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科学大争论——生命能否自发产生?

2018-02-09 方舟子 方舟子 方舟子

    人类很早就知道,生物靠繁殖产生下一代。但是在古代,几乎所有的文化中都流传着某些生物,特别是低等的、龌龊的生物,在一定的条件下能够自发产生的说法。人们普遍相信腐烂的肉会变出苍蝇和蛆,朽木会自己长出蛀虫,汗会生出虱子,海底的烂泥会生出鱼,地里的烂泥会生出青蛙和老鼠……中国古代除了有“肉腐出虫,鱼枯生蠹”这种比较普通的说法,还有“腐草为萤”的浪漫传说,直到李时珍编写《本草纲目》时,还一本正经地把萤火虫是从腐草化生的当成事实来讲。


    这些动物的确经常被发现从腐烂的东西中突然长出来,而它们的卵又小得难以看到,人们就会想当然地认为它们是自发产生的。不仅一般人这么认为,哲学家、博物学家也普遍相信生命能从无生命物质自发产生。中国古代学者对此只有零星的叙述,古希腊哲学家却将它做为一个学说提出来,其基本观点是,在阳光产生的热量的作用下,粘土(水和泥土的混合物)能够自发地产生生物。这些说法被亚里士多德综合了起来,构成了一个精致的体系。此前古希腊哲学家提出自发发生说主要是为了说明生物最初是怎么产生的,但是亚里士多德不相信宇宙有开端,他只是把自发发生做为当今生物的繁衍方式之一。


    自发发生说是亚里士多德动物学体系的一个重要组成部分,他用他的自然哲学对此做出了似乎很合情合理的解释。亚里士多德认为,地球上的所有东西都是由土、水、气、火四种元素组成的,不同的元素又是由冷-热、干-湿这四种两两互相对立的原始性质按不同比例组合而成的。这些元素和原始性质在生物体各部位的混合就决定了生物的性质。当然,生物之所以是活的,是因为它们有“元气”。“元气”实际上是两种元素——气和火——的混合,因此非生命物质中也有,无处不在。为什么粘土中会自发产生生命呢?因为粘土中含有水,水中含有气,而所有的气都含有元气,一旦气和元气被包裹起来,在热的作用下,就会快速地形成生命。形成什么样的生命,则取决于四种元素和原始性质的比例。


    这位古代最伟大的博物学家把自发发生当成了低等生物的主要产生方式。例如,他认为所有的贝壳类动物都是从泥土中自发产生的,不同的材料生出了不同的贝壳:粘土长出了牡蛎,泥沙长出了蛤蜊和扇贝,岩石的空隙长出了藤壶和帽贝等等。许多昆虫也是自发产生的:树叶上的露珠、腐烂的泥土或粪便、树干、动物的毛发、肉、排泄物等等都能生出各种各样的昆虫。这些结论显然是根据不严谨的观察得出的。


    亚里士多德的自发发生说看上去似乎与基督教关于上帝创造生物的教义相矛盾,但是在基督教在西方世界占据统治地位后,却没有被当成异端。基督教神学家从其《圣经》中找到了一句“神说,水要多多滋生有生命的物”,认为这指的就是自发产生生命,从而采纳了亚里士多德的观点。从此亚里士多德的自发发生说被后来的西方学者不加怀疑地普遍接受达两千年之久。直到17世纪,佛兰德斯医生和化学家范·赫尔蒙特(1580–1644)还这么指导人们如何造出老鼠:把被汗湿透了的内衣和麦子一起放到罐中,不加盖放三七二十一天,等汗发酵了,恶臭渗透进了麦子,麦子就会变成老鼠!而如果把一种叫罗勒的植物夹在两块砖头之间,放在阳光下晒,就会生出蝎子。


    最早想到用实验来验证自发发生说的是意大利医生雷第(1626-1697)。当然,他不可能对有关自发发生的种种千奇百怪的说法都一一去验证,所以他选择了流传最广、被所有人一致接受的一个说法:腐肉生蛆。他在1668年报告了他的实验结果。他的实验非常简单,但是却算得上是历史上第一个严格的生物实验:他甚至设了对照组。他在4个广口瓶中放进死蛇、鱼和牛肉,然后盖上盖子。做为对照,他在另4个广口瓶中一一放上同样的东西,但是让瓶口开着。他注意到苍蝇在开口的瓶子进进出出,几天后,腐烂的肉长出了蛆。但是在盖了盖子的瓶中,虽然肉也腐烂、发臭,却没有蛆。他改用纱布封住瓶口,虽然空气能进瓶子,但是苍蝇进不去,腐肉同样不会长蛆。他抓了蛆来养,发现它们最后变成了苍蝇。把死苍蝇或死蛆放进装了肉的封口瓶中,腐肉不会长蛆。但是如果放的是活的苍蝇,就会长蛆。


