P178全圖
P179
8.
生命的起源
根據微生物所遺留下來的化石證據，我們知道生命存在地球上已有35億年了。但這些生物體已經相當先進，群棲生活並且行光合作用。在這之前，必定還有生命是以更簡單的形式存活著，並且歷經了一種突破性的轉化，從無生命物質變換而成今日我們所認定的生命物質。這種突破性的轉化是在何時並且如何發生的呢？在地球上，這樣的轉化只發生過一次，還是早已歷經了數回呢？
很不幸地，單從化石記錄是無法找出答案的。因為地殼的浸蝕作用及運動的結果，使得地球前十億年的地質記錄消逸無蹤，永埋地底。其中，還包括了地表被隕坑覆蓋(如今其仍然覆遍金星、火星和月球的表面)的證據。這種地殼運動是由地球上岩層內的氣體對流所引起，而地層深處放射性礦物質所釋放的熱，則提供了這種運動所需的能量(圖8.1)。不僅最原始的地殼層已消失；就連現今的大陸形態結構也是相當近期生成的現象，它是一地殼板層緩慢運動的結果。僅2億年前，各大陸陸地的分佈，比起今日是更加緊密相連的多(圖8.2)。地質學家可以依循岩石中的記錄去重建地球大部分的原貌，但是回溯的極限也只到38億年前，因此無法對生命起始時的地球環境，提供有效的資訊。
然而藉著對星球形成過程的日益瞭解，我們倒可以重建一些地球早期的風貌。〝原始地球〞與今日的地球在外觀大小和組成上是相同的，均是一個岩石組成的橢圓體。但是原始地球中，自幅射性礦物中釋出熱能的速率卻是高了許多，而其中一些輻射性礦物在今日已經〝衰退〝而不再產生熱能。兩者之間最大同時也是對所有地表有機體最重要的不同，當是從40億年前的地球至今日，整個地球大氣層的組成改變了。這些變遷更難重建，但我們必須盡力而為，因為這些變化攸關著我們地球生命起源的奧秘。
P180
圖8.1
地球內部的傳導流，藉著上岩層的緩慢運動而傳送能量，這種緩慢運動就如同大氣中熱空氣上揚，冷空氣下降的現象一樣，只是速度上要緩慢許多。在地表，這種傳導流會導致地殼變動，在將新的岩石帶到地表的同時也造成了陸地的移動。
我們這項探尋的任務或許可以和興建美洲大陸的第一條橫貫鐵路做一個比較。為建造如此綿延的鐵路，工作人員分別由東西岸開始工作，最後鐵軌交會於猶他州，而在此處，他們釘下了一根黃金製的長釘，為這整個工程留下一個紀念。而在我們的探尋任務中，我們必須藉著地岩的歷史紀錄，回溯於時間中，同時亦必須藉著星球進化所有可能的証據，在時間順向的流動過程中，尋求答案。這些証據，有的是從行星形成的理論中得出，或是從太陽系裏，保有其第一個十億年歷史的其他星球中搜尋而得。這兩種方法應會交集在生命起始的時間點上。不幸地，這個聯結點並非那麼地明確，就好比那兩組欲相聯結的鐵軌，會消逝在加州邊境的濃霧當中，直到堪薩斯或科羅拉多州才又現身，我們雖知鐵軌依然是相連的，但是我們並不知道它們是在何處相連，並且是如何相連。今日，我們仍在等待那根黃金製的長釘，來為這行星發展和生命歷史的交匯處劃下一個偉大的句點。
P181
圖8.2
兩億年前，地球大部分的陸地是相互連結的，成為一個稱之為盤古大陸的單一陸地，這使得生物種的擴張繁衍比起今日是容易許多。圖中展示了當時地球上陸地分佈豐富的半球景觀（左圖）以及缺乏陸地分佈的另一個半球景觀（右圖）。大陸陸地是不停地在移動；例如在1千萬年間，太平洋板塊便會帶著洛杉磯越過舊金山，往阿拉斯加的方向移動。
地球大氣層的形成
很明顯地，地球成長至今天的大小，是經由“吸積作用”、或者是由形成太陽系的高密度星際雲氣，這種稱之為〝太陽星雲〞的一些小粒子堆積吸附而成(見第四章)。所有環繞太陽的行星、衛星、小行星、及慧星，從45億年前起，皆經過這樣的一個吸積作用的過程，而有今日這般的大小。由於氫是太陽星雲中最豐富的元素，因此科學家們曾一度相信氫氣必定佔了地球初始大氣層的絕大部分。當有大量的自由氫原子與分子準備與其他原子和分子反應時，便是化學家所習稱的〝還原〝狀態。多年以來，科學家斷論地球的原始大氣層必定是被高度還原的，也就是充滿了氫及含有多氫的分子：如甲烷、阿摩尼亞、及水蒸氣。若是如此，地球的原始大氣應和木星、土星這些巨大行星到現在都沒有改變的大氣一樣。多年來，這種描述地球初始大氣的說法已被廣為流傳及接受，但由於一些新的發現，這樣的一個理論模型便需要有所修正了。
P182
