论点四

在通用系统中存在习惯。例如，对氨基酸字母顺序做准确无误的选择以及为核酸词汇——即遗传密码——分配合适的氨基酸字母等，都是习惯在起作用的例子。一个特别明显的例子是：系统选取用于合成蛋白质的氨基酸一律都是“左旋的”，而据人们所知，“右旋”氨基酸也完全可以用来合成蛋白质。让我来说明这一点。

复杂分子通常与其镜中影子不相重合。这一点毫不奇怪。多数物体均这样。例如，你的右手在镜子中却变成了左手。只有那些相当对称的物体才没有“左”和“右”一说。

当两个或更多的物体须以某种方式结合在一起时，这些物体的“旋向性” 就开始变得重要起来。如果是左手，则它必须与左手套相配。如果一个螺母上刻的是右旋螺纹，那么一个与之相套的螺栓也必须刻有右旋螺纹。

同样，一个酶上的插座对一个与之相配的分子的“旋向性”通常也非常挑剔。如果这个插座是“左旋的”，那么只有“左旋”的分子才能插进去。因此，生物化学中必须有这种旋向区别，就像在人体工程中一样，这样“左旋”和“右旋”的物体就相互区别开来。鉴此，有关用于合成蛋白质的氨基酸均具有同样旋向的现象也许就不会令人感到惊讶了。这种现象应该有它的道理，就像螺母螺栓总是用一种旋向有它的道理一样。然而，选择哪一种旋向，是左还是有，这却纯粹是习惯使然。它可以用抛掷硬币的方式来决定。这种纯粹的习惯使然是一个普遍现象，这种现象正是生物化学的同一性

中最为奇特的特征之一。那么这种习惯从何而来呢？我们知道，非生物反应过程作为一种规则并不显示这样或那样的偏见。同时，要以任何现实的方法

证明“生命前驱汤”的任何组成成分均以一种旋向，即或“左旋”或“有旋” 的分子为主这一点也显得特别困难。由此可见，有关旋向选择的习惯很难被解释为一种有机物最初就已具有的特征。这种习惯似乎是伴随整个复杂系统的进化而逐渐形成的。如果以这样的方式看问题，那么，有关“旋向”习惯从何而来这一问题就像生物化学同一性所有其它表现一样，均属于同一个问题。这样一来，一种古典的达尔文式的解释就出现在我们的眼前。

不同种类的有机物具有共同的特征，对这种现象的通常解释是它们都源自一个共同的祖先。所有哺乳动物都有毛发，这是因为诸如奶牛、兔子、鲸、人以及蝙蝠等都是从一个有毛发的物种进化而来，因为当这个共同的祖先出现时，毛发已经成为它的一种重要特征。

然而，这种观点有时却可能会将人引入迷途。鸟的翅膀与甲虫的翅膀之间没有联系，不能用源自共同祖先的观点去解释。

由此可见，我们用这种观点解释某些现象时必须注意。然而，如果一种特征并非功能所需，如果它看起来像一种纯粹的习惯，如果这种特征完全有可能会是别的样子，那么，此时用源自共同祖先的观点去解释就有了比较可靠的根据。如果这种共同的特征很多，这时，可用这种观点去解释的根据已非常充分。生物化学中有很多“习惯”使然的情况，这一点使我们可以比较有把握地断言：生物化学之所以具有同一性是因为地球上所有有机物均从一个共同的祖先进化而来，这个共同祖先的某些特征已经固定。这是一种非常普遍的看法。

毫无疑问，上面提到的那些固定的特征就是那些形成生物化学同一性的特征。我们也许可以推测（从论点二）：这些特征是通过功能的相互连锁而固定下来的。（从论点三）我们可以推测，这个地球上所有生命的最后的共同祖先当时已经高度进化。它具有的固定的习惯最终将传给地球上所有形态的生命。

拿氨基酸的旋向来说，是“左旋”还是“右旋”？我敢说在这方面曾有过许多不同的决定，有过很多次抛掷硬币的结果。但是，因为所有生命均源自一个共同的祖先，所以需要记忆下来的只是一枚硬币抛掷一次的结果。

