天了噜！地球上的生命竟然来源于矿物晶体？

据国外媒体报道，1966年，一位年轻的化学家提出了一个关于地球上生命起源的有争议的假说。五十年后，他的理论在某种程度上得到验证了吗？从表面上看，似乎没有生命的石头不能与生命联系在一起。毕竟，只有当他们受到冲击时，他们才能移动。然而，石头中的矿物质和生命起源之间有什么联系吗？化学家格雷厄姆·凯恩斯·史密斯在他的科学生涯中推广了一个简单而有争议的理论:生命不是来自脱氧核糖核酸(DNA)这样的有机分子，而是来自简单的矿物晶体。

今天，自从凯恩斯·史密斯首次提出生命起源的观点以来，半个世纪已经过去了。一些科学家嘲笑他。其他人谨慎地或全心全意地同意了。这些观点从未成为主流理论，但也从未被完全抛弃。那么，凯恩斯-史密斯的惊人理论有什么合理之处呢？生命真的起源于矿物晶体吗？

85岁的凯恩斯·史密斯和妻子多萝西住在英格兰格拉斯哥郊区。他患有一种罕见的与帕金森氏病相关的疾病，并且不能移动。然而，他对生活的科学好奇心和幽默感并没有消失。他的科学作品和他画的科学草图填满了他楼上的书房——和他的画一样多。20世纪50年代，当凯恩斯·史密斯在爱丁堡大学学习时，他开始对生命的起源感兴趣。

尽管凯恩斯·史密斯研究有机化学，但他知道生命的基本分子，如DNA和蛋白质，会变得非常脆弱并迅速变化。因此，这些复杂的分子是如何从含有简单化合物的原始汤中形成的？科学家们仍然对这个问题充满困惑。

在1953年发表的一项研究中——就在发现——DNA结构的同一年——一位名叫斯坦利·米勒的生物化学家震惊了早期地球气体和液体的模拟混合物。实验的结果令人震惊。简单的化学物质在电击后会形成更复杂的分子。其中一些是生命的基础:氨基酸，蛋白质的组成单位。

这项实验成为新闻报道的头条。当时，《时代》杂志的封面上写着“科学:半创造”。米勒的论文成为科学史上的里程碑。然而，对凯恩斯-史密斯来说，这个实验提出的问题多于答案。

虽然米勒在他的实验中获得了一些基本的活分子，但他的实验并没有解释这些分子和其他基本的活分子，如形成脱氧核糖核酸的核苷酸，是如何以一定的顺序出现，从而形成生命形成所需的复杂分子。

在米勒的实验中，“简单的分子比复杂的分子更容易出现和形成，”凯恩斯-史密斯说。“创造核苷酸分子的想法是荒谬的。分子越复杂，形成的可能性就越小。”对凯恩斯·史密斯来说，这才是真正的问题。他认为，在我们精巧的遗传物质系统出现之前，还有另一个不同的阶段。

“这是一个非常有趣的实验，”凯恩斯-史密斯说。他把这个实验描述为“美丽的”，但这不足以满足他的好奇心。所以他决定回到一些基本的事情上。凯恩斯·史密斯问自己两个问题:生命系统的必要特征是什么，这些特征是否可以在其他地方找到，而不仅仅是在我们目前所知的生命形式中？

他的目标是找到一个比现代生活简单得多的系统，但是要有生命系统的一些最关键的特征。他在一个非常不寻常的地方找到了答案:粘土。说到粘土，我们大多数人都会想到陶瓷工厂或学校的制陶班。一般的印象是，粘土只是一种潮湿的细沙土壤。然而，凯恩斯-史密斯认为粘土不仅仅如此。从某种抽象的意义上来说，粘土实际上非常像生命。

如果你在显微镜下观察粘土，你会发现它由微小的晶体组成。在每一种晶体中，原子排列成一定的结构，并以紧密压缩的规则形式重复排列。只要条件合适，比如在含有相同化学成分的水中，晶体就会生长。水晶也会分裂，一个“母”水晶会产生一个“子”水晶。

水晶甚至有自己的特征，并把它们传给子水晶——就像生物体把特征传给后代一样。有时，当晶体分裂时，会引入新的特征，例如由破裂压力引起的新形式。这与生物体的基因突变非常相似，生物体的新特征是由突变产生的。换句话说，凯恩斯-史密斯推断晶体的基本特征意味着它们是生命进化开始之前的最初形式。

