生命如何爆出來？

科學上有些疑團，不僅難以解開，根本無法完滿解答 －－ 生命的起源就是這樣一個 unknowable 的難題。

生命的奇妙，自古便深深吸引着人類。古時有個想法，一切由生物分泌或提煉的物質都是神聖的，載着某些生命的要素，其成分有別於如空氣、石頭等死物。這想法稱為「vitalism」，認為生命來自一股神秘的「能量」，有這股「能量」的東西便有生命，沒這股「能量」的東西便是死物。「有機」（organic）一字，二百年前出現，本意是一切從生物得來的物質；其餘物質，便稱「無機」（inorganic）。

在 vitalism 的框架內，有機和無機屬於兩個不相容的領域，兩者「井水不犯河水」；無機物不會變成有機物，反之亦然。

1828 年，德國人 Friedrich Wöhler 把無機的 NH₃（阿摩尼亞）和氰酸（cyanic acid）加熱，得出有機的尿素（urea，來自動物尿液，故有機）。自此，有機和無機的界線開始模糊，分隔兩者的圍牆開始倒下。

現代化學裡，一切含碳物質皆稱「有機」。此定義並非無懈可擊，例如 CO₂（二氧化碳）、鑽石和石墨（碳的兩種形態）、大理石和梳打粉（都是碳酸鹽），從來不是「有機」的代表，但除卻這些明顯例子外，「含碳就是有機」還是說得過去的。

有機無機的互換，一點也不神秘，說到底只是原子的再分配。舉例，電油燃燒，長長的有機化合物被拆散，產生氧化碳、氧化硫、氧化氮等，全是無機氣體；有機就是這樣變成無機。

從「有」到「無」，十分容易。從「無」到「有」，可能嗎？這是生命起源的基本疑團。原來只有無機物的史前地球，怎樣生產第一團有機物質，作為生命的原材料？換個說法，生命怎樣由石頭爆出來？地球如何「無中生有」？


1953 年，在美國芝加哥大學進行的一次經典實驗，給了我們一個啟示。化學系博士生 Stanley Miller 在導師 Harold Urey（1934 年諾貝爾化學獎得主）指導下，把裝滿 NH₃、CH₄（甲烷）和 H₂O（水蒸氣）的容器接上高電壓，通電產生火花，模擬史前大氣層雷電交加。一星期後，容器內發現氨基酸（amino acid），蛋白質的原材料。Miller 構想，史前大氣層經無數次閃電「洗禮」，便是地球第一團有機物的來源。

氨基酸是什麼？一條以碳為骨幹的分子，一端為 COOH（一碳、二氧、一氫），另一端為 NH₂（一氮、二氫），就是氨基酸；中間的碳骨幹可以變化無窮，只要分子兩端合符「標準」，便可稱為氨基酸。Miller 實驗以 NH₃、CH₄ 和 H₂O 起始，閃電把氮、碳、氫、氧再分配，得出以 COOH 和 NH₂ 作「標誌」的氨基酸，對愛「馬後炮」的我來說，一點也不意外。

兩條氨基酸，一條的 COOH 對準另一條的 NH₂，有什麼發生？兩者結合，釋出一顆水分子（H₂O），餘下一個 CO-NH 連結，兩條氨基酸連接起來。COOH 和 NH₂ 就像一塊磁鐵的南北兩極，讓氨基酸無止境接駁下去；一列長長的氨基酸，就是經常聽說的「蛋白質」。肌肉、神經、頭髮、指甲都是蛋白質，說身體大部分由蛋白質組成並不為過。

在 Miller 實驗的五十年代，普遍認為史前大氣層充滿着 NH₃ 和 CH₄（亦是 Miller 實驗採用的氣體）。到了九十年代，意見漸漸改變，認為 CO₂ 和 N₂（氮氣）才是史前大氣層的代表，兩種氣體都沒有包括在 Miller 實驗之內。換句話說，Miller 實驗雖然證實「無中生有」的可能，但這可能性並不屬於我們的星球。有人採用 CO₂ 和 N₂ 重覆 Miller 實驗，不見氨基酸的蹤影，我們距離生命之源的答案退了一步。

2008 年，Miller 的意念獲得重生。他兩位高足 Jim Cleaves 及 Jeffrey Bada 懷疑那失敗的實驗存在漏洞，閃電能夠製造氨基酸的同時，也能產生摧毀氨基酸的氮化合物，兩者抵消，氨基酸遂不見蹤影。他們重覆 CO₂ 和 N₂ 的閃電實驗，加進物料吸收氮化合物，氨基酸果然「失而復得」。史前大氣層借閃電之助「無中生有」的假想，再次獲得證實。

氨基酸無疑是生命的原料，但不可能是答案的全部，因為更基本的遺傳物質 DNA 和 RNA 並非氨基酸。DNA 是去氧核糖核酸，RNA 是核糖核酸，兩者都是由核酸（nucleic acid）串連而成。DNA 是基因的載體，儲存着製造蛋白質的指令，RNA 則像圖書管理員，控制着指令的執行；DNA 和 RNA（核酸）攜手管理着蛋白質（氨基酸）的製造和使用，我們的身體是核酸指揮氨基酸。一碟完整的生命原材料，兩種「酸」都需要。

閃電產生氨基酸，核酸又怎樣出現呢？可能來自隕石。最近有人找來隕石碎片，磨碎，去除有機物質，剩下無機礦物，混合 HCONH₂（甲醯胺，formamide）加熱至攝氏 140 度，兩天後，核酸和氨基酸竟會自然出現。為什麼混合 HCONH₂ 呢？此物質有在太空飄浮，隕石跟它相遇不出奇，說不定核酸和氨基酸就是這樣太空製造，隨隕石散落地球。

生命種子來自太空的假想由來已久，這是第一次找到具體證據。

生命原料齊備，不代表生命便會「應運而生」，正如煮餸不是將材料混合這麼簡單。生命是 DNA／RNA 指揮蛋白，然而指揮過程需要很多蛋白協助方能成事，那究竟是 DNA／RNA 還是蛋白首先出現？假如你不明白，讓我舉例。我寫文章，必定參考自己的舊文，那我的第一篇文章怎樣寫？有雞先還是有蛋先？

曾有想法認為，DNA／RNA 的複製及指揮過程實在太複雜，必須週遭環境配合，有適當蛋白作配套，它們才能有作為，因此蛋白先行。

近年想法逆轉，發現 RNA 有時能夠「自己幫自己」，獨自完成複製和指揮過程。現今主流看法認為 RNA 是生命的「開荒牛」，DNA 和蛋白只是「後來者」。

我們沒有時光機，不能重回史前地球，生命起源之謎永沒肯定的答案。Unknowable 也不錯，我們可以辯個不停，直至生命完結為止……

（2011 年 5 月 11 日 信報副刊）

學術參考：
Carl Zimmer (2009), “On the Origin of Life on Earth,” Science 323, 198-199.

H. James Cleaves, John H. Chalmers, Antonio Lazcano, Stanley L. Miller, Jeffrey L. Bada (2008), “A Reassessment of Prebiotic Organic Synthesis in Neutral Planetary Atmospheres,” Origins Life Evol Biosph 38, 105-115. doi:10.1007/s11084-007-9120-3