在研究大氣組成中佔極少部分的“鈍氣”，如氖、氬、氪、氙等的含量，和仔細觀察年代最久遠的岩石的過程中，科學家發現地球可能從來沒有自形成地球的星雲中吸積塵氣以形成大氣層。行星形成的〝吸積作用〞可能是以含多量“揮發性元素”的冰狀及岩石類物質，在其作用過程中的最後一步，才加附於地球的(圖8.3)。這些揮發性元素皆是最輕又最易汽化的，包含了像氫、碳、氮、和氧等。在今日的大氣層和生命的本體中，這些元素都是分子的主要成分。而“後期吸積物質”必定與今日太陽系中所發現的一些隕星、慧星相仿(見第11章)。特別是慧星，含有大量的“揮發性物質”(易汽化蒸發的元素及化合物)，它對地球上同類物質的形成，必定有所貢獻。
圖8.3
原始地球在吸積作用下逐漸成為現今的地球，而充滿著如氫、碳、氮及氧這種揮發性元素的物質，在這個過程的最後一刻加入了地球。因為較大物體的撞擊發生在吸積作用的早期階段，所以當時的溫度是比後期來的高。
P183
據我們對行星生成的一些新的瞭解，在地球表層(及其他內行星)滲透漫延的這些揮發性物質中，只含有極少量的自由氫原子及氫分子(H2)，其餘的皆已和大分子鍵結。這些已鍵結的氫原子藉由化學反應，在星際雲氣或太陽星雲裏，成為水及有機化合物的一部分。
因為被其與地球相撞擊時產生的熱能所加熱，後期吸積物質會將大部分的揮發性物質汽化而造成地球的原始大氣層。在地球初始的一億年間，任何存在的氫原子與氫分子必定已脫離地球，因為當時的地心引力並不足以牽制住它們。而與如水蒸氣這種較重分子相鍵結的氫，則會被保留下來。而這些氫也並非全然安全。盛逢青年期的太陽所放射的紫外線會破壞一些較重的分子，使其支離破碎。這種過程，稱之為“光解作用”，而分子的殘骸則會彼此鍵結而成為新的化合物。當含氫化合物一旦遭受紫外線光子的撞擊或者被其他的能量(譬如閃電)破壞，則每一氫原子與分子即可趁機被釋放出來，而與其他的化合物反應，或是逃脫這個星球。
當這個情形發生時，如果我們也考慮大氣氣體與地球原始地殼間的反應，其淨值效應將會是一個輕度還原的原始大氣。其中主要的成份是一氧化碳(CO)，二氧化碳(CO2)，氮(N2)，以及水(H2O)，而持續逸出的H及H2只佔了極少數。對於任何地球般大小，且與地球軌道中心恒星相當接近的行星來說，都可能發生類似的情形。這種行星的大氣層，不論有無生命現象，皆會逐漸由還原性而變成低還原性，而終至“氧化”(多氧)狀態。我們可以在太陽系的火星及金星上見到這樣的結果。
大氣層的進化
一旦大量的氫自原始大氣中逃逸，便會產生一個顯著的改變:大氣層可以產生足夠的“臭氧”來保護地表，抵禦太陽紫外線的照射。臭氧分子(O3)是由三個氧原子組成，不同於一般的氧分子(O2)是由一對氧原子構成。當紫外線光子撞擊到水蒸氣分子(H2O)時，這分子會斷裂成為氫及氧原子。
P.184
長久以來，當大氣含有豐富的氫分子時，任何氧原子便會馬上與之結合生成水蒸氣，而無法形成氧或臭氧分子，但是，一旦氫自地球汽化，臭氧及氧分子仍是會形成的¾雖然量不是很多，但足以將紫外線光子隔離於地表之外。臭氧分子對紫外線有極強的吸收能力，即便是濃度非常低的臭氧，就足以隔絕能致我們於死地的太陽光紫外線幅射。
因此，我們必須在地球大氣進化的成份中，除水蒸氣，二氧化碳，氮及一氧化碳外，再加上少量的氧(少於百分之一)，和極微量但卻舉足輕重的臭氧。但是目前為止，我們所討論的大氣成分與現今地球大氣的成份，例如氮，氧等主要分子，少量的水蒸氣，極微量的二氧化碳和幾乎不存在的一氧化碳相比較，仍然相去甚遠。這些變化是如何產生的呢?
生命!該是個最基本的答案罷。大氣中所有的氧，幾乎都是由地球生命所提供的，生物體也會幫忙除去二氧化碳，並且保留氮氣。因此，讓我們依循大氣中的每一個基本要素，來瞭解在過去40億年的發展中，現今大氣的組合產生的來龍去脈。
首先，早期中佔有量極豐富的水蒸氣，在今日的大氣中仍有一席之地。蒸發與降雨的循環，以及緊接著留入海洋的水，保留了小部分的水並將以大氣蒸氣的形式出現。當它們在冷的表面上凝結，或形成雲雨或雪的時候，我們便可以見到這些蒸氣。但地球上的水，大部分還是以液態形式，存在於覆蓋著百分之71地表的這個大蓄水池中。海洋使得地球在太陽的行星系中更顯得獨特，而且早在地球起始的時候，水蒸氣便因地表的低溫而凝結成海洋。如同稍後我們在探討金星和火星時會見到的情形一樣，行星表面恒存的液態水¾生命起源及延續的基本要件¾同樣也需要一些相當特別的條件，得以存在，而這些條件卻正好是地球所具備無缺的。
大氣層的生命效應
二氧化碳(CO2)或許曾一度是我們大氣層的主要成份;同時也是地球上，僅次於水(H2O)，藏量第二高的揮發性物質。今日，地球上大部分的二氧化碳則以化合物的方式儲存在岩石當中，並且以如白堊及石灰石這類的“碳酸鈣”(鈣-氧化合物)為主體。
P.185
