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生命的起始點THE STARTING POINT OF LIFE
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生命的起始點THE STARTING POINT OF LIFE

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本書作者使用中文母語,深入淺出,娓娓道來人類幾千年來對生命起源問題的追求,並鋪出一條對生命起源問題科學思考方法的道路。書中說明了達爾文演化論在生命起源問題上的應用和生命起源時代原始化學的機制。作者又以21世紀量子物理的概念,探討了「生命起源需要造物者嗎?」這個關鍵的問題。作者並臆測,生命很可能起源於42億年前的RNA世界…

作者簡介

◎李傑信

太空任務科學家/現任職於美國航太總署華盛頓總部/美國航太總署傑出成就獎章得主

美國航太總署傑出服務獎章得主

著作《追尋藍色星球》(新新聞)、《我們是火星人》。

◎簡靜香

國立陽明大學生化所教授

專長:生物技術、分子腫瘤學。

生死結

在20世紀裡,人類破解了好幾宗重大的科技案件。先取得了人類飛行密笈,騰空而起,比大雁飛得更高更遠;進而脫離地心引力,遨遊蒼宇,升格為宇宙公民;在90年代,窮「哈伯望遠鏡」的神眼,看到了時空盡頭、創造宇宙時「上帝的手」;再深入細胞核心,取得基因密碼,掌握了生命「克隆」技術…

人類更想知道的,是一系列有關「起源」的問題。地球從那裡來?太陽系如何形成?宇宙怎樣誕生?人類的起源?生命的起源?外太空有生命嗎?……等等。回答這些問題,進展差強人意。地球和太陽系的歸屬,目前知識夠用。在宇宙起源的問題上,很長一段時間,卻是個大難題。那麼久遠的歷史案件,沒有現場證據,誰能說得準?很難想像,在1960年代,我們竟然聽到了宇宙誕生時的嬰啼。嬰啼再嘹亮,分貝數經過了120億年遞減,如今只留下纖細的空谷迴音。幸運的是,分貝數雖低,竟然仍在聽得見的範圍內,真是亙古難得一聞的天籟!數據加上理論,確定了宇宙誕生於超強光熱的「大霹靂」,解決了宇宙起源問題。雖然這曲大霹靂交響樂遲早會被人類聽到,但是這次發現,對科學家而言,夠得上是「樂透獎」級的好運。

但是人類對生命起源問題的苦苦追求,從亞里斯多德算起,已有二千多年。估計再保守點,由達爾文1859年的「物種起源」開始按下馬錶,至今也超過140多年。每代科學家工作得不能說不夠努力,夢想在試管中,僅用原始無機材料,就能造出既能自我複製,又能不停演化的生命化學分子。百年追求,至今已完成了「人類基因解讀」的偉大計畫,但在生命起源探索的道路上,尚無結論性的斬獲。這麼看來,生命起源問題的難度非同小可。我們不能未卜先知,不知道人類還要努力多久,才能解決這個問題。但它到底有多大困難?把它和宇宙起源的問題比較一下,或許能粗略估計出它的份量。

宇宙起源,基本上是一個大爆炸案子。爆炸後,所有物質,依物理定律,各就各位。換句話說,宇宙起源是一個高能量的大動作,難以掩遮。最重要的是它的過程迅速,一次到位。120億年後,證據雖已變弱,但本質未改,人類掌握了電磁波科技後,從雜音中放大提取,即能偵測到宇宙「大霹靂」事件。

比較起來,生命起源所需能量低微,生命分子的出現也需要很長時間,左挑右試,不知道要經過多少次失敗。以現代人類知識看來,當時地球大環境肯定適合各類化學分子,毫無目的地層出不窮,甚或達到欲罷不能的地步。偶爾,化學分子出現複製演化跡象,但不幸誕生太早,又被太陽系初期的隕石風暴扼殺。能複製演化的生命分子,並不需要在原始地球遍地開花,只需在很小一塊地盤,搶灘登陸,成功「一次」就行。從這個觀點出發,生命在地球的原始還原環境中,沒準不起源都難!登上生命灘頭後,隕石風暴已過,地球大環境由還原性質,變成中性,最終成為現代的氧化大氣。而搶灘成功的生命分子,雖受外界環境控制,但在達爾文進化論的尚方寶劍保護下,開始無心無肺地由簡而繁地演化,達到「適者生存」的條件,連帶也就淹沒了原始證據。至今即使留下任何蛛絲馬跡,也是作案第N現場。所以,生命起源的過程,由「策略管理」專家掌控,像下一盤棋,兵來將擋,水來土掩。本質上變化不停,盲目蹣行。唯一做得漂亮的是證據隨到隨掩,要最聰明的科學家,抽絲剝繭,追溯億年,重建地球還原環境下生命起源第一現場,即使歷經百年接力,也沒有把握像追尋宇宙起源一步到位的線索一樣,能竟全功破案。

所以,這本書絕對不是為解決生命起源的問題而寫。它的內容,面臨生命起源這個既艱深又詭詐的題目,強調的是對生命起源問題的思維方式。思維方式不對,輕的極易被誤導而進入歧途,終生勞碌,無功而退,重的如細菌專家巴斯德,對這方面研究進展,造成嚴重誤傷,破壞力巨大,值得人類三思後警惕,不要再犯。

