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观点:生命源自矿物晶体而非DNA有机分子

2016-9-5不详佚名
要某种类似基因测序的技术,像“读取”DNA编码一样对晶体进行研究。“我们花了40年才终于能快速地对DNA进行测序,”他说道。此外,遗传学家拥有强烈的动机去完善DAN测序,因为这意味着新的医疗方法。研究黏土晶体则可能会同样困难,同样昂贵,但不会带来实际的好处。

即使如此,至少凯恩斯-史密斯的假说有一部分还是得到了验证。20世纪80年代中期,美国纽约大学的结晶学家巴特·卡尔(Bart Kahr)在一家商店中无意间翻到凯恩斯-史密斯的著作,才第一次了解到他的假说。“我爱上了那本书,因为它与通常的科学著作太不一样了,”卡尔说,“它里面独特的新观点多得令人难以置信,而且几乎是以一种文学式的笔法写成的。”

卡尔第二次看到这一假说是在21世纪头十年的中期,当时该假说受到强烈的批评。“我感到很吃惊,25年之后,人们还是会谈论‘晶体等同基因理论’,只是为了将其驳倒,称不存在任何能够证明该理论的证据,”卡尔说,“这就像一个一直不倒的稻草人,每个人都觉得自己必须知道,但只是为了轻蔑地表示反对,因为它从未被检验过。”

卡尔决定在自己的实验室里检验这一假说。他希望追踪母晶体如何将特质传递给子晶体的过程,以确定黏土晶体中是否存在遗传现象。他决定将重点放在一种被称为“螺纹位错”(screw dislocations)的晶体特征上。在晶体内原本规则排列的晶面,有一部分被轻微地挤出,形成一条垂直晶面的位错线。位错是在晶体生长的过程中出现的,而晶体内部的位错会呈现出独特的模式。

凯恩斯-史密斯将这种不规则比作老式计算机的打孔卡片。他提出,这些位错可以像卡片上的孔洞一样保存信息。卡尔希望检验的是,这种位错模式能否被子晶体继承,以及当子晶体断裂时会产生多少“突变”——新的位错。

观点:生命源自矿物晶体而非DNA有机分子

▲一块黏土

为了避免布朗所预见的实验困难,卡尔采用的是邻苯二甲酸氢钾晶体。该晶体比黏土晶体更容易操作得多,“黏土基本上都是很糟糕的晶体,”卡尔说道。卡尔及其团队开发出了一种绘制母晶体和子晶体内部位错的技术。他们发现,从母晶体到子晶体的位错模式可以很清楚地绘制出来。他们的结果于2007年发表。

然而,他们惊讶地发现,子晶体在断裂之后出现了众多的额外缺陷。子晶体内部充满了这些所谓的“突变”,并且新的位错至少和继承而来的位错一样多。这一结果给凯恩斯-史密斯的理论出了个难题。如果晶体是逐渐演化的,那就要求遗传多于突变,这样母晶体才能对子晶体的位错模式施加更强的影响。

“要使这一假说变得有说服力,你就无法在一个世代内从青蛙直接变成猴子,”卡尔说道。较少的“突变”会更像“我们现在所知的生命”。不过,卡尔并不是唯一对凯恩斯-史密斯的假说进行探索的人。

丽贝卡·舒尔曼是美国约翰霍普金斯大学的一位生物工程师,她同样受到“晶体等同基因假说”的启发。在过去十年中发表的一系列研究中,她设计了一个将信息编码于晶体结构中的系统。她并没有使用自然出现的矿物晶体,而是使用纳米尺度的DNA“瓦片”结构。

观点:生命源自矿物晶体而非DNA有机分子

▲黏土中的晶体

这种DNA携带信息的方式与我们细胞内的DNA不同。相反,舒尔曼像使用魔术贴一样,将“瓦片”连接在一个晶体结构中。“瓦片”的顺序就包含着信息。“如果我们可以基于非常简单的、已知晶体必须遵循的物理规律,建造出某种晶体,那就可以想象出可行的,在相对简单的环境中可能出现的演化过程,”舒尔曼说道。

