探索生命的第一个分子是如何产生的激进探索

关键要点

• 20世纪初，一位年轻的俄罗斯生物化学家提出了一个激进的想法：化学进化可以解释生命的起源。
• 这位名叫亚历山大·奥帕林（Alexander Oparin）的生物化学家发起了第一次科学努力，以确定我们现在知道的原子和粒子是如何制造生命分子的。
• 丹·莱维特（Dan Levitt）在他的书《什么进入你：你身体原子的故事，从大爆炸到昨晚的晚餐》中，探讨了这一探索的迷人历史，以及我们所知道的生命起源背后的科学

他将发起第一个科学努力，以确定我们现在知道的原子和粒子是如何创造生命的分子的。

Oparin在Uglich长大，这是一个拥有传统木屋，土路和马车的乡村小镇。作为一名崭露头角的植物收藏家，他对在云杉、桦树和松树森林中发现的各种树木、草、花和昆虫感到高兴。1914年，他进入莫斯科大学学习植物学，1917年，布尔什维克夺取政权的那一年，他开始攻读植物生理学研究生。他留着列宁式的山羊胡子和小胡子，开始与杰出的科学家和革命家阿列克谢·巴赫（Alexei Bakh）合作，后者严厉而广泛阅读的小册子《沙皇饥饿》（Tsar Hunger）普及了革命社会主义。在巴赫的领导下，Oparin研究了藻类的光合作用。

他了解得越多，就越确信另一个革命性的想法：化学进化可以解释生命的起源。即使在达尔文出版《物种起源》半个世纪后，也很少有人同意。在英国，许多杰出的科学家认为他们的使命揭示了上帝创造的威严。认为生命可能来自无生命的化学物质是异端邪说。但在新的俄罗斯，奥帕林沿着这些新路线的猜测得到了积极的鼓励（尽管审查委员会还没有）。

尽管如此，在试图追溯我们的化学起源时，Oparin面临着一个明显的问题：你体内和所有生命的分子与我们周围岩石中的无机分子完全不同。如果你分析你的成分，你会发现大约60%是水。另外1%是离子 - 由钠，钾和镁等元素组成的带电分子。你体内的其他一切，从你的指甲和骨骼到你的肌肉和大脑，都是由有机分子构成的——围绕碳链或环构建的分子。

如果碳具有个性类型，那么它就是外向的连接器。事实上，如果我们在宇宙的其他地方发现生命，许多科学家认为它也会围绕碳而建。碳的多功能性源于它的外壳中有四个电子。这一点，加上它的小尺寸，意味着通过巧妙的几何技巧，它可以轻松地在四个方向上粘合，形成长而稳定的环和链条。这些是你有机自我的支柱。您的糖、脂肪酸、氨基酸和核酸都是围绕碳构建的。当它们连接在一起时，它们就会产生碳水化合物、脂肪、蛋白质和DNA——你更大的有机构建块。例如，你的心脏，一块大肌肉，大约70%的蛋白质（不包括水）——换句话说，70%的氨基酸。

然而，据科学家所知，这些有机分子只能由生物制造。无论你搜索多久，你都不会在地球的岩石中找到它们——除了在沉积岩中，比如煤，它们是由有机物产生的。委婉地说，这对解释生命的起源构成了障碍。如果你不知道它的构建块来自哪里，你就无法很好地理解它的外观。科学家们感到困惑。死岩中的无机分子和生活中复杂的有机分子之间的鸿沟对科学家来说就像解释我们大脑中的分子如何产生意识一样成问题。许多人认为，有机分子只能由“生命火花”产生——一种只有在生物体中才能发现的莫名其妙的力量。

早在亚里士多德，许多伟大的思想家就相信一种生命力主义。如果你没有关于简单分子如何变成有机分子的理论，没有强大的电子显微镜来可视化细胞或其内部的结构，也不知道遗传是如何传播的，那么从死亡化学物质到生物的飞跃可能看起来很神奇。考虑一下：如果你把一块石头分成两半，任何一块都不会再发生任何事情。如果将涡虫切成两半，两个部分将再生成相同的整体。你怎么解释？“在活的自然中，元素似乎遵循与死者不同的规律，”十八世纪瑞典化学家Jöns Berzelius写道。无生命的物质似乎缺乏生命能量。十九世纪杰出的物理学家开尔文勋爵（也以认为比空气重的飞行器永远不可能）写道：“死物质如果不受到以前活着的物质的影响，就不可能变成活的。在我看来，这肯定是科学的教学，就像万有引力定律一样。

在二十世纪，量子物理学的创始人尼尔斯·玻尔（Niels Bohr）推测，我们可能需要发现新型的物理现象来理解生命。就连达尔文本人，他已经展示了新物种是如何产生的，也无法解释第一个生命是如何从化学物质池中产生的。“目前对生命起源的思考只是垃圾，”他在给植物学家约瑟夫·胡克（Joseph Hooker）的信中写道。“不妨想想物质的起源。