這本書由生命的「尋根」活動開始,從近代龐雜的人類生命,一直追溯到35億年前的藍綠藻單細胞,生命長河不斷,像交纏錯結的麻繩,但絕不像孫悟空,從石頭中蹦出來就成。

「高科技」生命太複雜。第二章以飛機起源為例,理出一些簡單合理的頭緒,說明探索生命起源的思維方式。

生命何時開始籌備?第三章由宇宙「大霹靂」開始,為生命起源訂出了一個絕對時間表、生死兩界的分水嶺。

生命起源後的演化,由達爾文的「演化論」掌控。達爾文沒說過他也掌管生命起源前的地盤。其實他的演化理論的確是生死兩界通吃。第四章標出深埋在「演化論」中有關生命起源的第一根大柱子,即萬源歸宗:我們已知的所有生命皆來自於同一源頭。

第五章再進一步,把生命起源理論的第二支柱定位,即第一個有生命力的化學分子應是利用自然材料自然組合產生,不是在充滿母愛呵護下的「子宮」裡孕育出來的。第一個生命誕生時無父無母,是一個生命的孤兒。

生命起始點牽涉到生命原始能量的來源、原始生命化學分子組成的自然環境、以及生命化學分子自我組裝的機制。我很感激能邀請到國立陽明大學生化系簡靜香教授為第六、七、八等三章執筆。這三章技術性較強,以提供給大學一、二年級有興趣的同學們做進一步參考。

第九章集中討論第一條生命化學分子組成可能性的「機遇」問題,我以通俗的科普語言,說明了量子力學對生命起源的可能貢獻。量子力學充滿玄機,是「造物者」級的神器,21世紀探討生命起源的先進工具。

但是,什麼是第一條能自我複製又能演化的化學分子呢?我們把寶押在單股的核糖核酸RNA分子上,那是42億年前崛起的生命王朝。在其全盛時期,RNA大權獨攬,是皇帝,但在35億年前,終被去氧核糖核酸DNA篡位。人類目前的科技能力尚無法只使用原始材料,就能在試管中製造出一條能自我複製的RNA分子。人類追尋生命起源的道路漫長,RNA是一個路標,向我們提示了一幅尋寶圖。

動筆伊始就即刻發現,「生」之前的世界,並不能理所當然地認為就是「死」的世界。死應是生的結束,而不是生的起始,未生焉能死?「起死回生」,標出「死」在「生」之後的邏輯順序,先「生」後「死」,「死」後復「生」。但在寫此書時,我並不斤斤計較文字上的習慣用法。我迷戀於第一個生命化學分子在跨過生命門檻那一霎那間所發出的炫惑光芒。我自由地用「生死玄關」、「鬼門關」、「地獄門」等字眼來紀念宇宙間最偉大的生日,自知羅曼蒂克有餘,文字精確度不足。

近幾年這個領域的進展,使這本書也能夠比較有系統地討論一個困擾已久的問題:生命起源需要「造物者」嗎?如真有「造物者」的存在,生命起源問題就能像宇宙起源一樣,被包裝成「一次到位」事件,再理想不過。在這本書裡,我們把對「造物者」的要求降到最低,追尋到的「造物者」就是宇宙間無所不在的物理和化學的定律。至於這套我們熟悉的定律,又是怎麼能在宇宙間普遍地存在呢?是否經由另一位地位更崇高的「造物者」創造出來的呢?聰明的人類可能永遠找不到答案,但這並不妨礙智慧的心靈對這個迷惑問題永恆的追求。

目次

李序 生死結

簡序 生的喜悅

第一章 生命的長河1

尋根2

隱身的基因3

生死交界4

一根麻繩7

附註8

延伸閱讀9

第二章 「高科技」生命11

「數位」式生命12

飛行器15

高科技生命組成要素20

從DNA到蛋白質26

啟示33

附註35

延伸閱讀35

第三章 混沌初開時37

「大霹靂」38

重元素現形41

太陽系43

生命起源時的地球大氣45

生命起源地點47

絕對時間表49

附註50

延伸閱讀52

第四章 萬源歸宗53

「澄江生物群」54

邏輯死角57

自然奇蹟60

演化63

生命起源思維的架構71

附註73

延伸閱讀75

第五章 生命的孤兒77

中西有別78

蛆的魅力80

生命寓於「氣」82

巴斯德把「自然產生」理論送上了斷頭台85

可疑的陰影88

敗部復活91

附註95

延伸閱讀96

第六章 生命的原始化學分子97

生命起源有關之化學分子98

含氮化合物的平衡101

延伸閱讀107

 

第七章 精緻的化學選擇109

礦石上進行聚合物之合成110

精緻的化學選擇112

紫質(porphyrin)112

自然界選擇了磷酸113

核酸的連接物質─磷酸酯114

水解的速率及負電的影響114

有可以替代磷酸酯的物質嗎?115

酵素的水解116

原始地球環境RNA之合成117

附註117

延伸閱讀120

第八章 自我組裝121

自我組裝成雛型細胞122

蛋白質的結構123

蛋白質與蛋白質及蛋白質與DNA之間的作用124

蛋白質體(Proteome)之分析126

細胞膜之形成126

離子幫浦之演化127

粒線體與細胞之自然凋亡128

蛋白質功能與羅塞達石假設128

附註131

延伸閱讀133

第九章 「造物者」級的神器135

難比上青天137

三個尺度138

測不準原理139

雙重性格143

量子世界現形144

生命分子的量子世界148

催化劑150

附註151

延伸閱讀152

第十章 RNA王朝153

魔障重重155

誘導力157

RNA分子現形162

RNA年代164

RNA真的是第一個生命化學分子嗎?167

附註167

延伸閱讀167

 

中文索引169

英文索引174

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