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生命可以自然產生嗎?──拍案叫絕的『好文』,還是胡扯的『亂碼文』?(上)
2022/05/30 12:02
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英文老師Alisha請全班同學交一篇寫滿兩頁的『英文作文』,學生Anthony卻因為偷懶,在電腦前面胡亂打了一份寫滿兩頁的『亂碼文』列印出來繳交給Alisha了,如果你()是這位老師,將會做何感想呢?難道是『有文字就好』,文字內容即使是『瞎扯』,老師也可以不用管嗎?

福克斯連接胺基酸的『微球粒生成』實驗使『自然發生說』向前邁了一大步?

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的想法,形成之後化學進化論(Chemical evolution)發展的理論基礎。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)

     在1953年史坦利.米勒(Stanley Miller)與哈羅德.尤雷(Harold Urey)以一個含有甲烷(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已被製造出來。由於胺基酸是蛋白質的構成單元體,無疑地,這個實驗震驚了科學界!彷彿人類即將可以將生命在實驗室中製造出來一般!(註1)

之後福克斯(Sidney Fox)與他的實驗夥伴在乾燥的情況下加熱(約攝氏150度)聚合了各種胺基酸,製造出許多長的胺基酸長鏈類似多肽類(polypeptides)的產物。這些長鏈產物被放置於熱水中而後冷卻。在冷卻時,蛋白質組合為許多小的,穩定的球體,或稱微球粒(microsphere)。(註1)這種反應並不難發生,演化論者因而認為是可能在自然的狀況下發生。他們認為火山噴灰中可能含有氨、甲烷、氫氣與水蒸氣,可能形成胺基酸,接著於某些火山熔岩內的加熱進行此種胺基酸的聚合反應,因而可能形成此種微球粒。(註2)一時之間藉著媒體的報導,似乎人類製造出生命越來越不是問題。然而事實真是如此嗎?

是拍案叫絕的『好文』,還是胡扯的『亂碼文』?

其實學過生物學的人都知道生物所使用的蛋白質,其胺基酸的連接都是因著有按照『DNA的遺傳密碼』。一般真核生物細胞內的DNA將其遺傳密碼轉錄給RNA,核糖體再幾乎沒有錯誤地『遵照』RNA所攜帶的遺傳密碼,依序將遺傳密碼以3個一組的核苷酸序列(即密碼子)決定出來的胺基酸種類排序合成出蛋白質,這樣就可以精確地表現出生命。而在進化論學者所假設的原始環境中,就算是眾多的胺基酸真的自我合成出這樣的多肽類微球粒了,但其胺基酸排列順序因著並未遵照指導的遺傳密碼形成,而是隨機組合形成,因此其胺基酸的排列就會如同胡亂編排的『亂碼文』一般形成『無意義的字母組合』,完全無法具備一般蛋白質所應有的功能,排的氨基酸序列形成的長鏈結構完全不會有任何作用;就如同胡扯的『亂碼文』不可能使人看了感動而引起共鳴。如同林肯的『蓋茨堡演說詞』與『亂碼文』,兩者應該很清楚可以分辨。

亨利.莫瑞士博士就曾經指出這個實驗結果的嚴重盲點:

『Sidney Fox及其他的實驗夥伴以極為特殊的加熱技巧及不可能在起初地球上存在的某些狀況下,將胺基酸連接在一起,而合成了他稱之為類蛋白質(Proteinoid)的物質。然而從任何觀點來看,它們根本就不是生物體中被發現,且有高度秩序性的那種蛋白質。他們只是一團團的東西,沒有秩序,也沒有用途。即使在起初的地球上真的產生了這些東西,它們也可能會很快地被破壞掉。』(註3)

