本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，反映了作者的觀點，不一定反映《大眾科學》的觀點
7月26日星期四，新的英語科學部落格網路SciLogs.com正式上線。SciLogs.com是Nature Network博主的新家，是SciLogs國際部落格系列的一部分，該系列部落格已存在於德語、西班牙語和荷蘭語中。為了慶祝NPG科學部落格家族的這一新成員，一些NPG部落格正在釋出以“起源”為主題的文章。
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查爾斯·達爾文是一位化學家。當然，他在化學領域沒有做出任何顯著貢獻。但在1871年寫給他的朋友約瑟夫·胡克的信中，他說了以下一段話：
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“人們常說，現在具備了產生第一個生物體的所有條件，這些條件可能曾經存在過。但是，如果（啊！多麼大的一個“如果”！），我們可以在某個溫暖的小池塘裡，充滿各種氨和磷酸鹽、光、熱、電等等，設想一種蛋白質（原文如此）化合物在化學上形成，準備經歷更復雜的變化，那麼在今天，這種物質會被立即吸收，而在生物被發現之前，情況並非如此。”
在想象一個“充滿氨和磷酸鹽的溫暖小池塘”時，達爾文明確地將生命的起源置於化學領域。對他來說很清楚，他的自然選擇理論是為了解釋生命開始之後發生的事情而設計的。畢竟，生物體是由分子構成的；即使在當時，這一點也是眾所周知的。弗里德里希·維勒在1828年開創性地從無機物合成尿素，打擊了活力論，並證明生命的先驅是簡單的化學物質。事實上，達爾文的影響力比他想象的還要大；像RNA這樣的生物分子會根據複製的保真度進行自然選擇，雖然這種分子水平的變異和複製肯定在早期的地球上發生過，但今天這種有意的選擇——被稱為“定向進化”——被用來發現從抗癌新抗體到更高效的生物燃料酶的一切。
然而，即使達爾文似乎意識到了這一點，大多數公眾並沒有清楚地認識到生命的起源是一個典型的化學難題。事實上，這是化學的宏大問題，就像大爆炸是物理學的、進化是生物學的、意識是神經科學的一樣。生命的起源是一個問題，它與物種的起源和宇宙的起源一樣，充滿了宏偉和近乎神秘的意義。然而，還需要做更多的工作來提醒公眾，化學，即解釋尼龍結構、幫助我們製造洗滌劑和藥物的化學，也自豪地將生命的起源作為其宏大問題。太多人認為生命的起源是一個生物學問題。但達爾文清楚地認識到化學和生物學之間的界限，我們也應該如此。
湯派和煙囪派
在達爾文推測他的小池塘八十多年後，斯坦利·米勒接過了生命化學起源的線索。站在思考過這個問題的亞歷山大·奧巴林和J·B·S·霍爾丹的肩膀上，米勒進行了一個現在已成為經典的實驗，他模擬了一個簡單的還原性前生物大氣，由氨、甲烷和氮氣以及水在一個反應容器中組成。透過這種可燃混合物的火花模擬了閃電，揭示了氨基酸的存在——生命的一些關鍵組成部分。米勒再次證明，生命的起源是一個有機化學問題。從那時起，已經實施了許多基本米勒版本的變體，每個變體都產生了一種或另一種生命的關鍵化學成分，即氨基酸、核酸、糖和脂質。這些成分中的每一個都屈服於創造性的方案，證明了它們從簡單的、看似合理的分子（如氰化物、甲醛和一氧化碳）的前生物合成。最近在爭論中發出的最強音是來自曼徹斯特的約翰·薩瑟蘭，他在2009年證明了核糖核苷酸——RNA的組成部分——從基本化學前體中最合理的合成；這突然為通常被認為是生命起源最一致和最可能的 сценарий——RNA世界注入了新的活力。有人說，生命的起源是一個如此遙遠和多因素的問題，以至於無論我們構想出多少個“如果”情景，我們可能永遠也無法弄清這一切實際上是如何發生的。然而，簡單的化學已經揭示了幾乎每一個難題——從RNA合成到氨基酸的手性——的合理可能性。化學也一直是許多其他生命起源替代理論的核心，從亞歷山大·凱恩斯-史密斯的“黏土生命”觀點到處理有機化合物地外播種地球的各種提議。
