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生命可以自然產生嗎?──原始海洋小分子匯聚增大,其實困難重重
2022/02/19 22:43
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地球上的生命可以自然發生,進而從無變有嗎?

  進化論者的『自然發生說』(此部分仍為假說)認為是生命可能自然發生,從無變有的。在進化論者主張原始形成生命的過程中,有機大分子(如蛋白質、脂質、澱粉、核酸等)的合成過程其化學能(Chemical energy)的提供是絕對必要的形成條件。早在1938年,蘇聯的生化學家歐柏林(A. I. Oparin)曾提出最早的有機分子可能在強大的能量來源下,從原始大氣中製造出來。

  歐柏林認為提供有機分子製造的原始地球的能量來源包含:

  1. 火山與隕石提供的熱。
  2. 同位素的放射性。
  3. 閃電中強大的電力釋放。
  4. 太陽輻射,尤其是紫外線等游離輻射(ionizing radiation)

接著在1953年米勒(Stanley Miller)與尤里的一個震驚科學界的『模擬生命產生』的實驗中,此即著名的『米勒.尤里實驗』(Miller-Urey Experiment)。他們依據歐柏林假設的觀點將甲烷(CH4)、氨(NH3)、氫(H2)與水(H2O)等一種模仿強烈還原型大氣的混合物置入一個密閉系統中,再將此混合物加熱並循環通過火花器(即模擬閃電)如此歷經一週後,米勒發現一些胺基酸與有機酸小分子已被製造出來。這樣的實驗結果似乎支持進化論者所主張地球最早的大氣氣體能夠互相反應以產生小型有機化合物。而在原始環境中因為被認為沒有氧氣(無氧化之因素)亦無細菌(無腐敗之因素)之破壞雨水將會將這些有機分子沖進原始海洋中,在數億年間海洋將成為可能產生生命之『稀薄的熱湯』進化論者認為各種有機分子由小分子變大分子,由少變多匯聚在一起最終可能產生凝集體(Coacervates)脂小體(liposomes),甚至產生了最原始的生命,此即自然發生說(Spontaneous generation),又稱化學進化(Chemical evolution)(註1)自然發生說的學者可分兩派:蛋白質最先假說(Protein first hypothesis)認為蛋白質為原始環境最先產生的物質;RNA最先假說(RNA first hypothesis)認為RNA為原始環境最先產生的物質。自然發生說僅為後世進化論者所提出,而達爾文本人可能覺得此假說尚不夠成熟,僅在與友人的書信中簡要提起,並未在其演化論著作『物種起源』中提出看法。(註2)

氫氣(H2)會自動向外太空逸散,不可能存在於早先的大氣環境

『我可愛的氣球飛走了!』小孩常常為著手中的「氫氣球」飛上天空而非常懊惱地哭喊!這不是我們許多人小時候的經驗嗎?

事實上1953年之後許多科學家(其中還包含相信自然發生說的福克斯)都指出:米勒所根據歐柏林的假設可能一開始就是錯的!因為地球上極大部分的氫氣(H2)因為質量太輕,即使起初因火山噴出而存在,之後也會很快向外太空逸散。如此就沒有物質去還原二氧化碳(CO2)與氮氣(N2),接著甲烷(CH4)與氨(NH3)也就不可能成為大氣中的主要成分。而早期氣體含有大量的氨這樣的假設也與地球早期地層的成分是矛盾的(註3) (註4)福克斯說:

 

『還原型大氣似乎在地質學上並不正確,因為有證據指出,氫氣會向太空自動逸散消失,餘下的甲烷與氨會被氧化。』(註5)

然而一旦缺少了氫氣,科學家接下來的火花實驗製造胺基酸就再也無法成功了!福克斯、何蘭、侯根等科學家接下來都做了一致的結論:含二氧化碳、氮與水蒸氣的大氣完全不能產生胺基酸!(註5)(註6)(註7)因此『米勒.尤里實驗』其實在一開始的假設就有極其嚴重的矛盾!因為地球早期大氣根本就不可能是他們所描述的那樣的事先就存在著氫氣(H2)那樣的狀況!

閃電與游離輻射能造就出生命分子?