开尔文勋爵的解决方案是提出宇宙和生命一直存在。著名的科学家和哲学家赫尔曼·冯·亥姆霍兹（Hermann von Helmholtz）也持同样的观点。他们相信生命是远古的——和物质本身一样古老。在它出现在地球上之前，它一定早在宇宙的其他地方就已经存在了。它是如何找到这里的仍然是一个谜，尽管他们推测它可能搭上了流星或彗星的便车。“谁知道呢，”亥姆霍兹争辩说，“这些在太空中到处蜂拥而至的身体，是否不会在新世界的地方散布生命细菌？”但是，开尔文、亥姆霍兹和其他人提出的泛种论（意为“无处不在的种子”）理论只是把罐子踢到了路上。它无助于解开生命起源的奥秘。

1922年，在奥帕林被审查委员会拒绝几年后，他和他的布尔什维克英雄阿列克谢·巴赫（Alexei Bakh）在莫斯科的一个实验室工作。他还获得了教学任命。人们会长期记住他在大学里塑造的气势磅礴、不协调的身材。他被派往国外短暂学习，与学生破旧的衣服形成鲜明对比的是，他穿着一身利落的欧式西装，总是打着领结，给人一种优雅和权威的气息。新工人天堂的生活条件很艰苦。经济一成败，莫斯科的许多人都在挨饿。Oparin开始应用他的生化知识来改善面包和茶的产量。

然而，即使在这个非常需要的时刻，他也无法摆脱对更深层次的科学问题的迷恋。他也认识到达尔文的杰作《物种起源》“缺少第一章”，但奥帕林认为可以对此采取一些措施。他决定回到第一原则。有机分子真的有可能只能由生物体制造吗？如果是这样，那么第一个细胞——第一个能够产生能量和复制的膜封闭分子集合——一定非常复杂，以至于它也可以制造制造它的材料。显然，这是一个太大的进化跳跃，无法想象。对于Oparin来说，假设第一个细胞起源于它周围已经存在的有机分子更有意义。但是他们从哪里来？

他已经知道一个事实，使生命的起源看起来看似简单。十九世纪的化学家已经确定，尽管元素周期表中有大量的元素，但几乎所有的质量都来自其中的六种：碳、氢、氧、氮、硫和磷。

您的脂肪和碳水化合物是完全由碳、氢和氧组成的分子链。您的蛋白质由碳、氢、氧、氮和硫构成。你的DNA只由碳、氢、氧、氮和磷组成。这六个元素大约构成了你内在一切事物的99%。一个 150 磅重的人含有 94 磅氧气、35 磅碳、15 磅氢气、4 磅氮、近 2 磅磷和半磅硫。

这六种元素也恰好是宇宙中最丰富的元素之一。氢是最丰富的;氧气排在第三位;碳，第六;氮，第十三;硫磺，第十六;和磷，第十九。从某种意义上说，这使得理解生命的起源成为化学拼字游戏。你只需要解释这几种元素是如何结合形成有机分子的。

当然，事实证明这是非常困难的。原子对它们与谁结合很挑剔。这六个元素的潜在组合数量令人难以置信。碳是如此混杂，如此善于扭曲和结合，以至于地球上已知的有机分子超过一千万。

1924年，在红色的俄罗斯，现在急于说服民众上帝不存在，莫斯科工人出版了奥帕林的七十一页手稿作为小册子，封面上写着“世界无产者团结起来！十二年后，奥帕林出版了一本书，扩展了他的论点，并纳入了最近的科学。

奥帕林的第一个突破性见解是，要了解生命最初是如何产生的，他需要对数十亿年前的地球有一个清晰的了解。奇怪的是，以前几乎没有人考虑过生活。在回顾了天文学和地质学的最新发现后，他意识到地球最初形成时，它看起来与今天完全不同。

最重要的是它缺乏什么。许多科学家认为氧气一直存在，但Oparin明白我们大气中的氧气是由光合作用产生的。在生命出现之前，我们的大气层没有氧气。你和我不可能在那里生存一秒钟。

他声称地球早期的大气层更像木星的大气层，天文学家刚刚发现木星充满了氨和甲烷。值得注意的是，从基本成分 - 简单的碳氢化合物，如甲烷（CH4），以及氨（NH4）、氢（H2）和水（H20）—Oparin在纸上概述了一系列详细的化学反应，这些反应可能会产生更复杂的有机分子，蛋白质和生命。他认为，生命可以被理解为化学进化的顶点。他谦虚地将这本书命名为《生命的起源》，这是达尔文的《物种起源》前传的恰当名称。

第一人生是什么样的？Oparin的一些同时代人声称它是光合作用藻类。对奥帕林来说，这显然是不可能的。作为一名植物生物化学家，他对光合作用的复杂性有着健康的认识。最早进化的生物不可能已经如此复杂;这太像是一次进化上的飞跃。相反，对于第一个生命形式，他提名了海洋中慢慢进化成细菌的有机分子簇。

在英国，华丽的自由思想进化生物学家、生物化学家、数学家和多产作家霍尔丹独立发展了类似的理论，发表在《理性主义年鉴》杂志上。许多科学家起初将其视为“疯狂的猜测”，霍尔丹在很大程度上转向了其他重要问题。但奥帕林在他的余下职业生涯中继续研究生命的起源。Oparin对科学的贡献不仅仅是开创性的，它将引发科学爆炸。