這篇文章篇頭所提到的,英文老師Alisha請全班同學交一篇寫滿兩頁的『英文作文』,而學生Anthony卻因偷懶,在電腦前面胡亂打了一份同樣寫滿兩頁的『亂碼文』列印出來繳交給Alisha。可以預期的,英文老師收到這篇胡扯的『作文』,不只不會稱讚Anthony,反而可能會勃然大怒,叫Anthony回去認真用心地重寫一篇真正的英文作文!既然如此,為何進化論者會把福克斯的實驗結果視為『自然發生說又向前邁出了一大步』,視為進化論的重大的突破呢?這樣的認定是合理的嗎?更何況形成胺基酸的原料之一的氫氣(H2)應該會因為質量過輕,已經先行逸散至外太空,不可能如同史坦利的實驗所描述:氫氣可與硫化氫、二氧化碳與水蒸氣共同在電擊與游離輻射的環境下產生胺基酸了(註4)

『RNA世界假說』合理?更困難的部分:核酸RNA與DNA的生成

學過生物化學的人都知道,DNA與RNA(兩者皆為核酸)都是由4種核苷酸架構形成的大型聚合物。架構的核苷酸序列形成精巧的生命密碼。在細胞內DNA紀錄儲存生物生命表現的遺傳密碼(儲存生命訊息);RNA則可以藉抄錄遺傳密碼並將其傳遞至細胞質(transcription,轉錄);之後RNA可以與細胞質的核糖體結合而依照所攜帶的遺傳密碼轉換為胺基酸序列以產生蛋白質(translation,轉譯),藉此使該種生物產生生命的表現。也就是說:生物體遺傳基因表現是遵循著以下的『中心法則』:

因著闕克(Thomas Cech)與阿特曼(Sidney Altman)發現核糖核酸RNA能擔任『酶』與『受質』兩種角色,因而共同獲頒1989年的諾貝爾獎。之後進化論者沃特.吉爾伯特在1986年遂提出了所謂的『RNA世界假說(RNA world hypothesis)』。吉爾伯特認為:地球上早期的生命分子以RNA核糖核酸先行出現,之後可能以逆轉錄形成了DNA,或轉錄出蛋白質;而這些早期的RNA分子被認為可能同時擁有類似現在DNA具有的遺傳訊息儲存功能,以及類似現在蛋白質具有的催化能力。此種假說認為早期約40億年前細胞或前細胞生命的運作係由由RNA起始擔任(註5)

我們知道在生物體中蛋白質的胺基酸種類是由三個一組RNA核苷酸(密碼子)來控制的。但由於蛋白質分子非常巨大,胺基酸為數眾多,如此以RNA世界假說的觀點:構成DNA或RNA的核苷酸分子的數目又必須是胺基酸數目的三倍量以上,這樣如果蛋白質含有300個胺基酸,控制蛋白質製造的RNA核苷酸就必須有900個以上。這樣要形成地球上初始RNA分子的機率無疑地就更加地渺小了!相信進化論的生化學家薩利布瑞(F. B. Salisbury)曾在他的著作中論到這種核酸分子生成的可能性:

『中等大小的蛋白質分子約含300個胺基酸,控制這個蛋白質的DNA基因這一段大約有1000個核苷酸。因為構成DNA的基因段只有4種核苷酸,所以含1000個核苷酸就會有41000種組合方式。利用一點代數上的對數觀念,我們可知41000=10600。10的600次方就是在1後面加600個零,這個數目之大簡直無法想像。』(註6)

10的600次方到底是有多大?我給各位讀者一個數字做比較,我們如果把宇宙的電子總數,加上質子、中子計算出粒子總數,充其量也才只有3.28×1080個。(註7)這其中還沒有考慮不合適的核苷酸序列還要加以分解再重新結合成能產生生命的正確序列的狀況呢!這樣看來,地球上自行產生有秩序的生命核苷酸序列是可能的嗎?這還僅僅只是生成一個蛋白質而已呢!而若還要產生上述擁有繁殖能力、能自我複製且表現生命法則如上述『DNA→RNA→蛋白質』的精巧系統如同細胞那樣,那不是更加困難與不可能了嗎?