按照达尔文的物种世系图的推理，地球上所有生命的最后的共同祖先形成较晚这一点也就不难理解了。假定新的物种只能通过抽枝的方法从先于它而存在的物种中产生出来，又假定绝大多数物种都会消亡，那么，在经过一段足够长的时间之后，所有现存物种都可追溯到最初的分枝点以上的某个地方。达尔文的物种世系图就像下图中所示：你可以尝试自己画这样一棵树，在画树的抽枝以及树枝的修剪情形时均须随意为之。这时，你将发现这就是通常会有的结果。如图中所示，在树的最顶端的细枝就好比是现存的有机物，它们均和地面之上某个主要的分枝点相联系。

如果目前地球上显然已不存在真正属于原始形态的生命，这并不是因为地球上从未有过这种形态的生命。这甚至也不是主要因为竞争对原始形态的生命过于严酷的缘故（虽然我敢说竞争可能很严酷）。实际原因不会是这样。达尔文的世系图所包含的推理就已说明了这一点。在达尔文描绘的图中，抽枝、修剪，再抽枝、再修剪；这两者总是伴随在一起。

为什么（有些）“生命分子”容易合成？

那种认为处于原始状态的海洋充满了有机分子的观点现在已越来越多地受到怀疑。正像我们在本书第一章中所讨论的那样，现在看来，早期地球上大气层中占主导地位的是氮和二氧化碳。在这种大气层中合成有机分子要比在早先设想的那种甲烷居主导地位的大气层中困难得多。

紫外线对中型有机分子具有的摧毁力甚至要大过它合成这种分子的能力，这一点也正在被人们所认识。紫外线的总的效应是摧毁共价键。当然，裂开后的共价键会以新的方式重组，这样就会导致更多的新的分子合成。但尽管如此，紫外线的总的效应仍是破坏性的。这种效应是一种原子改组效应。所产生的典型的结果无非是两种：一种是形成一种非常复杂的混合物，如沥青，另一种则是形成简单但性质相当稳定的分子，如二氧化碳和水。

“海盗”宇宙飞船在火星上遥控着陆后拍摄到的情形从化学进化的观点来看可有力地证明紫外线具有的破坏性的一面。在火星表面似乎没有任何有机分子，其原因就在于紫外线的破坏作用。事实上，在强烈的紫外线照射下，有机分子根本就不可能合成。紫外线将火星表面的矿物质变成对有机分子具有破坏作用的物质，其破坏力甚至大过氧气。

即使没有紫外线的照射，也没有氧气的破坏，有机分子的混合物也难以保持不变。（窖藏的佳酿葡萄酒只需仅仅几十年光景就可改变。）构造复杂的矿物质表面可偶然产生催化效应，这种效应可加速共价键的任意改组，从而导致越来越多的复杂混合物（如焦油沥青）的形成。假如需要用具体实例来说明地球怎样对有机分子做加工处理，地下的原油就是一个很好的例子。有机矿物质通常都属于这类经共价键重组形成的特别复杂的混合物。

如果处于原始状态的海洋中确曾存在那种活性（“上紧了发条的”）小分子，如氰化物和甲醛，那么，情况可能会更糟。这些活性分子在各种能源的作用下从性质比较稳定的物质中产生。如果这些分子很纯，那么它们无须加以推动就会合成一些较为简单的“生命分子”（以及其它很多东西）。然而，原始状态下的海洋不会是很纯的。假如海洋中当时曾存在有机分子，那么这些有机分子的种类定然是无数的。因此，氰化物和甲醛的化学反应方式也定会数不胜数。这种情况就会导致更加稠密、颜色更深的焦油沥青的形成。

有机化学家对焦油沥青、冈克等类黏糊物质再熟悉不过。非常复杂的混合物只是有机化学反应的一般产品。碳、氢、氧、氮等元素的原子可以多种不同的方式组合起来，但问题却正是出在这种组合方式过于繁多。因为这样一来，要合成某种特定的分子，不管这种分子的复杂程度多高，则须通过设计和控制才能办到，哪怕只合成一点点也需如此。即使这样，形成复杂混合物的可能性也很难完全避免。因此，在合成某种特定的有机化合物的过程中，大部分艰苦的工作是“查病”。这是一种在一个反应发生后进行的除草工作，即将你不想要的分子剔除出去。合成任何复杂程度的分子都需经过一连串化学反应，每一个反应发生后都需对反应生成的结果进行仔细的检查，因为一般地说，每次反应生成的产品都不能含有任何杂质，只有这样，下一步反应才能进行。

