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他可能已经发现了生命起源的关键,却无人问津

他可能已经发现了生命起源的关键,却无人问津匈牙利生物学家Tibor Gánti的油画画像。
绘画:LÁSZLÓ GULYÁS

撰文:MICHAEL MARSHALL
 
  2009年4月15日,生物学家Tibor Gánti去世,享年75岁,此时的他籍籍无名。他的职业生涯大部分在铁幕背后度过,这道铁幕导致欧洲分裂几十年,阻碍了思想交流。
 
  如果在共产主义时代,Gánti的理论能广为人知,那么现在他可能会被誉为20世纪最具创新精神的生物学家。这是因为,他设计了一个尽可能简单的生命体模型“化学子”(chemoton),为地球生命的起源提供了一种激动人心的解释。
 
  生命起源是科学界最令人困惑的未解之迷,部分原因在于它融合了几个谜团。比如,地球形成时是什么样?空气由哪些气体组成?活细胞里的几千种化学物质,哪些是必备的,以及这些必不可少的物质是什么时候产生的?
 
  也许最难的问题也是最简单的:第一个生物体是什么?
 
  对于试图重新创造生命火花的科学家来说,化学子提供了一个很有吸引力的实验目标。如果非生命体化学物质能够自我组装成化学子,那么这或许就是生命从无到有的过程。即使是现在,一些研究团队仍在努力地接近这个模型。
 
  而对于对地外生命感兴趣的天体生物学家来说,化学子则提供了通用的生命定义,它与DNA等特定化学物质无关,是一个整体组织模型。
 
  “我认为,关于生命的基本原理,Gánti比我认识的任何人想得更深远,”匈牙利蒂豪尼生态研究中心的生物学家Eörs Szathmáry说。
 
生命的起源
 
  关于生命,目前还没有统一的科学定义,但科学家一直在跃跃欲试。2012年的一篇论文列出了123种已发表的定义。想要写出一个包含所有生命体,同时排除一切具有类似生命属性的非生命体(比如火和汽车)的定义,颇具挑战性。在很多定义中,生命体是可以繁殖的。但一只兔子、一个人或者一条鲸鱼本身无法繁殖。
 
  1994年,NASA的一位委员会把生命描述为“一种能够满足达尔文进化论,且可以实现自我维持的化学系统”。“系统”这个词可以指单个有机体、种群或生态系统,绕过了繁殖的问题,但也付出了代价:含糊不清。

他可能已经发现了生命起源的关键,却无人问津
 
  当时很少有人知道,Gánti在二十年前提出了另一种定义方法。
 
  1933年,Tibor Gánti出生于匈牙利中部的瓦茨小镇,早年生活在各种各样的冲突中。二战期间,匈牙利与纳粹德国结盟,但1945年,匈牙利的军队被苏联击败。苏联控制东欧长达几十年,和大多数其他东欧国家一样,匈牙利也成了一个卫星国。
 
  着迷于生命本质的Gánti学习了化学工程,后成为一名工业生物化学家。1966年,他出版了一本关于分子生物学的书《生命研究的革命》(Forradalom az Élet Kutatásában)。之后的很多年,这本书一直是大学里的主流教材,部分原因在于几乎没有其他教材可选择。这本书提出了科学是否了解生命是如何组织的这个问题,结论是否定的。
 
  1971年,Gánti在新书《生命原理》(Az Élet Princípiuma)中直面了这个问题。这本书仅有匈牙利语版本,其中包括第一版化学子模型,描述了Gánti眼中的生命基本单位。然而,早期模型并不完整,他又用了3年时间研究出了我们现在看到的最终版本——同样只有匈牙利语,而且网络上找不到这篇论文。
 
丰收的一年
 
  在研究生命起源方面,1971年可谓丰收年。除了Gánti不被看好的著作外,科学界还出现了另外两个重要的理论模型。
 
  第一个是美国理论生物学家Stuart Kauffman提出的,他认为生物体一定可以自我复制。那么细胞形成前这个过程是如何进行的?在推测中,他把重点放在化学混合物上。
 
  他认为这个过程是这样的:化学物质A促使化学物质B生成,化学物质B又促使化学物质C生成,以此类推,直至这个链条中的某个物质生成了新的化学物质A。一个周期后,每种化学物质都将有两个副本。只要原材料足够多,第二个周期将带来四个副本,并以指数级继续下去。
 
  Kauffman把这样一组物质称为“自催化集”,他认为这类化学物质可能是生命起源的基础,自催化集变得越来越复杂,直至它们产生并使用一系列复杂的分子,比如DNA。
 
  第二个是德国化学家Manfred Eigen描述的“超循环”,即几个自催化集结合在一起,形成一个更大的集。Eigen引入了一个重要区别:在超循环中,一些化学物质是基因,因此由DNA或其他核酸组成,而另一些是根据基因中的信息顺序产生的蛋白质。这个系统可以根据基因突变进行改进,而这正是Kauffman的模型所欠缺的功能。
 
  Gánti独立得出了相似的观点,但走得更远。他认为,每个生物体体内都必定发生了两个关键过程。首先,它必须建立和维系自己的身体,也就是说需要新陈代谢;第二,它必须有某种信息存储系统,比如一个或多个基因,负责复制信息并传给后代。
 