這些碳酸鈣岩石乃是經由溶解於海水中的二氧化碳而形成於海底。當二氧化碳轉化消失，成為此類岩石的一部份後，便有更多的二氧化碳會溶入海水中，而這種程序會持續進行，直到大氣中的二氧化碳幾近消耗殆盡為止。雖然碳酸鈣在無生命存在的狀況下仍會產生，但是海洋生物的出現卻大大地加速了其形成的速度。我們可以在海洋生物幫助之下所形成的石灰石中，找到它們的殘骸。數十億年以來，這些由生物及無生物幫助下形成的碳酸鈣已經使得地質時期產生的二氧化碳，幾乎完全消失。小量殘存的，皆是拜如火山爆發，岩石風化，動物的呼吸作用，以及有機物質的腐化所賜，而得以重返大氣。
大氣中的氧，如我們所見，在生命繁盛前是相當少量的。綠色植物的光合作用大量地增加其藏量，直到今日佔大氣組成的21%。化石記錄顯示，在25億年前形成及掩埋的岩石是在“次氧化”過程(低氧狀態)中產生的。完全氧化的岩石則只在這過去25億年內才形成。由群棲在水邊及岩石沉積邊上的藍綠菌所組成的“疊藻層”岩石(圖8.4)，是氧氣快速釋放之有力的時間指標。這些形成疊藻層的藍綠菌是最早釋放氧氣至大氣層的生物之一。古代疊藻層化石指出在20到23億年前，藍綠菌才遍佈地球多處。而在此之前，則不多見。因此我們可以假定釋氧有機體，譬如形成疊藻層的細菌，大量出現的時間應是在不到25億年以前，而這正是地球歷史的一半。大型植物一如樹，花、及草－出現的時間，則近於6億年前，因此，實在應該感謝藍綠菌，給予我們這麼一個氧氣豐富的大氣層(彩圖7)。
大氣層中含量佔百分之78的氮，來自於“釋氣作用”(由地表下岩石釋出，而進入大氣層)，但地球生命的存在，也幫助解釋了大氣中氮的“恒存”原因。每一次，閃電放電時，電流使得大氣中的氮與氧反應而形成一氧化氮。而後經雨水沖刷進入了土壤及海洋。若地球上沒有生命，只有緩慢的岩石風化方能使氮重返大氣。事實上，有種大量存活在土壤中的“去氮化菌”，這種微小的有機生物可以支解一氧化氮。所以去氮化菌在氮的再循環中，又扮演著極其重要的角色。
P.186
圖8.4
現今澳大利亞西岸的疊藻層地床看起來是十分特異的，它們正代表著疊藻層在地球上數十億年的生長歷史。
當光合作用開始釋出大量的氧氣時，這個高活性元素會與任何未“完全氧化”(所能攜帶負電荷氧原子的最大數目)的化合物反應。如此一來，曾在遠古時期的地球大氣中，佔有一席之地的一氧化碳，便與氧反應生成了二氧化碳。
「氬」，這個當今大氣層中的最後要角，只佔了空氣中的百分之1。對氬而言，因為它是一個鈍氣元素，故不會形成他種化合物，而可以說是一不受生命體影響的氣體。大氣中的氬有超過百分之99是由地殼中少量幅射性鉀元素的衰退而來。含此種鉀元素的岩石，經腐化及熔化過程而釋出氬，因此氬可藉著此“釋氣作用”不斷地返入大氣層。在地球形成的吸積過程中，被吸陷於物質中的氮及其他氣體，也是依此程序回歸大氣的(圖8.5)。因而，我們會預期，在任何行星系統中的岩石星球，皆能發現氬的蹤跡，當然，前提是這顆行星有夠大的質量不讓氣體逸入太空中，同時，行星的年齡也必須夠老，才能藉由放射性衰減，產生足夠量的氬。
P.187
圖8.5
如本圖所示，這座位於夏威夷群島中的火山，時至今日仍然會釋出新的氣體。地球的原始大氣便是由撞擊地球的慧星、隕星、以及熔漿所釋出的氣體所組成。
前述的章節總括了地球原始大氣層受到太陽紫外線幅射、化學反應、釋氣作用，氫的逃逸以及生命源起及進化等影響下所產生的變化。而這些影響所導致的結果，會使得原始大氣中的二氧化碳，氮，氫，及一氧化碳被氮和我們所呼吸的氧所取代。而大氣中的水蒸氣¾連同產生水蒸氣的海洋¾可能存在於整個地球的發展史中。
現在，我們要試著找出生命在地球變化的大氣下，得以生存發展的方式，當然，這些變化，很明顯地是由生命本身的活動所引起。我們已經強調過生命在分子階層上的共通性，並由此共通性而推論出生命是由共同的祖先所演化下來的。在下一章將會對這種演化有深入的探討，但我們仍可以不加思索地知道一個重要的事實:生命的複雜性是與日俱增的。最早顯示出有生命跡象的岩石中，只有微生物類生命的蹤跡，比此更早期的岩石，則根本沒有任何生命存在的證據。這些岩石的絕對及相對年齡是藉由放射性衰減過程中，母子元素的量來決定的。
P.188
而先前描述測量岩石中鉀的量以決定空氣中之氬含量，也是依照類似的方法。因此，地球的高齡是無庸置疑的。一個僅有幾百萬年壽命的星球所能產生的氬遠不及地球上氬的含量。同樣地，生命型式由簡單而複雜的進化過程不再是一個假說，而是一個不爭的事實。但是，這樣的過程是如何開始的?在地表及大氣中的原子及分子，又是如何相互鏈結而形成具有生命的集合體的呢?
