第二節(jié)
生命的原料宇宙中都有

組成生物體的分子常常是非常復(fù)雜的。例如生物的主要“燃料”分子葡萄糖，就由24個原子組成。6個碳原子彼此相連形成一條鏈，上面再連上氫原子和由一個氧原子和1個氫原子組成的“羥基”（—OH）（見圖1-2左上）。從甘蔗和甜菜中提取的蔗糖、從棉花得到的纖維素、從葡萄汁中提取到的酒石酸、從尿液中提取到的尿素，都只能從生物材料獲得，在自然界中是不能自發(fā)形成的，所以當(dāng)時人們就把只能來自生物材料的物質(zhì)稱為有機物（organic matter）。英文中“organic”這個詞，就是從“生物體”（organism）這個詞來的。在19世紀(jì)初期，人們已經(jīng)可以合成大量的無機物，但是還不能合成有機物，所以猜想生物合成有機物，并不是通過化學(xué)規(guī)律，而是靠一種神秘的生命力（vital force）的作用。這個理論叫做生命力學(xué)說（Vitalism）。

對生命力學(xué)說影響最大的人要數(shù)瑞典化學(xué)家貝采里烏斯（Jons Jakob Berzelius，1779—1848）。貝采里烏斯對化學(xué)做出了重大貢獻，是現(xiàn)代化學(xué)的奠基人之一，被稱為是“瑞典化學(xué)之父”。他把氧的相對原子質(zhì)量定為100，以此計算出其他元素的相對原子質(zhì)量。他發(fā)明了用拉丁名縮寫來命名元素的方法，例如用O代表氧元素，用Fe代表鐵元素。他還發(fā)明了分子式的寫法，不過他把原子的數(shù)目用上標(biāo)表示，例如把水的分子式寫成H²O。他鑒定了元素硅、硒、釷和鈰，發(fā)現(xiàn)了電流可以把物質(zhì)中的元素分開。他還創(chuàng)造了“催化”（catalysis）、“聚合物”（polymer）、“同分異構(gòu)體”（isomer）、“同素異型體”（allotrope）等名詞；甚至“蛋白質(zhì)”（protein）這個詞也是他發(fā)明的，意思是植物供給動物的“原始營養(yǎng)”（primitive nutrition）。這樣一位優(yōu)秀的科學(xué)家，在有機物的合成上卻有錯誤的觀念。他把物質(zhì)分為無機物和有機物，認(rèn)為有機物只能通過生物的“生命力”從無機物來合成；生物遵循的是有關(guān)生機的原理（vital principle），而不是物理和化學(xué)定律。由于當(dāng)時化學(xué)合成的水平有限，還無法人工合成有機物，再加上貝采里烏斯的巨大影響力，生命力學(xué)說統(tǒng)治了化學(xué)界幾十年。它使得人們放棄合成有機物的努力，嚴(yán)重地妨礙了有機化學(xué)的發(fā)展。

1828年，生命力學(xué)說被一個年輕的德國化學(xué)家維勒（Friedrich Wohler, 1800—1882）打破了。維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，得到的產(chǎn)品并不是氰酸胺，而是尿素。為了檢驗自己的結(jié)果，維勒用了多種方法，包括混合氰酸銀和氯化銨、用氰酸鉛和氨反應(yīng)等，結(jié)果都得到了尿素。尿素在1799年就被發(fā)現(xiàn)了，是尿液的主要成分，過去被認(rèn)為是只有生物才會合成的。維勒的實驗結(jié)果表明，在人工條件下，有機物也可以由無機物合成。這是對生命力學(xué)說的致命打擊，打破了有機物和無機物之間過去被認(rèn)為是不可逾越的界限，具有重大的理論意義和現(xiàn)實意義，從此開辟了有機合成的新紀(jì)元。

1858年，德國化學(xué)家開庫勒（Friedrich August Kekule，1829—1896）和蘇格蘭化學(xué)家?guī)觳ˋrchibald Scott Couper，1831—1892）提出，有機物的分子結(jié)構(gòu)可以從各種元素的化學(xué)價（valence，即能夠和其他原子形成化學(xué)鍵的數(shù)目）來決定，特別是他們認(rèn)識到碳原子的四個化學(xué)鍵可以把碳原子彼此聯(lián)系起來，形成有機分子的“骨架”，上面再連上氫原子和其他功能基團，這就已經(jīng)抓住了有機化合物的本質(zhì)了。現(xiàn)在，科學(xué)家把有機物定義為含碳的化合物（一氧化碳、二氧化碳、碳酸、碳酸鹽、金屬碳化物、氰化物除外）。由于有機物分子中的碳原子上常常連有氫原子，有機物也可以看做是碳?xì)浠衔锏难苌铮@也和地球上的生命是以碳為基礎(chǔ)的事實相一致。