当晶体将某些特性转移到子晶体时，这些特性可能有助于或阻碍新晶体的产生。例如，子晶体最终可能变得更容易分裂成两个晶体。如果晶体的特性影响了它的分裂能力，它就相当于具有某种进化优势的晶体。

在某种程度上，晶体的物理裂缝(或特征)可以被视为遗传信息。因此，凯恩斯-史密斯认为，晶体矿物可以被视为受到简化形式的自然选择进化的约束。这个理论现在被称为“水晶基因假说”。

凯恩斯-史密斯提出，在稍后阶段，生物分子如DNA开始与晶体结合。这促进了复制过程。最后，发生了“基因替代”:生物分子发展了自我复制的能力，并离开了晶体。凯恩斯·史密斯在半个世纪前(1966年)的一篇论文中发表了这些推理。

他的理论很优雅，但有一个严重的问题:几乎不可能找到测试方法。在过去的50年里，只有少数实验探索了凯恩斯-史密斯假说。

德国慕尼黑大学的迪特·布劳恩说，棘手的问题是没有任何实验技术可以在如此小的规模上测试凯恩斯-史密斯的过程。研究人员必须仔细观察水中的纳米级晶体，以获得它们在几天内的变化。“这在技术上非常困难，”布朗说。

布朗说，我们可能需要一些类似于基因测序的技术来研究晶体，比如“读取”DNA代码。“我们花了40年才最终快速测序，”他说。此外，遗传学家有强烈的动机来完善DAN测序，因为这意味着新的医学方法。研究粘土晶体可能同样困难和昂贵，但不会带来实际好处。

即便如此，至少凯恩斯-史密斯的一些假设得到了验证。20世纪80年代中期，纽约大学的结晶科学家巴特·卡尔(Bart Kahr)偶然在一家商店里找到了凯恩斯-史密斯的著作，只是第一次知道了他的假设。“我爱上了那本书，因为它与普通的科学著作大不相同，”卡尔说。"它有令人难以置信的新思想，而且几乎是用文学风格写的。"

卡尔在21世纪第一个十年中期第二次看到了这一假设，当时受到了强烈的批评。“我很惊讶25年后，人们仍然会谈论‘水晶等价基因理论’，只是为了反驳它，说没有证据证明这个理论，”卡尔说。“这就像一个永远不会失败的稻草人。每个人都觉得他们必须知道，但只是为了表示对它的蔑视，因为它从未被测试过。”

卡尔决定在他的实验室里检验这个假设。他希望追踪母晶体如何将其特性传递给子晶体，以确定粘土晶体中是否存在遗传现象。他决定专注于一种叫做“螺旋位错”的晶体特征最初规则排列在晶体中的一些晶面被轻微挤压形成垂直于晶面的位错线。位错出现在晶体生长过程中，晶体中的位错将呈现出独特的模式。

凯恩斯·史密斯把这种不规则性比作旧电脑的穿孔卡片。他认为这些错位可以像卡片上的洞一样储存信息。卡尔希望测试这种位错模式是否能被亚晶体继承，以及当亚晶体断裂时会产生多少“突变”——新的位错。

为了避免布朗预言的实验困难，卡尔使用了邻苯二甲酸氢钾晶体。晶体比粘土晶体更容易操作。“粘土基本上是一种非常糟糕的晶体，”卡尔说。卡尔和他的团队开发了一种绘制母晶体和子晶体位错图的技术。他们发现从母晶体到子晶体的位错模式可以清晰地描绘出来。他们的结果于2007年公布。

然而，他们惊讶地发现，在亚晶断裂后，出现了许多额外的缺陷。亚晶内部充满了这些所谓的“突变”，并且至少有和遗传位错一样多的新位错。这一结果给凯恩斯-史密斯理论提出了一个难题。如果晶体是逐渐进化的，它需要更多的遗传而不是突变，因此母晶体可以对子晶体的位错模式施加更大的影响。

卡尔说:“为了让这个假设令人信服，你不能在一代人的时间里从青蛙变成猴子。”。更少的“突变”更像“我们现在所知道的生活”然而，卡尔并不是唯一一个探索凯恩斯-史密斯假说的人。

