分子的化学进化

化学元素的产生和演化只是化学进化的一个阶段。化学元素产生之后， 物质的化学进化并没有停止，物质及其运动形式继续向原始生命产生的方向演化。这个阶段的化学进化，从物质客体方面来说，主要表现为分子的化学进化。

对于化学元素产生以后的化学进化的研究，角度不同，形成的理论和观点也就不同或不尽相同。关于化学进化的理论和观点，概括起来，大致有以下几种。

第一、实体结构观点

奥巴林于 1920 年提出了一个生命起源的化学进化的具体模型。他指出， 最简单的有机化合物——碳氢化合物是产生生命的最初物质，碳氢化合物的

进化导致类似蛋白质的化合物的形成，进一步形成胶体系统，由于自然选择的结果，这种胶体系统内部组织不断进化，最后产生生命。现代生物化学和分子生物学的研究成果表明，地球上物质分子是进化的，进化是分阶段的： 从无机物分子到有机物分子，从有机物分子产生出具有生物功能的小分子， 如氨基酸、卟啉、嘧啶等，从具有生物功能的小分子产生出复杂的生物大分子，如蛋白质、核酸等，生物大分子形成超分子系统，产生生命。可以看出， 进化的物质载体是分子，分子的化学进化与其结构密切相关，这种从分子实体及其结构的角度研究化学进化的观点，我们称之为实体结构观点。

从实体结构观点研究化学进化，人们自然特别注意有机化合物分子及其高度的化学活性。前苏联学者日丹诺夫指出，①即使不怎么复杂的有机化合物的分子也是对立性质和对立因素的集中点，具有非常丰富的内涵。就以非常简单的氨基酸分子——氨基丙酸分子来说，具有如下式表示的结构：

怎么复杂，但具有内在矛盾性。首先，从酸碱的观点看，它不同于无机化合物分子，在同一分子内部，同时存在羧基——COOH 和氨基——NH2。计算表明，在有机化合物分子中引入—NH2，自由能升高，而引入——COOH，自由能降低，而自由能是化学活性的量度。其次，从氧化还原方面来分析，该分子中既包含氧化态（COOH）的碳原子，也包含还原态（CH3）的碳原子。COOH 有吸引电子的倾向，而 CH3 由于诱导效应有交出电子的倾向。这两个基团具有不同的极性，导致这样的结果：在水溶液中，COOH 表现出亲水性，而 CH3 呈现出疏水性。这种区别在形成蛋白质大分子的特殊结构中起着重要作用。再次，从化学键来看，该分子中既包含饱和键又包含不饱和键（C=O），既存在亲核中心又存在亲电中心。还有，中心碳原子是对称的，它可以形成左旋构型也可以形成右旋构型。化学家在实验室中可以合成数量相等的左旋化合物和右旋化合物，可是在生物体中只存在左旋化合物。最后，该分子具有复杂的化学动力学性质。氢离子可以从一个碳原子转移到另一个碳原子，或者投向氮原子，形成内盐。分子中的氢原子被分在两种基团上：一种处于 NH2、COOH 基团中，另一种则处于 C—H 之中，后者中的氢原子可以形成分子内的氢键和分子间的氢键。

日丹诺夫对这个简单的氨基酸分子的结构特征所作的分析，意在说明， 有机化合物分子内部存在着多种多样的对立的基团和矛盾性质，这些是无机化合物，即使是复杂的无机化合物不能与之相比的。简单的氨基酸分子尚且如此，比较复杂的色氨酸、核苷、叶酸、泛酸等分子所包含的结构特性则更为丰富，更不用说更为复杂的蛋白质和核酸等生物大分子了。这些分析表明， 从无机化合物到有机化合物，从比较简单的有机化合物到比较复杂的有机化合物，再到生物大分子，体现了从简单到复杂、从低级到高级的进化序列。我们之所以说它们是进化序列，是因为它们的内在矛盾一步步丰富了、复杂了。这就是说，有机化合物比无机化合物的内在矛盾丰富、复杂，生物大分

① 参见日丹诺夫：《唯物辩证法和化学进化问题》，见（前苏联）《哲学问题》，1980 年，第 1 期。

子的内在矛盾比简单的有机化合物分子的内在矛盾丰富、复杂。同时，正是分子的内在矛盾及其逐步复杂化，决定着分子的进化，决定着物质的化学进化。随着分子内部矛盾的复杂化，分子的功能变得复杂化，化学变化的可能性也随之增大，分子的活性增加，所有这些综合起来成为化学进化的标准。当然，在化学进化的同时，也存在化学退化现象，即分子内部矛盾的贫乏化， 功能的简单化，化学变化可能性的降低等等。