生命起源的初步概念
如果檢視各個不同文化對生命源起這個問題的處理方式，我們發現人類常在直覺上以某種外在因素為由，來為我們所觀察到的新事物的出現方式作合理的推演，因此常會說成是某種力量或動因，“令其發生”的。所以，生命因果律的前提是必須要有某種活著的東西先行存在，而後地球生命才能誕生。這與今日地球上新生命生成的簡單觀察是相互一致的。所以，大部分的宗教皆以外來力量，如神化及萬能的神的方式來解讀生命的起始，這種訴求方法，其實不足為奇。
而一些依然相信地球生命絕非自發性生成的科學家們，則已提出了生命是遍及宇宙的這個論調。由瑞典化學家司孟德．阿爾殷尼斯（Svante
Arrhenius）在1901年所發展出的“胚種論”概念，描述生命如同漂浮的胞子，在星際的界面中游盪，偶爾會休憩在可能發生繁衍及進化的行星上。當我們愈來愈瞭解太空旅行的危險性時，胚種論的假說便愈來愈難以被採信了。歷經數千萬年，甚至更久的時間，在一個接一個的行星系統中，漫無目的地尋找，長時間暴露在高能紫外線幅射、X射線以及星際空間中瀰漫的宇宙射線粒子下，那應該是一個終將致命的結局。再說，胚種論假說並未回答我們最想知道的問題。如果地球是受孕於外太空漂流而來的胞種，那麼，這些胞種又是來自何處的呢?
生命起源的化學進化模型
生命是如何興起的呢?各種實驗室的實驗指出，在含有自由的氧的大氣中，形成生命系統的化合物，並不能藉著自發性化學反應而產生。如果無生物至生物的轉換過程確實是發生在地球，那麼，發生轉化當時的情況與現今必定會是大不相同的。這個結論與我們從化石記錄(回溯時間的過程)以及重建地球早期的風貌(行星形成的順向過程)中得到的推論，完全吻合。
P.189
前述的章節，傳遞了一個明確的訊息，我們在第17章還會再加以地探討:如果自生命興起後的40億年間，所有的生命體皆被消滅，那麼生命應該是沒有機會再次復甦的。因此，如果一些全球性的效應，譬如冰河時期，臨近超新星的爆炸，或者大行星撞擊等，而引發地球生命的毀滅，那麼，地球至今應仍是一幅蒼海難為水，千山鳥飛絕的荒蕪景象。當我們試圖從地球生命的歷史中，來推論其他恒星的行星系中生命的存在時，我們必須謹記上述的可能性。
傳統對於早期地球的描述，諸如其原始大氣層是由甲烷，阿摩尼亞，及氫分子所組成，並含有可凝結的水等，提供了一個非常容易製造有機（含碳）分子的環境。在這個看似早期地球的低還原性環境中，有機化合物也能被合成，只是較為不容易。而合成有機化合物的化學反應所需的能量來源中，太陽是最主要的一個。在自由的氫逃逸之前，太陽的紫外線可能早已放射到早期的地表，因為該時期並沒有臭氧層來隔絕這種短波幅射。高能光子可能成為主要的能量來源，而其餘的能量，可以得自於閃電、地熱源（熱噴泉及火山），岩石中的放射性元素，隕星以及亞原子粒子的撞擊，甚至於打雷或海浪浪濤所產生的震波（圖8.6）。
今日，因為紫外線摧毀了許多生命必需的元素，這使得太陽紫外線幅射幫助了生命的源起這個說法，聽起來頗為諷刺。這種矛盾的角色，其實是可以解釋得通的，大氣中形成的有機分子可以藉著降雨而被沖入水坑池塘之中，或者在水、陸地及空氣的界面上所形成的分子，可以進一步移居入較深的水中。因為只需要數公尺的清水或一層有機化合物的薄膜，就能適當地隔離太陽的紫外線了。
就傳統上科學的角度而言，對於原始地球中生命的形成，應該要包含自大氣層氣體中自發形成的複雜分子，以及這些分子稍後存在於池水中的濃度。有一些化學反應可能已被具有適當活性界面的土壤物質催化、或加速。而雨水的沖刷，則能幫忙把這些分子產物帶入池塘、湖水、或海洋邊緣的潮汐區中。
P190
圖8.6
原始地球上，化學反應所需能量的來源有：地球的磁氣圈；太陽的紫外線幅射；閃電的放電作用；區域的地熱源；放射能；隕星的撞擊，或甚至是海洋潮流的衝擊波。
這些水坑池塘因而含有高量的有機化合物及溶解的礦物質。它們可能提供分子反應所需的養分以及保護的環境，直到某種可以主導其他分子生成的化合物產生為止。而池塘邊緣黏土的紋理，也可以幫助這些小分子聚合而成大分子（見第198頁）。
潮汐區生製造命成分的混合結構，在查爾斯、達爾文的生命起源，“溫暖的池塘小窩“概念中，已隱約可見，英國的生物學家J.B.S.哈爾丹（Haldane）和蘇俄生物學家亞歷山大、歐帕林（Alexander
Oparin）則各自發展了極詳盡的模型，將地球的原始海洋定義為一個稀釋的有機清湯，一個讓更加複雜的分子，得以在其間茁壯生長的“原味湯”。
P.191
簡單地說，藉這個生命在原味湯中興起的概念，告訴了我們原始地球的自然環境應能導致（1）簡單有機分子的生成，（2）選擇一個沒有化學變異性疑慮的途徑，來形成複雜性，（3）發展出啟動生命工廠所需的特定化學活性，以及（4）細胞膜的出現，來防止這些必要化學物質的分散。但是這個概念有多好?我們要如何來驗証它呢?
