生命的起源過程

1       引子

什么是生命？在我的博文《對一些最根本問題的解答》中有一個定義，所有能夠具有生存，繁衍，完善進化能力的就是生命。這個定義比較泛，覆蓋了精神心理社會等等領域。因研究指向原因，本文特指物質生命，也就是一般意義下的生命。 

生命的產生是一個巨大的秘密。進化論已經進行了一個初步的解釋，科學家們也進行了初步的驗證，但是仍然存在很多未知之謎。 

進化論說的是，物競天擇，生存競爭。這只是一個大道理，并沒有落實到具體的進化步驟上。科學家們進行的驗證是利用無機物制成原始湯，然后對之施加閃電雷擊，最后從中獲得有機物，蛋白質等。但是這與生命仍然存在不小的距離。沒能回答生命是如何一步一步從無機物，有機物的世界一步一步的走出來的。 

我這里就開始進行一個分析，算是一個生命誕生過程的假說。生命的存在需要具有一系列的機制，它們分別是：成長機制(反饋機制，新陳代謝機制，生產機制)；復制機制(遺傳機制即繁衍機制，演化機制)；隔離機制：生命還需要形成一個與外界相隔離的界限；協(xié)同機制：多細胞之間的協(xié)同等等。

先把生命產生過程中的需要的機制想清楚。然后構想這些機制是如何一步步產生的，再在根據概率的考慮(生存競爭)剔除一些想法。 

2       生命起源的第一步：復制機制的出現

復制機制的形成過程：演化和尋找到一種合用的物質來實現復制機制。

最開始的生命擁有成長機制，生產機制，復制機制，是在進行物質爭奪。遍布全球。然后繼續(xù)相互競爭。 

生產機制形成的過程：演化和尋找到進行生產的機制，完成對特定物質的生產和制作。這一點在我們的世界里，出人意料地非常簡化地就實現了。首先是低錯誤概率復制(遺傳)機制的產生:通過隨機過程獲得含有制造RNA復制酶的RNA片段，這就是生命出現的第一步。

RNA生產RNA復制酶，RNA復制酶反過來復制RNA片段，從而使含有RNA復制酶基因的RNA分子遍布世界。這個過程實際上還是屬于化學反應。這就有點像結晶體的結晶過程一樣，從一個晶核出發(fā)，把周圍滿足條件的物質全部變成結晶體。

3       生命起源的第二步：分解機制的出現

我認為，最初的基因就是通過閃電等在原始的有機湯中生成的，僅含RNA復制酶的基因也是通過某種隨機的方式：可能是復制的錯誤，也能是自然界的偶發(fā)事件導致新的含RNA酶的基因片段接在了含RNA復制酶的基因片段上。

在具有RNA復制酶的RNA遍布世界過程中時，在含有RNA復制酶基因的基礎上當通過隨機過程產生具有制造RNA酶和RNA復制酶的RNA分子時。他們可以生產RNA酶用來分解RNA，也可以用RNA復制酶來復制自己。這時，這個基因顯然具有比原有基因更具有競爭優(yōu)勢。當這兩種基因混合在一起時，只含RNA復制酶的基因既會復制自己，也會復制同時還含RNA酶的基因。而含RNA酶的基因可以生產RNA酶來分解這兩種基因，從而減少只含RNA復制酶的基因數量；不含RNA酶的基因無法破壞含RNA酶的基因。所以漸漸地，不含RNA酶的基因逐步被淘汰出局。

這一步演化過程中，直接通過隨機事件獲得同時含有RNA酶和RNA復制酶的基因的概率應該遠小于在僅含RNA復制酶的基因上改造的概率。所以我認為，生命誕生歷程中的第二步就是在第一步的基礎上發(fā)生的。

 4       生命起源的第三步：選擇性復制機制的出現

含有RNA酶和RNA復制酶的基因進一步往下演化，通過隨機事件提供的演化機制，并通過生存競爭的選擇，逐步地完善遺傳基因的功能。比如保護自身基因不受RNA酶破壞的選擇性分解機制出現，在特定情況下產生復制行為的選擇性復制機制，這是生命歷程中的第三步?；蛟诋a生的RNA酶和RNA復制酶的結構不斷演化，變得越來越復雜，分子量越來越大。其演化的目的是獲得控制RNA酶和RNA復制酶生效的合適條件。當擁有這些機制的基因可以容易地戰(zhàn)勝沒有這個機制的基因，獲得更多的生存機會。生命演化中的這一步，實際上是為下一步隔離機制的形成打基礎的，也可以合并到下一步去。

5       生命起源的第四步：隔離機制形成(病毒的出現)