徐光宪在综合现代化学、生物化学、天体化学等研究成果的基础上提出， 化学进化分为四个阶段：①第一阶段，化学元素的合成阶段；第二阶段，星际小分子的合成阶段，特别是甲烷（CH4）、氢气（H2）、水（H2O）和氨（NH3） 等分子的合成；第三阶段，生物小分子的合成阶段；第四阶段，生物大分子的合成阶段。他指出，关于宇宙演化中从无生命到生命的飞跃是在什么样的环境中完成的问题，目前尚无定论，现代理论比较倾向于认为，在水陆交界处含金属离子的泥土可能是生物大分子合成的无机模板。

从实体结构观点研究进化，其实质是研究化合物分子的进化。正如上面已经表明的，在我们这个星球上的化合物的进化，大体上可以分成三个阶段： 无机化合物、有机化合物、生物化学化合物。处于后一个阶段的化合物以前一个阶段的化合物为基础，在历史上是从前一个阶段的化合物成长和发展而来的，同时后一阶段的化合物又是进一步发展的基础。在化合物分子层次上所确立的进化观念，就其实质而言，是与生物学中自达尔文以来所确立的进化观念一致的。这种观念所指出的化学进化的方向，是从简单到复杂、从低级到高级的前进发展。

然而，如何从理论上说明化学进化不是热力学第二定律所指出的方向， 而是生物进化论所描述的方向呢？具体地说，化合物分子的进化途径，从无机化合物到有机化合物，从不可数计的可能存在的有机化合物中产生出数目不多的具有生物化学特性的化合物，以及达到高度有序的形式，这一切是如何发生的呢？在这里，即在化学进化中，自然选择似乎同样起着重要的作用。化学元素的自然选择是确凿的科学事实，在已知的众多元素中，只有几种（如 C、H、O、N、P、S）是构成有机体的主要元素，约占总量的 97.4％；还有十几种元素（如 Na、K、Ca、Mg 等）次之，约占 1.6％；还有二十余种元素约占 1％，其他元素在有机体中含量甚微。化合物的选择也是客观的事实，在已知的几百万种化合物中，有机化合物约占 96％而组成有机体的化合物为数不多。可是，仅仅提出自然选择，似乎仅仅承认了事实，并没有进一步说明事实。这个问题尚待进一步研究和回答。

第二，开放催化系统自发展理论

前苏联学者鲁金科提出，① 要研究和揭示化学进化的原因、动力和规律性，确立化学进化的物理化学基础，必须确定化学进化的特殊的物质客体。鲁金科通过化学进化和生物进化的比较研究指出，生物进化的客体是物种或种群，在物种概念基础上揭示了物种的起源和物种的进化规律性，建立了生物进化理论；可是，长期以来，在化学中始终没有能够提出和确立化学进化的客体，即类似于生物学中的物种那样的化学“物种”。化学进化的客体是

① 徐光宪：《辩证自然观与化学进化》，载《方法（自然辩证法研究）》，1983 年，试 1 刊，第 42—43

页。

① 鲁金科：《化学进化的物理化学基础》，见《物理化学杂志》（前苏联），1983 年，第 7 期。

什么呢？按照实体结构观点，化学进化的客体是化合物分子，而鲁金科基于对催化作用的研究提出，化学进化的客体应当是开放的催化系统。

鲁金科提出，化学系统可分成四种类型：第一种，孤立（或称封闭）非催化系统；第二种，孤立（或称封闭）催化系统；第三种，开放的非催化系统；第四种，开放的催化系统。最后一种系统既是开放的又是催化的化学系统，应当是化学进化的客体。按照鲁金科的意见，开放的催化系统具有如下特征：系统与周围环境发生物质和能量交换，从而保持自身的存在；这种系统是一个相互关联着的物质和过程的动力学系统，具有动力学的自稳定性， 具有自调节能力；系统对于外部条件变化具有反应和适应能力；系统中流逝着的各种过程具有充分的相互联系和相互制约性；等等。他认为在开放的催化系统中，存在着生物有机体大部分基本属性的原型，但是在这类系统中， 这些属性尚未充分发达和充分显示出来，而在进化的一定阶段上得到加强和得到充分显示。

鲁金科研究了催化反应，在研究中他认识到，关于催化剂本性和活性在化学反应过程中的变化，对于研究作为催化系统自发展过程的化学进化，具有重大意义。正是基于对这些问题的研究，他把化学进化看作是按照一定方式组织起来的化学系统的自发展，因此，这种理论称为开放的催化系统的自发展理论。

这种理论把开放的催化系统看作是整体性的、在功能方面不可分割的动力学系统，它是具有非平衡结构以及空时组织特性的化学反应系统。催化化学反应可用下式表示：

A + B→ A + B + C + D

 Ki

 →C + D

A、B 是反应物，C、D 是产物，Ki 为催化作用中心。如 Ki 的性质不发生变化，意味着催化作用能够重复发生。开放的催化系统作为统一的整体与外部环境发生相互作用，在发生相互作用时，可能发生不同的变化，而在一定条件下，系统具有演化性质，即自发展的性质，最简单的形式如下：

K0→K1→K2→K3→K4→⋯⋯Kn

系统结构因素的变化是不可逆的，系统结构的变化伴随着系统动力学性质的变化，系统实现进化的变化，也就是从简单到复杂的发展。这种发展被分成两个阶段：最初的化学进化阶段和前生物进化阶段，越过第二阶段以后， 开始了生物进化。

