本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定反映《大众科学》的观点
7月26日星期四，新的英语科学博客网络SciLogs.com正式上线。SciLogs.com是Nature Network博主的新家，是SciLogs国际博客系列的一部分，该系列博客已存在于德语、西班牙语和荷兰语中。为了庆祝NPG科学博客家族的这一新成员，一些NPG博客正在发布以“起源”为主题的文章。
参与此次跨网络博客节日的包括nature.com的Soapbox Science blog、Scitable的Student Voices blog以及来自SciLogs.com、SciLogs.de、Scitable和《大众科学》博客网络的博主。请加入我们，一起探索对“起源”的多样化解读——从干细胞等科学实例到发表你的第一篇论文等初次体验。您还可以使用#BeginScights标签在社交媒体上关注和参与对话。
查尔斯·达尔文是一位化学家。当然，他在化学领域没有做出任何显著贡献。但在1871年写给他的朋友约瑟夫·胡克的信中，他说了以下一段话：
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“人们常说，现在具备了产生第一个生物体的所有条件，这些条件可能曾经存在过。但是，如果（啊！多么大的一个“如果”！），我们可以在某个温暖的小池塘里，充满各种氨和磷酸盐、光、热、电等等，设想一种蛋白质（原文如此）化合物在化学上形成，准备经历更复杂的变化，那么在今天，这种物质会被立即吸收，而在生物被发现之前，情况并非如此。”
在想象一个“充满氨和磷酸盐的温暖小池塘”时，达尔文明确地将生命的起源置于化学领域。对他来说很清楚，他的自然选择理论是为了解释生命开始之后发生的事情而设计的。毕竟，生物体是由分子构成的；即使在当时，这一点也是众所周知的。弗里德里希·维勒在1828年开创性地从无机物合成尿素，打击了活力论，并证明生命的先驱是简单的化学物质。事实上，达尔文的影响力比他想象的还要大；像RNA这样的生物分子会根据复制的保真度进行自然选择，虽然这种分子水平的变异和复制肯定在早期的地球上发生过，但今天这种有意的选择——被称为“定向进化”——被用来发现从抗癌新抗体到更高效的生物燃料酶的一切。
然而，即使达尔文似乎意识到了这一点，大多数公众并没有清楚地认识到生命的起源是一个典型的化学难题。事实上，这是化学的宏大问题，就像大爆炸是物理学的、进化是生物学的、意识是神经科学的一样。生命的起源是一个问题，它与物种的起源和宇宙的起源一样，充满了宏伟和近乎神秘的意义。然而，还需要做更多的工作来提醒公众，化学，即解释尼龙结构、帮助我们制造洗涤剂和药物的化学，也自豪地将生命的起源作为其宏大问题。太多人认为生命的起源是一个生物学问题。但达尔文清楚地认识到化学和生物学之间的界限，我们也应该如此。
汤派和烟囱派
在达尔文推测他的小池塘八十多年后，斯坦利·米勒接过了生命化学起源的线索。站在思考过这个问题的亚历山大·奥巴林和J·B·S·霍尔丹的肩膀上，米勒进行了一个现在已成为经典的实验，他模拟了一个简单的还原性前生物大气，由氨、甲烷和氮气以及水在一个反应容器中组成。通过这种可燃混合物的火花模拟了闪电，揭示了氨基酸的存在——生命的一些关键组成部分。米勒再次证明，生命的起源是一个有机化学问题。从那时起，已经实施了许多基本米勒版本的变体，每个变体都产生了一种或另一种生命的关键化学成分，即氨基酸、核酸、糖和脂质。这些成分中的每一个都屈服于创造性的方案，证明了它们从简单的、看似合理的分子（如氰化物、甲醛和一氧化碳）的前生物合成。