  生命蛋白質的構成需要有以下條件:

  (1)20種氨基酸均必須齊備方有可能形成,

  (2)必須排出有意義能產生生命現象的序列而並非隨機亂排。

  (3)所有的氨基酸鏡像異構(chirality)都必須是左旋型,不能混雜任何右旋型胺基酸。

   一個有功能的蛋白質約有300個左右的氨基酸連接形成。胺基酸是構成蛋白質的小單元體,而蛋白質則是生物體內含量最多的有機物,所以依進化論的假設,胺基酸在原始環境中出現是必然是形成生命重要的一步。同樣的原則出現在RNA最先假說(RNA first hypothesis)中核酸(DNA或RNA)的自然發生,亦即適用於核苷酸(nucleotide)小單元在原始環境中自然形成核酸(nucleic acid;包含DNA或RNA)的關係上。

這20氨基酸中構造最簡單的氨基酸,應該也是最容易自然形成的胺基酸,就是甘胺酸(glycine)了。美國加州的研究人員郝氏(D. E. Hull)曾經推算過這種最簡單的甘胺酸在深海中存在的可能性(註8)

 

     甘胺酸在模擬大氣中電擊的形成的公式如下:
     2CH4 + NH3 + 2H2O —→NH2CH2COOH + 5H2
    
化學平衡常數=2 × 10 -40

  依據米勒與尤里推測的氨(NH3)氣體的分壓=0.04大氣壓所計算出來的海中甘胺酸濃度極低,約只有1公升含有10-27莫耳甘胺酸。由於甘胺酸在產生的過程也會被太陽光中的強烈輻射所傷,而其他更為複雜的胺基酸由於更不易形成,量只會比甘胺酸更少。其他的19種胺基酸均須齊備,再加上必須匯聚且必須有意義的正確連接,才有可能形成完整『有功能』的蛋白質,進而產生生命。古代的環境中並不可能預先有酵素進行胺基酸的製造與連接,所以生命要自然產生,光從合成甘胺酸的反應平衡常數如此低(代表生成產物極少)與後續要面對的重重難關看來,其難度比我們想像中大很多,並非如此簡單的!

 

游離輻射還會將稀少的胺基酸『光分解』且難以匯聚—破壞王?還是建築師?

  郝氏經過精密的計算,認為胺基酸若在進化論者所主張的原始環境下形成,其過程要面對的極度不利因素包含:
  1.由於胺基酸本身化學結構的脆弱與不穩定性,同時各種胺基酸也會受到宇宙輻射線的分解破壞,在郝氏依據米勒提供之資料的計算下,甘胺酸在當時的空氣形成以後再抵達海面時,約97%的甘胺酸竟然已被放射線分解掉了!(註8)

2.在深海的海水中甘胺酸方能免於游離輻射的傷害而不被分解,但僅存的3%甘胺酸即使能到達原始的海面,在100公尺深的海水中其半生期(half life;即50%的分子仍然保存不被破壞的時間長度)也只有約20年的時間,即使擴散到了4000公尺深的海水中,其半生期也只有約1000年的時間。因此在海洋中甘胺酸的濃度約只有10-12至10-27莫耳/公升之間。而其他更複雜的氨基酸分子當然形成的濃度就更低了。這些現象都顯示胺基酸在原始海洋中濃度稀薄的程度,使得胺基酸分子彼此距離太遠,更加降低了這些有機分子在原始海洋中匯聚形成蛋白質的可能性(註8)。

3.較大、較複雜的有機分子雖然可能因游離輻射而由較簡單化合物轉變而合成,但這些更複雜的有機化合物卻比原先的簡單反應物更容易受到游離輻射的傷害。因此這些宇宙中的游離輻射在有機分子的生成上是一面充當『推手』,也在一面充當『殺手』。

而宇宙游離輻射到底是生命起源的『破壞王』還是『建築師』呢?這樣看來進化論者寄望宇宙游離輻射充當原始生命的『推手』,並非明智的選擇。但是在當時除了『閃電』與宇宙中的『游離輻射』之外,進化論者還能寄望誰可以擔任合適的角色呢? 

實驗室的冷凝管(condenser)保護裝置可能於古代環境中存在嗎?

很少人注意到『米勒.尤里實驗』用了一個對脆弱的有機分子『保護周到』的裝置——冷凝管。這個設備能將脆弱的有機分子一旦生成便迅速加以冷卻,避免它們遭到高溫的破壞。顯然米勒事先就知道這些有機分子是很脆弱的,而刻意的加裝此一設備而給予『特殊禮遇』。但是這樣的保護裝置在太古的環境不可能存在。亨利.莫瑞士博士曾經對『米勒.尤里實驗』此點提出批評:

『米勒的儀器包含一個分離胺基酸的冷凝管,一旦它們形成就立刻加以分離,否則這些胺基酸將會在這種古代大氣環境中一旦形成就迅速分解掉。而像這樣的保護在太古的環境是不可能存在的。』(註9)

