第二節 化學進化假說的概念
現代科學家的主流理論

在上一節,「自然發生論」已被巴斯德等科學家推翻,「生源論」成為主流的看法。可是,「生源論」並沒有解答最早的生命是如何誕生的問題。究竟現代科學家如何解釋生命的出現呢?

主流的學者認同「化學進化理論」,認為地球上的生命是在地球上自然形成的。他們研究遠古時代的地球環境,進行模擬實驗,提出假說,最後推斷生命的出現是化學分子撞擊的結果。

主流學者相信生命是化學分子撞擊的結果

原始大氣與海洋

科學家估計,地球大約在四十六億年前形成,由宇宙中的塵埃組合而成。最初,地球是個熾熱的火球,溫度極高;經長時間的冷卻後,表面形成薄薄的地殼,也凝聚出原始的大氣。

原始的大氣與現在的有很大的不同,科學界認為,原始大氣的主要成份是甲烷 (\(\rm{CH_{4}}\))、氨 (\(\rm{NH_{3}}\))、水蒸氣 (\(\rm{H_{2}O}\))、一氧化碳 (\(\rm{CO}\))、二氧化碳 (\(\rm{CO_{2}}\))、硫化氫(\(\rm{H_{2}S}\)) 等。這些氣體組成的大氣屬「還原大氣」,不同於今天的「氧化大氣」。科學家相信,這個原始大氣的成份結構,正正是產生各種有機分子的理想溫床。

同時,隨著地球的冷卻,大氣中的水蒸氣漸漸凝結成水,結集在地殼上低窪的地方,形成遠古的海洋,原始大氣中的各種分子也溶解在其中。

原始大氣有眾多的化學分子

地球誕生之初是一顆熾熱的火球

有機分子的產生

蘇聯生化學家奧巴林於 1938 年提出了一個假說:原始大氣中的各種化學分子,在高熱 (來自火山) 、電能 (來自閃電) 、輻射 (來自太陽) 的推動下,能結合產生有機分子,並溶解在遠古的海洋之中。

1953 年,美國科學家米勒模仿原始地球的環境進行實驗:他在密封的裝置裏面裝入了氫氣、氨氣、水分和甲烷。通過電擊 (模仿閃電的現象),米勒發現可以產生氨基酸、氰化氫、甲醛等等的有機小分子。

這個實驗證明,有機分子不一定由生物產生。在特定的環境下,大自然也有可能產生有機分子,即生命體的基本材料。

米勒的實驗設定

生命的誕生

原始大氣產生的有機分子溶解在溫暖的遠古海洋之中,被稱為「原始湯」,其中,氨基酸是合成蛋白質的基本單位;甲醛則可以結合成 RNA 的一種核糖;氰化氫可以進一步結合成腺嘌呤。這些核酸皆是細胞重要的遺傳物質。

在原始湯中,經過長期的積累和相互作用,細小的有機體漸漸組合成大型的有機高分子物質,其中包括蛋白質和核酸,它們是構成細胞最重要的物質。當大型的有機分子越來越多,在相互作用下,就會凝聚成小滴,再凝聚成球狀,最後構成一個獨立的有機個體,這些有機個體能進行生存所必須的簡單新陳代謝,以及進行自我複製。這就是最原始的生命體。

究竟哪一種有機分子首先聚合成大型分子,繼而具備自我複製的能力、而成為第一個生命體?科學家提出了三個假說:

  1. RNA 起源假說:認為第一個生命體由 RNA 分子組成,RNA 能自我複製,而且能儲備生命的遺傳密碼,傳遞到下一代。

  2. 蛋白質起源假說:認為第一個生命體由蛋白質組成。蛋白質因為有眾多的功能,故被喻為「生命活動的主要繼承者」。例如它能組合成「酶」,具控制生化反應的重要催化能力。

  3. 黏土假說:認為第一個生命體由黏土組成。黏土能同化附近的各種細小有機分子,以具備各種功能。

進深資料 1:科學能介紹生命的出現嗎?

進深資料 2:由有機分子到原始細胞

各種有機分子聚合在一起,構成最簡單的單細胞生物

最早的生命:簡單細胞

最初出現的生命究竟是什麼生物呢?科學家相信,它是一個結構簡單,並能自我繁殖的簡單細胞。這個細胞是由磷脂分子和蛋白質所組成一層膜,包圍著 RNA 而成的,估計是 38 億年前形成。

這個原始的細胞吸收環境中的有機分子,進行糖酵解,以獲得能量。漸漸簡單細胞進化為真細菌和真核生物,更具備光合作用以產生食物的能力,這就是類似藍綠藻的單細胞生物。

在西澳洲鯊魚灣的海岸,有大量不同形狀的「疊層石」,相信已有 35 億年歷史。疊層石是由藍綠藻所組成,藍綠藻進行光合作用,周圍的二氧化碳便會減少,同時產生碳酸鈣的沉澱,再經細菌的黏液黏結堆砌形成疊層石。科學家相信,早期的生命就是呈類似的形態。

出現了最原始的生命後,經過以億年計的演化,最後出現地球上眾多不同的生物物種。

位於西澳洲海岸的藍綠藻疊層石,可能是早期的生命形態

小結
  • 化學進化理論是現代主流科學家接受的生命起源理論
  • 今天的大氣不同於原始大氣,原始大氣主要由氨、水蒸氣、一氧化碳、二氧化碳、硫化氫等組成
  • 奧巴林提出,原始大氣中的無機分子能利用環境的能量,形成有機分子,而米勒的模擬實驗則成為證據
  • RNA 起源假說、蛋白質起源假說和黏土假說都是解釋首個生命體如何出現的假說
  • 首個簡單細胞出現後,漸漸進化為真細菌和真核生物,更具備光合作用以產生食物的能力,最後演化出地球上眾多的生命形態
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