前生命化学（前生命化学）

十九世纪化学

德国哲学家黑格尔（1770年－1831年）在其《自然哲学》中说，“化学过程本身是地球上的一般过程......而气象过程则是自然界的巨大化学过程......这类过程又是生命过程的直接起源......化学过程是一种类似于生命的东西；我们在这里遇见的生命内在活动会令人感到惊奇。化学过程如能自动地继续进行下去，那就会成为生命；因此，显然应该从化学方面理解生命”（黑格尔1986）   。

英国业余博物学家钱伯斯（1802年－1871年）在于1844年匿名出版的《自然创造史的遗迹》一书中说，由于化学家已经合成了尿素和尿囊素，就再也不用证明有机化合物具有独特的化学特性了。他认为细胞是“无机物和有机物之间的交汇点，它是矿物界的结尾和动物界的开端”，这样，生命的创造就归结到了“第一个原始细胞是如何产生的”这样一个问题。他提出，某种“化学—电的作用”导致了第一个细胞的形成（玛格纳2001）。

1871年，英国博物学家达尔文在写给英国植物学家胡克（Joseph Dalton Hooker）的一封信中谈到了生命起源的问题，他写道，“人们常说初次产生生物的一切条件现在都具备，过去也会是如此。然而如果（好家伙！这是多么伟大的如果！）我们能够想出某一个温和的小池塘，并有氨、磷酸盐、光、热、电等所有的东西，并想像形成了某种蛋白质似的化合物，准备经历更复杂的变化；在现在情况下这样的物质将会立刻被吞食或吸收，这种情形在生物形成之前是不会发生的”（迈尔1990）   。

达尔文关于生命可能起源自温暖小水池的观点现在都还受到一些学者的追捧。虽然20世纪的实验科学已经证实，在合适的光、热或电的条件下，由无机物（氨等）确实可以形成有机分子（氨基酸、肽类），但这实际上离揭示真正的生命起源还相差甚远。

美国化学家夏皮罗（Robert H. Shapiro，1935年－2004年）在1986年的著述中注意到达尔文上面这段似乎不经意的说法，“竟然与今天的知识相当符合，如果不是因为他有远见，就是说明多年来生命来源的研究没有什么进步”（詹腓力1999）。

德国探险家和博物学家瓦格纳（Moritz Wagner，1813年–1887年）在1874年出版的《自然科学的争论问题》第1卷中指出：在这旋转着的星云中，“在各不相同的区域中有各不相同的温度，所以完全有理由假定：为有机的生命所必需的各种条件，总可以在其中的某个地方找到。因此，我们可以把天体和旋转着的宇宙星云的大气看作有生命形式的永久储藏所，看作有机胚种的永恒栽培地”（恩格斯1925）。虽然瓦格纳给予的是一种宏观的原则性论述，但是，即使是在今天，这种关于生命起源客观性的见解也是毋庸置疑的。

德国哲学家恩格斯（1820年－1895年）在《自然辩证法》中说，“当行星有了一层硬壳而且在它的表面上有了积水的时候，行星固有的热就比中心天体发送给它的热愈来愈减少。它的大气层变成我们现在所理解的意义下的气象现象的活动场所，它的表面成为地质变化的活动场所……最后，如果温度降低到至少在相当大的一部分地面上不越过蛋白质能在其中生存的限度，那么在其他适当的化学的先决条件下，有生命的原生质便形成了……也许经过了多少万年，才出现了可以进一步发展的条件，这种没有定形的蛋白质能够由于核和膜的形成而产生第一个细胞……生命的起源必然是通过化学的途径实现的”（恩格斯1925）   。

恩格斯试图从行星环境演化与生命构建物质（蛋白质）之间的关系推测生命可能的起源方式，并强调了（第一个）细胞起源的重要性。当然，那时对原核生物还没有认识，因此，最初的细胞并不可能是如恩格斯所说的有细胞核的细胞。此外，那时也不可能知道构建细胞的生物大分子除了蛋白质外，还有核酸（DNA和RNA）。