在摹拟原始地球环境中生成的复杂混合物中已发现一些比较简单的氨基酸，这是事实。甚至核苷酸也已在一些据说可能是生命前驱产品的摹拟物中发现。然而，所有这些“生命分子”均数量极少，通常只不过是一些痕量产品而已。这些“生命分子”的发现常常是因为实验者具有较高的技能而不是

因为这些分子很容易合成。

糖的合成尤其不易。不错，糖可从甲醛溶液合成。但这些溶液的浓度却需大大高出存在于早期海洋中的溶液的深度。此外，糖的合成所需的化学反应实际上却是一个无效过程，因为在这个过程中，所有各种糖类以及其它许多物质都同时形成。更有甚者，糖的合成所需的环境反过来对它具有破坏作用。因此，糖很快就会造出一种本身特有的混合物，即焦糖，而如果遇上氨基酸，则会造出更加复杂的混合物。

总而言之，所谓“生命分子”容易合成之说是一种过分夸大的说法。这种说法只适用于少数最简单的分子。要弄清楚分子会怎样有效地抵御那些不相干的或干扰分子的侵袭，进而组合成所需要的较高等的如信息带之类的结构殊非易事。

最后，即使我所说的这一切全错了；即使原始地球化学已证明的有机化学反应控制的精确度与现代地球化学所证明的大不相同；即使原始地球化学已生产出所有“生命分子”而且也仅仅大量生产了这种分子；即使如此，这也仅仅是触及了本书开头四章所概述的那些真正的难题的边缘。

然而，你也许会说，有些事情仍需给予解释。例如，糖自甲醛中合成，腺嘌呤来自氰化物，氨基酸更适于在摹拟的闪电中合成以及氨基酸出现在陨星之中等等，所有这些现象无疑都不是巧合。因此，难道我们不能说至少某些“生命分子”具有无处不在的特性吗？这些分子到处皆可发现。

是的，事情的确如此。现在让我们用透视的方法来分析这些现象。我们现在将面对三个严峻的事实：

只有部分“生命分子”“无处不在”。
多数“无处不在”的分子均不是“生命分子”。
“生命分子”通常更适于在与早期地球环境不同的环境中合成。

我们从中可得出的正确的推论应该是：某些种类的有机分子比其它种类的有机分子更为容易合成，其性质也更为稳定；这些种类的一部分有机分子被我们的高度进化的生物化学机器所吸收。这个推论不是令人耳目一新的新理论。

在那组最后将在我们的生物化学系统中固定下来的分子中有一些这样的分子：它们本身的合成并不十分困难，而且合成之后具有相对稳定的性质。这一点并不难理解。对于确立了我们的中央生物化学系统的进化早期阶段来说，无论这种分子是这个阶段的前提物质还是这一阶段的产物，都是一种可以理解的结果，这会是一项很好的很经济的工程。

对于我们现在的系统来说必不可少的核苷酸和类脂化合物却不在那种“无处不在”的分子之列，我以为这一点的意义要远远超过前面所说的那一点。核苷酸与类脂化合物尚未从摹拟的早期地球环境中合成。它们过于复杂也过于特别。它们具有那种为某种特定目的而合成的分子所具有的全部外貌特征。具体来说，它们具有作为早期进化的产物而不是其前提物质所具有的全部外貌特征。

你也许仍然觉得用那种“时间、更多的时间以及海洋资源”的观点应该能够解释那些较为复杂的“生命分子”最初如何形成这一问题。如果是这样，下面我对“生命分子”中那些最重要、最关键的分子所做的深入思考将打消你的乐观。

核苷酸过于昂贵

西格马公司是几家提供研究所用的生物化学制品的公司之一。从公司的产品价目单上我得知用五英镑可购买一克 ATP（三磷酸腺甙），即一种具有易感性的（“上紧了发条的”）核糖核酸核苷酸。三磷酸腺甙之所以如此便宜是因为它相对来说比较容易从大块生物物质中提取，例如从马肉中提取。其它三种核糖核酸核苷酸的价格却是它的 10 倍。脱氧核糖核酸核苷酸的价格