生命歷程中的第四步：外殼的形成，也即隔離機制的形成。外殼的生產和組裝也是最初始的合成代謝機制。

這一步也是屬于非常重要的一步。通過RNA生成蛋白質，這種蛋白質不是用于催化生化反應的酶，其作用是隔絕外界，保護脆弱的基因，通過蛋白質構建成基因的外殼。這時的生命已經是接近病毒的結構了，成為一種原始生命體。核酸位于它的中心,稱為核心(core)或基因組(genome),蛋白質包圍在核心周圍,形成了衣殼(capsid).衣殼是病毒粒的主要支架結構和抗原成分,有保護核酸等作用. 隔離機制包含：脫殼、裝配，兩個機制。病毒均須經脫殼，即脫去外被的蛋白質釋放核酸，才能進行下一步復制。病毒核酸和結構蛋白是分別復制的，然后裝配成完整的病毒粒。最簡單的裝配方式（如煙草花葉病毒）是核酸與衣殼蛋白相互識別，由衣殼亞單位按一定方式圍繞RNA聚集而成，不借助酶，也無需能量再生體系。

這一步在生命演化歷程中具有絕對意義。這一步驟進一步完善了原始生命的生存機制，和繁殖機制，開始正式向生物領域邁進。病毒是原始生命，在進化為細胞的途中，有從細胞退化后形成的病毒，也有直接從原始病毒進化的情形。

 6       生命起源的第五步：向DNA－蛋白質世界轉變

生命歷程中的第五步：向DNA－蛋白質世界轉變。雖然RNA很適合做遺傳分子并能發(fā)展演化形成廣泛的催化活性，但它化學功能性的限制使其沒法裝備起來迎接環(huán)境中的挑戰(zhàn)和機遇。地球上生命的一個重要革新是單個大分子的發(fā)展，即使這種分子中包含一些很不適合復制的亞單位，它們仍具有眾多的催化功能。由RNA指導和催化下的蛋白質合成是RNA世界的最高成就，但也隨即開始消亡。

DNA遺傳比RNA遺傳的優(yōu)勢在于，DNA更穩(wěn)定，且能容納比RNA更豐富的遺傳信息。隨演化的繼續(xù)往后發(fā)展，RNA已足以容納更多的遺傳信息了。里面的過程只有簡單的幾個演化步驟就能完成，這一步轉變應該是通過隨機概率，自然選擇獲得的。

RNA具有的幾個特點使得它適合作為簡單達爾文系統(tǒng)的基礎：它只有4個不同亞單位，每個亞單位的化學特性非常相似，亞單位被激活并連接在互補模板上后就能聚合，它是多聚陽離子，不論序列如何易溶于水它形成的簡單的二級結構對序列變異高度容忍，同時在引進一些關鍵性突變后能采取完全不同的結構。所有這些共同點使得RNA與它的DNA和蛋白質后繼者相比更顯簡單。DNA的低活性、高穩(wěn)定性使得它更適合作為遺傳物質，而亞基（包括陰性、陽性、疏水性基團）的巨大的化學多樣性使得蛋白質更宜于作為催化功能的基石。而沒有RNA打下的基礎，這些更復雜的分子也不會產生上。

RNA世界對地球的統(tǒng)治大約起至42億年前，終止于36億年前。它可能只占了那個時期中的一小部分，因為在此之前是前體RNA的世界。在已知的有關RNA的化學和生化特征的基礎上，對DNA世界進行的研究很大程度上具有推斷性。

隔離機制可以保護基因不受RNA酶或DNA酶的破壞，增加基因的存活概率。

7       從病毒到原核細胞

7.1    內部物質合成代謝機制出現

合成代謝機制是在病毒演化過程中已經實現，也就是蛋白質外殼的生產和組裝。往下一步就是生命體內部物質合成代謝機制的出現(替代病毒的脫殼組裝機制):主要是廢棄物的排泄機制出現。

7.1.1   進入機制

最原始的進入機制，其實就是蛋白質外殼上的縫隙，通過滲透壓的作用，進入原初細胞體內。當然隨著排泄機制的形成和完善，這個機制也不斷演化，最后演變成細胞的口器。

7.1.2   排泄機制

最原始的排泄機制，也是通過蛋白質外殼上的縫隙，利用滲透壓的作用，將廢棄物排出原初細胞體內。這個機制不斷完善的結果是形成高爾基體。利用專門的分泌泡與外殼作用而排泄出去。

7.1.3   生產機制

這個機制最初是將在外面的蛋白質外殼的生產過程，簡單地搬到殼體內部。在內部由DNA指導下完成蛋白質的分解和合成。

這個機制最后完善成為核糖體。

7.1.4   動力機制

最初是就像是在殼體外部一樣直接利用化學反應產生的能量幫助進行蛋白質合成，DNA轉錄復制等生理活動。后來，逐步演化形成專門的膜結構，以幫助更加高效便利地獲得化學能。