有機大分子要在水溶液中自然匯聚形成違反熱力學第二定律—熵增定律

在自然發生說中進化論者主張各種有機分子由小分子變大分子,由少變多匯聚在一起最終可能產生生命。在此我們要探討一個重要的化學定律:熱力學第二定律—熵增定律。在物理學的熱力學中把一個獨立系統的分子狀態是整齊或凌亂,以一種較『微觀』的『分子紊亂程度』來代表。化學分子在獨立系統中的紊亂程度,叫做『熵(Entropy)』。

由於『熵』的自然狀態較容易以熱的形式表現出來,故常在熱力學中探討。在一個缺乏控制的系統中,自然的趨勢就是分子會朝向『越來越紊亂』(時常表現為熱穩定、溫度均勻)的方向來達到這個系統的分子趨於最大亂度值而穩定。此種現象稱作『熱力學第二定律』,又稱『熵增定律』。(註10)熵增定律的現象在生活中隨處可見,例:方糖(分子堆放整齊)加入一杯清水中【上圖】,最終方糖溶解,分子擴散至整杯水均有糖分子(糖分子趨向分子的紊亂狀態)【下圖】。溶於水的糖分子不會在方糖溶解於水後,最後又集中凝聚而成為水中的方糖塊,因為整杯的水中都有糖分子才是『分子最亂』(熵增加)的最終狀態。

如果系統的熵可以逆向變為『熵減少』,必然是有另一個系統介入使然。就像冷氣機使室內的溫度降低,是因為有電力公司電力系統的介入。而在化學分子狀態中若反應是由小分子(高熵狀態)經合成反應為大分子(低熵狀態),此反應之『熵』也是往『熵減少』方向進行,但這樣的反應方向是違反自然狀態下『熵增定律』(熱力學第二定律)的。因此胺基酸分子在『稀薄的熱湯』中自行匯聚而連接起來成為大分子蛋白質、核酸,在自然狀態難道這樣的化學反應可能自行發生嗎?綜合以上所描述的有機大分子形成的各項不利因素,再加上其生成過程違反『熱力學第二定律』,小分子無法自行向熵減少的方向去合成較大之分子。因此進化論所主張的自然發生說主張其有機小分子要『自行匯聚』而成為更大更複雜的分子,甚至生命體,然而這卻是違反熵增加的自然方向,依熱力學第二定律在本質上是不可能自行產生的! 

無酵素存在的原始大氣與海洋環境要自行產生生命——自我複製的系統?

此外連接成為大分子的胜肽鍵(peptide bonds)、糖苷鍵(glycosidic bonds)、酯鍵結(ester linkage;筆者註:連接核苷酸)等鍵結的形成屬於吸能的合成作用(同化作用),化學鍵的形成都要先自行吸收能量並脫去一分子的水,在化學反應上都是不利。生物化學家雷寧喬(A. L. Lehninger)亦曾經探討到有機分子在水溶液中要自行匯聚成為大分子的可能性時指出:

『胜肽鍵、糖苷鍵、酯鍵結在稀薄水溶液系統中是呈熱力學不穩定狀態的。行水解作用時具大的負標準自由能變化。因此在稀薄溶液系統中平衡時,僅少數這種鍵結可以保存。為了【形成原始生命時】胜肽分子及多核苷酸分子得以在海洋中聚積,這些鍵結形成的速率必須超過其降解的速率方有可能』(註11)』

此外,原始海洋中不可能預先存在細胞的各種代謝作用的酵素,這些連結為大分子的化學鍵也因為缺乏細胞中代謝的酵素而極難自行形成。在Starr與Taggart合著的生物學中論到『有關最初自我複製系統之種種臆測』,提到自然發生說中生命如何自行起源的研究時,坦承原始環境因為並無預先存在的酵素,如何形成製造有機大分子的生命系統是一個『無法解答的問題』:

『到底是甚麼樣的事件引導此種有機〝汁液〞進入自我複製的系統呢?在活細胞中這些系統包括DNA(其帶有製造蛋白質的指令)和RNA(其轉譯DNA的指令給蛋白質)……酵素能大量加快化學反應的速率,且所有的反應皆必須持續並重複進行,如果沒有酵素,就算是最簡單的細胞譯無法快速地進行反應。……〝DNA→RNA→蛋白質〞系統是如何開始發生的?雖然從事此方面研究的人給了我們一些值得思索的有趣事物,我們卻尚未能解答這個問題。』(註12)