核糖核苷酸與核酸的半生期低,不足以穩定保存

  除此以外,有科學期刊指出胞嘧啶核糖核苷在100 °C下半衰期僅為19天,在冰水中半生期則較長,為17000年,但該期刊認為對於要形成有意義的核酸的積累來說,這在進化論所主張的地質年代(動輒數千萬年或上億年)上實在太短了,彼此矛盾(註8之參考文獻)另一論文指出DNA去氧核醣核酸在環境中無法存留超過一百萬年,在溶液中又會逐漸降解成短小的片段,因此大多數化石中並無去氧核醣核酸可供研究(9之參考文獻)。這些生化分子因『時間久遠而更形脆弱』的狀況都與進化論者主張『地質年代久遠大型化學分子更可能生成』的推想彼此矛盾。事實上時間拖得越久,有機分子的被破壞的程度也越厲害,分解的趨勢大於合成的趨勢,如此自然發生說在此點的論述不是又更加站不住腳了嗎?維基百科說到『RNA世界假說』也提到RNA世界假說的嚴重困難點:

『RNA的化學性質使得大RNA分子本身比較脆弱。他們可以很容易地水解成構成自身的核苷酸。這些局限並沒有使RNA不能儲存信息,不過由於一些能量需要用來修補和替換損壞的RNA分子,這種儲存方式會更加耗費能量。而且變異的可能性也會增加。…這些特性使得這樣的RNA不適合用於今天的「DNA優化」的生命體,…』(註10;引用期刊見註解參考文獻)

功能愈強的RNA酵素愈難自我形成

RNA的催化需要長鏈的RNA大分子才會有較佳的合成效能,但長鏈的RNA若要自我隨機產生,難度更會大幅提高,形成自相矛盾的窘境。紐西蘭歐塔格大學的生物化學教授伯恩哈特曾經在論到RNA世界假說的專文中提到:

『最有功效的核酸複製酶,也就是能複製令人印象深刻的95個核苷酸片段的RNA,其本身的長度就長達190個核苷酸。這個序列實在太長了,無法透過任何可能的自然隨機組裝的過程產生。…完全脫離了有可能形成生命產生之前的(prebiotic)情況。』(註11)

遠古環境要如何自行先存在『胺醯t-RNA合成酶』?

RNA世界假說的演化還有一個需要面對的棘手問題就是攜帶胺基酸的tRNA要如何自我形成?tRNA與胺基酸要如何自行專一性的配對連接?眾所周知,胺基酸是經過專一性t-RNA的攜帶才能被攜帶到核糖體—細胞內的蛋白質合成平台—之上的。就如右圖色胺酸與配對的tRNA彼此的配對是有專一性的。在生物體內有『胺醯t-RNA合成酶(Aminoacyl-tRNA synthetase)』(即tRNA與其攜帶胺基酸的合成酵素)將tRNA與胺基酸進行專一性的連接。因此,20種氨基酸需要被它們的『褓姆』——專一性的41種tRNA所攜帶,才能被帶到核糖體去進行蛋白質的合成(見Campbell生物學附圖17.15與註12)這樣在生物體內每種胺基酸與其對應的tRNA的連結就需要20種胺醯t-RNA合成酶預先存在才行,以便形成20種胺基酸的胺醯t-RNA(Aminoacyl tRNA;已充電的tRNA),進而攜帶正確的胺基酸至核糖體以合成蛋白質。但在遠古時期這樣的胺醯t-RNA合成酶不會先行存在,而必須自行以機遇作用自行產生。而演化論學者伯恩哈特博士就在專文中提到tRNA如何在遠古時期自行產生?演化學者目前對此尚未有定論,許多學者對此點仍處於眾說紛紜,莫衷一是的情況(註11)

