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由小分子起始的生命世界

諾貝爾獎得主杜維（Christian de Duve）曾呼籲科學家駁斥機率小到可以稱為奇蹟、其現象落在科學研究範圍之外的觀念。我們在探討生命起源時必須排除DNA、RNA、蛋白質和其他精緻複雜的大型分子。無生命世界提供了我們各種小分子組合，值得一探究竟。

幸運的是，多年來我們已有一些關於這些小分子的理論。這些理論運用的是熱力學的生命概念，而不是遺傳觀念。薩根在《大英百科全書》整理出了以下的概要：「一個經由能量驅動、可增加其秩序（熵降低）的局部循環反應，應可視為生命。」這種小分子的概念源於俄羅斯生化學家歐帕林（Alexander Oparin），這類生命起源的學說在細節上有一些差異，在此我列出了五項必要條件（以及我個人的一些想法）。

1.在生命和無生命之間必須有分隔。高度組織化是生命的特點，然而根據熱力學第二定律，宇宙會朝亂度（熵）增加的方向發展。不過這個定律有一個漏洞，它允許一個有限區域內的熵降低，只要這區域外的熵增加得更多。就像細胞生長和繁殖時，會將化學能或輻射能轉化為熱，釋放出的熱增加了環境中的熵，以彌補生命系統內熵降低。生命系統必須維持這道分界，劃分出有生命的區間和無生命的環境。

現代的細胞有脂質構成的複雜雙層膜，區隔了生命體和外在環境。當生命剛開始時，有些自然環境可能提供了相同的功能。美國加州大學聖塔克魯斯分校教授狄默（David W. Deamer）的發現，支持了這個觀點：狄默在隕石中觀察到了膜的構造。還有人提出了一些今日生物並未利用但是可做為分界的物質，像是硫化鐵膜、岩石表面（岩石的靜電可分隔特定分子和周遭的環境）、小池塘以及懸浮微沫。

2.形成秩序的過程中需要能量供應。人類會攝取碳水化合物和脂肪，將這些分子與我們吸入的氧氣結合，以維持生命。微生物則有更多方法來利用環境中的礦物質或氧氣為食物。不管是人類或微生物，這種將食物轉化為生命的過程都牽涉了氧化還原反應：將富含電子（還原態）的物質的電子，轉移給缺乏電子（氧化態）的物質。植物可直接將太陽能轉變為生命可用的能量型態，而特殊環境中的細胞則能利用其他能量形式，像是膜兩側酸性的差異。在宇宙其他角落的生物，或許還能利用輻射和劇烈的溫度變化。

3.釋放的能量必須要透過某個機制，與製造和維持生命組織的過程連接起來。釋放的能量不見得會產生有用的結果，例如在汽車汽缸內燃燒的石油所釋出的化學能，並不一定會驅動汽車，除非能用這能量來帶動輪子，因此需要一些機械來連接兩者。我們身體的細胞每天不斷分解著一種叫做ATP的核酸，釋出的能量可用來驅動體內的生化反應，若沒有這些能量，那些效率極差或根本無法進行的反應就不會發生。如果兩者使用相同的中間物，彼此就可連接起來，酵素介入則更可使反應加速。這種小分子起源概念的假設之一，是結合了數個反應，加上原始的催化劑，就足以讓生命開始能夠存於自然。

4.它必須形成一個化學網絡，才能夠適應和演化。現在我們要進入問題的核心了。舉例來說，讓我們想像有一個能量為順差的礦物氧化還原反應，可讓某一區隔內的有機化合物A轉換為化合物B，我稱這關鍵轉化反應為驅動反應，因為它就像引擎一樣可帶動形成組織的過程；如果化合物B很容易又變回化合物A，或從分隔的區域內散出，那麼整個系統的組織程度就無法提高。相反的，假設B能轉換成C，C能轉換成D，最後D再轉換成A，那麼這個循環步驟就較可能繼續運轉下去，因為它能夠補充原料A，讓礦物的化學反應能夠持續提供有用的能量（參見43頁〈化學網絡的演化〉）。

反應過程可能會出現分支，例如分子C可能轉化為D和另一種不屬於ABCD週期的化合物E，由於反應循環是靠能量驅動的，因此有利E變回D的反應，讓物質重回週期，而增加驅動反應的能量釋出。

這樣的反應循環也可因應環境改變而調整。我小時候常驚訝地看著從消防栓滲漏出來的水，順著斜坡流入最近的下水道，當有落葉或物體擋住了水流時，水就會積起來，直到水流繞過物體找到另一條路徑。同樣的，如果環境中的酸性或其他條件改變，阻礙了B到A的反應路徑，這些化合物會累積起來，直到發現另一條路徑。這些改變讓原本的循環形成一個網絡，化合物這種嘗試錯誤的探索，可能會產生可催化循環內重要步驟的化合物，增加網絡使用能量的效率。

5.網絡必須成長和複製。為了生存和成長，網絡取得物質的速度必須快於它流失物質的速度。根據熱力學熵增加的定律，多少會發生網絡物質從隔離的區域滲漏到外面的情況；還有些副反應會產生氣體，氣體會散逸；或形成沉積物質，脫離溶解的狀態。如果這些物質流失的速度加起來超過網絡取得物質的速度，整個網絡最後就會消失，當外界能量來源耗盡時也會產生相同結果。我們可以想像，在地球早期一定有許多不同的反應循環網絡出現，利用不同的能量來源，最後會有一個特別堅韌的網絡，能站穩腳步，維持下去。