    这样,雷第就证明了腐肉中的蛆不是自发产生的,而是苍蝇产的卵变来的。雷第没有再用其他的昆虫做实验,他觉得从这个腐肉生蛆的实验已可以推断其他昆虫也不会是自发发生的。不过,雷第仍然相信自发发生在某些条件下是可能的,例如,他相信植物组织中的瘿虫和动物体内的寄生虫就都是自发发生的。1700年有人发现瘿蜂在植物中产卵才生出瘿虫,而对寄生虫的生活史的发现,则是19世纪的事了。


    不管怎样,雷第的实验极大地动摇了人们对自发发生说的信心。恰好在此时,荷兰人列文虎克(1632-1723)在显微镜下发现了微生物。于是人们又想,虽然蛆之类的动物看来是不能自发产生的,微生物这种简单的生物总还是可以从非生物变来的吧?不然它们怎么这么多,到处都是?列文虎克本人倒是相信微生物也是繁殖而来的,但是其他博物学家却不相信微生物这么简单的东西能够自我繁殖。有关自发发生的争论从动物世界转移到了微生物世界。


    1718年,法国显微镜学家约伯洛特(1645-1723)模仿雷第的方法,试图解决有关微生物能否自发发生的争端。他把干草浸液煮沸后分成两部分,一部分放在密闭的瓶中,一部分放在开口的瓶中。开口瓶中的浸液长满了微生物,密闭的瓶中则没有。为了证明密闭瓶中的干草浸液也能滋养微生物,他把封口去掉,不久里面也长出了微生物。


    法国大博物学家布封(1707-1788)不相信约伯洛特的实验结果。他去英国旅行时见到英国显微镜学家、天主教神甫尼达姆(1713-1781)。尼达姆也相信自发发生说,甚至相信泡在水中的麦芽能自发产生小蠕虫。在布封的鼓励下,尼达姆用肉汤做材料重复了约伯洛特的实验,却发现不管肉汤有没有煮过,瓶子是否封闭,几天后肉汤中都长出了微生物。他得出结论说,在任何物质中,都存在一种活力,能够自发长出新生命。尼达姆在1748年发表其实验结果。


    意大利修道士斯巴兰扎尼(1729-1799)认为尼达姆的实验方法有问题。尼达姆是先煮沸肉汤再封口,此时已有空气带着微生物跑进了瓶子中了。斯巴兰扎尼改进了实验方法,先把瓶口封好,再加热煮沸。斯巴兰扎尼比较了不同煮沸时间的结果。他在1767年报告说,煮沸时间比较短的肉汤中还能长出微生物,但是煮沸时间长达半个小时到45分钟后,只要瓶子保持密闭,肉汤中就再也不会有微生物。尼达姆反驳说,经过这么长时间的煮沸,肉汤已无法滋养生命。于是斯巴兰扎尼打断瓶颈,不久微生物就在肉汤中长出来了。


    但是斯巴兰扎尼的实验并没有结束争论。其他人重复了斯巴兰扎尼的实验,有的得出了和斯巴兰扎尼一样的结果,有的却相反,发现再怎么消毒、密封也会长出微生物来。还有的人说,要从肉汤里长出微生物来需要新鲜的空气“刺激”,斯巴兰扎尼煮肉汤的时候,把瓶子里面的空气也给煮得失去了刺激能力,外面新鲜的空气又进不去,所以才长不出微生物来。


    不管理论上怎么争,斯巴兰扎尼已经证明了只要恰当地消毒、密封,食物就不会腐烂变质。法国厨师阿培尔(1750-1841)受到启发,发明了罐头技术,把食物放进干净的玻璃瓶中,塞上软木塞,煮沸,之后用蜡封口,就可以长久保存。1800年拿破仑悬赏12000法郎,征求能为军队提供补给食品保藏技术。阿培尔在1810年提交了其技术,获得了奖金。


