生命起源于电解质液中分子自组装现象

摘 要 1996年，美国宾夕法尼亚州利哈伊大学生物化学系教授，迈克尔·贝赫出版了《达尔文未解之谜——进化论经不起生物化学的验证》一书。贝赫教授认为进化论能够解释物种较后期的进化发展，但进化论是不能够解释第一个细胞（生命）怎样产生的问题。目前，许多学者也认为“进化论可以很好解释从单细胞生命到现在物种多样是怎么来的，但进化论用于地球早期单细胞生命起源是很成问题的”。笔者也是进化论的追随者和崇拜者，自从2000年至今对“分子化学进化”的理论进行了大量研究，初步阐明地球上早期单细胞生命起源于一定条件下的“电解质溶液中的分子自组装现象”。分子自组装现象可以很好地解释和弥补达尔文进化论始终无法圆满解答的问题——“从无生命物质到有生命物质之间的鸿沟”。

关键词 进化论；单细胞；化学进化；电解质溶液；分子自组装

中图分类号O646 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2013）98-0148-02

1 分子自组装现象有望解答达尔文未解之谜

细胞是一切生命的基本构造单位。从无生命物质到有生命物质之间的鸿沟是达尔文进化论始终无法得到圆满解决的问题，也就是说，地球上第一个最简单的单细胞生命是如何产生的成为进化论的未解之题。因此，随着时间的推移，进化论得到越来越多的学者的怀疑。

1966年，在美国费城的威斯达学院召开的一次会议上，达尔文的进化论甚至受到了大多数进化生物学家和数学家们的否定。其实，我们不应该以现在的眼光去审视十九世纪中叶，伟大的科学先驱者达尔文创立的进化论，由于当时对于生命的基本单位细胞的认识比较模糊。1835年法国科学家迪雅尔丹（Dujardin）认为细胞内的物质是一种完全均匀的、有弹性、有收缩性、半透明的“肉浆”。

20世纪上半叶，科学家仍然认为，细胞是一个相当简单的原生质斑块。20世纪末科学家们通过电子显微镜把细胞放大50000倍，看到了细胞是由多种复杂的结构器件组成，每一个结构器件在细胞的运作中发挥不同的功能，细胞含有成千上万个设计精美错综复杂的分子构造，每一个分子构造器件都堪称得上是一座真正微型的化工厂或微型精巧的机器，世界上任何最复杂的化工厂或机器也绝对不能与之相提并论。细胞是令人难以置信地小，重量不到10 12分之一克，细胞是一个浓缩了的“小人国”作类比，还不足以揭示一个细胞难以想像的复杂性。

2 物质世界自组装的内在动力是万有引力和电磁场力

物质世界的一切体系，大到宇宙，银河星系，太阳系和地球；小到基本粒子、原子、分子、微生物、动物、植物、人类和人类社会，不论是生命体系还是非生命体系，都在从小到大，从低级到高级的发展过程中进行着一种自组装的共同特征。宇宙大爆炸将能量转化成了物质，产生了大量的基本粒子如质子、中子、电子和光子等，基本粒子之间自组装成基本化学元素如碳、氢、氮、氧、磷、硫等等，万有引力把这些基本化学元素自组装成天体，天体又被万有引力自组装成星系并维持着星系在宇宙中的有序运转和发展；原始地球上的化学元素通过强电磁场力（化学键）自组织成种类繁多的有机分子，这些有机分子在原始海洋或湖泊中不断聚集和浓缩成了原始有机汤，在电解质溶液中受到弱电磁场力（范德华力、氢键、静电、疏水基团等等）的作用，自组装成有机大分子，然后又自组装成超分子单元，超分子单元又自组装成单细胞生命并维持着生命的有序运转和发展。

3 生命起源于电解质溶液中的分子自组装现象

分子自组装现象在过去认为，这种分子自动组织成有序的现象似乎是生物世界的惯例，然而，现在却在非生命物质的化学体系中也常常被发现，如晶体的形成，这不能不使人们感到极大惊异和兴趣。

因此，分子自组装现象甚至可以认为是一种生命的前躯或者说是一种“前生物”的适应机制。所以，在生命起源过程中应该划分为化学进化、分子自组装进化和生物进化三个阶段才比较完整。

生命化学进化应该分为五个阶段 ：

1）有机小分子形成。这个过程最早被米勒等人于1953在实验室重现过；

2）生物大分子形成。即从氨基酸、核苷酸合成多肽、核酸等；

3）多分子体系形成。在原始海洋中，生物大分子相互结合形成一些能够显示生命现象的分子生命的多分子体系。这种多分子体系是原始生命的萌芽，在多分子体系内部，具有相对独立的物理、化学结构，可以使得多分子体系脱离外界环境的影响，避免遭受外界条件的破坏；多分子体系中蛋白质和核酸同时存在，蛋白质不具有复制性能，核酸不具有酶的催化作用，二者之间具有完整的调节系统；