7.2    二分法繁殖機制

二分法繁殖機制就是環(huán)狀DNA在殼體內部繁殖成兩份后，分別移動到不同的位置，細胞外殼變形，從中間形成凹陷，最后斷裂開。隨即各自在新的DNA指導下，重新修補外殼，成為兩個生命體。

這個機制的形成，最初的情形應該是由于原初細胞內部的生產機制和進入機制導致殼體內部空間越來越小，無法容納全部物質，內部滲透壓越來越大。在滲透壓的作用下，發(fā)生斷裂，隨即對斷裂部位進行修補。

這個過程通過遺傳物質的復制過程保留下來，并不斷固化完善。就獲得了二分裂繁殖手段。

隔離機制可以保護基因不受外界其它生命物質的RNA酶或DNA酶的破壞，增加基因的存活概率。生產機制提高有機物的產量和數量，新陳代謝機制，保障生物體不受外界過多干擾地成長。動力機制，增加了能源的非唯一性，解決了生物體的能量來源。二分裂繁殖，可以更加有保障地完整繁殖后代。這一切都大大提高了生物體的生存競爭能力。

當這些機制都完善之后，病毒也就演化成了原核生物。原核生物就形成了一種高效繁殖的生命形態(tài)。擁有極大的競爭優(yōu)勢，和數量優(yōu)勢，改變了病毒數量上的弱勢，和生存能力上的弱勢，從而占據了整個世界。

當然，也有病毒跟隨原核生物一起繼續(xù)演化，和存活。利用原核生物高效制造出的有機物質和提供的場所，增加了病毒的生存機會。病毒也為原核生物提供了另一種可能的演化工具和手段。

7.3    原核生物在生命起源史上的重要意義

形成物質能量代謝機制：有保障地為生命活動提供一個合適的內環(huán)境，加快生命活動的速度。二分裂方式實現繁殖機制，解決了殼體丟失的問題，保障了遺傳物質的安全性，促使生命體穩(wěn)定快速繁衍后代。對比病毒聽天由命的繁衍過程來說，生物體第一次努力地為自己創(chuàng)造了生存條件，強化了生存能力。

原核生物的誕生，正式宣布了生命的誕生。隨著原核生物的誕生，生命演化的腳步不斷提速。

由于原核生物帶來的成熟和繁殖過程的加快，移動機制產生成為必要。鞭毛就是一種移動原核生物所處位置的方法，它可解決了如何更好地傳播擴散遺傳物質的問題。

根據考古發(fā)現，最早的原核細胞生物在35億年前就已經出現，其后種類越來越多。在最早的原核細胞生物分化過程中，最重要的是古細菌與真細菌的分化。

此時吞噬機制尚未誕生。

8       原核生物向真核生物的演化

8.1    吞噬機制的誕生

最原始的吞噬機制是，通過細胞膜折疊，內陷，將食物包裹其中。折疊部分兩端各形成一層膜，并相互分離。包裹食物的分離部分就形成食物泡進入細胞體內。

吞噬機制的誕生是源自于為了更好更快地獲得食物，更快地成長，加快繁殖的步伐，進一步增強競爭能力。當然它的誕生，也是基于隨機產生，通過生存競爭存活下來的。

8.2    協(xié)作共生機制出現

吞噬機制還帶來了細胞器的產生。一些原核生物被吞噬進去之后，并未被溶菌酶分解，而是和吞噬者一起共生，構成一個復合體。被吞噬者，比如線粒體，葉綠體等，形成了細胞中的重要細胞器。

宿主通過核膜對自己的遺傳物質進行保護，協(xié)助和控制寄生體的生產和繁殖。寄生體通過宿主提供的條件，為宿主提供特定高效的服務。

協(xié)作共生機制的產生，實際上加快了生物演化的過程，減小了隨機變異的苦難程度。通過這種方式，生物快速地獲得了一些獨立進化的高效功能，并淘汰了一些低效的功能實現。

8.3    轉錄和翻譯分離機制的誕生

因為通過吞噬機制進入內部的這些被吞噬者也會爭奪無保護的遺傳物質，核膜也就因此而出現。進一步通過核膜分離，使得遺傳物質的轉錄和翻譯必須分別在核膜內外進行。

8.4    無絲分裂和有絲分裂繁殖機制的出現

因為細胞器的出現，使得繁殖方式必須演化才能與之相適應。這就是無絲分裂和有絲分裂的出現。

首先演化出的是無絲分裂。

無絲分裂比較簡單，分裂后遺傳物質不一定能平均分配給子細胞，這涉及到遺傳的穩(wěn)定性等問題。無絲分裂具有獨特的優(yōu)越性，比有絲分裂消耗能量少；分裂迅速并可能同時形成多個核；分裂時細胞核保持正常的生理功能；在不利條件下仍可進行細胞分裂。