                              (中)


    当古希腊哲学家提出自发发生说时,它只是一个哲学学说。到了17世纪,雷第试图用实验来验证它,它就变成了一个科学假说。但是实验却没能获得公认的结论。一直到19世纪,微生物能否自发发生,仍然是一个争论非常激烈的问题。


    19世纪中叶的法国,成了两军交战的战场。而这场争论,有着深刻的政治和宗教背景。此时,受到天主教会支持、代表着极端保守势力的拿破仑三世上台,当权者非常害怕再来一场社会革命。自发发生说被与无神论、唯物论、社会主义和其他激进的社会思潮联系在一起。如果生命能够自发产生,那么生命就不必靠上帝来创造。顺理成章地,许多人把自发发生说看成是在反对正统的宗教教条,乃至是在对抗法国政治和社会权威。于是一个学术问题,就成了政治和宗教问题。批判自发发生说,很容易获得政府和教会的支持。


    在这场争论中,自发发生说的旗手是著名博物学家、卢昂自然历史博物馆馆长普歇(1800-1872)。自1855年起,普歇向法兰西科学院提交一系列论文报告证明自发发生的实验结果,并在1858年出版了一部专著。他声称,在严格控制的实验条件下,已被彻底煮过的养料在密闭的烧瓶中冷却后,仍然能长出微生物。由于普歇认为养料煮沸后原来的微生物已经都被杀死了,而且他在实验时确保瓶中的养料不会受到外界的污染,那么从中长出的微生物,就被认为是从养料中自发产生的。


    普歇是一名曾经做出过重大成果的学术权威,他的观点在法国科学界和公众中都引起强烈反响。不过,在相信自发发生说的人们当中,普歇其实比较另类。他并不是一个社会激进派,而是试图把自发发生说与正统宗教调和起来,认为自发发生并不是随机发生的,而是在上帝的指导下进行的。但是,自发发生说的反对者仍然认为普歇的观点是异端和无神论的,必须证明那是错误的。法兰西科学院悬赏2500法郎,将奖给对自发发生说的问题有新的理解的人,其实就是要奖励人们去推翻普歇的结果。


    年轻的巴斯德(1822-1895)响应了这一号召。虽然巴斯德有时被描绘成一个虔诚的天主教徒,但是他参与自发发生说的争论,却不是完全出于宗教或政治的原因,而是他的学术研究的兴趣所致。此时巴斯德在研究葡萄酒发酵的原因。1789年,法国著名化学家拉瓦锡提出发酵是一个化学过程,是空气和葡萄汁起反应的结果。这个观点逐渐成为学术界的主流。但是这个说法面临着一个问题:在酵母发酵过程中总能发现大量的微生物,它们是从哪里来的?要么是发酵后受到感染,要么是在化学反应中产生的,也就是自发发生。但是也有少数人认为这些微生物才是发酵的因素,酵母是一种活的微生物,发酵是微生物的活动引起的。


    巴斯德相信的是微生物发酵学说,因此他必然要反对自发发生说。从1860年2月到1861年1月,巴斯德向法兰西科学院递交了5篇短文报告他为了否定自发发生说所做的实验结果。1861年巴斯德把这些论文扩展成一篇论文,赢得了科学院的大奖。


    在这些论文中,巴斯德介绍他是如何用一系列实验来否定自发发生说的。他的实验材料是煮沸的含糖酵母液,用来做为细菌的养料。实验目的是为了说明培养液中的微生物来自漂浮在空气中的微生物。在一个实验中,培养液被放在密封的瓶子,输入用过滤或加热消毒过的空气,培养液中不会有细菌。随后输入没有处理过的空气,微生物就出现了。


    巴斯德最著名的实验是“鹅颈瓶”实验。他设计了一种特殊的瓶子,这种瓶子是开口的,但是瓶颈又细又长还扭曲了一下,象天鹅的脖子。他把瓶子里的培养液煮熟,再慢慢地冷却,新鲜的空气还能进到瓶子里面去,但是携带着微生物的尘土却被瓶颈堵住,掉不到培养液中去,培养液就长不出微生物来。要是把瓶颈敲掉,培养液很快就长出了微生物。