则更高，达 300 英镑一克。但这种价格仍然是便宜的，因为这些生化制品均取自天然生物物质。

就像邮票一样，越不寻常，价格就越高。核苷酸的价格也是如此。例如，如果三磷酸腺甙的连接段不是核糖而是阿拉伯糖，那么，这种三磷酸腺甙的价格则将上升到 6000 英镑一克。但即便是这种不规则的核苷酸，如果是用（人工）合成方法获得，它们也决不是百分之百的合成物。合成核甘酸可能是从核糖一类成分开始的，此类成分取自自然资源。同样，核苷酸的字母件通常也可用这种方法合成，鉴此，6000 英镑一克（或 600 万英镑一公斤）的价格对于在空阔的宇宙中合成一个具有易感性的核苷酸的费用来说实为一种很低的估价。如果这些物质不是从马肉等生物物质中提取的，它们的价格会有多高？从甲烷、氨和磷酸盐岩中合成核苷酸的实际费用又会是怎样一个数字？我不愿去想。

请比较一下甘氨酸与丙氨酸这两种最简单的氨基酸。这两种氨基酸确实可以说容易合成。这些物质经常可以通过放电实验在混合物中找到，也可在陨星中找到。甘氨酸的价格大约一英镑一克。丙氨酸（一种“左旋”和“右旋”形态物质结合的混合物）则大约八英镑一克。（你出这个价钱购得的这些物质，其纯度可达 99％，而你在摹拟雷鸣电闪的条件下获得的物质其纯度却只有 1％。）

具有易感性的核苷酸不仅难以合成，其性质也相当不稳定。西格马公司建议，具有易感性的脱氧核糖核酸核苷酸制品应同干冰一起装运，以免途中分解。核苷酸一般应在冰点以下的温度中贮藏。

具有易感性的核苷酸既昂贵又脆弱，因此，我以为，在任何时候，这种物质都不会像矿物质那样是地球化学反应过程的产品。

在《遗传接替》一书中，我列举了 14 种在原始地球的环境中合成具有易感性的核苷酸时必须克服的障碍。这些障碍存在于从合成足够的和不同的甲醛及氰化物浓缩物到最后为核苷酸“上发条”，即使其具有易感性这一全过程中。实际上，这些反应过程每一个又分为若干个单元步骤，这些步骤的顺序必须适当。

在实验室中做一次有机合成实验需完成几十道或几百道小工序，例如升液、倒液、混合、搅动、加满液体、倾析、调节等等。这些单位工序本身也许没有大多的要求，但它们之间的顺序却一定要正确。实验的操作规程必须遵守，当这种程序被拖延后，很难设想实验还有成功的机会。这就是为什么简单的氨基酸可被看作生命前驱产品而具有易感性的核苷酸却不能的道理。原始地球上发生的各个单元反应过程加在一起也许就可能合成具有易感性的核苷酸，这一点并非不能想象，就像人们可以想象一个硬币连续抛掷 1000 次而每次的结果均为正面一样。

你可以想象原始地球就像一个有机化学家做实验时一样行事。你可以看

到一个池子中的水在阳光下蒸发从而使溶液的浓度提高，或可看到溪水外溢从而使两种溶液混合在一起，或可看到风将一种具有催化作用的矿尘吹进了溶液之中。你可以想象过滤、倾析、加热、酸化等种种工序。你可想象许多此类活动是由地质和气象变化中的小事故引发的。然而证明一个顺序中的每一步都合理并不能证明这个顺序本身也合理。

你也许会说，在如此大的世界上以及这么长的时间内环境的正确结合会在某个时间出现吗？这是不合理的吗？

答案是：不合理，因为既没有足够的时间也没有足够的天地。

我在前面提到的在合成具有易感性的核苷酸的过程中存在的 14 个障

碍，平均每个障碍涉及 10 个单元工序，因此至少有 140 道工序必须以一种适当的次序排列起来。这样说显得过于简化但却仍不失之为一种有把握的简化。（如果你有所怀疑，你可去看看有机化学家怎样工作，观察他为完成一个有机合成实验的“一个步骤”而做的所有工作。）我们无疑可以比较乐观地假定，这些工序的排列在不加控制的情况下，在每一个工序上每排列六次即有一次是正确的。如果我们把它当作一种概率，那么，我们可以说，在原始地球上合成具有易感性的核苷酸，其成功的概率就好比掷骰子：掷一个即可出现六种可能的结果；掷双的则出现 36 种，掷三个则出现 216 种；掷 140

