生命的化学起源

生命的化学起源

今天地球上的生命是经过了近40亿年进化的产物，因此它与最早的生命系统只有表面的相似。即使没有多少希望能通过实验来重现生命的起源和进化过程，它仍然是一个日趋活跃的研究领域。这些实验的研究目的是确定原始地球上的化学反应条件，并决定生物分子是否在这些条件下形成。

生命是什么？这不是一个不重要的问题，因为如果最初的生命形式从它们的环境中自发地演化出来，那么它们必定与环境物质差异很小。因而，必须用巧妙的方法区别生命与非生命。生命是能自我复制和突变的。自我复制能够使新生命形式形成新的子孙后代，而突变使得它在自然选择的压力下演化成能更易得到能量和养料的生命形式。这一生命的定义是从地球生命过程的观察而直接归纳出来的。

由于我们对生命起源时的原始地球的化学一无所知，基本上缺乏最初生命系统的生物化学知识，因此许多研究模型都由以下几点假设为根据。

（1）生命是在地球上起源的。认为生命系统可能由其他智慧生命或彗星运送到地球，基于这一推测所建立的模型几乎不可能在实验室中验证，因而不予讨论。

（2）初始生命系统的生物化学是建立在某些生化亚单位上的，这些亚单位对现代生物化学是重要的。假定氨基酸和核苷酸在初始生命形成中具有中心的作用，但是必须认识到其生物化学比现代生命要简单得多，并且效率也较低。

（3）生命的发生是在原始地球上自发形成复杂分子的结果。这些复杂分子的结构是由存在于地球大气中的、或由彗星和陨石落到地球上的简单分子所形成的。导致生命起源的化学过程是在有水和无机物存在的环境下发生的，那里水相的pH约为7。今天的海洋受黏土无机的缓冲作用控制，pH在8左右。40亿年以前生命起源时的海洋，其pH相同的缓冲物接近于中性，这点看来是可能的。

（4）化学进化是太阳能推动的，以紫外线和可见光直接照射的形式，或是以闪电的闻接形式推动。某些热能是由火山活动和放射衰变放热供给的。

地球形成后的5亿年期间，进行着生命起源所必须的生物分子的合成。由于很难在实验室用实验来模仿这个过程，所以分别研究这个过程的几个不同阶段。

第一阶段是简单的无机和有机化合物转变成生物聚合物的基本组分。应用放电、紫外线和其他能源来起始氨基酸、嘌呤和嘧啶碱基、糖和其他前体的形成。

第二阶段是由第一阶段所产生的单体单位合成有序的生物聚合物。找寻指导合成有序聚合物的模板是这项研究的重要内容。理想中所利用的反应和催化剂应该从密切相关的结构中优先地选出一结构形式，后者也是在非专一的第一阶段过程中合成的。

第三阶段是在最初生命系统发生过程中，第二阶段形成的生物聚合物进行自我复制。现今，用来研究第三阶段的最好实验是使用完整的生物系统（如病毒），将它分离成各个分子组分，然后就用指导其他生物聚合物合成的那些生物聚合物来研究完整生物系统的再生。例如，从病毒的RNA、RNA聚合酶，核苷酸和噬菌体寄主细菌的有关酶，再生成活的RNA病毒。

从地球起源到出现第一个真核细胞要经历31亿年。在此时期，我们的行星经历了第一个活细胞的形成、需氧的光合作用的发展和大气跟着发生的变化。生命历史中诸如此类重大事件的确切时间仍在争论，甚至原始地球的大气成分也还肯定不了，但尽管如此，还有可能推测生命在地球上发生的大致时间。

最初的生命大约出现于40亿年以前，允许有几亿年的误差。它们大多数可能是不能从无机物中获得能量的异养生物，利用外界预先形成的有机物，并借助于可利用的缩合剂，如胺腈或多磷酸，将它们装配为必须的蛋白质、核酸和其他分子。它们也可能曾从外界吸收氨。还不清楚这些有机体在多大程度上起源于开放的海洋。科学家曾计算，即使目前存在于地球表面上的全部碳都转变为C₃有机化合物，并溶解于海洋中，所得到的溶液可能也只有约0．01摩／升的有机物质。所以潮汐的水坑或池塘可能会为最初的异养生物提供较好的栖息地，因为所存在的物质可以通过蒸发而浓缩。最后，局部环境中的某些重要成分可能耗尽，从而演化出能从先前未用的前体（假设的）合成它的有机体，这时这些有机体可能具有选择的优势。这些前体最终亦会短缺，选择优势可能再次出现在那些利用存在于环境中的另一种化合物来合成这种前体的生物。这过程的重复可能导致产生更为合理而复杂的代谢途径。这种途径可能要求能量来驱动。一种能量来源可能是葡萄糖降解为乳酸和乙醇。厌氧糖酵解途径（葡萄糖的无氧分解途径）被认为出现在生命史的最早期，它是低效的。每消耗1分子的葡萄糖只产生2分子ATP（三磷酸腺苷，能量货币）的能量，与此相比，对于那些通过三羧酸循环（葡萄糖的有氧分解途径）完全氧化的有机体则产生另外的34分子的ATP能量，而这些需氧有机体只是把更有效的过程添加在糖酵解顺序的终点。

必须强调，在这领域的实验研究是片段的，各个片段往往没有明显的联系。例如，即使在设计核苷的前生物合成中很少成功，我们还是要研究由核苷合成核苷酸。因而，现在想简明扼要地勾画出生命起源的轮廓是不可能的。