第二节
生命的原料宇宙中都有
组成生物体的分子常常是非常复杂的。例如生物的主要“燃料”分子葡萄糖，就由24个原子组成。6个碳原子彼此相连形成一条链，上面再连上氢原子和由一个氧原子和1个氢原子组成的“羟基”（—OH）（见图1-2左上）。从甘蔗和甜菜中提取的蔗糖、从棉花得到的纤维素、从葡萄汁中提取到的酒石酸、从尿液中提取到的尿素，都只能从生物材料获得，在自然界中是不能自发形成的，所以当时人们就把只能来自生物材料的物质称为有机物（organic matter）。英文中“organic”这个词，就是从“生物体”（organism）这个词来的。在19世纪初期，人们已经可以合成大量的无机物，但是还不能合成有机物，所以猜想生物合成有机物，并不是通过化学规律，而是靠一种神秘的生命力（vital force）的作用。这个理论叫做生命力学说（Vitalism）。
对生命力学说影响最大的人要数瑞典化学家贝采里乌斯（Jons Jakob Berzelius，1779—1848）。贝采里乌斯对化学做出了重大贡献，是现代化学的奠基人之一，被称为是“瑞典化学之父”。他把氧的相对原子质量定为100，以此计算出其他元素的相对原子质量。他发明了用拉丁名缩写来命名元素的方法，例如用O代表氧元素，用Fe代表铁元素。他还发明了分子式的写法，不过他把原子的数目用上标表示，例如把水的分子式写成H2O。他鉴定了元素硅、硒、钍和铈，发现了电流可以把物质中的元素分开。他还创造了“催化”（catalysis）、“聚合物”（polymer）、“同分异构体”（isomer）、“同素异型体”（allotrope）等名词；甚至“蛋白质”（protein）这个词也是他发明的，意思是植物供给动物的“原始营养”（primitive nutrition）。这样一位优秀的科学家，在有机物的合成上却有错误的观念。他把物质分为无机物和有机物，认为有机物只能通过生物的“生命力”从无机物来合成；生物遵循的是有关生机的原理（vital principle），而不是物理和化学定律。由于当时化学合成的水平有限，还无法人工合成有机物，再加上贝采里乌斯的巨大影响力，生命力学说统治了化学界几十年。它使得人们放弃合成有机物的努力，严重地妨碍了有机化学的发展。
1828年，生命力学说被一个年轻的德国化学家维勒（Friedrich Wohler, 1800—1882）打破了。维勒原先是想合成氰酸胺，他把氰酸和氨水混合在一起，然后蒸干。出乎他意料的是，得到的产品并不是氰酸胺，而是尿素。为了检验自己的结果，维勒用了多种方法，包括混合氰酸银和氯化铵、用氰酸铅和氨反应等，结果都得到了尿素。尿素在1799年就被发现了，是尿液的主要成分，过去被认为是只有生物才会合成的。维勒的实验结果表明，在人工条件下，有机物也可以由无机物合成。这是对生命力学说的致命打击，打破了有机物和无机物之间过去被认为是不可逾越的界限，具有重大的理论意义和现实意义，从此开辟了有机合成的新纪元。
1858年，德国化学家开库勒（Friedrich August Kekule，1829—1896）和苏格兰化学家库伯（Archibald Scott Couper，1831—1892）提出，有机物的分子结构可以从各种元素的化学价（valence，即能够和其他原子形成化学键的数目）来决定，特别是他们认识到碳原子的四个化学键可以把碳原子彼此联系起来，形成有机分子的“骨架”，上面再连上氢原子和其他功能基团，这就已经抓住了有机化合物的本质了。现在，科学家把有机物定义为含碳的化合物（一氧化碳、二氧化碳、碳酸、碳酸盐、金属碳化物、氰化物除外）。由于有机物分子中的碳原子上常常连有氢原子，有机物也可以看做是碳氢化合物的衍生物，这也和地球上的生命是以碳为基础的事实相一致。
制药工业很快就通过有机化学的手段来合成新药。1897年，德国的拜耳制药公司（Bayer Pharmaceutical Company）合成了解热镇痛药阿司匹林（Aspirin，化学名为乙酰水杨酸，即邻羟基苯甲酸）。这是从柳树的树皮中提取的水杨苷（Salicin）发展而来的。染料工业也很快利用了有机合成的手段。靛蓝是一种植物来源的染料。1866年，德国化学家拜耳（Adolf von Baeyer，1835—1917）发明了人工合成靛蓝的方法，使得天然靛蓝的产量从1897年的19000吨降到1914年的1000吨。目前全世界使用的靛蓝几乎全是人工合成的。2003年，人工合成了维生素B12（化学式C63H88O14N14PCo），这是有机合成的另一个里程碑。更复杂的蛋白质合成是由中国科学家首先完成的。1965年，中国科学院生物化学研究所、北京大学化学系和中国科学院有机化学研究所三个单位的有关科学工作者合作，以钮经义为首，由龚岳亭、邹承鲁、邢其毅、汪猷等人共同组成一个协作组，在世界上首次实现用人工方法全合成牛胰岛素。这说明连蛋白质这样复杂的生物大分子也可以用化学方法合成，而不需要神秘的“生命力”。“生命力”其实和“神力”在概念上有共同之处，都是超自然的力量。生命力学说被推翻，也意味着生命不需要“神力”来创造，而是一个自然发生的事情。