RNA的酵素催化特性只是大分子RNA序列非常少見的特性,催化效能亦十分有限

RNA世界假說風行的主要論點其實是承襲闕克的發現:RNA的酵素功能。但是RNA真正的酵素功能其實十分有限,而一個生命體所需要的代謝功能諸如脂肪合成、各種醣類的合成等極其複雜多元。要相信原始生命體肇始於RNA,演化論者似乎過於樂觀。伯恩哈特論及RNA世界假說時就曾提到:

『對RNA世界假說十分不利的一點是:RNA的催化特性只是大分子RNA序列非常少見的特性。甚至有學者指出:RNA世界本身RNA分子形成所需要的代謝需求就超過RNA分子本身的催化能力。若與最具代表性的核酸合成酶(ribozymes)相比,蛋白質形成的酶要比核酸合成酶有其約一百萬倍的效能。這可能是是因為蛋白質有20種氨基酸構建形成,而構成RNA的核苷酸卻只有4種的原因。』(註11)

由以上所述,相信RNA世界假說本身就要面對極大的內部矛盾,既是如此,RNA世界假說如何可以做為生命起源的演化假說呢?

因此美國北卡羅來納的生物化學與生物物理學教授查理斯·卡特Charles Carter)在最近發表在《生物學指導》(Biology Direct)上的一篇論文的評論中就曾評論:RNA世界假說只是一個『流行的幻想』

『就我而言,我從未贊同這種生命起源的觀點(指RNA世界假說),而我絕不是孤獨的。RNA世界假說幾乎完全是需要由來自非常高階的技術組合資料庫的數據流加以驅動的,它們與形成生命產生之前的世界(prebiotic world)的關聯性根本不值得〝全體一致支持〞。有幾個嚴重的問題與此相關,我認為它只不過是一個流行的幻想。』(註13)

第一個生命物質—蛋白質?RNA?進化論者陷入『蛋與雞的循環』

然而支持自然發生說的進化論者對於首先形成的生命分子究竟是『蛋白質』或『RNA』,也彼此有相持不下的爭論,進化論者陷入『何為因?何為果?』的『蛋與雞的循環』的謎團之中。但綜合以上所述:現今自然發生說的學者主要可分兩派:

(1)蛋白質最先假說(Protein first hypothesis):認為蛋白質為原始環境最先產生最接近生命的物質,接著經過漫長的年代逐漸進化為『初始的生命』;這一派的進化論者主張最原始的生命是先有一個具有代謝功能的反射性的自催化食物生成網(Reflexively autocatalytic food-generated networksRAFs)作為形成古代生命的最初的中間狀態。此派理論在RNA最先假說之後的16年再度興起,強調古代原始的生命是先演化出各種的有功能的酵素(蛋白質)充當催化劑而形成自我代謝的系統作為分子組(sets of molecules),之後可能逐漸可以攝取食物而在進一步進化為最初的生命(14)2005年日本奈良女子大學的池原賢治(Kenji Ikehara)更提出『蛋白質假說的假說』:蛋白質的最初形成也許只用4種氨基酸的『GADV假說』:認為最初的蛋白質代謝系統可能不需全部的20種氨基酸就可以形成初始的生命(15)。而他認為古生物具遺傳功能的DNARNA核酸分子是之後才由自我形成的核酸聚合酶(如:DNA polymeraseRNA polymerase)產生的。

   但是這說來簡單,但談何容易呢?當初就是因為胺基酸與胺基酸之間的蛋白鍵極其不穩定,分解的速率還可能較合成的速率更快,合成的胜肽類也缺乏『高度的秩序性』,之後才有1986年的『RNA最先假說』興起【參考另篇文章: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】2005年竟然又有演化論學者因為RNA分子合成與保存也同樣面臨極大障礙,部分的演化論學者又重新開始接受蛋白質最先假說,然而這樣豈不是又走回原點了嗎?再者,現今一般生物與被認為演化層級最原始的病毒所使用的胺基酸本來就是多達20種了,豈能為了『生命產生過程較容易解釋』,就刻意簡化應有的演化流程,而只竟然只使用4種氨基酸去做蛋白質的演化推想?而其他的16種氨基酸可以『說加入就加入』,其演化過程可以如此簡單嗎?

