香山科学会议第223次学术讨论会综述

香山科学会议于2004年5月8日至10日在北京香山饭店召开 了以“生命起源与太空生
命”为主题的第223次学术讨论会。到会国内外专家40余 恕;嵋槠盖胝杂穹摇⒊戮丁
刘志恒为执行主席。国际生命起源研究会主席Prof. Antonio Lazcano, 日本生命起源研
究会主席Prof. Kensi Kobayashi, 法国生命起源研究会主席Prof. Francios Raulin,
印度科学院院士Prof. Mohindra Chadha, 德国生命起源研究会主席Prof. Wolfram
Thiemann也应邀出席会议。

一、化学与生命起源

赵玉芬院士作了“化学生物学与生命起源”的主题评述报 告, 从化学生物学的角度
介绍了生命起源问题的主要方面,如膜的起源, t-RNA的起源, 遗传密码子的起源的历史
及研究现状. 评述了国际及中国生命起源的与太空生命研究的现状和发 展趋势。她从磷
元素的核化学合成开始, 介绍了磷在星际云, 陨石, 慧星,地球及生物体系中的存在。研
究表明,磷的存在极大的促进了Miller放电实验中合成的 被岬闹掷嗉安, 碱基(尿
嘧啶)的形成, 紫外线诱导的核苷的合成及脱氧腺苷的合成及多聚磷酸诱 导核苷的磷酰化
反应。聚磷酸盐本身就是一种脱水缩合剂,可促进水溶液 须募昂怂岬却蠓肿拥男纬伞J
先,基于磷酰化氨基酸的自聚合特性,提出了多肽起源的 模型,并用这一模型解释了自
然界为什么只选择 a氨基酸而不选择bB氨基酸。在这一模型的指导下,通过 肿咏
找到了一个具有切割核酸和蛋白活性的最小的酶(丝组二 肽),这个二肽化合物还可能
是蛋白酶与核酸酶的共同祖先。在以上模型的基础上加入 核苷,发现不仅有多肽生成,
而且还有寡聚核苷酸生成,据此*理,她进一步提出了蛋 白与核酸共同起源的学说,这
一学说的提出可以解决学术界长期争论的“先有蛋是先有 鸡”的问题。应用共同起源的
进化模型,还有可能极大地推进遗传密码起源的研究。

国际生命起源研究会主席Prof. Antonio Lazcano 作了寻找生命的共同祖
先:towards an interpretation of the molecular fossil record的报告. 重点介绍了
前生命化学如何向复杂体系特别是最*始生命(生命共同 淖嫦)的起源问题。他认为,
生命共同的祖先的寻找及研究是揭开生命起源之谜的关键 。特别介绍了DNA聚合酶I型的
晶体结构中PALM区域,DNA聚合酶I型是现代生物体内催化R NA单体聚合成RNA的酶,并发现
在进化树的古菌,真菌和细菌的DNA聚合酶I型的晶体结构 蠵ALM区域非常保守,而且他们
含有83个氨基酸残基,同源性很高。 因此,他认为在生命起源初期有一个由RNA及蛋白
质构成的体系(RNA-Protein World),在这个体系中,PALM肽负责RNA的合成及转录。
于其功能的重要性,其序列高度保守,成为现代生物提取 蠨NA聚合酶,RNA聚合酶及反转
录酶的核心序列。研究PALM区域的合成及功能是揭开生命 起源中化学进化向生命形态转
化的关键。

日本生命起源研究会主席Prof. Kensi Kobayashi 作了Importance of
extraterrestrial complex organics as a source for the first life on Earth的专
题报告。他的报告特别强调了星际间复杂有机物在地球上 生命起源中的重要意义。他在
实验中模拟太空环境,发现用g-射线, 紫外线及高能质子照射由一氧化碳, 甲烷, 氨及
水组成的体系中均能产生复杂的沥青状多聚物。沥青状多 聚物水解后发现有多种氨基酸,
尿嘧啶及胞嘧啶。间复杂有机物对生命起源具有重要意义 。

二、太空生物学

国际和国内太空生物学的发展,发展空间生命科学已*成 为太空生物学的重大前
沿。近年空间生物学家一方面试图通过对包括火星、月球 等星球上取得岩石和尘埃样品
的监测,寻找可能存在的生命现象;另一方面利用各种航 天飞行器探索生物对空间环境
的反应,为人类征服太空提供理论知识和技术依据。近四 十年来,我国空间生命科学也
取得了一些成果。这些研究成果已*向人们展示了利用无 限的空间环境研究开展生物资
源的巨大潜力。神舟5号返回舱的成功回收、已*启动的 皆鹿こ痰纫参窈笪夜丈
命科学的发展提供了广阔的机遇和前景。