第三，超循环理论

艾根（Eigen）于 1971 年建立了超循环理论，该理论着重从生物信息起源的角度探讨生物大分子自组织过程和生命起源问题。艾根指出，在逻辑上应该把时间上并非完全割裂的进化划分成三个时期：前生物的“化学”时期， 复制“个体”的自组织时期，个体物种的进化时期。如果我们将这三个时期与上面所说的两个阶段相对照，可以看出，鲁金科所说的化学进化的两个阶段大体上相应于这里说的前两个时期。可是，鲁金科和艾根研究的重点不同。鲁金科研究的重点是第一个时期，即前生物的“化学”时期，也就是我们所说的化学进化，艾根研究的重点则是后一个时期，即复制“个体”的自组织时期。艾根指出，对前生物的“化学”时期的任何详细讨论，都会超出他的论文《物质的自组织和生物大分子的进化》的范围，这篇论文主要关心的是第二个时期，而且研究所得结论是：生物大分子的建筑材料，即氨基酸，像

ATP 及其碱基同系物那样的高能核苷磷酸，以及许多其他“生物化学”化合物那样，能够在需要之处形成，并能够在前生物条件下即在涉及到各种能源利用的还原性大气中发生聚合。艾根指出，在这方面依然存在许多问题，可能还要一代化学家继续奔忙。①*

超循环论中所说的超循环，就是循环的循环，确切地说，是催化循环的循环，催化循环又是反应循环的循环。因此，理解超循环，还得从反应循环入手。如果在一个反应序列中生成的产物与前一步的一个反应物相同，那么此系统类似一种反应循环，这个循环在整体上相当于一个催化剂。在最简单

的情况下， S ^E→ P ，E 表示酶，S 代表底物（或一般地说代表反应物），P代表产物。在反应中，E 与 S 形成 ES（酶—底物）和 EP，生成 P。从 S 到 P的转变中，酶的催化作用等价于中间物的循环复原，E 又参加下一轮循环。生物化学中的光合作用循环、三羧酸循环等，都是反应循环，它们在整

体上都相当于一个自维生的催化剂。在反应循环中，系统是远离平衡态的、伴随有能量耗散的开放系统。

“如果以反应循环作为亚单元，这些亚单元循环地联系起来，构成了反应循环的循环，这就叫做催化循环。”②在反应循环只要有一个中间产物是可以催化自己产生的催化剂，这个反应循环就成了催化循环。催化循环与反应循环相比较，是高一级的循环，它具有自复制能力。

再进一步，“如果以催化循环作为亚单元，这些亚单元通过功能的循环联系而连接起来，于是就构成了超循环。”③超循环和催化循环都是循环的循环，催化循环是反应循环的循环，是比反应循环高一级的循环；超循环是催化循环的循环，是比催化循环高一级的循环。超循环组织作为一个整体已经具备了自我选择的能力，并且具有一些特殊性质，例如，超循环使得这个通过循环连接而联系起来的所有物种稳定地、受控地共存；作为一个整体，超循环具有自促进的生长性质，它允许它的所有成员相干地生长；在一定选择条件下，各个独立的超循环将为选择而竞争，非线性的选择结果，类似于“全有或全无”行为，一个超循环的选择，是一种“一旦建立起来则永存下去的结果。①*

超循环论试图将物理学普遍原理推广到生物学，并与生物学研究成果密切结合起来，超循环论利用现代科学成果，对分子自组织进化模型进行分析， 试图说明构成生命的物质基础——核酸和蛋白质的关系，从生物信息起源的观点来看，是因果的相互作用的关系，是互为因果的循环。艾根指出：“要解决这种因果相互作用的难题，需要一种自组织理论，这种自组织理论可以应用于分子系统，或更准确地说，可以应用于特定环境条件下的特定分子系统。”②这种分子自组织过程，包含了随机事件。问题在于，某些此类随机结果如何能够对其起源产生反馈，从而使它们自身成为某种放大作用的原因。在一定外部条件下，通过因果的多重相互作用包括自我复制和选择，一步步向高度有序的宏观组织进化。在这个意义上说，循环是进化的，从反应循环

① M ·艾根、P·舒斯特尔：《超循环论》，曾国屏等译，上海译文出版社，1990 年版，第 222—223 页。

② 、

③ 魏宏森、宋永华等编著：《开创复杂性研究的新学科》，四川教育出版社，1991 年版，第 361—362 页。

① 魏宏森、宋永华等编著：《开创复杂性研究的新学科》，四川教育出版社，1991 年版，第 395 页。

② 艾根，舒斯特尔：《超循环论》，曾国屏等译，上海译文出版社，1990 年版。第 21 页。

到催化循环，进而从催化循环到超循环，构成了一个从低级到高级的循环组织，信息不断积累，功能不断完善，通过循环向高级组织发展。