4）分子在电解质溶液中自组装。早期的地球大气是还原性气体，在雷电和宇宙射线作用下，在若干亿年的时间里，原始海洋中积累了无法想象多的有机物质，其中包括蛋白质和核酸类物质。蛋白质和核酸类高分子有机物在电解质溶液中吸附了大量的阴离子或阳离子，在受到地球磁场、大气流动摩擦、宇宙射线及太阳风等产生的电磁场力的作用下，自组装成类似病毒样的RNA和DNA的蛋白质复合物即“前生物”，当时的原始海洋是一个“类病毒的世界”。同时，另外一类具有乳化作用的有机物磷脂类物质，在原始海洋中经过漫长的积累、浓缩、凝集而自组装成中间充满电解质溶液的双层脂质膜结构的“小球体”，无限多的这种双层脂质膜结构的“小球体”，漂浮于原始海洋中与海水之间自然形成了一层最原始的界膜与周围的原始海洋环境分隔开来。充满电解质溶液的双层脂质膜结构的“小球体” 漂浮到海面上或大河的入海口时，由于受到电解质溶液的浓度反复变化的影响，大量的双层脂质膜结构的“小球体”无限次的反复膨胀和缩小，类似病毒样的RNA和DNA的蛋白质复合物被吸附镶嵌到双层脂质膜上或者被“吞噬”到“小球体”当中，这样，“类生命小球体”就产生了，但这时还不具备生命，因为它还没有真正的新陈代谢和繁殖等生命的基本特征。无限多的“类生命小球体” 漂浮于原始海洋表面或大河的入海口，受到电解质溶液的浓度反复变化和地球电磁场力的影响，“类生命小球体”中的RNA和DNA的蛋白质复合物不断地吸附或释放阴、阳离子，周围海洋环境中的一些物质在渗透压的作用下被选择性地透过双层脂质膜扩散到“类生命小球体”中，同时也有一些物质扩散到海洋环境中去，这样就具有了原始的物质交换作用而成为最原始细胞生命的萌芽，这是生命起源化学进化过程中的一个很重要的阶段；

5）“类生命小球体”超分子自组装成原始单细胞生命。此过程目前还没有被实验所证实，如果人类能模拟此过程，就意味着可以人工制造出生命。也许我们人类永远也无法用实验的方法来验证此过程，因为，没有足够大的实验容器装下无限多的“类生命小球体”，也没有足够长久（如也许要一千万年或更久）的实验时间。在生命体系中，超分子自组装的大分子的高级有序结构对其生物活性和功能起到了至关重要的作用，复杂的生物高分子在由众多弱电磁场力相互作用点的集成作用下，形成一致性分布的分子形状和尺寸，大分子三维构筑在这种弱相互作用力下能够保证精确控制，使得“从无生命物质到有生命物质”的过程的可能性大大增加，整个过程就是超分子的自组装。

在生物科学的应用中，分子自组装主要用于活性蛋白质、缩氨酸、磷脂脂质体膜、酶、RNA、DNA等的生物分子自组装。在生命体中组蛋白DNA自组装体系的最佳人工模拟途径，就是。DNA树枝状大分子自组装。通过自组装可以在电解质溶液中实现蛋白质、单细胞乃至多细胞生命的形成。微观分子运动有序本质的最直接体现就是分子自组装。是亿万分子从无序自发地“组织”起来协同一致的结果；是一种普遍存在于生命体系中的现象；是生命科学最本质的内容之一。

因此，展开分子自组装现象的研究对于揭开生命现象奥秘具有十分重要的意义，有助于人们从分子水平上认识自然界中生命的形成与演变的过程，为人们开展分子生物医学基础研究、分子机器的研制等提供新的思路。

参考文献

[1]赵丰，界面分子组装体结构和形貌的研究.苏州大学，2005（5）.

[2]肖敬平.生命起源的历程始于何处？——从化学进化到生物进化的探索.生命科学研究， 2004（4）.

[3]陈云峰.分子的选择性有序堆积与分级结构.华中师范大学，2007（5）.

[4]Hirschberg J H K K，Brunsveld L，Ramzi A， et al.Nature，2000，407：167.

[5]Bosman A W，Sijbesma R P，Meijer E W.Mater Today，2004（7）：34.

[6]Bergman S D，Wudl F.J Mater Chem，2008（18）：41.