法国生命起源研究会主席Prof. Francios Raulin做了星际太空生物学:伽利略*胡
根项目的报告。他介绍了欧洲生命起源研究的概况,并重 憬樯芰伺分尢站(ESA)与美
国航空航天局(NASA)的联合太空计划伽利略*胡根项目 的情况。该项目于1997年10月
向火星发射飞行器,预计2004年6月末7月初进入轨道成为 土星的人造卫星。该飞行器由
伽利略和胡根两大探测器组成,环绕土星两周后,将于12 月25日向火星表面释放胡根探
测器。2.5小时的降落过程中,胡根探测器里将利用6种科 学仪器对土星大气层和表面的
情况进行系统的分析。同时在历时4年的探测期间,利用 聿ǘ我8刑讲庾爸觅だ蕴讲
器将通过12种科学仪器系统探测土星卫星的情况。

印度科学院院士Prof. Mohindra Chadha以国际生命起源会议为主线对生命起源的研
究历史进行了介绍。从1957年在莫斯科举行首届国际生命 起源会议到上界2002年7月在墨
西哥Oxaca国际生命起源会议, 生命起源的实验研究取得了重要进展. 从Stanley Miller
的放电实验到 RNA World的提出, 生命起源研究越来越得到了科学界的重视. 近20年来
在Science及 Nature发表的相关论文数以百计。 Miller 的放电实验到 RNA World等源
于生命起源的概念在科学界已*众所周知。

三、分子进化与生命起源

有一位教授提出,氨基酸的进化分为三期,而不是一开始 就有20种氨基酸存在。第
一期,可能是五~七种基本氨基酸,这些氨基酸是在放电 笛椋涫笛榛蚧坌侵凶钊菀
找到的。即自然发生的。第二期,是生命体系建立之后, 由生物体自身合成。第三期,
则在进化的过程中,在t-RNA上把别的氨基酸修饰进化的结果。根据这一*理,遗 苈
并非一成不变,而氨基酸的种类也是可以继续增加的。他 于1983年得到了首例的遗传密
码的突变,将编码的色氨酸改换成四氟色氨酸。今年来世 界上的其他实验室也获得了不
同的遗传秘密码的变异,让一系列新的氨基酸品种得到了 编码。这种遗传密码的可变性
及可进化性还为建立所有t-RNA的进化之树提供了根据。

近年来,国际学术界有一种非常热门的RNA世界学说。即R NA不仅是遗传物质,而且
还是一种可以催化反应的酶。如它可切割核酸,合成核酸 ,合成C-N键,酰胺键,由RNA
合成RNA等。但是,RNA存在不稳定性,催化活性的低效率 性等问题。今后重点研究的课
题应对RNA世界模型进行修改,把RNA和多肽或其它分子放 在一起作用,使RNA的活性提高
及稳定性提高。

与会者对以上报告进行了热烈的讨论,特别是对RNA世界 睦砺壅箍思ち艺邸R
派认为RNA由于自身稳定性差,催化活性不高,且能催化 姆从τ邢蓿虼耍琑NA世界不
可能存在。另一派则认为RNA有相当的稳定性,其催化活 运淙徊桓撸怯锌赡茉诙嚯
的参与下提高其活性。因此,大家比较一致的意见是两者 *同作用也许是问题答案。

四、细胞的起源与进化

细胞重建研究提出了研究生命起源一种方法,即发现生命 (细胞)起源与进化过程
中留下的痕迹。贝时璋先生历时70余年的“细胞重建”学 说对细胞的起源具有指导意
义。因为细胞重建是一个自组织过程,只要具备物质基础 和合适环境,在生物体内或离
体的情况下即可能发生细胞重建,这一过程应该与细胞的 起源具有一定的相似性。

广大学者对贝先生的细胞重建学说给予高度评价的同时, 提出了一些问题,如细胞
重建的物质基础问题,重建的分子生物学机理问题等有待 更进一步研究。是否细胞的起
源与细胞重建在本质上有类似性还需大量工作要做。

有位教授拟从液晶的角度对生命起源进行探讨,但主要内 容游离了生命起源的主
题。远古时代是否存在液晶态条件及有序化的液晶是否帮 助生物物质的自组装确实是一
个有待探讨的有趣问题。