丽贝卡·舒尔曼是美国约翰·霍普金斯大学的生物工程师。她也受到了“水晶等效基因假说”的启发。在过去十年发表的一系列研究中，她设计了一个将信息编码成晶体结构的系统。她没有使用天然的矿物晶体，而是使用了纳米尺度的DNA“瓦片”结构。

这种脱氧核糖核酸携带信息的方式与我们细胞中的脱氧核糖核酸不同。相反，舒尔曼就像使用钩环一样，将“瓷砖”连接成一个晶体结构。“平铺”的顺序包含信息。舒尔曼说:“如果我们能够根据晶体必须遵循的非常简单和已知的物理定律来制造某种晶体，那么我们就可以想象在相对简单的环境中可能的进化过程。”。

舒尔曼通过计算机模拟和随后的实验发现，DNA“瓦片”可以以特殊的形式堆叠，以有效地加密晶体结构中的信息。她找到了一种以水晶形式呈现和复制信息的方法。她的发现在理论上对研究生命起源非常有用。舒尔曼说:“在很大程度上，研究生命起源的部分目标实际上是问如何化学设计一个可以复制信息的系统。”。

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，她的实验没有使用粘土。更重要的是，实验室里起作用的不一定是地球上出现生命时发生的事情。对于“晶体等效基因假说”，需要更严格的实验来验证。凯恩斯-史密斯自己也尝试了很多年，但没有取得什么进展。“他不能得到更多的资金，”多萝西说。申请研究基金的主要障碍之一是他的工作涉及太多不同的学科。

多萝西说:“我们去了加州后，格拉希在门罗公园地质调查局做了一次演讲。”。“他们说，嗯，你的地质没问题，但我认为你的化学反应不对。之后，他在美国宇航局做了一个关于化学的演讲。他们说，好吧，你的化学反应很好，但是我们对你的生物学不是很确定。后来，他在加州大学伯克利分校发表了演讲。他们说，“嗯，你的生物学很好，但是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热情的听众。一些科学家也表现出兴趣:进化生物学家和科学作家理查德·道金斯在1986年出版的《盲人钟表匠》中讨论了“水晶等效基因假说”。

最后，在出版商的鼓励下，凯恩斯·史密斯开始写一本科普书来解释他的理论。名为《生命起源的七条线索》的书出版于1990年。这本书的写作风格就像描述一个神秘的谋杀案。虽然它是有机化学，但它非常令人兴奋。

凯恩斯-史密斯说，他喜欢为更多的读者写作的过程，因为他对能够更简单直观地表达一个想法感到非常满意。“有些人认为更复杂的理论更有可能是真实的，对此我非常失望，”他说。

然而，尽管做了很多努力，他的理论最终没能进入科学的主流。卡尔说:“我很困惑为什么科学中的一些东西变得流行，而另一些却不流行。”。"没有理由迎合公众的口味。"然而，即使凯恩斯-史密斯的惊人理论从未成功，它仍然从两个方向影响着对生命起源的研究，即使是今天。

首先，这些理论提出了什么构成生命的问题，并为类似的生命过程的发生提供了一种途径，而不需要像DNA这样的普通分子。其次，凯恩斯——史密斯的多学科研究——结合生物学、化学和地质学——远远超越了时代。

布朗说:“到目前为止，对生命起源的研究仍然由化学主导。”。然而，在过去的20年里，这一领域逐渐扩大:除了试图生产关键的生化物质，研究人员还开始利用遗传学来研究最早的生命形式和地质学，以找出适合这些生命形式形成的条件。

“我想这些理论对人们来说可能很奇怪，但它们确实为我们指明了正确的方向，”布朗说。“现在人们意识到生命不是由玻璃瓶中的水产生的，而是由环境中的化学和地质条件产生的。这是他的遗产:在岩石中寻找更多细节。”

凯恩斯-史密斯的理论可能永远不会有确凿的证据。布朗说:“如果有一个拥有强大技术力量的大型科学研究小组来支持它，那么就有足够的资源来有效地推进这项实验。”。"但这实际上是一个非常小的圆圈，有点太远了."

事实上，缺乏证据假说并不是凯恩斯-史密斯的真正遗产。他对生命起源的描述可能是完全错误的。然而，从启发人们以一种新的方式看待生命起源的角度来看，他的作品已经超出了它的原意。