    巴斯德认为空气中的微生物浓度和环境状况、空气运动和海拔高度有关。他在山上的不同高度打开装着煮过的培养液的瓶子,发现海拔越高,培养液被微生物污染的可能性就越小。在高山上,20个装了培养液的瓶子,只有1个长出了微生物。普歇用煮过的干草浸液做材料重复了巴斯德实验,却得出不同的结果:即使在海拔很高的地方,所有装了培养液的瓶子都很快长出了微生物。普歇认为,只要有氧气的刺激,微生物就会从培养液中自发地生出来。


    1864年1月,法兰西科学院指定一个委员会来解决巴斯德和普歇的争论,要求两人在委员会的监督下,分别到大教堂屋顶、气球、山顶上取空气样品做实验。这个委员会的成员都是巴 56 36051 56 20246 0 0 7356 0 0:00:04 0:00:02 0:00:02 7354德的朋友或支持者。普歇在这一年的6月为抗议委员会不公平,退出了竞赛。于是委员会宣布巴斯德获胜。巴斯德成了法国英雄。


    如果普歇不退出竞赛,他倒是很可能获胜。普歇和巴斯德都以为,虽然他们用的实验材料不同,但是经过煮沸都能有效地灭菌。这个假定是错误的。当时不知道的是,普歇所用的材料——干草浸液中含有一种耐高温的细菌枯草杆菌,它的孢子在120°C温度下能存活20分钟,一般的煮沸并不能把它们杀死,因此培养液一旦冷却,枯草杆菌的孢子就会复活,迅速繁殖。所以,普歇的实验结果并无问题,但是他做出了错误的解释。


    即使是巴斯德的实验,也不像他报告的那么完美。巴斯德的实验记录现在已公开了,根据这些记录可以知道,他的实验只有一小部分(占10%)得到了他想要的结果,绝大部分都失败了,培养液中长出了微生物,但是巴斯德不认为它们是自发发生的,而归咎于实验错误,不做报道,而只报道符合他的观点的结果。


    在这次竞赛之后,自发发生说在法国没有了市场,巴斯德本人也转而研究其他问题去了。现在的教科书经常把巴斯德的鹅颈瓶实验做为否定自发发生说的决定性实验,从此自发发生说就被彻底推翻了。果真如此吗?其实,巴斯德的实验并没有证明生物不能自发地从非生物产生——想要用实验证明某个东西不可能发生,本身就是个不可能完成的使命。巴斯德实验只是表明了,现在的生物不太可能从非生物材料中自发产生。在巴斯德实验之后,有关自发发生说的争论并没有从此消声匿迹。只不过,这回战场改换到了英国,争论的背景也换了,改成了与进化论有关。


                          (下)


    在巴斯德与普歇就生物能否自发产生的问题争得热火朝天的同时,达尔文《物种起源》的发表引发了生物学上另一场更为重大的辩论。这场有关生物是否进化而来的大辩论也包含了有关自发发生论的辩论。达尔文的进化论被许多人认为为自发发生论提供了支持。进化论本身并不解决生命起源的问题,但是如果生命不是一直存在的,而是有个起点,那么,最初的生命要么是神创的,要么就是从非生命物质自发产生的。


    达尔文之前的进化论先驱者们,例如达尔文的祖父伊拉兹马斯·达尔文和拉马克,都相信生命能够自发产生。达尔文本人在公开场合回避了这个问题,但是在1871年致植物学家约瑟夫·胡克的信中,他设想,如果把铵盐和磷酸盐放在温暖的小水洼中,在光、热、电等等的作用下,就会形成有可能变成原始生命的蛋白质。在现在这样的蛋白质一形成就会被生物吃掉,但是在生命诞生之前,那就是另一回事了。达尔文的“斗犬”托马斯·赫胥黎为这个假说起了个名字,叫“无生源说”。


    达尔文、赫胥黎并不相信在现在生物还能自发产生,而只是把自发发生视为在远古时期生命起源的一种可能性。但是在其他进化论者看来,并没有必要去区分这两者。如果生命在以前能够自发产生,那么在现在,如果有合适的条件,为什么就不能自发产生呢?英国病理解剖学家巴斯琴(1837-1915)就是这么认为的。在19世纪60和70年代,他做了很多证明生命能够自发产生的实验,成为英国最主要的自发发生论支持者。巴斯琴的实验和普歇的实验类似,也是把培养基加热消毒、密封、冷却之后,如果从中发现了有微生物生长,他就认为是从无生命物质中自发产生的。