    而如果蛋白質無法自行有意義的自我合成,演化論學者卻去討論蛋白質主控的『微球的食物代謝系統』可能如何形成,這到底有何意義呢?布魯斯.艾伯特(Bruce Albert)是美國的生物化學家,曾任2005年的國家科學院主席。在2002年出版他所著的『細胞分子生物學』第四版第6章論到RNA世界假說時,作者(本身亦為演化論者)也認為在化學分子的演化初期蛋白質不可能預先存在(註16)

『當今細胞中蛋白質合成的分子過程似乎非常複雜。儘管我們了解其中的大多數,但它們在概念上並不像DNA轉錄、DNA修復和DNA複製那樣具有意義。很難想像演化最初期蛋白質合成是如何進化的,因為它現在在細胞中是由蛋白質和RNA分子的複雜聯鎖系統所轉譯進行的。顯然,在胺基酸翻譯裝置的早期版本已經到位之前,蛋白質是不可能預先存在的。

    由以上文字我們可以知道,演化論解釋生命起源的『蛋白質最先假說』與『RNA最先假說』兩者落入了所謂因果關係『蛋與雞的循環』的爭論與謎團之中,因為即使同樣為演化論的學者,也有為數相當部分不認同蛋白質最先假說的。(本文待續)

§參考資料與圖片

  1. Starr與Taggart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
  2. 紀敖生,1979年二月,生命的發生,p.75~76,台灣中華圖書
  3. Morris, H. M. 1985. Scientific Creationism 2nd ed. P.50, Creation-life Publisher, El Cajon.
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  5. Neil A. Campbell,  Jane B. Reece合著,Campbell生物學,第8版,p.577~578,總審校:鍾楊聰,偉明圖書及台灣培生教育合作出版
  6.  Lehninger, A. L. 1974. 大學生物化學(下),陳國誠編譯,p.853,大中國圖書公司
  7. 關鍵字:宇宙電子數,KKnews:宇宙中究竟有多少個粒子?,2017/07/28
  8. 維基百科:RNA世界假說;當前難點
  9. 維基百科:去氧核醣核酸;去氧核醣核酸生物代謝的演化

10. 維基百科:RNA world,Limitations of information storage in RNA

11. Harord S. Bernhardt, The RNA world hypothesis: the worst theory of the early evolution of life (except for all the others), Catalysis is a relatively rare property of long RNA sequences only, Biology Direct, 13 July 2012,

12. Neil A. Campbell,  Jane B. Reece合著,Campbell生物學,第8版,p.383~385,總審校:鍾楊聰,偉明圖書及台灣培生教育合作出版

13. Harord S. Bernhardt, Warren. P. Tate, Primordial soup or vinaigrette: did the RNA world evolve at acidic pH? Referee 3: Charles Carter, (nominated by David Ardell)

Biology Direct, 20 January 2012,      

14. 關鍵字:autocatalytic chemical network,Autocatalytic chemical networks at the origin of metabolism  Joana C. Xavier, Wim Hordijk, Stuart Kauffman, Mike Steel and William F. Martin, Proceeding of Royal Society B, Biological Science, Research articles.

15. Ikehara, Kenji (2005). “Possible steps to the emergence of life: The [GADV]-protein world hypothesis”. The Chemical Record. Wiley Subscription Services, Inc., A Wiley Company. 5 (2): 107–118. doi:10.1002/tcr.20037ISSN 1528-0691PMID 15828060.

16. Molecular Biology of the Cell. 4th edition. Alberts B, Johnson A, Lewis J, et al. New York: Garland Science; 2002. Chapter 6. How Cells Read the Genome: From DNA to Protein, The RNA World and the Origins of Life, How Did Protein Synthesis Evolve?

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