當米勒和他的“湯派”同仁在生命起源研究中開闢了最初的道路時，80年代隨著在最不可能的環境中發現潛在的生命維持工廠，一個令人震驚的新時代來臨了。發現生命在深海熱液噴口中茁壯成長，開啟了該領域的一個全新篇章，再次明確地是化學的。位於海洋下方數英里的黑煙囪在數百萬年來一直在協調著來自火山噴口的熱、富含金屬的酸性化學物質與涼爽的鹼性水的劇烈結合。這兩種化學對立面的不潔相遇導致了包括矽酸鹽礦物橄欖石在內的礦物質的劇烈沉澱，橄欖石是我們星球岩石景觀中最普遍的成分之一。這些礦物質的沉澱導致了高達數英里的煙囪狀結構。這些煙囪中的對流熱流為生命的基本要素——能量提供了豐富的來源。金屬可以作為涉及硫、一氧化碳和水的簡單反應的催化劑。近年來，由於其中隱藏的巨大能量，它們催化關鍵反應（如克雷布斯迴圈）的能力，以及在微觀孔隙中濃縮反應物和產物的能力，以及一些鐵硫化合物與蛋白質中發現的關鍵鐵硫核心的驚人相似之處，這些強大的煙囪被許多科學家認為先於或至少伴隨了地表生命的起源。“煙囪派”中的傑出人物包括尼克·萊恩和專利律師岡特·瓦赫特肖瑟，他以“愛好”的身份涉足該領域。這些理論為“代謝優先”陣營提供了與“複製優先”陣營相對的觀點。它們共同解釋了遺傳和化學代謝。
話雖如此，但很明顯，我們還有很長的路要走。沒有人知道氨基酸、糖、脂質和核苷酸的混合物如何形成蛋白質、酶和功能性DNA和RNA，更不用說實現自我包含、複製和代謝的反應系統這一重要飛躍了。然而，如果生命的起源是化學的宏大問題，那麼化學也為理解它提供了一種極其重要的工具——自組裝。自組裝是我們世界中普遍存在的一種現象。它參與了從DNA複製和洗滌劑作用機制到晶體的形成以及阿爾茨海默病中錯誤摺疊蛋白的積累等一切過程。自組裝以其各種形式已經獲得了諾貝爾獎的認可，毫無疑問，它的實踐者將在未來爭取更多的認可。
既震撼又激動的鍵
分子相互作用的本質是化學鍵，這些鍵有各種形狀和大小，通常取決於電子的共享程度。我們所知道的最重要的鍵是共價鍵，它將碳原子彼此連線並與其他元素連線。雖然共價鍵是化學和生物學不可分割的一部分，但自組裝的標誌是所謂的非共價相互作用。共價鍵很強，但理解生物化學的關鍵是弱鍵。生物學是一個弱不僅是好的而且是必不可少的領域。弱鍵的例子包括範德華力（例如，它使我們能夠液化氣體）以及最重要的氫鍵。當氫原子與氮或氧等負電性元素結合時，感受到來自另一個負電性元素的靜電拉力時，就會產生氫鍵。這導致氫在兩個原子之間部分共享（確切的描述更為細緻）。萊納斯·鮑林假設氫鍵是生物學的關鍵，氫鍵使DNA成為雙螺旋結構，並有助於蛋白質精緻的三維形狀。很簡單；沒有氫鍵，就不會有生命。這些鍵的美妙之處在於它們足夠強，可以維持結構並將分子保持在適當的形狀，但又足夠弱，可以在需要時快速斷裂和重組。這種“按需”特性使氫鍵成為最重要的生物過程中的重要參與者，包括RNA翻譯成蛋白質、酶的催化反應以及神經遞質和激素的作用。沒有氫鍵，DNA就不會複製，酶就不會催化，蛋白質就不會摺疊。生命就不會有機會出現。