人工合成各种有机分子，包括生物体内复杂的有机分子，说明这些分子的合成不需要生命力或者神力。但是这些分子毕竟是人类利用科学知识合成的，如果没有人类的干预，这些有机分子是否能够在生命出现之前，就在宇宙中自然产生呢？如果不能，生命从无机物中产生仍然是一句空话。但是在地球上，这样的问题却很难回答。地球上到处都有生物存在，它们死亡后会留下大量的有机物，而且这些有机物还会不断地被微生物或自然过程分解，形成次生有机物，例如石油就是由过去的生物材料降解形成的。我们很难判定某种有机物是生物产生的还是自然产生的。另一个困难是，地球上有极其大量的各种微生物，它们的代谢类型各式各样，可以“食用”几乎所有类型的有机物。就算地球上现在还有自然形成的有机物，它们也会很快地被微生物代谢掉。所以要回答有机物是否能够在没有生物的情况下形成的问题，只有两个办法。一个是模拟地球早期的环境，看看有机物是否能够由简单的分子产生。另一个是检查地球外的物体，比如彗星、陨石、星际尘埃，看看它们上面是不是含有机物。
1924年，俄国科学家奥巴林（Alexander Ivanovich Oparin，1894—1980）在他的《生命起源》（Origin of Life）一书中，提出了这样的设想：在地球早期无氧的环境中，通过太阳光的作用，有机物可以在一种“原始汤”（primordial soup）中从简单分子（甲烷、氨、氢、和水）产生。这些有机物相互作用，凝聚成“微滴”。这些微滴可以通过分裂来“繁殖”，并且有了最初的新陈代谢。这时候自然选择发挥作用，能够保持稳定和进行繁殖的微滴就存活下来，其他的就灭绝了。奥巴林的这些基本思想，现在仍然被认为是正确的。不过在随后的近30年中，没有人想用实验来实际检验奥巴林的思想，因为奥巴林设想的几十亿年前地球上的情形早已不复存在，也无法让地球回到当时的状态。1951年，美国芝加哥大学的化学家尤里（Harold Clayton Urey，1893—1981）在一次学术报告中，也提到有机物可能在地球早期的环境中产生。由于尤里是化学家，他认为也许可以用化学实验的方法来检验这个思想。在他的听众中有一位年轻的研究生，叫做米勒（Stanley Lloyd Miller，1930—2007）（图1-3），对这个想法非常感兴趣，于是找到尤里，希望进行这样的实验，最后得到了尤里的支持。米勒像奥巴林说的那样，在无氧环境中混合甲烷、氨、氢和水。他先将水烧开，再对这个混合物进行放电，以模拟闪电。一个星期后，水变成了黄绿色。米勒用纸层析的方法，测到有氨基酸形成，例如甘氨酸、丙氨酸、天冬酰胺。尤里立刻认识到这个结果的重要性，并且兴奋地叫道“上帝肯定是这么干的！”。他们的结果于1953年在《科学》（Science）杂志上发表，随后又有多家实验室得到了类似的结果。1972年，米勒重复了他1953年的实验，但是用更灵敏的方法（例如离子交换色谱、气相色谱加质谱分析）来检查实验产物，结果他发现了33种氨基酸，其中10种是生物体所使用的。
图1-3 米勒和他的实验装置
1964年，美国科学家福克斯（Sidney Walter Fox，1912—1998）用了和米勒不同的方法来模拟地球早期的情况。他把甲烷和氨的混合物气体通过加热到1000摄氏度的沙子，以模拟火山熔岩，再把气体吸收在冷冻的液态氨中，结果生成了蛋白质中使用的12种氨基酸，包括甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、谷氨酸、天冬酰胺、丝氨酸、苏氨酸、脯氨酸、酪氨酸、和苯丙氨酸。这些实验结果都证明了奥巴林的设想，即生物使用的分子，例如组成蛋白质的氨基酸，的确可以在地球早期的环境中从当时存在的简单分子形成，而且形成的途径和方式不止一种。实验室中的情形如此，宇宙中是不是也有自然形成的有机物呢？