  Gánti这个模型的最初版本本质上是两个具有不同功能的自催化集,两者结合成为一个更大的自催化集,与Eigen的超循环没有太大区别。然而,第二年,一位记者向Gánti提问,并指出了一个关键漏洞。Gánti假设这两个系统都基于漂浮在水上的化学物质。但如果放任自流,它们会各自漂离,而化学子会“死亡”。
 
  唯一的解决办法是加入第三个系统:把它们包裹起来的外部屏障。在活细胞中,这道屏障是一种由脂质(含脂肪的化学物质)构成的膜。化学子必须有这样一道屏障,才能把自己维系在一起,而且Gánti判断,它也必须具有自催化性,才能维持和生长。
 
  到这里,终于有了完整的化学子模型:Gánti提出了一个尽可能简单的生命体概念,基因、新陈代谢,膜,彼此相互关联。新陈代谢产生基因和膜的组成部分,而基因会对膜产生影响。它们共同形成了自我复制的单元:一个如此简单的细胞,它不仅在地球上相对容易出现,甚至可以解释外星世界里的替代生物化学过程。
 
被遗忘的模型
 
  “Gánti很好地了解了生命是怎么回事,”加拿大温尼伯马尼托巴大学的合成生物学家Nediljko Budisa说:“很有启示性。”然而,直至2005年前后,Budisa才发现Gánti的作品。在东欧以外的地方,几十年来这本书一直无人问津,市场上的英译本很少。
 
  美国加州大学戴维斯分校的James Griesemer告诉我们,化学子出现在英语中是在1987年,这是一本平装书,翻译相当粗糙,几乎没有人注意到。后来,Szathmáry在1995年与John Maynard Smith合著的《进化中的重大转变》(The Major Transitions in Evolution)一书中,把化学子放在了最重要的位置。于是,Gánti那本1971年的书有了新的英译版,加入了一些新的内容,于2003年出版。但化学子仍是小众话题,6年后,Gánti逝世。
 
  从某种意义上来说,Gánti没有很好地推广这个模型:众所周知,他很难相处。Szathmáry说,Gánti对自己的模型很固执,而且偏执,以至于同事们“无法与之共事”。
 
  然而,化学子模型最大的问题或许在于,20世纪最后的几十年里,研究趋势是剥离生命的复杂性,追寻更简约的解释。
 
  例如,其中一个最突出的假设今天仍在流行:生命起源于DNA的近亲,RNA。
 
  和更有名的分子亲戚一样,RNA也可以携带基因。更重要的是,RNA可以作为一种酶,加速化学反应,很多专家因此认为,只需要RNA,就能诞生最初的生命。然而,这种RNA世界假说遭到了驳斥,特别是科学界尚未发现一种RNA能在无外界协助的情况下自我复制;比如冠状病毒这样的RNA病毒,它们需要人类细胞才能进行复制。
 
  其他研究人员认为,生命仅源于蛋白质,或者仅源于脂质。这样的想法与Gánti的综合方法差得太远。
 
一个真正的化学子?
 
  然而,本世纪的科学家们改变了这一切。现在研究人员倾向于强调生命中的化学物质相互作用的方式,以及这些合作网络是如何出现的。
 
  自2003年以来,哈佛医学院的Jack Szostak和同事在构建越来越逼真的原始细胞:包含一系列化学物质的简单版本的细胞。这些原始细胞可以生长和分裂,意味着它们可以自我复制。
 
  2013年,Szostak和他当时的学生Kate Adamala成功让RNA在原始细胞内完成自我复制。更重要的是,基因和膜可以耦合:随着RNA在内部堆积,外部膜会受到压力,促使原始细胞长得更大。
 
  Szostak的研究“和Gánti的非常像”,德国马丁雷德马克斯·普朗克研究所的合成生物学家Petra Schwille说。她还强调了日本东京大学丰田太郎的工作。丰田太郎在原始细胞中制造出脂质,这样原始细胞就可以长出自己的膜。
 
  对于化学子是生命起源,也有反对意见,其中一个观点认为它需要很多化学成分,包括核酸、蛋白质和脂质。很多专家发现,这些化学物质不太可能来自同一个地方同一些原始材料,因此RNA世界这样简约的概念才会有吸引力。
 
  但生物化学家最近发现了证据,证明生命的所有关键化学物质都可以用相同的简单材料构成。在9月发表的研究中,Sara Szymkuć带领研究人员在华沙的波兰科学院,利用几十年的实验,汇编成了一个数据库;这些实验旨在制造生命的化学组成部分。刚开始时只有6种简单的化学物质,比如水和甲烷,Szymkuć发现,它们可以形成成千上万的关键要素,包括蛋白质和RNA的基本构件。
 
  这些实验还没有能产生可以运作的化学子。可能因为它难以捉摸,也可能是Gánti精确的公式不完全是生命起源的运作方式。不过,关于生命元素如何互相作用,化学子为我们提供了一种思考方式,推动今天的科学家继续探索生命起源。
 
  Szathmary补充说,现在对Gánti的著作的引用越来越多。尽管具体细节有所不同,但目前对生命起源的研究更接近他的想法,这是一种综合研究方法,而非仅关注生命中的一个重要系统。
 
  “生命不是蛋白质,不是RNA,也不是脂质双分子层,”Griesemer说:“它是什么?是所有这些物质在合适的组织中结合在一起。”
 
(译者:Sky4)
本文内容为国家地理中文网原创或者授权编译,未经正式书面授权不得以任何形式转载或使用。
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