    巴斯琴之所以支持自发发生论,不仅是因为他相信进化论,还因为他不相信巴斯德提出的病菌论。病菌论认为传染病是由细菌引起的,这在当时是一个革命性的学说,如果它成立的话,有关疾病的传统理论和疗法都要因此发生根本的改变,招致了许多医生的反对。这些医生也因此成为自发发生论的支持者,巴斯琴的实验成了他们反对病菌论的依据。


    巴斯德当然认为巴斯琴的实验结果是受到了外界细菌的污染所致。他们在1876~1877年间发生了激烈的争论。巴斯德邀请巴斯琴到法兰西科学院当众解决争端,巴斯琴一开始同意了,却没有露面。巴斯琴在英国的主要对手是另一名进化论者、达尔文和赫胥黎的朋友、著名物理学家丁铎尔(1820-1893)。在1876年,丁铎尔发表一系列实验报告证明巴斯琴等人的自发发生实验都是由于受到悬浮在空气中的微生物的污染。他用光照射空气,可以看到微生物颗粒让光发生了散射。然后他发明了一个简单的办法来清除空气中的微生物颗粒。他在一个密闭的盒子的内壁涂上甘油,放置几天后,盒内空气中的微生物颗粒都沾到了甘油上,再用光照射,就会发现盒内空气已变得干净了。在这种干净空气中放置煮沸过的肉汤,放几个月也不会变质,而在普通空气中,肉汤几天就变质了。


    但是有人试图重复丁铎尔的实验,却失败了,放置在干净空气中的肉汤还是很快就变质了。这促使丁铎尔进一步研究实验失败的原因,不是由于干净空气中还有微生物颗粒,也不是由于微生物会从肉汤中自发产生,而是由于肉汤靠简单的煮沸还不能做到完全无菌:虽然煮沸能杀死细菌,却杀不死细菌孢子,细菌孢子即使被煮上几个小时也还活着,一旦肉汤冷却,就又开始繁殖了。丁铎尔因此发明了一种既简单又比较有效的灭菌方法。把培养基煮沸15~30分钟,然后在37摄氏度保温过夜,让培养基中的孢子长成细菌,再煮沸15~30分钟杀死新长出的细菌。如此重复三次,就可以杀死培养中的细菌和孢子。经过这样处理的培养基,在不被空气中的微生物污染的条件下就不会再“自发产生”微生物了。


    丁铎尔实验很有说服力地说明了,普歇、巴斯琴等人证明微生物能自发产生的实验要么是由于受到空气中的微生物颗粒的污染,要么是由于培养基没有做到完全无菌。在丁铎尔实验之后,要为自发发生说辩护变得越来越困难,相信它的人越来越少。从这个意义上说,丁铎尔实验才是推翻自发发生说的最后实验。


    但是严格地说,不论是巴斯德实验还是丁铎尔实验都没有否定生物自发发生的可能性,它们只是表明那些证明自发发生的实验都靠不住。从逻辑上看,要证明自发发生不可能存在,是不可能的。但是科学理论并不能只依靠简单的逻辑思辨。科学理论要能被接受,还需要有实验的基础。今天的生物学家已无人相信自发发生说,是因为从来没有实验能够真正证明它的确存在,而且微生物培养实验已无数次地证明,只有把微生物接种到灭菌的培养基上才能长出微生物。况且,微生物其实有着非常复杂的结构,难以想像它们能够从非生命物质自发产生。


    然而,否定自发发生说,并不等于否定生命起源的无生源说。虽然神创论者至今试图用巴斯德的实验来否证无生源说,但是正如赫胥黎早已指出的,这二者并不是一回事。今天的生物学家都同意,有细胞的生命不可能在现在的地球自发产生,但是也都认为最初的生命可以从非生命物质自发产生。这是因为,第一,原始的地球条件跟现在大不相同;第二,生命的诞生并不需一蹴而就产生细胞,从非生命到生命有一个漫长的进化过程。这就是生命起源的“化学进化”假说,这个假说已在实验室得到了一定程度的验证。古希腊圣贤对生命自发起源的设想并不那么离谱。


2009.8.26., 9.2., 9.16


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