原味湯模型的實驗証據
這個模型的第一部分¾即有機分子是在早期的地球中自然生成的假說¾在1953年時，由史丹利．米勒（Stanley
Miller）及哈洛德．尤瑞（Harold Urey）以實驗加以測試。
圖8.7
史丹利•米勒和哈洛德•憂雷實驗設置的簡圖。在5公升的燒瓶中，裝有水、甲烷、氫氣，以及阿摩尼亞，用來模擬地球的原始大氣以及海洋，並以電流的放電設置來產生能量。
P.192
圖8.7即是這個經典實驗的設置略圖。當中，在上方的燒瓶中含有甲烷、阿摩尼亞、氫、及水蒸氣的混合氣體，是用來代表地球原始時期的大氣層。其能量則是以電流放電的程序產生，當然也可以紫外線光子（或震波）的方式產生。下方燒瓶中的水則是模擬地表上的水流聚匯處。而加熱器以及凝結器使得系統中的水蒸氣得以循環，即如同水池中的水汽化後，進入大氣而凝結成雨，然後帶著大氣中形成的化學物質，一起降落地面，雖然我們對於以混合氣體的方式來代表初期的大氣層仍心存懷疑，並且認為充滿礦物質的地表不是一個燒瓶就能替代的，但是，若單由機械工程的角度，來看這個實驗的設計，以及整體上模擬原始地球的情況而言，仍是相當不錯的。
當我們持續供給能量，並讓實驗一直地進行時，會發生什麼狀況呢?歷經了數日不間斷的實驗後，有機分子開始出現在含水的燒杯瓶當中。在對這些混合物做化學分析後，竟然有令人振奮不已的新發現：除了大量無法確認成分的“一坨“有機物質外，包含了甘氨酸及丙胺酸在內的胺基酸竟已形成，同時也產生了如糖，核甘酸鹼基，以及其他數種有意思的化合物。
我們可以藉著產生甘氨酸的化學反應來說明整個系統發生的變化：
1
阿摩尼亞分子
+
2
甲烷分子
1 甘氨酸分子
+
=
+
2 水分子
5 氫分子
+
能量
若以符號方式表示，
能量
NH3+2CH4+2H20
¾¾¾®
C2H5O2N+5H2
在這個實驗當中生成的其他種胺基酸，也是依類似的程序產生。當想到所有已知生命的主要活動力，是基於胺基酸製造出蛋白質的反應，那麼我們即可知道這些胺基酸的產生，對於生命物質而言，是何其重要的一步。同時也初步證明組成生命的基本物質，能在至少一組可能的原始環境中生成。而在隕星中發現胺機酸的存在，更輕易地說明化合物是可以在自然狀態下生成的（見第11章）。
P.193
當今地球的生命中，其胺基酸當然不是來自於隕星，或是從複製米勒—尤瑞的實驗中得到，而是經由生命系統所製造的。我們可以藉著研究這些重要分子的對稱性來加以說明。在米勒—尤瑞實驗的原味湯中產生的胺基酸（和那些發現存在於隕星中的胺基酸），包括了相同數量的右手旋及左手旋分子。而如我們先前所見到的（第160？？？頁），生物系統中所有蛋白質的胺基酸，全都是左手旋分子。顯然，地球生命在一開始便已從這兩種可能的“手式“中，擇一而終。如我們先前指出的，這種選擇性的助益頗大，因為如此一來，才能使得由胺基酸為單位組成的複雜分子，在結構上的設計得以更加地精確。
因此，如果外星生命也使用胺基酸，或許他也已經在這兩種結構中做了選擇。由此，我們對於生物製造的分子及自發性形成的分子之間的區別，得到了一個很好的驗證。後者總是會產生同量的兩種結構，而前者則展現了明確的單一選擇性，在地球上，這的確是個不爭的事實。
生命的起源果真如此嗎?
讓我們從化學實驗室回頭來觀察原始時期的地球。我們已經找出了蛋自質造磚形成的方式。那麼，對於脂類，碳水化合物，及核酸的組成成份又是什麼呢?
我們發現有一些極簡單的有機酸，可以直接在米勒—尤瑞實驗中合成：譬如醋酸、蟻酸、以及甲基乙醯酸。而有機酸會幫助脂肪酸（脂類）的形成，這雖然讓我們暫時性地得到鼓舞，然而，這一切仍然是值得在仔細推敲的。
從上一章對DNA的討論當中，我們知道，每一個核甘？？？酸包含了一個糖（脫氧核糖）以及四種鹼基（腺嘌吟，鳥嘌吟，胸腺嘧啶，或胞嘧啶）中的一種，再加上一個磷酸鹽（磷酸）。RNA則是以尿嘧啶代替胸腺嘧啶。並非所有的物質皆能從米勒-憂雷實驗中得到，但是這個實驗倒也可以產生如甲醛，乙醯氰，氫化氰，和尿素。這些化合物在我們尋求解答的路上，倒是助了我們一臂之力。若在鹼性溶液中加熱甲醛，或者在有黏土的狀況下，我們會得到糖。因此，我們從碳水化合物的生成中，慢慢地找到一條製造核酸中關鍵結構的路徑。猶如約翰—歐羅（John
Or’o）在一個不同的實驗中指出，氫化氰的進一步反應，可以生成腺嘌呤，而尿素與乙醯氰，則可以反應形成胞嘧啶。我們可以假設磷酸鹽是來自於岩石的風化，接著被雨水沖入沈積的區域。甚至到了今日，我們仍然可以觀察到這些反應的過程。
P194
到目前為止，一切進展都還令人滿意，但是仍然沒有人可以從化合物的混合體中，製造出所有基本的結構。或許我們只是忽略了一些適當的化學反應，亦或是僅僅欠缺一些特別的環境限定的考量，才無法完成這整幅圖像。另一方面，我們也可能是在一路的搜尋過程中，走錯了路，也可能是需要一個全然不同的化學系統，才能使生命重現。