1969年9月28日，一颗陨石坠落于澳大利亚的墨其森（Murchison），因而被命名为墨其森陨石（Murchison Meteorite）（图1-4）。这颗陨石总重超过100公斤，上面含有15种氨基酸，包括组成蛋白质的甘氨酸、丙氨酸、谷氨酸，以及含有两个氨基的氨基酸（我们身体里的天冬酰胺、谷氨酰胺、赖氨酸也是含有两个氨基的氨基酸）。在从陨石中取样时最容易被污染的丝氨酸和苏氨酸反而没有被测出，说明这15种氨基酸的确来自太空。而且这些氨基酸是“消旋”（没有旋光性）的，即两种镜面对称的分子都有，说明它们是非生物来源的，很可能是碳、氢、氧、氮等元素的化合物被高能射线照射，发生化学反应而形成的。除氨基酸以外，墨其森陨石还含有嘌呤和嘧啶，即地球上生物的遗传物质脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）的组成部分。该陨石还含有大量“芳香化合物”（由碳原子和氢原子组成的环状化合物）、直链型碳氢化合物、醇类化合物、羧酸（含有“羧基”的碳氢化合物）以及富勒烯（Fullerens，完全由碳原子彼此相连构成的中空的球体、管状物或平面）。
图1-4 墨其森陨石（Murchison Meteorite）
2006年，美国的“星际尘埃使命”（Stardust Mission）飞船在太空中飞行5亿公里之后，降落在犹他州。它收集了从彗星81P/WILD 2来的微粒，在里面发现了大量的芳香化合物和脂类化合物（由碳原子连成的长链，上面再连上氢原子），以及甲基和羰基这样的含碳功能基团。科学家还在距离地球400光年的原始恒星IRAS 16293-2422周围探测到了一种糖类物质——羟基乙醛（glycolaldehyde）。这些结果说明，生命所需要的许多有机物，包括组成蛋白质的氨基酸、组成核酸的核苷酸，以及组成细胞膜的脂肪酸，也可以在太空中形成。这些有机物还可以通过彗星和星际尘埃到达地球，作为生命的起始物质。
这些分子具体是如何形成的，由于我们对它们形成时的状况不完全了解，不能确定每一个过程，但是也可以做一些推测。在恒星死亡时发生的爆炸，会将之前在恒星内部合成的各种元素喷撒到太空中。在温度降到一定程度时，这些元素就会彼此作用，形成各种化合物，例如水、氨、甲烷、硫化氢、氰化物、各种结构的碳氢化合物等。如果事情就到此为止，那么宇宙中最多也就含有这些简单分子，也就不可能有生命了。幸运的是，各种分子在形成后，不会永远不变，而是会在适当的条件下相互作用，把它们中的原子重新组合，形成新的分子。分子中的原子（无论是同一分子中的原子还是不同分子之间的原子）要重新组合，前提条件是把原子之间原来的化学键打破，这样原子才能以不同的方式重新形成化学键。打破化学键是需要能量的。加热（例如太阳能、地热、火山熔岩、水底热泉）、紫外线照射、闪电、陨石的冲击、氧化-还原反应等，都可以为原先化学键的破坏提供能量。如果这些简单的化合物被吸附在星际微尘上、彗星核中或者地球的岩石表面，它们还能得到一种帮助来形成新分子，那就是矿物质（如硅酸盐和硫化铁）的“催化”作用。通过结合到矿物质的表面，原有的化学键只需要比较少的能量就能够破裂，形成新分子的可能性就大大增加了。例如宇宙中大量存在的甲酰胺（formamide）在矿物质存在时加热，就可以形成多种有机分子，包括尿素和组成核酸的嘌呤和嘧啶，例如腺嘌呤、胞嘧啶和尿嘧啶（图1-5）。
图1-5 宇宙中大量存在的甲酰胺在矿物质存在时受热，就可以形成多种有机物，包括组成核酸的嘌呤和嘧啶
火山熔岩能够同时提供热源和催化功能，也可以帮助有机分子的形成。反复的冰冻和融化也会促成新化合物的生成。水在结冰时，水分子会整齐地排列，把原来溶在水中的其他分子“排挤”出来，这相当于极大地增加这些分子的浓度，有利于化学反应的进行。例如尿素的水溶液在无氧环境中受到电击和反复冻融，就会形成胞嘧啶和尿嘧啶。所有这些实验结果都表明，地球和太空中都存在多种条件，可以将简单的化合物形成生命所需要的比较复杂的分子。地球上生命的出现，是在宇宙中自然形成的各种有机分子，特别是氨基酸和碱基（嘌呤和嘧啶）的基础上发生的，是太空环境提供了生命产生的原始材料。
不过有了单体分子还不够。蛋白质、DNA和RNA都是多聚物，是由许多单体分子组成的。在生物体内，这些多聚物是通过“酶”（具有催化功能的蛋白质）的作用而形成的。在早期地球的环境中，氨基酸是否能够不通过酶的作用而聚合，形成蛋白质呢？福克斯在合成氨基酸的基础上，又把氨基酸的溶液在温暖无氧的环境中让水溶液自然蒸干，就像当初地球表面的一个浅水坑自然蒸干一样。福克斯发现，在这个干燥过程中，氨基酸会聚合，形成彼此交联的长链，有些像在蛋白质中的情形那样。他把这种物质叫做“类蛋白质”（proteinoid）。这说明蛋白质也可以由它的构造单位——氨基酸在自然环境中形成。既然氨基酸能够在某些自然条件下形成类似蛋白质的分子，其他有机化合物也有可能聚合成更大的分子。如果有些新形成的分子具有催化功能，就有可能形成有机分子的自我催化，并且形成稳定的，能够不断形成同类有机分子的化学反应系统，这就是生命的萌芽。所以生命的产生很可能不是一次幸运的偶然事件，而是我们这个宇宙发展的必然结果。