原始海洋可溶性與不可溶性胜肽分子匯聚增大的兩大阻礙

布雷克(S. Black)進階酵素學(Advance Enzymology)一書中亦探討小分子胺基酸分子合成大分子的不利影響,布氏提到在原始海洋中小分子聚成高分子有兩個明顯的阻礙(註13):

1.任何蛋白鍵的產生,在化學平衡上都是極為不利,可能好幾個世紀才有一個鍵合成。

2.在極稀的氨基酸溶液中(如以上所描述的甘胺酸濃度僅為10-12莫耳/公升),蛋白鍵要連續延長,達到不溶性的高分子才能穩定,是極端艱難與非常矛盾的。不溶性的蛋白分子因分子巨大容易形成沉澱,或太大以致不易移動,因而很難有機會去匯聚其他分子以產生更進一步的連結。而可溶性分子雖可自由移動,但也因此易移至游離輻射區域而導致被破壞分解。

有機分子自己無法『降低本身的熵值』以趨近生命體,那可能的答案是甚麼?

  米勒、卡爾文與福克斯等科學家使用電火花產生較小的有機分子後,科學家在設計出來的生命起源以前的假設條件下進行了數千次實驗,卻無法再進一步成功合成DNA與蛋白質。米勒教授在1953年作了他的實驗四十多年之後,他告訴了科學美國人雜誌說:

「生命起源的奧秘,原來比我和其他大部分人所估計的更難解開。(註14)

在《生命起源的奧秘:再評目前各家理論》(註15;The Mystery of LIfes Origin: Reassessing Current Theories英文版)這本書中作者也指出: 

「我們在合成胺基酸方面的成就有目共睹,但合成蛋白質和DNA卻始終失敗;兩者形成了強烈的對照。」

  在米勒、卡爾文、福克斯之後,人類有關生命起源的進一步研究在自然發生合成蛋白質和DNA方面所作後續實驗的努力,竟然「總是失敗」。或許現今仍有進化論者仍然對未來生命的自然產生存著寄望,但這些實驗屢屢失敗的事實,其背後似乎說出一個可能的原因:或許起初真的是有一位『智慧設計者』介入了原始地球的系統,降低了地球上生命體的『值』且設計並創造了地球上的生命;也就是說,或許承認有『智慧設計者』的存在才是地球上各種繽紛的生命起源的較為合理的答案吧!你說是嗎?

 §參考資料

  1. 圖1與內容參考Mader’s Biology生物學,地8版。Sylvia S. Mader原著,藝軒圖書出版社p.320~321
  2. Youtube影集:人類非進化而來
  3. Heinrich D. Holland, “Model for the Evolution of the Earth’s Atmosphere,” p.447 in A. E. J. Engel, Haroid L. James, and B. F. Leonard(editors),Petrologic Studies:A Volumn in Honor of A. F. (Grological Society of America, 1962, p.448-449
  4. Philip H. Abelson, “Chemical Events on the Primitive Earth,” Procedings of the National Academy of Sciences USA 55(1966), P.1365-1372
  5. Sidney W. Fox and Klaus Dose, Molecular Evolution and the Origin of Life, Revised Edition(New York:Marcel Dekker, 1977), p.43, 74-76.
  6. Heinrich D. Holland, The Chemical Evolution of the Atmosphere and Oceans(Princeton: Princeton University Press, 1984), p.99-100
  7. John Horgan, “In the Beginning….,”Scientific American(February 1991), p.116-126
  8. Hull, D. E. 1960. Nature. Vol.186, p.693~694.
  9. Morris, H. M. 1985. Scientific Creationism 2nd ed. P.49, Creation-life Publisher, El Cajon.
  10. 齋藤勝裕:3小時讀通化學熱力學,p.159~175,世茂出版集團。
  11. Lehninger, A. L. 1974. 大學生物化學(),陳國誠編譯,p.850,大中國圖書公司
  12. StarrTaggart生物學(下冊),譯自Biology: the unity and diversity of life,丁澤民等編譯,第五版, p.572
  13. S. Black, Advanced Enzymology, p.38, p.194 (1973)
  14. 維基百科:關鍵字《米勒-尤里實驗》
  15. Charles B. Thaxton等, The Mystery of Life’s Origin: Reassessing Current Theories, (1992) Lewis and Stanley 出版(英文版)
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1樓. wawa@cmuh.org.tw
2023/10/08 20:50
有『智慧設計者』的存在,這才會形成一個無止境的迴圈。
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