然后演化出有絲分裂過程：

有絲分裂是一個連續(xù)的復雜過程，為了描述方便起見，習慣上按先后順序劃分為間期、前期、中期、后期和末期四個時，在前期和中期之間有時還劃分出一個前中期。

有絲分裂的重要意義:是將親代細胞的染色體經過復制（實質為DNA的復制）以后，精確地平均分配到兩個子細胞中去。由于染色體上有遺傳物質DNA，因而在生物的親代和子代之間保持了遺傳性狀的穩(wěn)定性?？梢?，細胞的有絲分裂對于生物的遺傳有重要意義。

在有絲分裂過程也會一定需要解決外源細胞器的分配問題。這就是一個多源生物體的內部協(xié)調機制，多套遺傳物質之間形成協(xié)調機制，保障各自的生存和整體的生存。實際上這個機制就是細胞質的分配機制，可能的解決方法是：1、利用外源細胞器的數量優(yōu)勢，自然地隨細胞分裂，帶到不同的子代細胞中去。2、利用內部協(xié)調機制，進行繁殖，保持一個合適的比例。 

9       單細胞生物向多細胞生物的演化

1+1>2說的是一個集體力量大于個體力量的道理。實際上，是作為集體來說，擁有個體所不存在的一些性狀特征。

通過分工協(xié)作可以極大地提高整體的效能，簡化個體所需要執(zhí)行任務的復雜性，減少不必要的浪費，從而提高整體的生存競爭能力。

這一步演化的關鍵在于協(xié)作機制的誕生：通過協(xié)作機制，協(xié)調和解決個體自私和整體生存的矛盾。

這個機制在真核生物的誕生過程中已經出現。通過協(xié)作，達到雙方共贏的局面，也達到增強整體生存競爭能力的效果。 

 
多細胞生物存在兩種形態(tài)：

9.1    群體單細胞生物

特點：由多個單細胞個體聚合而成的群體，但絕大多數群體內的單細胞個體具有相對獨立性。如盤藻、空球藻、實球藻、團藻等。  

9.2    多細胞生物

通過協(xié)作，達到雙方共贏的局面，也達到增強整體生存競爭能力的效果。這對多細胞生物來說也是一樣：通過整體形成的相互影響的信息控制鏈條，使得不斷分裂的細胞實現分化，獲得特定的功能和性狀。通過對整體形態(tài)的目標定義，調整各個細胞的分裂速度和剝離情形。 

協(xié)作機制主要包括：分化機制，互利機制，抑制機制。(相關文章應該存在，這里不再詳細論述。)

多細胞生物必須解決從一個生殖細胞來產生整個生物的問題，來完成生物繁殖的任務。

9.2.1 多細胞生物繁殖的先天解決方案

 一種方式是先天解決方案：這就是生物發(fā)育過程中的分化機制，和固定形態(tài)機制，這些都是被非常精巧地進行控制的。

細胞的基因組通過細胞分泌的一些發(fā)育調節(jié)因子進行開啟和封閉控制。是一個自己對自己的閉環(huán)控制，非常精妙，也非常復雜，這會帶來較大的演化代價。但是這種方式可以保證比較精確地得到繁衍復制。

細胞通過分裂增生，逐步擴大細胞群的數量，在一定條件下，細胞開始分泌發(fā)育調節(jié)因子。開啟和關閉一些基因組，指導細胞向不同的方向分化。通過生長激素的調節(jié)，控制生長形態(tài)，構成特定形狀不同的部件。

9.2.1 多細胞生物繁殖的后天解決方案

另一種是后天結合，就是共生關系：通過共生一方提供特殊的環(huán)境為共生的另一方提供共生條件，人和闌尾、腸道中的益生菌，比如白蟻與鞭毛蟲，地衣中的真菌和藍藻/綠藻。獨立繁殖，相互依存。因為他們是獨立演化，各自的優(yōu)點通過共生等關系互相補充，這樣的演化代價相對會小一點。所以共生、共棲和寄生關系，在生物界非常普遍。他們通過相互結合補充，帶來的是快速演化，但是這種方式存在的是繁殖和后代重新組建問題。

分化機制帶來的細胞功能單一高效，同時不產生過多的浪費。當然會浪費一點遺傳物質。分化機制主要是降低了了多源繁殖方式演化時的復雜度。共生機制，降低了遺傳物質的浪費，避開了細胞分化、誘導、控制等的演化法復雜度，降低了功能演化上的復雜度，可以盡可能地利用演化得到的已有功能低代價地組合出具有更強競爭優(yōu)勢的物種出來。帶來的是多源生物共同繁殖的問題，但可以用習俗偏好、甚至文化等方式進行解決。 

10  進一步的研究方向：

建立更加詳細的遠古世界的數字模型，通過進一步的理論分析，計算出各個機制出現所需要的時間，并與化石證據相互映證。

通過這里的分析得到一些結論，和實際的生物研究情況進一步進行對照和分析。