制藥工業(yè)很快就通過有機化學(xué)的手段來合成新藥。1897年，德國的拜耳制藥公司（Bayer Pharmaceutical Company）合成了解熱鎮(zhèn)痛藥阿司匹林（Aspirin，化學(xué)名為乙酰水楊酸，即鄰羥基苯甲酸）。這是從柳樹的樹皮中提取的水楊苷（Salicin）發(fā)展而來的。染料工業(yè)也很快利用了有機合成的手段。靛藍是一種植物來源的染料。1866年，德國化學(xué)家拜耳（Adolf von Baeyer，1835—1917）發(fā)明了人工合成靛藍的方法，使得天然靛藍的產(chǎn)量從1897年的19000噸降到1914年的1000噸。目前全世界使用的靛藍幾乎全是人工合成的。2003年，人工合成了維生素B12（化學(xué)式C63H88O14N14PCo），這是有機合成的另一個里程碑。更復(fù)雜的蛋白質(zhì)合成是由中國科學(xué)家首先完成的。1965年，中國科學(xué)院生物化學(xué)研究所、北京大學(xué)化學(xué)系和中國科學(xué)院有機化學(xué)研究所三個單位的有關(guān)科學(xué)工作者合作，以鈕經(jīng)義為首，由龔岳亭、鄒承魯、邢其毅、汪猷等人共同組成一個協(xié)作組，在世界上首次實現(xiàn)用人工方法全合成牛胰島素。這說明連蛋白質(zhì)這樣復(fù)雜的生物大分子也可以用化學(xué)方法合成，而不需要神秘的“生命力”。“生命力”其實和“神力”在概念上有共同之處，都是超自然的力量。生命力學(xué)說被推翻，也意味著生命不需要“神力”來創(chuàng)造，而是一個自然發(fā)生的事情。

人工合成各種有機分子，包括生物體內(nèi)復(fù)雜的有機分子，說明這些分子的合成不需要生命力或者神力。但是這些分子畢竟是人類利用科學(xué)知識合成的，如果沒有人類的干預(yù)，這些有機分子是否能夠在生命出現(xiàn)之前，就在宇宙中自然產(chǎn)生呢？如果不能，生命從無機物中產(chǎn)生仍然是一句空話。但是在地球上，這樣的問題卻很難回答。地球上到處都有生物存在，它們死亡后會留下大量的有機物，而且這些有機物還會不斷地被微生物或自然過程分解，形成次生有機物，例如石油就是由過去的生物材料降解形成的。我們很難判定某種有機物是生物產(chǎn)生的還是自然產(chǎn)生的。另一個困難是，地球上有極其大量的各種微生物，它們的代謝類型各式各樣，可以“食用”幾乎所有類型的有機物。就算地球上現(xiàn)在還有自然形成的有機物，它們也會很快地被微生物代謝掉。所以要回答有機物是否能夠在沒有生物的情況下形成的問題，只有兩個辦法。一個是模擬地球早期的環(huán)境，看看有機物是否能夠由簡單的分子產(chǎn)生。另一個是檢查地球外的物體，比如彗星、隕石、星際塵埃，看看它們上面是不是含有機物。