五、远古生命与极端极端条件下的生命现象

陈均远研究员在有关“多姿多彩的生命世界和智能生命在 地球出现的第一步”的中
心议题报告中指出:我们地球的生命*历了宇宙演化、* 核、真核和多彩多姿的动物时
代,在最后两百万年的“瞬间”诞生了智能生命。动物时 代的崛起是地球生命发展史一
个最重要的转折点之一。动物时代是如何崛起,何时和如 何发生一直是一个令人困惑的
科学问题。陈均远教授课题组对瓮安动物化石群的发现和 研究挑战了“寒武纪大爆发”
这一模型,将动物时代崛起的起爆时间前推到寒武纪之前 四千万年。同时5亿3千万年前
帽天山页岩动物化石群的研究证明动物多样性的崛起从五 亿八千万年前的瓮安动物化石
群到5亿3千万年前帽天山页岩动物化石群历时五千万年, 为以后五亿多年历史的发展、
现代生物多样性的形成、特别是智能生命最终在我们行星 的出现奠定了基础。至于智能
生命为什么在地球发生,为什么最终只在具有脊椎骨这一 动物类型涌现?处于无脊椎动
物向脊椎动物演化过程的海口虫为回答以上问题提供了线 索。海口虫具有较现代头索动
物文昌鱼和其他同时代早期动物类型大得多的脑,说明智 能生命之所以在地球上具有脊
椎骨这一动物类型中涌现并不是一起偶然的事件。他还提 出生命的进化除来自生命自身
的因素外,与时时变化的地球自然环境之间存在着不可思 议的力量之环。地球不仅给生
命提供了进化的舞台,也*常出其不意地主导了进化的过 程。

极端条件下的生命现象也是本次会议的热门话题,在极端 环境下生态系统的典型代
表是:热泉和海底“黑烟囱”中发现了大量的嗜热古细菌 ,它们与真细菌、真核生物的
分支时间可以追溯到地球生命起源的早期阶段,热泉所代 表的环境与地球38亿年以前生
命起源的环境类似,生命可能发生在这一特殊的环境中。 深海热液出口附近的黄铁矿
(FeS)被认为与生命起源的关系密切,云南腾冲热泉的 叵鹿湃热杌ǖ酪埠写罅
的黄铁矿(FeS)。自太古代至现今,无论是火成岩、变 恃一故浅粱遥饫嘤蒘iO2和
黄铁矿(还包括其它多金属矿物)形成的条带(地学中常 称为“石英脉”)广泛存在,
它们的成因与热液活动紧密相关。由此可推测,表层岩石 圈中似“蜘蛛网”状分布的热
液通道也许在38亿年(地球上迄今为止最古老的生物活动 痕迹)前,甚至在42亿年(大
量陨石撞击地球的结束时期)前就可能存在。

以*核生物为主体的热泉微生物群落代表了生命起源之后 第一个完美的地表微生物
生态系统,生命可能在40亿年前起源于地球浅层岩石圈的 某处,而热泉和海底“黑烟
囱”正是地球生命从地下向地表扩展的窗口,地球早期“ 稳定”的地下环境和地表“恶
劣”环境的转换形成了一个物理和化学条件变化强烈的梯 度,这一环境巨变的选择压可
能导致了早期生命在35亿年前快速分异和进化。热泉口和 海底“黑烟囱”可能不是生命
起源的最佳地点,而是地球最早期微生物变异和多样性的 最佳发源地。

关于耐辐射奇球菌的起源与进化的地球后生说,50年前, 美国科学家Arthur
Anderson 注目于辐射灭菌后的肉罐头的发现。当用可杀死其周围的 其它微生物的强烈的
射线照射这种生长在肉上的细菌时,其外部形态不受任何 影响。这种后来被取名为耐辐
射球菌Deinococcus radiodurans在10,000戈瑞(Gy)的辐射剂量下,只是放 渖に
度,在17,500戈瑞(Gy)下也有35%的生存率,在30,000 戈瑞(Gy)下还有些存活。后
续的研究表明,DNA的双裂断裂是辐射损伤的结果,而耐辐 射球菌的辐射抗性的秘密在于
它修复DNA双链断裂的特殊能力。基于地球上可能不存在 绱饲苛业姆浠肪常砺匏箍
间生物学研究中心的Anatoli Pavlov认为,耐辐射球菌可能起源于具有强烈电离辐射的
火星,随着陨石落到了地球,即“火星来客说”;美国路 易斯安娜州立大学的John
Battista则反对“火星来客说”,认为耐辐射球菌起源于 厍颍涑康姆淇剐允歉孟
菌在漫长的干旱抗性的形成过程中带来的一种附属的能力 ,即所谓的“*同进化说”。

耐辐射奇球菌起源与进化的“地球后生说”支持地球的进 化过程中可能曾在史前有
过强电离辐射环境的假说,认为耐辐射球菌起源于地球, 其超强的辐射抗性,尤其是其强
大的双链断裂DNA修复能力,是在这一过程中为适应环境而 形成的,其进化的动力可能是
被强电离辐射击得粉碎的细菌的基因组发生重组,部分重 组基因编码的特有蛋白或酶构
成了其DNA损伤修复的特有机制。

六、小结与展望

执行主席对会议讨论的问题进行了小结,并对今后的发展 提出了看法:

一、认识了我国发展生命起源与空间生命的研究的必要性 和紧迫性。

1. 生命起源不仅是一项基础研究课题,而且是一项具有长期 战略意义的宏大课题。
对生命起源和外星生命的研究,为以后发现外星生命形式 ,改造外星(如火星)状态甚
至移民外星创造了条件。没有前期的基础研究,以后的这 些战略问题的落实就会成为空
中楼阁。