化学研究

苏联生物化学家奥巴林（Alexander Ivanovich Oparin,1894年～1980年）于1936年出版了《地球上生命的起源》一书，提出了关于生命起源的化学进化理论。他将生命的起源分为三个阶段：首先，原始地球大气是还原性的，主要由CH、NH、HO、HS、CO或CO、PO等组成（O和O稀少或缺乏），短波紫外线照射能催化这些无机分子生成构成生命的一些小分子有机物（如氨基酸），接着，小分子有机物可聚合成生物大分子并在原始海洋中进一步形成多分子体系的团聚体（如氨基酸可聚合成多肽和蛋白质、一定长度的磷脂能形成构成细胞膜的脂质双层），最后，在自然的选择作用下，适合于当时外界条件的团聚体得以保存，不适者则消亡，经过漫长的演化，终于出现了能够新陈代谢和自我复制的原始生命—原生体，并最终产生了细胞。

奥巴林提出了原始大气是还原性的假设以及高能的紫外线可促进像氨基酸这样的小分子有机化合物生成的观点，这是一个重要的进步，也受到大量现代科学研究证据的支持。但是，在其它方面，奥巴林的观念并不比达尔文和恩格斯前进了多少，因为，如何从大分子聚合物（奥巴林所说的‘团聚体’）进化到能够自我复制的细胞仍然没有答案。

著名的米勒实验装置

以后其他学者又进行了大量的模拟实验，或改用紧外线、b射线、高温、强的阳光等作能源，或改换了还原性混合气体的个别成分（如以

生命的光化学

没有能量就没有生命，而地球上支撑生命最普遍的能量来源就是太阳光。因此，最初的生命形式必定是以光的感知、传递、转化和利用为核心的，这是原始细胞出现与运行的客观目的。

叶绿素与细胞色素的血红素辅基

正是生命构件特别是光合色素分子之间的偶然碰撞在渺茫的几率中顽强而持续地进行着，才有可能形成能够感受与捕捉最后到利用光能的一种机制。现已知道，在现代光合生物中，叶绿素的生物合成过程中的中间产物以及游离的叶绿素分子是可以吸收光能的，这些天生的“感光分子”似乎与生俱来就具有通过光来改造与衍生自我的化学潜能—这不就是最终发展成生命的那种潜能吗？只要有光能的激发，这些分子就会反复地产生，并在无数次偶然的相互碰撞中试探反应与利用能量的新组合，探寻通向叶绿素分子诞生的成功之旅。

当然刚开始肯定不可能会有什么酶的催化，一切可能都是在太阳光能的驱动下的自然的物理化学作用过程。现存生物中，叶绿素的生物合成需经历17个酶促反应步骤或更多，但需要指出的是，它却始于一种普通而常见的氨基酸—谷氨酸，这或许具有重要的意义，因为谷氨酸是容易自然形成的常见的氨基酸之一，也是构成蛋白质的主要氨基酸之一。可以推测，可能应该是先有像类似叶绿素这样的感光分子，然后在光合系统的不断优化过程中逐渐形成了用常见的简单组分（如谷氨酸）通过一系列酶促反应来合成叶绿素的复杂但高效的途径。因此，真正的光合作用起源之前，像类似卟啉环这样复杂的感光分子肯定不会稀少，但若要持续地满足光合作用的需求，肯定还需要建立从更普遍、更简单的原料来合成的途径，这可能就是我们现在见到的叶绿素的合成途径。这看上去像一种智能设计，但实则是一种方向性筛选的产物。

在现代生物的光合系统中，所有叶绿素分子必须和蛋白质结合才能行使光能的传递与利用之功能。因此，在真正意义上的光合作用出现之前，在感光分子与多肽/蛋白质之间，必定经历了极为漫长的相互作用历程，而且必须是在相对封闭的条件下。

膜偶联的光系统和电子传递链

细胞诞生之前，自然界应该具备了形成原始细胞的物质基础。设想一下，在数十亿年前的古时候，在某个海岸附近存在了一些富含有机分子（有既疏水也亲水的两亲分子如脂肪酸、还有亲水性的大分子化合物如多肽、以及疏水性的大分子化合物如长链脂肪烃等）的小水体中，偶尔一些聚集成团的两亲分子在静静的水面上形成无数微小的双层膜囊泡。在无数这样的囊泡中，总有一些会与包埋或黏附其中的感光分子和其他生物大分子（如多肽）在光能的驱动下发生物理—化学性的相互作用。这样的过程既是偶然的，也是必然的。