舒尔曼通过计算机模拟和后续实验发现,DNA“瓦片”能以特殊的形式堆叠起来,在晶体结构中有效地加密信息。她已经找到了一种在晶体形式下呈现和复制信息的方法。她的发现在理论上对生命起源的研究非常有用。“在很大程度上,生命起源研究的部分目标其实是在问如何在化学上设计出一个信息能够被复制的系统,”舒尔曼说道。

然而,舒尔曼的研究并没有证明凯恩斯-史密斯的理论是正确的。首先,她的实验并没有使用黏土。更重要的是,实验室中行得通的过程并不一定就是地球生命出现时的情形。对于“晶体等同基因假说”,需要有更加严格的实验来检验了。凯恩斯-史密斯自己尝试了许多年,但进展寥寥。“他无法再获得资助了,”多萝西说道。摆在申请研究资助之前的一大阻碍是,他的工作涉及到太多不同的学科了。

观点:生命源自矿物晶体而非DNA有机分子

▲黏土的组成有许多形式

“有一次我们去加利福尼亚,格拉厄姆在门洛帕克地质调查局做了演讲,”多萝西说,“他们说,好,你的地质学还可以,但我不认为你的化学是对的。之后他到美国航空航天局做了一次化学方面的演讲,他们说,好,你的化学不错,但我们不是很确信你的生物学。再后来,他到加州大学伯克利分校演讲,他们说,好,你的生物学可以,但我不确定你的地质学怎么样。”

凯恩斯-史密斯在科学记者和大众媒体中找到了更加热心的听众。一些科学家也表现出了兴趣:演化生物学家兼科学作家理查德·道金斯在1986年出版的《盲眼钟表匠》(The Blind Watchmaker)中就讨论了“晶体等同基因假说”。

最终,在出版商的鼓励下,凯恩斯-史密斯开始撰写一本阐述自己理论的大众科普书。这本名为《生命起源的七条线索》(Seven Clues to the Origin of Life)的书于1990年出版。该书的写作风格如同在描写一桩神秘的谋杀案,虽然是有机化学的内容,却非常扣人心弦。

凯恩斯-史密斯称自己很享受为更多读者写作的过程,因为能将一个观点更加简单、直观地说出来,令他感觉很满足。“我对有些人感到极其失望,他们认为那些更加复杂的理论更可能是真的,”他说道。

但是,尽管做了许多努力,他的理论最终还是无法进入科学主流。“我感到很困惑,为什么科学中有些东西会变得很受欢迎,另一些则不受关注,”卡尔说,“这里面并没有公众品味的原因。”不过,即使凯恩斯-史密斯的惊人理论从未获得成功,但它还是在两个方向上影响着生命起源的研究,即使是在今天。

首先,这些理论引出了生命是由什么组成的问题,并提供了一种无需常见分子——如DNA——而出现类似生命过程的方式。其次,凯恩斯-史密斯的多学科研究——结合了生物学、化学和地质学——远远超出了当时的年代。

“截至目前,生命起源的研究其实还是化学主导的,”布朗说道。但是,过去二十年中,该领域已经逐渐扩展:除了尝试制造关键的生命化学物质,研究者还开始利用遗传学研究最早的生命形态,并利用地质学找出适合这些生命形成的条件。

“我推测这些理论在人们眼中可能会显得有些怪异,但他确实为我们指引了正确的方向,”布朗说,“现在人们意识到,生命并不是从一个玻璃瓶中的水里面产生的,而是环境中的化学条件和地质学条件造就的。这就是他的遗产:在岩石中寻找更多的细节。”

凯恩斯-史密斯的理论可能永远也不会有坚实的证据。“如果有一个大型科研集团,有强大的技术实力来支持,那就有足够的资源来切实地推动实验,”布朗说,“但这其实只是一个非常小的圈子

本文来源:不详 作者:佚名

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