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从“原始肉汤”里制造生命
2022-09-24

在实验室把遗传资源的基因一个一个地组合起来制成一个生物,这是美国著名科学家克雷格·文特尔提出的带有幻想色彩的新课题。

他是第一个完整地破译了一种微生物的基因组(遗传资源),即天花病毒的人,他还是用极快的方法去发现DNA基本顺序的创始人。文特尔断言,10年内他能在实验室里制成第一个人造生物体,这是一种源于生殖支原体的细菌,一种只有0.3~0.8微米大小的寄生菌,拥有470个基因,是已知的最小基因组。

早在19世纪,科学家就已经在设想揭开地球生命起源之谜。生命的发展不仅使人可以推测出在原始的地球上已存在一定的有机化合物,而且在此之前,也已产生了能从简单分子到复杂分子的化学进化。科学家们由此提出假设,能否在实验室里制造出这种进化的假设原型。

以前,人们认为只有生物才能生产像有机化合物那样复杂的物质。但就在1828年,德国化学家弗里德里希·韦勒却发现:通过蒸发无机盐的水溶液可以制得氰酸铵,然后加热就可以生成有机化合物———尿素,它与生物生产的尿素完全相同。

这一伟大发现纠正了人们以往的错误认识,从而开辟了科学的新时代。从那时起,在实验室里合成了许多有机化合物,其中有些还是不能由生物生产的全新的有机化合物。

但这并没有解决根本性的问题:简单的无机化合物曾经是怎样转变成越来越复杂的有机分子的呢?

20年代,苏联人亚历山大·奥帕林得出结论:在像现在的地球大气层这样富含氧的氧化大气层中,实现这种转变不大可能,但在一个富含氢的还原大气层中却是可能的。在这种大气层中经常发生闪电,充满含有大量紫外线的阳光,因而有充足的能源。

一种广泛流行的理论认为,溶解或悬浮在原始海洋中的有机物质会形成所谓的“原始肉汤培养基”,其中由团聚体组成的微滴,如蛋白质那样的物质,会逐渐增加其复杂性直至具备细胞的典型机理。

英国人约翰·霍尔丹提出过相似的理论,他假设类蛋白的出现,即蛋白质组成的小球体能在“冲淡的热肉汤”内进行进一步的化学反应。

诺贝尔奖获得者哈罗德·尤里也认为地球上生命可能在极强的还原条件下产生。按他的看法,地球的原始大气层与现在的木星相似,富含氨、甲烷和氢。他的学生斯坦利·米勒于1953年提出:将含有氨、甲烷、氢和水的混合气体置于放电条件下,就能实现人工复制原始地球的假设条件,从而获得许多有机化合物。这些结论和设想表明了地球上化学进化的可能性。

但是在实验室使用类似的方法,需要很低的温度才能获得核苷酸,即构成RNA或DNA的基本成分。这类化合物的产生要求的不是原始的“热汤”,而是“冷汤”。而“热汤”、“冷汤”和丰富的有机物质存在于何处呢?它们当然都在海洋中脊的“黑色的喷口”附近。

不久前,由松野小一郎领导的几位日本科学家在实验室里制成了一个流动式反应器,在这一类似海底的环境中能重现热与化学的循环。他们先在反应器中注入了氨基酸和海洋中存在的一些矿物质,接着便观察到分子开始团聚并产生形成蛋白质的基本成分。这个结果似乎可以证实生命起源于原始深海的假设。

当然,天体物理学的研究也表明,在星际空间也可找到各种有机小分子。基于这些发现,有人提出种种假说,认为构成生命的必要成分是由智能人从空间通过陨星或以微生物形式寄送到地球的,因为智能人没有能力完成这样的旅行。

今天,由于遗传工程和生物技术的进步,生命起源问题将面临惊人的但也许是令人有些担忧的前景。

美国人卡尔·伍斯通过重新绘制细菌的家系图(或称种系树),来研究假设具有原始基因组的共同祖先。这项研究能发现原始细菌,其中有所谓“极端线细菌”,它们生活在恶劣的环境中,其基因组不再像其他细菌那么简单。

而现在,文特尔通过一系列的实验,用专门技术使一些基因逐渐被“淘汰”。实验结果表明,在生殖支原体的遗传资源所包含的470个基因中,有170个是多余的。为了弄清微生物能否在仅有300个基因的条件下生存下去,他认为可以把这些基因组合成人造染色体,并把它们放在天然染色体的位置上。经过无数次增加或减少基因的实验,直到得出保证使微生物具有最低生命力的正确公式。表面上看文特尔的实验很简单,但实验上他遇到了一个问题,这就是要分析大量的组合以便发现“最低限度的基因组”,还必须去了解这300个必要的基因如何组合才能保证细菌的生命。整个实验既复杂又艰难,但文特尔对此却充满信心,他确信在10年内能实现上述计划,不过,在实施前要把计划送交伦理委员会审查。事实上,进行这种实验也潜伏着很大的隐患,例如人造生物在实验室外生存会对环境造成毒害和危险,而且从人造生物到制造生物武器的距离并不遥远。

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