疏水分子自发装配成囊泡

在原始海洋中作为原始生命前体的大分子化合物的形成更应该是在容易接近干湿交替状态的沿岸带的小型水体之中，而不大会在无边无际的汪洋大海之中，这种过程似乎可能是：有机汤→脂质体（油滴）与感光分子—多肽—核（苷）酸等的混合物→类细胞体→细胞。此外，脂双层结构有助于生物大分子（如RNA）的脱水缩合作用这样的一种特性也为在相对温和的条件下细胞的起源与进化提供了一种可能途径。

光合作用就是通过一系列氧化还原反应将被色素分子吸收和传递过来的太阳光能转化为化学能的过程。在光合作用的演化过程中，也许一些多肽或蛋白（在某些条件下）的存在，偶然加速了某些反应的进程（而自身并不参与化学反应），这种反复的相互作用和选择过程或许终于导致了具有催化作用的蛋白质—酶的出现。而且，一旦一种蛋白偶尔起到了催化作用，它可能就会受惠于稳定化和优化的选择，直到一种具有高效催化作用的酶的诞生。

构成最简单光合机构的基本组分首先必须存在，这是在无数组合中筛选出功能性组合的前提，只有在这样的功能单位出现之后，沿着一种功能性目标（即最有效的光合作用）的自然选择才可能发生，系统才会进入结构与功能的不断优化过程。

一般来说，即使是放能反应也不一定会自发地进行，因为反应物首先需要被活化，即需要活化能。这是使一个化学反应中所有分子达到反应状态所需要的能量。而催化剂就是指能够降低一个反应活化能的物质。催化剂有一个特性，即它能够加快反应，但自身并不发生变化。

只有一个高效的光合作用系统才能生产更多的有机物，这种光合系统就会被更广泛地传播或扩展—这可能就是光合系统不断向高效方向演化的核心动力，这也是自然选择的方向性。因此，最初的酶可能就是在与光合作用过程相关的各种氧化还原反应与多肽/蛋白质的相互作用过程中逐渐形成的，如果通过酶促反应可以不断地提高反应速率，就可能获得竞争与被选择下来的优势，这应该就是酶促反应速率能够达到惊人速度的根本缘由。这样，蛋白质一方面成为光合系统的结构支撑部分，另一方面成为推动一系列生化反应高效进行的催化剂，因此就出现了酶蛋白与结构蛋白之间在功能上的分化。

酶之所以受到生命的青睐，因为酶可以进化出惊人的催化能力：譬如，无机铁将过氧化氢分解为氧气和水时，催化效率很低，当铁与原卟啉结合形成原血红素时，其活性增加了1000倍，若原血红素与过氧化氢蛋白结合，则活性提高100万倍。酶就是生命舞台上的魔术师，它以惊人的速度，制造出令人眼花缭乱的各种各样的复杂有机物！酶是有机物中一种主要的专业机床。催化作用的出现，以自身作为反应物或催化其他反应，将可利用的前体转化成产物，丰富了原始世界的化学多样性，最终形成自动催化循环。酶的高效性一方面取决于酶的循环催化特性，即酶能被生化反应循环利用，因为催化剂与产物是分离的，所以不会被消耗，也能持续地发生作用；另一方面，酶具有高度的特异性，因为，特化是高效之前提。

当然，催化剂并不是有机物质的专利，因为很多无机物也能催化另外的无机反应，其实，很多酶还是离不开无机金属离子的帮助。在生命之前的原始有机大分子的产生可能依赖于高能（在高温或强辐射条件下）以及近于无水（或通过脂质创造的微化学环境）条件下的脱水反应，而生命的进化则产生出了有机大分子脱水剂（酶），依赖它成功获得了在温和的稀溶液中进行脱水反应的能力。这不能不说是生命进化的伟大创举。但是，实在难以想象，如果没有生命选择的方向性以及个体化的生命环境（如细胞隔膜），这种酶的进化如何得以实现？如何驾驭数以千计的蛋白酶类而建立起一个有序的生命体系？

细胞的化学起源

前生命化学的最终阶段就是将遗传物质指挥生命构建过程程序化，即将生命构建过程信息化地储存于DNA之中，这是个性化的生命获得自我繁殖特性必须迈出的重要一步。最后是细胞分裂机制的逐渐形成，这得益于细胞膜的半通透性（小分子养分的进入与大分子碳水化合物的堆积），以及二者之间的矛盾及其必然的结果—细胞破裂过程的无数次重复。精确而周期化的细胞分裂才能使稳定的遗传成为了可能，这时像我们在现存生物中能所见到的细胞才成功地诞生了，细胞运行机制才得以程序化了。