最近在争论中发出的最强音是来自曼彻斯特的约翰·萨瑟兰，他在2009年证明了核糖核苷酸——RNA的组成部分——从基本化学前体中最合理的合成；这突然为通常被认为是生命起源最一致和最可能的 сценарий——RNA世界注入了新的活力。有人说，生命的起源是一个如此遥远和多因素的问题，以至于无论我们构想出多少个“如果”情景，我们可能永远也无法弄清这一切实际上是如何发生的。然而，简单的化学已经揭示了几乎每一个难题——从RNA合成到氨基酸的手性——的合理可能性。化学也一直是许多其他生命起源替代理论的核心，从亚历山大·凯恩斯-史密斯的“黏土生命”观点到处理有机化合物地外播种地球的各种提议。
当米勒和他的“汤派”同仁在生命起源研究中开辟了最初的道路时，80年代随着在最不可能的环境中发现潜在的生命维持工厂，一个令人震惊的新时代来临了。发现生命在深海热液喷口中茁壮成长，开启了该领域的一个全新篇章，再次明确地是化学的。位于海洋下方数英里的黑烟囱在数百万年来一直在协调着来自火山喷口的热、富含金属的酸性化学物质与凉爽的碱性水的剧烈结合。这两种化学对立面的不洁相遇导致了包括硅酸盐矿物橄榄石在内的矿物质的剧烈沉淀，橄榄石是我们星球岩石景观中最普遍的成分之一。这些矿物质的沉淀导致了高达数英里的烟囱状结构。这些烟囱中的对流热流为生命的基本要素——能量提供了丰富的来源。金属可以作为涉及硫、一氧化碳和水的简单反应的催化剂。近年来，由于其中隐藏的巨大能量，它们催化关键反应（如克雷布斯循环）的能力，以及在微观孔隙中浓缩反应物和产物的能力，以及一些铁硫化合物与蛋白质中发现的关键铁硫核心的惊人相似之处，这些强大的烟囱被许多科学家认为先于或至少伴随了地表生命的起源。“烟囱派”中的杰出人物包括尼克·莱恩和专利律师冈特·瓦赫特肖瑟，他以“爱好”的身份涉足该领域。这些理论为“代谢优先”阵营提供了与“复制优先”阵营相对的观点。它们共同解释了遗传和化学代谢。
话虽如此，但很明显，我们还有很长的路要走。没有人知道氨基酸、糖、脂质和核苷酸的混合物如何形成蛋白质、酶和功能性DNA和RNA，更不用说实现自我包含、复制和代谢的反应系统这一重要飞跃了。然而，如果生命的起源是化学的宏大问题，那么化学也为理解它提供了一种极其重要的工具——自组装。自组装是我们世界中普遍存在的一种现象。它参与了从DNA复制和洗涤剂作用机制到晶体的形成以及阿尔茨海默病中错误折叠蛋白的积累等一切过程。自组装以其各种形式已经获得了诺贝尔奖的认可，毫无疑问，它的实践者将在未来争取更多的认可。
既震撼又激动的键
分子相互作用的本质是化学键，这些键有各种形状和大小，通常取决于电子的共享程度。我们所知道的最重要的键是共价键，它将碳原子彼此连接并与其他元素连接。虽然共价键是化学和生物学不可分割的一部分，但自组装的标志是所谓的非共价相互作用。共价键很强，但理解生物化学的关键是弱键。生物学是一个弱不仅是好的而且是必不可少的领域。弱键的例子包括范德华力（例如，它使我们能够液化气体）以及最重要的氢键。当氢原子与氮或氧等负电性元素结合时，感受到来自另一个负电性元素的静电拉力时，就会产生氢键。这导致氢在两个原子之间部分共享（确切的描述更为细致）。莱纳斯·鲍林假设氢键是生物学的关键，氢键使DNA成为双螺旋结构，并有助于蛋白质精致的三维形状。很简单；没有氢键，就不会有生命。这些键的美妙之处在于它们足够强，可以维持结构并将分子保持在适当的形状，但又足够弱，可以在需要时快速断裂和重组。这种“按需”特性使氢键成为最重要的生物过程中的重要参与者，包括RNA翻译成蛋白质、酶的催化反应以及神经递质和激素的作用。没有氢键，DNA就不会复制，酶就不会催化，蛋白质就不会折叠。生命就不会有机会出现。