即使在沒有蛋白質或核酸的情況下，氫鍵也一定是生命起源中的首要因素。共價鍵的形成本身通常也受到氫鍵的幫助，氫鍵有助於引導反應分子進入正確的方向。但更重要的是，這種神奇的分子膠對於地球上最常見和最神秘的物質——水——的生命賦予特性至關重要。水完全獨特的特性使其能夠維持生命，這源於每個水分子能夠與其他水分子形成最多四個氫鍵的能力。這種幾何排列立即導致了水的許多標誌性品質，例如其異常高的熱容量及其在其廣闊的氫鍵網路中溶解各種分子形狀和大小的能力。這種籠狀網路也使得水能夠至關重要地形成漂浮在水體表面、絕緣和保護下方生命形式的低密度冰。毫無疑問；氫鍵已將水變成生命的基質。並且由於生命起源期間所有重要的化學反應都發生在水中，因此沒有這些相互作用是不可能的。
油脂是好的
長期以來，生命起源研究主要集中在氨基酸和核苷酸上，畢竟它們是蛋白質、DNA和RNA的組成部分。被擱置一旁的是這些關鍵成分的醜陋表親——脂肪酸和脂質。但與今天的醫學智慧相反，當談到生命的起源時，油脂是好的。油脂以簡單脂肪酸的形式，負責生命上升過程中的決定性事件之一；細胞膜和囊泡的形成。脂肪酸屬於一類稱為兩親性化合物的分子。顧名思義，這些化合物有兩端，一端是“親水”或親水端，另一端是“疏水”或疏水端。幾乎任何學童都知道，油和水不相容。大多數學童不瞭解的是，這一原則在生命起源中的至高無上地位。當在水中混合在一起時，兩親性分子將其疏水端聚集在一起，形成雙層和囊泡等結構。對於未來的分子競爭者來說，囊泡可以提供分子版本的潔淨室，一個真正的氣泡，可以完美地遮蔽早期地球的嚴酷環境，包括熱、水和輻射。原本受到各種因素無情衝擊的脆弱分子突然在這些囊泡內找到了自組裝的安全港灣。囊泡幾乎可以肯定在分子組裝的形成年代中起著關鍵作用，因為它們能夠隔離其他分子，並允許它們悠閒地試驗代謝和複製。核苷酸、離子、氨基酸和糖可以進入這些囊泡，並沉迷於在動盪的外部環境中不可能發生的化學反應。最近的實驗，包括哈佛生物化學家傑克·紹斯塔克的開創性工作，已經表明囊泡如何能夠自我複製，進而充當RNA合成的腔室。包括岩石剪下在內的各種機制已被呼叫以支援囊泡出芽、組裝和複製。這些觀察結果使脂肪酸在協調基本生化反應中的早期作用更加穩固。
導致脂肪酸和囊泡這種行為的效應是一種基本的化學原理，稱為疏水效應。雖然疏水效應的作用在油和水的分離中很明顯，但對疏水效應的確切解釋是一個持續且極其引人入勝的研究課題。熵肯定在介導這種效應中起著重要作用。當油分子接觸水時，討厭這種油膩入侵者的水分子別無選擇，只能在油分子周圍重新形成籠狀結構。這導致它們更有序，並且在寬鬆的意義上，更有序意味著低熵，這通常是不利的狀態。現在，當將另一個油分子引入到這種環境中時，水非常樂意讓這兩個疏水物相互接觸，從而從它們之間的空間中釋放出來。這導致更多的無序水分子和更多的熵，這轉化為對兩種分子種類都有利的情況。對疏水效應的真正解釋更為複雜，但疏水分子的熵驅動自組裝抓住了該效應的本質，並且由於這些是從基本熱力學推匯出的基本原理，因此毫無疑問它們在生命起源期間發揮了作用。
生命的起源是一個化學問題
值得注意的是，自組裝、氫鍵和疏水效應本質上都是化學原理。其中一些從量子力學和熱力學中獲得支援，這些領域傳統上植根於物理學。但是，將這些分子水平的效應簡化為原子水平的解釋並不能幫助我們理解它們如何促進了生命的起源。就物理學而言，這些效應顯然是湧現的。它們最好在它們自身的水平上並根據它們自身的術語應用於對生命的理解。理解氫鍵的定性性質和大致強度比任何對其起源的精確量子力學計算都能更好地幫助我理解它們在DNA雙螺旋結構中的關鍵作用。理解疏水效應更多的是關於極性、熵和分子形狀和大小等有時定義鬆散但完全科學且極其有用的概念的混合，而不是關於水-油排斥的精確原子起源。物理學在解決起源問題上過於原子化，而生物學則過於湧現。化學在正確的層面上解決了這個問題。這就是為什麼生命的起源是化學的宏大問題。