生命的起源问题：从非生命物质到生命物质的转变

生命的起源问题：从非生命物质到生命物质的转变

生命的起源是一个令人着迷的科学之谜。量子力学奠基人之一的薛定谔在其著作《生命是什么》中提出，生命以负熵为生，从环境中抽取有序，来维持系统的组织和运行，往外界排放更多的熵（无序）。

生物学将生命定义为一种可以繁殖、可以遗传和变异、存在新陈代谢的半封闭物质系统。既然生命只是一种特殊的物质系统，那么它们其实和非生命物质并没有本质区别。现在生物学家普遍认为生命最早是从非生命物质转化而来的。问题是，它是怎么转化的呢？一般认为生命三要素中先出现新陈代谢，有了新陈代谢复制才有意义，然后才是遗传和变异。

氨基酸从哪里来

生命存在的先决条件是必须要有脂类物质、氨基酸、蛋白质、核酸等基础的有机化合物。46亿年前地球刚诞生时，到处是岩浆，地表温度非常高，这种环境下肯定不可能存在这些物质。随后地球温度下降，出现海洋，这些物质会不会自然地产生呢？

20世纪50年代，当时还在读博士的米勒在一个封闭的实验系统里放入一些无机物，通入模拟的原始地球大气，利用电极放电模拟闪电。经过一周的实验后，他发现实验装置里有10%-15%的碳变成了有机化合物，其中2%是氨基酸。这个实验证明在原始的大气环境下，可以自然地产生像氨基酸等简单的有机物。这个实验就是我们中学都学过的米勒实验。

酶和RNA——先有鸡还是先有蛋

我们现在知道自然环境下，生成氨基酸、脂肪酸、糖类和嘌呤（DNA中的A和G都是嘌呤）都是很容易的。但是嘧啶（DNA里面的T和C都是嘧啶）、核苷酸、核糖以及长链脂肪酸很难自然形成。

假设这些物质都已经具备，还有另外一个问题，DNA、RNA复制需要酶（一种蛋白质，是生物反应的催化剂）。但是制作酶又需要DNA、RNA。这是一个先有鸡还是先有蛋的问题。

诺贝尔化学奖得主艾根通过计算发现，没有酶的帮助，自然环境下RNA或者DNA大概只能自发生成100个核苷酸的链条，也就是只能编码30多个氨基酸（3个核苷酸对应1个氨基酸）。但是酶一般有几百到一千个氨基酸，没有酶的催化作用，RNA、DNA复制出错率会非常高，以至于根本无法正确复制自身。

为了解决这个问题，艾根和舒斯特于1979年提出了超循环理论。超循环是一组常微分方程，见下图（如果现在手机背景色是黑色，会看不太清，请点击一下图片）。

超循环反应示意图

这张图中每个点，比如I1、I2都是一种化合物，每个小圆圈代表它们可以自己复制自身。I1指向I2，I2指向I3这些箭头的意思是：I1也可以作为原料生成I2，以此类推。转一圈I5又可以作为原料生成I1。这个大的循环叫做超循环。在这种循环的增强作用下，是有可能生成较复杂的有机化合物的，比如长链条RNA、DNA。

自私的反应

不过这个理论有一个致命的缺陷，反对者认为根据博弈理论，这种反应能长期维持须有一个前提条件：就是大循环中的各个反应是诚实的合作者，而这种状态会被自私的反应所破坏。为了帮助理解，我们可以打一个比方。

假如中日韩合作生产一种工业芯片。三国中，只有日本能生产必须的原料，日本必须无偿地把原料输送给韩国。三个国家中，只有韩国能利用日本提供的原料来生产芯片，生产出来的芯片必须无偿地给中国。只有中国有加工厂能把芯片加工成电子产品。中国加工出来的电子产品也要无偿地给予日本。而日本必须利用这些电子产品才能生产更多的原料。超循环就类似于这样的合作。如果合作顺利，这是多家共赢的。但是如果整个循环中有一个环节的化学反应变得很自私，比如日本把原料无偿地给了韩国，如果韩国不选择生产芯片再无偿给中国，而是选择卖给美国。那么整个循环链条就断了。日本生产原料无偿给韩国对自己没有实际利益，所以慢慢地愿意无偿输送原料给韩国的企业就倒闭了。剩下的企业会选择让原料自己低效的复制自身。

所以因为存在自私的化学反应，无私的化学反应一定会被自然选择淘汰。这有点类似于生物的进化，只不过这是在非生命的层次的自然选择。

为了解决这个问题，科学家提出这种超循环反应必须是封闭的。在自然海洋中，超循环反应是开放式的，很容易被自私反应破坏。但是假如超循环反应是封闭式的话，就解决了上述的问题。假如中日韩必须只能沿着上述的路线贸易，且不允许与第四国贸易。那么为了得到更多商品，它们自然不会做出背叛行为。

那什么情况下超循环反应是封闭的呢？如果这些物质都被某种脂类油膜包裹着，那么它们不可能跟其他外界物质进行交换。只有大家无私合作，才能实现共赢。如果某个反应变异成自私的反应，这样对整个小液滴整体是不利的，它们会很快被其他小液滴淘汰。这有点类似人体，每个细胞必须无私合作才能使得整个人体变得更成功，如果某个细胞变异成自私的细胞，拼命复制自己（也就是癌变），那么作为整体的人会很快被淘汰掉。所以封闭环境是必须的。

双层磷脂在自然环境下就能形成小液滴

不过还有一个问题，物质是不能凭空产生的，没有物质交换，小液滴里的化学反应也不能持续进行。所以科学家认为原始的小液滴必须是封闭并且允许物质交换的。其实生物细胞就是这样的，我们身体里的细胞虽然是封闭的，但是有嵌套在细胞膜间的离子通道和跨膜蛋白负责和外界交换物质。

但是原始小液滴没有复杂的蛋白质，这是怎么做到的呢？科学家认为原始的细胞应该是一种浮在水表面的小液滴，它并不是完全封闭的，而是和海洋有一个漏口，小液滴可以从漏口和外界交换物质，但是大部分化学反应产物还在小液滴里。

绿色的是跨膜蛋白蓝色的是离子通道，高中生物都学过这些

拉斯穆森有一个论文《非生命物质到生命物质的转变》，探讨了这一过程，论文篇幅不长图中节选了第一页。

《非生命物质到生命物质的转变》大家有兴趣可以自行搜索

但是，这些超循环反应具体是一些什么反应呢？

为了解开上述这个谜题，麻省理工大学每年会举办一届国际遗传工程机器设计竞赛（IGEM）。每年麻省理工大学提供参数队伍一份DNA样本，各小组须设计可行的化学反应体系，以实现真实生物可以“运行”的生物工程系统，也就是这个竞赛的标题，遗传工程机器。这个竞赛最近两年高中组冠军都是来自深圳的中学。本科组前年季军是深圳大学。研究生及以上组2013年，中山大学拿到过季军。

这个比赛有什么意义呢？其实生命的起源肯定是从非生命物质转化成生命物质的。如果我们真的能破解这种转化的来龙去脉，我们人类就可以自己设计新的生命形式，用非生命物质工业化生产能够自我复制的生物机器人。这将会为医学和材料学等领域带来无限的想象空间。