從分子生物學看進化論遭遇的挑戰

電子顯微鏡下的DNA。（Pixabay.com）

文 _ 林川

進化論是達爾文在19世紀中葉提出的。在當時，還沒有分子生物學。人們只能觀察到生物的宏觀特徵，比如鳥嘴的長短、豌豆皮是否光滑等。而對於細胞內部的結構，則一無所知。當時的科學家，認為細胞裡面是一種像果凍一樣的物質，通過某種「簡單」的生化過程，實現了複製和遺傳。然後借助適者生存、自然選擇的規律，簡單的生命自然而然地形演變出複雜的生命。

到了20世紀，隨著分子生物學的出現，人們突然發現，細胞內部並沒有那麼簡單。其結構的複雜，遠遠超過最精密的鐘錶，甚至遠遠超過一個巨大的城市。細胞裡面有運送物質的鏈條，長有兩條腿的搬運工，背負著巨大的包裹，在鏈條上漫步行走。各種通道上面，有化學標記，如同信號燈一樣，指引運輸的方向。各種分子開關，時而打開，時而關閉，讓不同的操作在恰當的時間和恰當的地點進行。薄膜上的出入口，讓需要的物體通過，卻把不需要的物體拒之門外。

遺傳的進化可能性微乎其微

這些精妙的結構，是怎麼進化來的呢？要知道，進化論的重要基礎，是遺傳和選擇。如果沒有遺傳，適於生存的特徵就無法延續下去，新的生命特徵，也就無法積少成多，最終達成跨越物種的飛越。

而遺傳的基礎，是遺傳信息的複製。在這種複製功能形成之前，優勝劣汰的進化法則無法實現。沒有複製，就沒有進化，沒有進化，就沒有複製。就像是一位粗心的哲學家，一不小心掉進了井裡，他想，如果我有個梯子，就能順著梯子爬上去。於是他回家拿了梯子，返回井裡，再順著梯子爬上去。

遺傳資訊的載體，一般是DNA。當然RNA和蛋白分子也能儲存遺傳資訊。

DNA的複製功能，依賴於複雜的分子機器，其中包括多種蛋白質分子協同運作，才能完成。構造這些機器的藍圖，就像是電腦程式一樣，是一種化學代碼序列。問題在於，這些複雜的代碼是怎麼產生的呢？是否能夠依賴機率，偶然生成呢？

我們可以設想，在早期地球的某處，有一個溫暖的池塘，水中充滿了各種有機分子。這些分子互相碰撞，逐漸組合成了更大的分子鏈。可是，隨便產生的分子鏈， 不具有任何生化功能。就像隨便挑選字母排列成一串，它很可能是一串亂碼，沒有任何含意。

那麼有多大機率產生有功能的分子鏈呢？蛋白質分子的平均長度大約是300個胺基酸。
如此看來，150個胺基酸的蛋白分子，並不算大。由於每個單元有20種可能性，150個單元的可能性就是20的150次方。這個數字，相當於10的195次方。

就像是一個小偷試圖打開數字鎖，如果鎖上面有3個輪子，每個輪子有10個數字，他最多需要試1000次，如果有4個輪子，他就要試10000次。每多一個輪子，可能性就增長10倍，這就是數學家們所說的組合爆炸。要想靠運氣形成有價值的分子鏈，比大海撈針還要難。

如果這把鎖，不是只有一個組合能夠打開，而是有許多組合能夠打開鎖，那麼小偷的成功概率就提高了很多。科學家們也想到了這一點。他們研究，在眾多可能的組合中，有多少種蛋白鏈能夠成功的折疊，形成有功能的蛋白質呢？加州理工分校的Doug Axe發現，在所有長度為150單元的蛋白鏈中，每10的77次方個組合才有一個具有某種功能。嘗試這麼多次，才能碰到一個微乎其微的成功，這也比大海撈針還要難啊。

這還只是一條蛋白鏈。DNA的複製，需要許多條蛋白鏈才能完成。科學家們估計，自從宇宙形成以來，所有的化學反應都用於隨機產生蛋白鏈，也不可能形成這一機制。

於是科學家們設想，形成DNA複製機制過於複雜，那麼能不能依靠更簡單的化學結構，就達到自我複製功能呢？如果不需要形成整個細胞，而只需要形成一個分子，任務不就簡單多了嗎？於是他們把目光投向RNA，希望能夠通過天然的過程，形成RNA的複製。
結果他們發現，RNA的複製，即便比DNA簡單，也是一個非常複雜的分子鏈，要想隨機產生，依然是大海撈針。

那麼，能不能讓小分子，通過物理化學的吸引，逐步組裝成大分子呢？我們可以設想一下，如果把一個猴子放在打字機前，讓它隨機敲打，假以時日，總有一天它會打出莎士比亞的《哈姆雷特》。然而這個等待卻是漫長的。如果單詞和單詞之間具有吸引力，能夠自行組裝成有意義的句子，這一過程就快的多了。比如說，某一天猴子偶然打出了單詞「To」，這倒不是什麼難事。再等一段時間，它偶然打出單詞「be」，然後由於物理化學的吸引，「be」被排放在「To」的後面，成了「To be」。這個過程持續下去，用不了多長時間，就形成了莎士比亞的名句：「To be, or not to be, that is the question.」（生存還是毀滅，這是一個關鍵問題。）

科學家們發現，鹼基和鹼基之間，的確存在著物理化學的吸引力，這曾經讓他們看到希望。不過通過進一步研究，他們否定了原來的設想。原因是，這一過程，並不能形成有意義的排列組合。比如說，家裡有一個冰箱，還有許多鑲嵌著磁鐵的字母。把字母隨機扔向冰箱，字母的確會被吸引到冰箱上。然而字母和字母之間，並不能形成有意義的句子。

目前科學無法解釋的
細胞生化功能

不要說DNA的複製，時至今日，連最簡單的生化功能，其產生的原因都無法解釋。但另一方面，隨著生物化學的發展，人們不斷認識到，細胞內部的結構，越來越玄妙。此前認為沒有用的垃圾DNA，現在卻發現扮演著重要的角色，如同電腦中的操作系統，控制著進程開啟的時間。DNA具有自動糾錯功能，細胞內部的物質，能夠分門別類的儲存。難怪有電腦程式員認為，程式設計中的很多技巧，在細胞內部都已經用到。

在分子生物學這一層面，進化論依然一籌莫展，而另一方面，需要解釋的生化機制，卻越來越玄妙，它所面臨的挑戰，也日益艱巨。

與此同時，在其他領域，科學已經打開了一扇大門，讓神的存在，成為可能。科學家們發現，宇宙中95%的物質是暗物質，我們看不著摸不到，卻無時不在我們周圍，和我們穿身而過也沒有感覺。這些物質之中，有沒有生命存在？有沒有更高級的生命存在？他們是不是人們所說的神？量子物理也發現，宇宙中可能存在著多重世界，許多世界中都有一個你，但卻可能做出不同的抉擇。如果是這樣，我們的世界，是不是一個虛擬的世界？冥冥之中，會不會有更高的生命主掌我們這個世界？

科學曾經讓人類堅信無神論。然而隨著科學的發展，它又猛轉回身，把地毯從無神論的腳下抽走。隨著科學的發展，我們的世界變得越來越奇妙，許多過去認為不可能的事，也逐漸成了可能。也許我們應該打開自己的視野，重新評價過去的觀念了。

（小標為編者所下） ◇