即使在没有蛋白质或核酸的情况下，氢键也一定是生命起源中的首要因素。共价键的形成本身通常也受到氢键的帮助，氢键有助于引导反应分子进入正确的方向。但更重要的是，这种神奇的分子胶对于地球上最常见和最神秘的物质——水——的生命赋予特性至关重要。水完全独特的特性使其能够维持生命，这源于每个水分子能够与其他水分子形成最多四个氢键的能力。这种几何排列立即导致了水的许多标志性品质，例如其异常高的热容量及其在其广阔的氢键网络中溶解各种分子形状和大小的能力。这种笼状网络也使得水能够至关重要地形成漂浮在水体表面、绝缘和保护下方生命形式的低密度冰。毫无疑问；氢键已将水变成生命的基质。并且由于生命起源期间所有重要的化学反应都发生在水中，因此没有这些相互作用是不可能的。
油脂是好的
长期以来，生命起源研究主要集中在氨基酸和核苷酸上，毕竟它们是蛋白质、DNA和RNA的组成部分。被搁置一旁的是这些关键成分的丑陋表亲——脂肪酸和脂质。但与今天的医学智慧相反，当谈到生命的起源时，油脂是好的。油脂以简单脂肪酸的形式，负责生命上升过程中的决定性事件之一；细胞膜和囊泡的形成。脂肪酸属于一类称为两亲性化合物的分子。顾名思义，这些化合物有两端，一端是“亲水”或亲水端，另一端是“疏水”或疏水端。几乎任何学童都知道，油和水不相容。大多数学童不了解的是，这一原则在生命起源中的至高无上地位。当在水中混合在一起时，两亲性分子将其疏水端聚集在一起，形成双层和囊泡等结构。对于未来的分子竞争者来说，囊泡可以提供分子版本的洁净室，一个真正的气泡，可以完美地屏蔽早期地球的严酷环境，包括热、水和辐射。原本受到各种因素无情冲击的脆弱分子突然在这些囊泡内找到了自组装的安全港湾。囊泡几乎可以肯定在分子组装的形成年代中起着关键作用，因为它们能够隔离其他分子，并允许它们悠闲地试验代谢和复制。核苷酸、离子、氨基酸和糖可以进入这些囊泡，并沉迷于在动荡的外部环境中不可能发生的化学反应。最近的实验，包括哈佛生物化学家杰克·绍斯塔克的开创性工作，已经表明囊泡如何能够自我复制，进而充当RNA合成的腔室。包括岩石剪切在内的各种机制已被调用以支持囊泡出芽、组装和复制。这些观察结果使脂肪酸在协调基本生化反应中的早期作用更加稳固。
导致脂肪酸和囊泡这种行为的效应是一种基本的化学原理，称为疏水效应。虽然疏水效应的作用在油和水的分离中很明显，但对疏水效应的确切解释是一个持续且极其引人入胜的研究课题。熵肯定在介导这种效应中起着重要作用。当油分子接触水时，讨厌这种油腻入侵者的水分子别无选择，只能在油分子周围重新形成笼状结构。这导致它们更有序，并且在宽松的意义上，更有序意味着低熵，这通常是不利的状态。现在，当将另一个油分子引入到这种环境中时，水非常乐意让这两个疏水物相互接触，从而从它们之间的空间中释放出来。这导致更多的无序水分子和更多的熵，这转化为对两种分子种类都有利的情况。对疏水效应的真正解释更为复杂，但疏水分子的熵驱动自组装抓住了该效应的本质，并且由于这些是从基本热力学推导出的基本原理，因此毫无疑问它们在生命起源期间发挥了作用。
生命的起源是一个化学问题
值得注意的是，自组装、氢键和疏水效应本质上都是化学原理。其中一些从量子力学和热力学中获得支持，这些领域传统上植根于物理学。但是，将这些分子水平的效应简化为原子水平的解释并不能帮助我们理解它们如何促进了生命的起源。就物理学而言，这些效应显然是涌现的。它们最好在它们自身的水平上并根据它们自身的术语应用于对生命的理解。理解氢键的定性性质和大致强度比任何对其起源的精确量子力学计算都能更好地帮助我理解它们在DNA双螺旋结构中的关键作用。理解疏水效应更多的是关于极性、熵和分子形状和大小等有时定义松散但完全科学且极其有用的概念的混合，而不是关于水-油排斥的精确原子起源。物理学在解决起源问题上过于原子化，而生物学则过于涌现。化学在正确的层面上解决了这个问题。这就是为什么生命的起源是化学的宏大问题。