生命的化學(xué)起源

今天地球上的生命是經(jīng)過了近40億年進化的產(chǎn)物，因此它與最早的生命系統(tǒng)只有表面的相似。即使沒有多少希望能通過實驗來重現(xiàn)生命的起源和進化過程，它仍然是一個日趨活躍的研究領(lǐng)域。這些實驗的研究目的是確定原始地球上的化學(xué)反應(yīng)條件，并決定生物分子是否在這些條件下形成。

生命是什么？這不是一個不重要的問題，因為如果最初的生命形式從它們的環(huán)境中自發(fā)地演化出來，那么它們必定與環(huán)境物質(zhì)差異很小。因而，必須用巧妙的方法區(qū)別生命與非生命。生命是能自我復(fù)制和突變的。自我復(fù)制能夠使新生命形式形成新的子孫后代，而突變使得它在自然選擇的壓力下演化成能更易得到能量和養(yǎng)料的生命形式。這一生命的定義是從地球生命過程的觀察而直接歸納出來的。

由于我們對生命起源時的原始地球的化學(xué)一無所知，基本上缺乏最初生命系統(tǒng)的生物化學(xué)知識，因此許多研究模型都由以下幾點假設(shè)為根據(jù)。

（1）生命是在地球上起源的。認為生命系統(tǒng)可能由其他智慧生命或彗星運送到地球，基于這一推測所建立的模型幾乎不可能在實驗室中驗證，因而不予討論。

（2）初始生命系統(tǒng)的生物化學(xué)是建立在某些生化亞單位上的，這些亞單位對現(xiàn)代生物化學(xué)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，但是必須認識到其生物化學(xué)比現(xiàn)代生命要簡單得多，并且效率也較低。

（3）生命的發(fā)生是在原始地球上自發(fā)形成復(fù)雜分子的結(jié)果。這些復(fù)雜分子的結(jié)構(gòu)是由存在于地球大氣中的、或由彗星和隕石落到地球上的簡單分子所形成的。導(dǎo)致生命起源的化學(xué)過程是在有水和無機物存在的環(huán)境下發(fā)生的，那里水相的pH約為7。今天的海洋受黏土無機的緩沖作用控制，pH在8左右。40億年以前生命起源時的海洋，其pH相同的緩沖物接近于中性，這點看來是可能的。

（4）化學(xué)進化是太陽能推動的，以紫外線和可見光直接照射的形式，或是以閃電的聞接形式推動。某些熱能是由火山活動和放射衰變放熱供給的。

地球形成后的5億年期間，進行著生命起源所必須的生物分子的合成。由于很難在實驗室用實驗來模仿這個過程，所以分別研究這個過程的幾個不同階段。

第一階段是簡單的無機和有機化合物轉(zhuǎn)變成生物聚合物的基本組分。應(yīng)用放電、紫外線和其他能源來起始氨基酸、嘌呤和嘧啶堿基、糖和其他前體的形成。

第二階段是由第一階段所產(chǎn)生的單體單位合成有序的生物聚合物。找尋指導(dǎo)合成有序聚合物的模板是這項研究的重要內(nèi)容。理想中所利用的反應(yīng)和催化劑應(yīng)該從密切相關(guān)的結(jié)構(gòu)中優(yōu)先地選出一結(jié)構(gòu)形式，后者也是在非專一的第一階段過程中合成的。

第三階段是在最初生命系統(tǒng)發(fā)生過程中，第二階段形成的生物聚合物進行自我復(fù)制?，F(xiàn)今，用來研究第三階段的最好實驗是使用完整的生物系統(tǒng)（如病毒），將它分離成各個分子組分，然后就用指導(dǎo)其他生物聚合物合成的那些生物聚合物來研究完整生物系統(tǒng)的再生。例如，從病毒的RNA、RNA聚合酶，核苷酸和噬菌體寄主細菌的有關(guān)酶，再生成活的RNA病毒。

從地球起源到出現(xiàn)第一個真核細胞要經(jīng)歷31億年。在此時期，我們的行星經(jīng)歷了第一個活細胞的形成、需氧的光合作用的發(fā)展和大氣跟著發(fā)生的變化。生命歷史中諸如此類重大事件的確切時間仍在爭論，甚至原始地球的大氣成分也還肯定不了，但盡管如此，還有可能推測生命在地球上發(fā)生的大致時間。

最初的生命大約出現(xiàn)于40億年以前，允許有幾億年的誤差。它們大多數(shù)可能是不能從無機物中獲得能量的異養(yǎng)生物，利用外界預(yù)先形成的有機物，并借助于可利用的縮合劑，如胺腈或多磷酸，將它們裝配為必須的蛋白質(zhì)、核酸和其他分子。它們也可能曾從外界吸收氨。還不清楚這些有機體在多大程度上起源于開放的海洋?？茖W(xué)家曾計算，即使目前存在于地球表面上的全部碳都轉(zhuǎn)變?yōu)镃₃有機化合物，并溶解于海洋中，所得到的溶液可能也只有約0．01摩／升的有機物質(zhì)。所以潮汐的水坑或池塘可能會為最初的異養(yǎng)生物提供較好的棲息地，因為所存在的物質(zhì)可以通過蒸發(fā)而濃縮。最后，局部環(huán)境中的某些重要成分可能耗盡，從而演化出能從先前未用的前體（假設(shè)的）合成它的有機體，這時這些有機體可能具有選擇的優(yōu)勢。這些前體最終亦會短缺，選擇優(yōu)勢可能再次出現(xiàn)在那些利用存在于環(huán)境中的另一種化合物來合成這種前體的生物。這過程的重復(fù)可能導(dǎo)致產(chǎn)生更為合理而復(fù)雜的代謝途徑。這種途徑可能要求能量來驅(qū)動。一種能量來源可能是葡萄糖降解為乳酸和乙醇。厭氧糖酵解途徑（葡萄糖的無氧分解途徑）被認為出現(xiàn)在生命史的最早期，它是低效的。每消耗1分子的葡萄糖只產(chǎn)生2分子ATP（三磷酸腺苷，能量貨幣）的能量，與此相比，對于那些通過三羧酸循環(huán)（葡萄糖的有氧分解途徑）完全氧化的有機體則產(chǎn)生另外的34分子的ATP能量，而這些需氧有機體只是把更有效的過程添加在糖酵解順序的終點。

必須強調(diào)，在這領(lǐng)域的實驗研究是片段的，各個片段往往沒有明顯的聯(lián)系。例如，即使在設(shè)計核苷的前生物合成中很少成功，我們還是要研究由核苷合成核苷酸。因而，現(xiàn)在想簡明扼要地勾畫出生命起源的輪廓是不可能的。