最後一定發展出來一個能複製的系統。如果我們的系統是位於脂質膜中，當它們成長到一定體積時，物理力量即會將它們分開來。美國普林斯頓高等研究院的戴森（Freeman Dyson）形容這樣的系統是「垃圾袋裡的世界」，不像RNA世界的景象整齊而美麗。一個在岩石中運作的隔離系統可能會流到鄰近區域。無論其複製機制為何，這種區隔出分離單元的過程，可保護系統不會因區域性的破壞事件而消失。獨立單元建立後，可以有不同的演化方式，並彼此競爭原料，於是這個從無生命物質中衍生出來、能利用能量的生命，可透過達爾文演化而適應環境的變化。

重建演化的化學網絡

上文描述的系統一般稱為「代謝為始」，意指不含有遺傳的機制。換句話說，這種系統沒有明顯的分子或結構用於儲存複製和傳給子代的資訊，然而系統內的這些小分子本身即可做為遺傳資訊，舉例來說，我太太給了我一張購物單，而我從超市買回的這些商品和這張購物單含有一樣的資訊。以色列雷荷弗特魏茲曼科學學院的藍塞特（Doron Lancet）稱這種儲存遺傳資訊的方式為「組成基因組」（compositional genome），遺傳訊息以小分子的形式儲存，而不是儲存在有如購物清單的DNA或RNA中。

這種小分子生命起源方式需要一些自然條件配合，像是分隔的區域、外在的能量來源、連結能量來源的驅動反應、包含驅動反應的化學網絡、簡單的繁殖機制。這些條件普遍存在於自然界中，比起形成一個複製子所需的多重又繁複步驟，可行性高多了。

這些年來出現了許多代謝為始的理論論文，但很少有人發表支持這理論的實驗研究，僅有的少數實驗論文，通常也是證實他們提出的反應循環中某些步驟的可行性。含有最多資訊的研究，可能來自德國慕尼黑技術大學瓦克特薛塞（Gter Wachtersh?ser）團隊。他們證實了在含硫金屬催化劑存在之下，胺基酸組合和分離的部份循環反應。帶動這化學變化的能量來源為一氧化碳氧化成二氧化碳所產生的化學能。研究人員尚未證明整個循環運轉或維續以及進一步演化的能力，小分子系統理論的有效性取決於一個能顯示這三項特徵的明確實驗。

目前首要的工作是找出做為驅動反應、能銜接外界豐富的能量來源（像是礦物質或一氧化碳的氧化作用）的小分子轉化作用（例如將化合物A轉變為化合物B）。一旦確定了可行的驅動反應後，科學家無須詳列系統內的其他反應，只需要將包括能量來源特定成份，以及一些在自然中會形成而且可能在早期地球上含量豐富的小分子，混合在一個適當的反應容器內。如果這些成份能衍生形成化學網絡的話，我們應可看到網絡內某些物質濃度增加，並會隨時間變化。我們在網絡內可能還會發現能加快關鍵反應的新催化劑，而那些無關物質的濃度則會降低。這個反應器可能還需要輸入裝置補充原料和能量，和輸出裝置以除去廢棄物和未參與網絡的化學物質。

這樣的實驗很容易就可看出是否失敗：能量可能未能促成任何化合物濃度明顯變化就消散，或是化合物變成油狀物而阻礙了系統的運轉。而成功的實驗則可證實這些初步反應正朝著形成生命的方向發展，我們不需要重現那些發生在早期地球的反應步驟，重要的是要驗證一般概括的原則，並用於進一步研究。生命的誕生可能有許多途徑，都受到區域環境的影響。了解這些終究會發展出生命的初始步驟，並不能指明今日以DNA-RNA-蛋白質為基礎的生命，是如何演化出來的。儘管如此，由於演化並無法預期未來的事件，因此可以假定核酸最先出現在代謝過程中，並且具有一些用途，可能是做為催化劑或是儲存化學能量（現在的ATP依然執行同樣的功能），後來的一些偶然事件或條件導致了核酸連接形成RNA。現今RNA最明顯的功能就是做為結構元件，協助胺基酸鍵結合成蛋白質。最早的RNA或許也有相同功能，但沒有偏好特定的胺基酸，是後來經歷了許多演化過程，才「發明」出現今生命的精密複製過程，以及合成蛋白質的機制。

如果小分子起源的理論能獲得證實，我們對宇宙中哪些地點可能有生命的存在的預測，也會有所不同。在RNA為始的情境下，生命起源的可能性極微，表示我們在這個宇宙中可能是唯一的，套用生物學家莫納德（Jacques Monod）的話：「宇宙並不富含生命，包含人類的生物圈也是絕無僅有這就和我們在蒙地卡羅賭局贏錢的機率一樣低。」

然而小分子理論卻與生物學家考夫曼（Stuart Kauffman）的觀點一致：「如果這個理論是真的，生命的可能性將比我們以為的大多了，這個宇宙不僅是我們的家，還居住了一些尚未謀面的同伴。」

【本文轉載自科學人2007年7月號】