1924年，俄國科學(xué)家奧巴林（Alexander Ivanovich Oparin，1894—1980）在他的《生命起源》（Origin of Life）一書中，提出了這樣的設(shè)想：在地球早期無氧的環(huán)境中，通過太陽光的作用，有機物可以在一種“原始湯”（primordial soup）中從簡單分子（甲烷、氨、氫、和水）產(chǎn)生。這些有機物相互作用，凝聚成“微滴”。這些微滴可以通過分裂來“繁殖”，并且有了最初的新陳代謝。這時候自然選擇發(fā)揮作用，能夠保持穩(wěn)定和進行繁殖的微滴就存活下來，其他的就滅絕了。奧巴林的這些基本思想，現(xiàn)在仍然被認(rèn)為是正確的。不過在隨后的近30年中，沒有人想用實驗來實際檢驗奧巴林的思想，因為奧巴林設(shè)想的幾十億年前地球上的情形早已不復(fù)存在，也無法讓地球回到當(dāng)時的狀態(tài)。1951年，美國芝加哥大學(xué)的化學(xué)家尤里（Harold Clayton Urey，1893—1981）在一次學(xué)術(shù)報告中，也提到有機物可能在地球早期的環(huán)境中產(chǎn)生。由于尤里是化學(xué)家，他認(rèn)為也許可以用化學(xué)實驗的方法來檢驗這個思想。在他的聽眾中有一位年輕的研究生，叫做米勒（Stanley Lloyd Miller，1930—2007）（圖1-3），對這個想法非常感興趣，于是找到尤里，希望進行這樣的實驗，最后得到了尤里的支持。米勒像奧巴林說的那樣，在無氧環(huán)境中混合甲烷、氨、氫和水。他先將水燒開，再對這個混合物進行放電，以模擬閃電。一個星期后，水變成了黃綠色。米勒用紙層析的方法，測到有氨基酸形成，例如甘氨酸、丙氨酸、天冬酰胺。尤里立刻認(rèn)識到這個結(jié)果的重要性，并且興奮地叫道“上帝肯定是這么干的！”。他們的結(jié)果于1953年在《科學(xué)》（Science）雜志上發(fā)表，隨后又有多家實驗室得到了類似的結(jié)果。1972年，米勒重復(fù)了他1953年的實驗，但是用更靈敏的方法（例如離子交換色譜、氣相色譜加質(zhì)譜分析）來檢查實驗產(chǎn)物，結(jié)果他發(fā)現(xiàn)了33種氨基酸，其中10種是生物體所使用的。

1964年，美國科學(xué)家福克斯（Sidney Walter Fox，1912—1998）用了和米勒不同的方法來模擬地球早期的情況。他把甲烷和氨的混合物氣體通過加熱到1000攝氏度的沙子，以模擬火山熔巖，再把氣體吸收在冷凍的液態(tài)氨中，結(jié)果生成了蛋白質(zhì)中使用的12種氨基酸，包括甘氨酸、丙氨酸、纈氨酸、亮氨酸、異亮氨酸、谷氨酸、天冬酰胺、絲氨酸、蘇氨酸、脯氨酸、酪氨酸、和苯丙氨酸。這些實驗結(jié)果都證明了奧巴林的設(shè)想，即生物使用的分子，例如組成蛋白質(zhì)的氨基酸，的確可以在地球早期的環(huán)境中從當(dāng)時存在的簡單分子形成，而且形成的途徑和方式不止一種。實驗室中的情形如此，宇宙中是不是也有自然形成的有機物呢？

1969年9月28日，一顆隕石墜落于澳大利亞的墨其森（Murchison），因而被命名為墨其森隕石（Murchison Meteorite）（圖1-4）。這顆隕石總重超過100公斤，上面含有15種氨基酸，包括組成蛋白質(zhì)的甘氨酸、丙氨酸、谷氨酸，以及含有兩個氨基的氨基酸（我們身體里的天冬酰胺、谷氨酰胺、賴氨酸也是含有兩個氨基的氨基酸）。在從隕石中取樣時最容易被污染的絲氨酸和蘇氨酸反而沒有被測出，說明這15種氨基酸的確來自太空。而且這些氨基酸是“消旋”（沒有旋光性）的，即兩種鏡面對稱的分子都有，說明它們是非生物來源的，很可能是碳、氫、氧、氮等元素的化合物被高能射線照射，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而形成的。除氨基酸以外，墨其森隕石還含有嘌呤和嘧啶，即地球上生物的遺傳物質(zhì)脫氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）的組成部分。該隕石還含有大量“芳香化合物”（由碳原子和氫原子組成的環(huán)狀化合物）、直鏈型碳?xì)浠衔铩⒋碱惢衔铩Ⅳ人幔ê小棒然钡奶細(xì)浠衔铮┮约案焕障‵ullerens，完全由碳原子彼此相連構(gòu)成的中空的球體、管狀物或平面）。

2006年，美國的“星際塵埃使命”（Stardust Mission）飛船在太空中飛行5億公里之后，降落在猶他州。它收集了從彗星81P/WILD 2來的微粒，在里面發(fā)現(xiàn)了大量的芳香化合物和脂類化合物（由碳原子連成的長鏈，上面再連上氫原子），以及甲基和羰基這樣的含碳功能基團。科學(xué)家還在距離地球400光年的原始恒星IRAS 16293-2422周圍探測到了一種糖類物質(zhì)——羥基乙醛（glycolaldehyde）。這些結(jié)果說明，生命所需要的許多有機物，包括組成蛋白質(zhì)的氨基酸、組成核酸的核苷酸，以及組成細(xì)胞膜的脂肪酸，也可以在太空中形成。這些有機物還可以通過彗星和星際塵埃到達地球，作為生命的起始物質(zhì)。

