尚未進行。如果這些障礙也能克服,我們將有機會在實驗室中模擬以RNA為基礎的細胞其自我複製、演變的過程,重現生命起源的可能途徑。


下一步是什麼?化學家已經開始尋思,像我們這樣的生命是否只能透過單一可行的途徑誕生,又或者,從簡單的化學分子到以RNA為基礎的生命,這個過程可能牽涉多重途徑,進而造就了現代生物學?還有其他科學家正在探索生命具有的不同化學本質,在浩瀚宇宙中尋找多樣性生命可能存在的線索。如果一切順利,我們終將了解從化學到生物學的轉換過程有多麼偉大,並藉此得知宇宙是否充滿了生命,抑或除了我們之外──了無生機。


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