生命是如何在地球上誕生的?

生命是如何在地球上誕生的?(示意圖/達志影像shutterstock提供)

我們的能量從哪裡來?為什麼會有兩種性別?我們為何會成長、死亡?

這所有問題的解答,都是——粒線體。

這個微小的胞器曾經是自由生活的細菌,卻在二十億年前被吞噬進更大的細胞中,從此和宿主細胞共同生活在一起,形塑了生命的紋理。透過這個微小的東西,我們可以窺視生命完整的面貌,了解生命的本質。本書作者尼克.連恩是榮獲英國皇家學會科學圖書大獎的生化學家,在這本《能量、性、死亡》中,他以一個非常微觀的角度(十億個粒線體只有一粒沙那麼大),來回答生物學的重大問題——也就是我們的生、老、病、死。

就像尼克.連恩在本書結尾所說的:

……粒線體告訴了我們:在這個星球上,分子如何迸發出生命,細菌又為何會長久稱霸地球;第一個複雜細胞如何誕生,溫血動物為什麼會崛起;為什麼我們有性行為、有兩種性別、有孩子,還會戀愛。它還告訴我們,為什麼我們的時日有限,終究會老會死,而我們該怎麼做才能避免老化的苦難。

【精彩書摘】

生命是如何在地球上誕生的?這是今日科學最令人興奮的一個領域─就像西部大荒野,充滿各式概念、理論、推測,甚至是數據,有待我們探索。這個領域的範圍太過龐大,在此無法就細節一一著手,所以我會將討論範圍限制在幾個和化學滲透性的重要性有關的觀察上。但為了幫助大家了解,且讓我先快速地說明一下這個問題。

生物的演化有很大一部分要仰賴天擇的力量─因而也要仰賴特質的遺傳,天擇才得以篩選。今日我們的遺傳基因是由DNA構成;但DNA是一種複雜的分子,不可能憑空出現。更何況,DNA在化學面上是沉睡的,沒有活力,這點我們在前言部分就曾提過。請回想一下,DNA除了編寫蛋白質的密碼之外,什麼也沒做,就連這件任務也要靠一種比較活潑的中介物質RNA才能完成,各種形式的RNA會將DNA的密碼轉錄成蛋白質的胺基酸序列。大體上,蛋白質是實現生命的活性成分,它們有各色各樣的結構和功能,可以滿足生物體的多種需求─別以為這很簡單,即使是最簡單的生命形式,也有五花八門的需求。個別的蛋白質逐漸被天擇打磨成為可以滿足特定任務該有的樣子。而首要的任務,就是複製DNA,並用DNA當模板製造RNA,因為沒有遺傳的話天擇就無從進行;而蛋白質雖然有種種光榮事蹟,其中卻不包括遺傳,它們結構上的重複性不夠,無法成為優質的遺傳密碼。因此遺傳密碼的起源成了一個雞生蛋還是蛋生雞的問題:蛋白質演化要靠DNA,但DNA又需要蛋白質才會出現。這一切究竟是怎麼開始的呢?今天這個領域的人大都接受一個答案:居中牽線的RNA曾經扮演過中心的角色。RNA分子比DNA來得簡單,化學家甚至可以在試管裡把它拼湊出來,我們因此能夠相信,它或許曾在地球上或是在宇宙中自發性地形成。科學家曾在彗星上發現過許多有機分子,包括RNA的一些組成零件。

RNA能以類似DNA的方式自行複製,因此成為一個可以被天擇篩選的複製性單位。它也可以直接拿來表現蛋白質(今天它的作用之一正是如此),因此它在模板和功能性間架上了一座橋樑。RNA跟DNA不一樣,不是沉睡的化學分子─它會折疊成複雜的形狀,並能催化某些化學反應,就像酶一樣(RNA構成的催化劑叫做核酶)。因此,鑽研生命起源的學者點出了一個初始的「RNA世界」。在這裡,獨力自行複製的RNA分子受到天擇的篩選,慢慢累積複雜性,直到更強大,更有效率的組合(DNA和蛋白質)取代了它們。如果這趟短暫的巡禮勾起了你的興趣,使你胃口大開,我向你推薦杜維的《演化中的生命》,那會是絕佳的入門作品。

即便這個理論如此優雅,「RNA世界」仍有兩個嚴重的問題。第一,核酶的催化功能並不是很多,而且催化的效率也很陽春,它們有能力實現這複雜的世界嗎?這裡有個大大的問號。對我來說,與其拿它們來當原始催化劑,不如用礦物質還比較稱職。今天許多酶的中心位置都看得見金屬和礦物質的蹤跡,包括鐵、硫、錳、銅、鎂,和鋅。在這全部的案例中,催化酶反應的都是礦物質(專業術語叫輔基),而不是蛋白質。蛋白質能幫助提升效率,但無法導致反應發生。

更重要的是第二點,一個關於能量和熱力學的計算問題。複製RNA也是「功」的一種,因此需要能量的輸入。而RNA並不穩定,很容易被分解,因此經常會有能量的需求。這些能量是從哪來的呢?據天體生物學家所言,早期的地球上有豐富的能量來源,隕石撞擊、電暴、火山噴發的高熱,或是水面下的海底熱泉,以上只是一小部分。不過,很少有人討論這些種類各異的能量要怎麼轉換成生命可以利用的形式─這些能量都無法被直接利用,到今天依舊如此。最合理的說法或許是過去數十年間曾一度流行的「原生湯」。各種形式的能量煮出了一鍋「原生湯」,再透過發酵作用轉換成生命可利用的形式。

(本文摘自《能量、性、死亡》/貓頭鷹出版)

【作者簡介】

尼克.連恩Nick Lane

演化生化學家,也是英國倫敦大學學院的榮譽教授。他的研究主題為演化生化學及生物能量學,聚焦於生命的起源與複雜細胞的演化。除此之外,他也是倫敦大學學院粒線體研究學會的創始成員,並領導生命起源的研究計畫。連恩出版過三本叫好又叫座的科普書,至今已被翻譯為二十國語言,包含《生命的躍升》、《生命之源》以及本書《能量、性、死亡》。二○一○年,他以《生命的躍升》獲得科普書最高榮譽——英國皇家學會科學圖書大獎;本書則入圍上述大獎的決選名單,以及《泰晤士高等教育報》年度年輕科學作家的候選名單,同時也被《經濟學人》提名為年度好書。連恩博士現居倫敦,關於更多他的資訊,請造訪他的個人網站:www.nick-lane.net

【譯者簡介】

林彥綸

台大植物系倒數第二屆畢業生。現居美國水牛城攻讀生物學博士,將英文譯成中文時會覺得離家鄉比較近。

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