2. 美国、日本、欧洲在生命起源研究上已走在世界的前列, 我们虽然也有一些有特
色的研究成果,但整体上还存在研究队伍分散,没有一个 组织,也没有得到研究*费上
的支持。因此,要想赶上先进国家的研究水平,还需要动 员广泛的力量并得到国家的支
持。

3. 我国已进行载人太空飞行,已逐步有条件跻身外空生命探 索的行列。因此,开展
生命起源相关研究已具备一定条件。

二、认识了我国在该领域的家底,为以后组织*作攻关, 创造了条件。

1. 形成了以清华大学,北京大学为主的从化学进化的角度探 讨生命起源的研究中
心。主要探讨生物高分子的起源,进化和手性相关问题。 在国际上已有一定影响力。

2. 形成了以中科院南京地质古生物所,西北大学等单位为中 心的动物种群起源研究
的强势队伍。该项研究已获得国家自然科学一等奖。

3. 形成了以中科院微生物研究所,浙*大学等为主的极端条 件下的生命现象的学科
群体。极端条件下的生命现象不仅为早期生命的起源研究 提供线索。而且也为工业应用
提供了潜在可能。

4. 形成了以中科院遗传所,香港科技大学等单位为中心的遗 传密码起源与进化的研
究中心。并在非天然氨基酸的取代与人工生命合成上有一 定特色。

三、一致同意成立一个生命起源相关学会。我国的生命起 源研究者散落在化学,生
物学,考古等各个不同领域,不能很好地相互沟通,探讨 和合作,因此很有必要有一个
*会统筹以上事项。

四、赵玉芬院士综合大家的意见,提出在四个方面推动前 沿研究课题合作及主项工
作,并希望得到各部委的大力支持。

1. 太空生物探测。我国已在组织登月计划,登月成功后,可 带回一些月球样品,可
进行诸如氨基酸等方面的分析研究;在登月的过程中,可 以进行一些诸如太空条件下的
生物物质的生成,转化方面的模拟实验;此外,美国和欧 洲正进行火星探测和土星卫星
(Titan)的探测,我们可以组织力量推动与他们的合作

2. 细胞起源与化学进化研究。我国在化学进化方面,以清华 大学为中心有自己的特
色成果,同时,生物物理所在细胞重建与细胞起源方面具 有自己的长期积累,可以考虑
在此二者之间进行合作,并把双方的研究推入深入。

3. 极端条件下的生命现象研究。我国微生物研究所,南京地 质古生物研究所,中科
院地质研究所,浙*大学等单位在极端条件下的生物现象 方面进行了卓有成效的研究,
可以凝聚成一个课题,推动立项。

4. 动物种群起源研究。以南京地质古生物研究所,西北大学 等为中心,已形成了动
物种群起源研究的强势队伍,并在Science,Nature等期 隙啻畏⒈砺畚模梢宰橹
成一个课题,争取前沿课题立项。

(香山科学会议 韩 存 志)







参会人员名单:

赵玉芬 院士 清华大学

陈均远 院士 中科院南京地质古生物所

刘志恒 研究员 中科院微生物所

朱立煌 研究员 中科院遗传与发育所

王文清 教授 北京大学

成昌梅 副教授 清华大学

黄 英 副研 中科院微生物所

邓少平 教授 杭州商学院

张红雨 教授 山东理工大学

华跃进 教授 浙*大学

肖敬平 教授 华南农业大学

刘晓为 教授 北京大学

王子晖 教授 香港科技大学

孙润广 教授 陕西师范大学

马 飞 副教授 厦门大学生命科学院

纪志梁 副教授 厦门大学生命科学院

麻 远 副教授 清华大学

樊启昶 教授 北京大学

王谷岩 研究员 中科院生物物理所

屈凌波 教授 郑州大学

卢 奎 教授 郑州工业大学

王孔* 研究员 中科院生物物理所

陈衍景 研究员 北京大学

朱圣庚 教授 北京大学

翟中和 院士 北京大学

张荣华 研究员 中国地质科学院

南仁东 教授 中科院国家天文台

马延和 研究员 中科院微生物所

蒋宇扬 副教授 清华大学

刘 敏 研究员 中科院遗传与发育所

袁训来 研究员 中科院南京地质古生物所

朱茂炎 教授 中科院南京地质古生物所

Francois Raulin 教授 法国

Mobindra Singh Chadha 印度

Kensei Kobayashi 教授 日本

Wolfram H.-P.Thiemann 教授 德国

Antonio Eusebio Lazcano Araujo 教授 墨西哥

杨炳忻 教授 香山科学会议

韩存志 教授 香山科学会议


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