這些分子具體是如何形成的，由于我們對它們形成時的狀況不完全了解，不能確定每一個過程，但是也可以做一些推測。在恒星死亡時發(fā)生的爆炸，會將之前在恒星內(nèi)部合成的各種元素噴撒到太空中。在溫度降到一定程度時，這些元素就會彼此作用，形成各種化合物，例如水、氨、甲烷、硫化氫、氰化物、各種結(jié)構(gòu)的碳?xì)浠衔锏取Ｈ绻虑榫偷酱藶橹梗敲从钪嬷凶疃嘁簿秃羞@些簡單分子，也就不可能有生命了。幸運的是，各種分子在形成后，不會永遠不變，而是會在適當(dāng)?shù)臈l件下相互作用，把它們中的原子重新組合，形成新的分子。分子中的原子（無論是同一分子中的原子還是不同分子之間的原子）要重新組合，前提條件是把原子之間原來的化學(xué)鍵打破，這樣原子才能以不同的方式重新形成化學(xué)鍵。打破化學(xué)鍵是需要能量的。加熱（例如太陽能、地?zé)帷⒒鹕饺蹘r、水底熱泉）、紫外線照射、閃電、隕石的沖擊、氧化-還原反應(yīng)等，都可以為原先化學(xué)鍵的破壞提供能量。如果這些簡單的化合物被吸附在星際微塵上、彗星核中或者地球的巖石表面，它們還能得到一種幫助來形成新分子，那就是礦物質(zhì)（如硅酸鹽和硫化鐵）的“催化”作用。通過結(jié)合到礦物質(zhì)的表面，原有的化學(xué)鍵只需要比較少的能量就能夠破裂，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）在礦物質(zhì)存在時加熱，就可以形成多種有機分子，包括尿素和組成核酸的嘌呤和嘧啶，例如腺嘌呤、胞嘧啶和尿嘧啶（圖1-5）。

火山熔巖能夠同時提供熱源和催化功能，也可以幫助有機分子的形成。反復(fù)的冰凍和融化也會促成新化合物的生成。水在結(jié)冰時，水分子會整齊地排列，把原來溶在水中的其他分子“排擠”出來，這相當(dāng)于極大地增加這些分子的濃度，有利于化學(xué)反應(yīng)的進行。例如尿素的水溶液在無氧環(huán)境中受到電擊和反復(fù)凍融，就會形成胞嘧啶和尿嘧啶。所有這些實驗結(jié)果都表明，地球和太空中都存在多種條件，可以將簡單的化合物形成生命所需要的比較復(fù)雜的分子。地球上生命的出現(xiàn)，是在宇宙中自然形成的各種有機分子，特別是氨基酸和堿基（嘌呤和嘧啶）的基礎(chǔ)上發(fā)生的，是太空環(huán)境提供了生命產(chǎn)生的原始材料。

不過有了單體分子還不夠。蛋白質(zhì)、DNA和RNA都是多聚物，是由許多單體分子組成的。在生物體內(nèi)，這些多聚物是通過“酶”（具有催化功能的蛋白質(zhì)）的作用而形成的。在早期地球的環(huán)境中，氨基酸是否能夠不通過酶的作用而聚合，形成蛋白質(zhì)呢？福克斯在合成氨基酸的基礎(chǔ)上，又把氨基酸的溶液在溫暖無氧的環(huán)境中讓水溶液自然蒸干，就像當(dāng)初地球表面的一個淺水坑自然蒸干一樣。福克斯發(fā)現(xiàn)，在這個干燥過程中，氨基酸會聚合，形成彼此交聯(lián)的長鏈，有些像在蛋白質(zhì)中的情形那樣。他把這種物質(zhì)叫做“類蛋白質(zhì)”（proteinoid）。這說明蛋白質(zhì)也可以由它的構(gòu)造單位——氨基酸在自然環(huán)境中形成。既然氨基酸能夠在某些自然條件下形成類似蛋白質(zhì)的分子，其他有機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，就有可能形成有機分子的自我催化，并且形成穩(wěn)定的，能夠不斷形成同類有機分子的化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)，這就是生命的萌芽。所以生命的產(chǎn)生很可能不是一次幸運的偶然事件，而是我們這個宇宙發(fā)展的必然結(jié)果。