如前面所述的，米勒—尤瑞的基本實驗設計，在過去這世紀來，最為科學家所詬病的，是他們認為當初的實驗條件中，所提供的混合氣體中自由氫的含量，遠高於地球大氣中自由氫的含量。無論如何，其他科學家則已經證明，在含極少量自由氫的低還原性大氣中，依然可以產生複雜的有機分子。舉例來說，當我們對著含二氧化碳、一氧化碳，氮以及少量氫分子的混合物，照射紫外線光時，便會產生氫化氰和水。氫化氰將其置於鹼性溶液（早期海洋）中，只要紫外線持續照射，它也能製造出胺基酸，這個反應同時也會產生氰化胺。當我們將氰化胺與胺基酸相混合在一稀釋溶液中，並以紫外線照射，氰化胺便可以和胺基酸相鍵結，這也正是蛋白質生成的第一步驟。若以化學式來表示，我們會得到：
3 氫化氰分子
+
1 甘氨酸分子
2 水分子
= +
+
1 氰化胺分子
能量
以符號表示：
能量
3HCN+2H2O ¾¾¾®
C2H5O2N+CN2H
我們由這些實驗得到一個結論，對於生命系統製造重要化合物的這第一步而言，如米勒－尤瑞實驗那樣含氫量極豐富的環境，並不是絕對必需的。
P195
反之，最基本的必要條件，當是大氣中無自由氧的狀態。換句話說，我們深信對於早期的生命系統而言，氧氣是“有毒“的，而這個事實，就如同今日我們深信氧氣是動物生命發展的必備條件一樣。然而在我們確定知道有機化合物是如何生成之前，應該使用原始地球的模型，來持續更深入的實驗研究。藉著相關於大氣形成的數學計算，以及那些大氣中假定的組成元素間彼此相互的反應以及與地表物質間的化學反應，我們便可以在某種程度上去評估模型的“真實性“。我們也必須追蹤逃脫地心引力場的小分子。無論如何，就算我們能以飛快的速度作計算，這些數學模型的好壞成敗，跟我們對組成成份及其所因循的化學途徑的瞭解和知識，是同進同退的。
換句話說，只有在我們瞭解全部的狀況下，運算的方式才能提供一個獨立的答案。但我們現在就是根本不知道原始地球存在當時的各種條件！同樣的問題，也發生在以實驗方式探討生命起源的時候。這種方法的好處在於它自己能夠解釋運算出來的結果。但是，在不完全知道環境的條件下，我們依然無法去設計一個令人滿意的實驗。頂多，我們能驗證某些混合物以及某些機轉，的確能產生蠻合理的結果。從這一方面來看，我們倒是一直都做得不錯。
外在的選擇
要指出原始地球上環境變遷的各種可能性，我們可以簡單地假定一些全然不同的生命源起的過程。在行星形成的數億年間，每一行星會遭受到各種不同大小的流星及彗星的強力撞擊（見第11章）。但地球生命卻似乎正好在這期間或之後才開始出現！難道流星的撞擊在生命的起源中，亦扮演著某種角色？
幾乎可以斷言的是在撞擊最強烈的那一段時期，對生命的起源只有負面的影響。大的撞擊會毀滅大部分的大氣，而較小的撞擊則會產生一個滿佈揚塵的暫時性大氣，最終，地表會因過熱而成為不毛之地。這暗示說，唯有在撞擊主階段結束後開始的生命，才有可能延續下去。
P196
圖8.8
畫家筆下的原始池塘中，一個小慧星或含豐富揮發性物質的隕星衝入隕穴形成的湖中。如班頓．克拉克所提出的，彗星中的有機物質在會湖中擴散開來並成為化學合成反應的資源。
在當時，撞擊所帶來的另一個影響也相當地重要。只要地球的大氣厚度足以減緩較小撞擊物體的大碎片的速度時，一些這種撞擊物所含有的有機化合物，包括胺基酸，便可能可以安全無恙地抵達地球表面（圖8.8）。這對地球、金星，勉強加上火星而言，無疑是在生物化學的條件蘊釀中搶得了先機。我們認為這樣的情形可能已經發生在任何一個隸屬於太陽系，而且具有足夠密度的大氣的岩石態行星上。
我們不難想像，池塘內有機分子的生成，是水流經過坑坑洞洞的地表後所造成的結果。而在大撞擊下所形成的隕坑，本身即可變成湖泊，成為這些化合物間進一步反應的絕佳地點。這些由慧星及流星所帶來的有機物質本身的破壞斷裂，不僅可以持續地供應氫，同時也填補長期以來不斷地自地球大氣上層逃逸流失的氫。如此一來，含氫豐富的環境，才能延續得比我們原先預期的要來得久遠。
高分子聚合作用
慧星及流星的影嚮，並不會根本改變我們探討生命起源的方法。我們依然必須假設在一些可能的化合物中，會發生自發性的化學反應。
P.197
但請記住我們討論的重點所在。我們僅考量過蛋白質、脂類以及核酸等組成要素的製造過程。然而，該如何將這些要素組成一個大分子呢?DNA和蛋白質分子是高分子聚合體，是一種藉由基本型構造單位不斷重覆連結而成的長鏈。我們的問題是分子如何以重覆的形式相連結：即高分子聚合作用。以DNA為例，這種聚合作用必須包括形成令人讚歎的雙螺旋結構(見第163頁？？？)。到底這些是如何發生的?我們並沒有答案。從來沒有人能成功地在自然環境的條件下，聚合這些成分元素。將DNA放在一鍋有著酵素及DNA單體的好湯當中，複製就會發生，但就算是知道它的組成及結構，我們至今仍無法讓起始的DNA能夠自發性地生成。