个，即可能出现 6140 种结果，而其中只有一种是成功的。这样一种情况是不是太有点像巧合？

用近似值计算，在原始地球上合成具有易感性的核苷酸的成功概率是10109 分之一，即你必须做 10109 次试验才能有一次成功的机会。如果将一粒骰子每秒钟投掷一次算作一次试验，那么自地球形成到现在也只能完成大约1015 次试验（原文如此，似为 1016 之误），因此你将需要 1098 个骰子（原文如此，似为 1093 之误）。这个数目远远超过我们能够观察到的宇宙中的电子的数目（这个数目估计为 1080）。

当然，你也许会争辩说，一种物质的合成可以用不同的方式进行。这一点诚然不错，但请记住，我们已通过削减有机合成实际需要的技能量为我们所做的估计留出了很大的余地。同时还请记住，一种制造程序通常不容随意改变。随意改变很容易使程序偏离轨道而且永远也无法复原。这一点对于化学反应过程来说尤其如此。在化学反应过程中，通常不能在不应该加酸的时候加酸，或把不应扔掉的溶液扔掉，或使用不适合的紫外线灯等等。在有机合成中，只有当你需要合成的产品是一种性质特别稳定的物质——例如二氧化碳和水分子——时，合成过程中才容许有疏忽。也许甘氨酸和丙氨酸的合成也容许有疏忽，只不过其限制比二氧化碳和水分子的合成要严格得多。但核苷酸的合成却不容许有疏忽，这一点从这种产品的价格即可看出。

当人们考虑在合成不太可能的物质结构时用去的大量时间和空间有何作用时，人们可能会被自己的直觉引入迷途。这里的教益是：对于纯粹的机会能够摹拟的技能水平来说，大量的时间和空间并不会带来太大的差别。 要连续掷出 14 个六点（按照我们的规则用一粒骰子投掷），需要大约一万多年时间，而掷出七个六点则可能只需几个星期，掷出三个六点则也许只需数分钟就够。

这一切都说明我们在前面提到过的那道绝壁的坡度之陡。一个三步完成的反应过程可能容易由机会实现，但一个类似的有着 30 个步骤的反应过程也说能够由机会实现则显得相当荒谬。

与生命赌博

人们通过直觉可能会做出这样的猜测：即一个 30 步的反应过程由机会去

实现，所需时间会是一个三步反应过程所需时间的 10 倍。这种猜测在有些情况下是对的，但这只有当过去的成功和失败能够被记忆下来而且成功的次数可以累积起来计算时才有可能。用投掷骰子来类比，那么按照规则，我们可以在每一个步骤连续投掷，直至掷出一个六点后再开始下一步；同时我们还可以将过去的成功次数累积起来。按照这种游戏方法，要掷出 140 个六点可

能只需用一粒骰子在 840 秒钟，即大约一刻钟内完成。但这种掷骰赌运气的方法要使之适用于自然界，则只有出现有机物演替时才有可能。在有机物演替过程中，信息可往下传递；一个设计不会因为仅仅一次失败而成为废品；尽管有失败，但过去的成功仍可累积起来，因为这种成功的复制品有很多，这就是生物学的开始。与有机物赌博是一种完全不同的赌博。

然而大自然又是如何开始这场赌博的呢？对于任何一种使用我们那种信息带的有机物来说，它至少需要源源不断地获得具有易感性的核苷酸。这就需要有一个核苷酸制造厂。首先，只有自然选择才可能制造出核苷酸，这一点是否能够肯定？其次，有些出现较早的有机物本身并不需要核苷酸但进化后却可生产核苷酸，这一点是否也能肯定？

征服绝壁的方法就是绕开它。一定还有其它道路通往大山。

“巧合的因数太大，大到无法用数字表达。”