活細胞內DNA和其他高分子聚合體的形成，仍是試圖重現原始地球所發生的化學反應實驗中，亟待解開的謎團。現階段的理論指出黏土應是促成高分子聚合的重要角色，而且這種作用應發生在細胞發展之前。由生物學家目前普遍使用的一個簡略模型中顯示，分子開始組織起來的位置，是在週期性發生冰凍或乾涸的池塘邊緣的黏土塊粒般的表面上(圖8.9)。這種乾燥、冰凍或兩者同時存在的現象，常使得溶液中有機物濃度增加，並且幫助去除高分子聚合作用中產生的水分子。
黏土之所以重要，是因為在所有已知的微細物質中，它擁有著最大的表面積。此外，黏土中礦物質的排列特別適合於各種的有機化合物吸附在它顆粒狀的外露表面上。這兩種特質皆幫助了有機分子的聚集和水份的吸收。另外，黏土礦物質的組成原子，是排列於整齊的“晶格”中。晶格結構¾也就是如同有機高分子般重複性分子型式的所在¾其中所含的資訊，使得這種結構成為有機物質組織化的第一塊模板。
實驗証明，有一種稱之為“蒙脫石”的黏土確實是被當做一個模板，而幫助如腺甘？？？酸及鳥嘌呤這類重要物質的排列，以促進高分子聚合化的作用。除此之外，糖、脂肪酸，胺基酸，和蛋自質，都與此礦物質產生交互作用。“蒙脫石”可說是遍佈地球，而另一種類似的黏土，“囊脫石”，則是火星土壤的代表(見第14章)。黏土礦物質可能也存在於星際塵粒中，它們有助於產生那些被無線電波天文學家們在星際間所發現的一些有機分子(第94頁？？？)。在地球上，黏土主要出現在水聚流處的邊緣及底部，於此他們可以促成地球初期的高分子聚合反應(圖8.9)。
P.198
圖8.9
特定形態的黏土特別適合高分子聚合體的形成。在水分乾涸時，黏土的顆粒便能幫助聚集於該處的化合物形成長鏈分子。圖下方的化學方程式則表示出兩個胺基酸藉著放出一分子的水而形成〝縮氨酸〞的過程。數個縮氨酸相互鍵結便形成蛋白質，並且在每一次鍵結中都放出水分子。
李斯利。歐吉爾（Leslie
Orgel）及他在史多克（Salk）學院的同僚，則致力於另外一種論點。他們認為一些特定的有機分子，是可以作為生命起源基礎分子的模板。如同最近的發現，RNA可以自我催化(即做為自己的酵素)，顯示著RNA是在DNA之前，最早的訊息攜帶分子。
P.199
高分子聚合體之外
讓我們對在瞭解地球生命的源起所做的努力上，做一個總結整理。我們已經完成重建的歷史如下：
1.
45億年前，地球有個原始大氣，是由含碳及氮的氣體，另外再加上微量的氫所組成，完全沒有自由氧的存在，這樣的大氣則覆蓋於充滿了水的岩石地表上。在慧星及小行星的撞擊和持續不斷的釋氣作用影響下，大氣層可能已歷經了數次的毀滅與重建。
2.
接下來的數億年間，地表逐漸形成分佈廣大的“原味湯”，並由有機化合物及磷酸鹽來擔任主料。這是因太陽紫外線幅射，閃電的放電作用、及其他方式所產生的能量造成的結果。而其中的一些湯料，也許是由慧星及隕星所帶來的。
3.
湯中其他的化合物是在區域熱源、水衝擊，及蒸發和/或冷凍作用的助長下，經過持續性化學反應而成的。
4.
由於這些結果，接著高分子聚合物才可能在黏土的表面上生成。
這樣的順序，並不足以說明生命的起源。事實上，我們甚至連地球原始大氣的組成，都沒有十成十的把握。這個模型也是不夠完整，因為我們仍無法知悉生命的化學單體是如何形成，也不知道他們是如何鍵結成這個被視為生命基本元素的高分子聚合體。雖然如此，我們至少已經證明，只要原始大氣中含有少量的自由氫，一些重要的化合物便得以形成。這鼓勵著我們更進一步地去努力解決高分子聚合作用的問題。在自然造物是何其容易的這個事實之下，我們的模型也因此得到了佐證。因為所有在清單中所列舉的分子，都可以在星際雲氣、慧星以及隕星中被找到。
在高分子形成的這個階段，我們幾乎就要找到生命起源的答案。但是我們並不知道自然是如何架構無生物與生命物質鴻溝間的這座橋樑。相當有可能的是，許多不同的組合方式都發生了，而且當中有許多物質已成功地再生。如此一來，我們認為〝生命〞就是一個已經發展到擁有自我複製能力的系統。
P200
但其實這已經是生命發展相當後期的階段。在此之前，任意合成的蛋白質說不一定因為接受了類似現今RNA高分子的指示而早已存在。一個能自原始RNA製造出更多RNA的蛋白質之誕生，可能早已開啟了生命的成功之路。理論上，生命對於第一次嘗試複製必定不是那麼地嚴謹，以現今DNA的標準來看，其過程一定是極度粗糙的。早期的基因碼可能也不十分嚴密，僅用於分辨那些具有類似結構的胺基酸，而並非是對其做有目標的篩選。
這一切生命的過程，在今天皆發生在活細胞內，但在當時，卻未必如此，它可能發生在起始化學反應產生的池塘水池中。另一方面，一些生物學家認為細胞膜的完整發展，顯示其可能在高分子的複製之前，即已存在。對於造成細胞¾為細胞膜所包圍的區域，有機分子可在其中相互反應¾進化的關鍵點，至今仍然不明。不管如何，我們倒是可以確定地說，高濃度的高分子聚合物容易凝聚在一起，將溶液摒除在外，形成一種滴狀物。而此種滴狀物可以被視為細胞的原型(圖8.10)，在適當的長鏈分子下，它們會形成一個薄膜，將滴狀物含括其內。
實驗已証明，在適當條件下，這些滴狀物可以形成一個能產生簡單化學反應的系統。但仍然沒有人能設計出一個自給自足的系統，來模擬原始細胞的狀態。
圖8.10
稱之為凝聚體的滴狀物是在含有蛋白質聚合體（比較圖8-9）、核酸、以及糖聚合體的溶液搖動混合下形成的。如果在其間加入酵素，它便可在滴狀物內催化一些反應，藉以模擬簡單細胞的一些功能。
P201
在針對這個問題的另一個研究方法中，科學家們已指出，若以在模擬〝原始〞環境中產生的胺基酸，來發展成蛋白鍵結的高分子聚合體，那麼這些高分子聚合體在適當條件下被加熱時，便會形成與細胞大小形態皆相近的微球體(圖8.11)。就算這無法代表細胞生成的確切路徑，這個實驗至少證明了物質有進一步組織排列的機會。而生命演進的下一步，便是將一個可以指引整個細胞形成、維持和再生的自我複製系統，納入這種原型細胞之內。
這種推測可以適用於現今地球上物質的組織。上述原始有機體的發展，即相當類似於今日的病毒。這並不表示一個流行性感冒病毒就好比今日我們在某些荒島(或是灣岬深處)上發現了一隻恐龍一樣，可以把他當作是個“活生生的化石”。現代的病毒展現出對於它“寄生主體“周密的適應性，而這些寄生主體又是在地球後期才出現的。說真的，有些証據指出，現代的病毒全是從細胞衍生而來，這樣說來，在生命發展的過程中，細胞又應當發生在病毒之前了。
圖8.11
如果我們將某些類似於動物體內蛋白質的高分子聚合體加熱，其中的一些長分子鏈便會形成狀似細胞的微球體。
P202
但是，就其結構及功能來看，現代病毒與我們假定的原始有機體非常相似：兩者皆含有核酸，及蛋白質所組成的鞘殼，而且潛伏期都很長。對於這種原始且類似病毒的有機體而言，一個小而溫暖的池塘，或許就可以說是它的寄生“細胞”了。
結語
在我們試圖探索地球生命起源方式的過程中，我們必須瞭解一個事實，生命在至少35億，或許40億年之前就已經開始，而當時的地球環境與現今的差異相當大。而早期的地質記錄皆已消逝了，因此，我們必須根據現有的證據，以推縯的方法來揣測原始地球當時的狀態。
生命起源的化學進化需要一個沒有自由氧存在的環境。對早期的地球而言，這不是一件難事。因為現今的大氣內，幾乎所有的氧，皆是由25億年前即存在的生物光合作用而產生的。地球的原始大氣可能主要是由含氫量豐富的化合物，如甲烷和阿摩尼亞所組成。根據最新的證據顯示，原始大氣也可能是由二氧化碳，水蒸氣，一氧化碳，以及氮所形成的混合氣體。實驗上驗證出來，如果將這種混合氣體的任一組合，放置於一池水（模擬原始海洋）上，並暴露在紫外線幅射下（模擬未被地球現有臭氧層所過濾的太陽光），則簡單的有機分子便可以形成。這些有機分子包括了胺基酸，一種蛋白質大分子的基本結構單位。其他一些形成生命有機體中小分子所必需的化合物，也能在這些實驗室的模擬中產生。
對於生命的自然源起是絕對始於地球的論調，又有另一種有趣的說法。它指出所謂“先發性啟始”的存在，即地球在形成後的數億年間，一直遭受著慧星及隕星的撞擊。這些撞擊至少提供了豐富的碳、氮、氧及氫。而另外一種可能是，一些已知出現在隕星（以及慧星核體）的有機分子，在到達地球表面後，也匯入了那滋潤生命源始的溫暖小塘中。
一些在原始地球上形成，或是被傳送到原始地球的小有機分子，皆集中在池塘聚流裡，它們可以在池塘中鍵結而成長鏈的典型蛋白質及核酸。這些長鏈，或說是高分子聚合體，一直重覆著一個基本型式的構造單位。促進這種高分子聚合作用的方法之一，便是在黏土顆粒狀凸起不平的表面，聚集這些分子，然後經過週期性冷凍及解凍，或蒸發及潤濕的過程。還有另一個可能的方法，便是利用其他的有機化合物來作為模板。
P203
當不同類別的分子經歷過了各個階段，第一個能在分裂後進行再生的自我複製的分子結構，於焉誕生了。即使它的生命是短暫的，它也是自然界以嘗試錯誤的修正方法來製造生命的產物。具有複製再生能力的高分子聚合體相較於偶發形成的高分子，有著絕佳的優勢。因此，對於DNA複製能力的基本機轉，會出現在地球上每一個能自我再生的有機體的當中，也就不足為奇了。
問題
1.
為何我們認為在地球生命起始時，地球上的氧含量比起今日少了很多？
2.
為何我們不能藉著研究岩石中的地質記錄，而判定地球剛生成時的模樣（45億年前）？
3.
今日地球大氣層中的氧是由何處而來的？
4.
我們大氣層中的氮是從何而來？在哪種情形下大氣中的氮會逸出？又經由那種程序可以得到回補？
5.
數十億年前，地球生命是如何發生的？你認為什麼是這種過程不可或缺的成份？
6.
在實驗室模擬原始地球的環境狀態下，可以告訴我們哪些相關於有機分子形成的訊息？設計一個完全複製原始地球的精確實驗時會面臨哪些困難？
7.
何以黏土對複雜分子的製造，可能相當的重要？
8.
外太空存在的有機分子，有可能與地球生命的形成有密切的關係嗎？那又是什麼樣的關係呢
9.
在愈來愈多複雜分子形成的狀況下，何種情形會使你認為“生命“出現了？為什麼？
P204
10.
你認為現代細胞最原始的祖宗長得什麼樣子？它們必須克服哪些環境上的危險障礙？
進階參考資料