最接近生命本质的学科是化学？

科学

2023-01-11 04:01

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人类来自何方？又将去往何处？在上古神话中，女娲创造了人类的始祖。那时，人类笃信，生命源于神的旨意。然而随着科学的诞生和发展，人们开始思考生命的真正起源。

碳基为骨架，氢、氧、铁、磷、钙、钠、钾等元素塑造大脑、肌肉、神经、血液……在人类的科学探索中，生命的轮廓日益清晰。

纵观人类科学发展史，历代科学家们一直在试图探索“化学是如何塑造生命的”。这个看似现代的幻想，早在化学学科诞生之前，便已经映照在古代炼金术士的熔炉里。

图源：Alamy

1537年，医生兼炼金术士Paracelsus在其出版的《自然》（De Rerum Natura）一书中，就曾记述了人造生命的最初尝试：将人类的精液、粪便和血液等生物成分，经过长时间的发酵来制备有机胚胎，创造一种他称之为“小矮人”（homunclus）的迷你合成生物。炼金术师认为人的肉体和金属材料相通，可以象炼金一样炼出生命。

这样以魔法为出发点的探索在如今看来的确荒谬，是对生命运转规律的根本误解。但这种古代科学故事往往包含比看起来更深刻的意义。炼金术知识的基础是化学。尝试在混乱无序的无机物质与和谐的生命体之间搭建桥梁，这是炼金术士在无意中促成了化学合成与转变。

破解生与死的密码

自古以来，化学从未完全摆脱突破生死的野心。在炼金术士的眼中，那是联通无机与有机、生与死之间的密码。

1818年，当玛丽·雪莱（Mary Shelley）首次匿名发表了世界上首部科幻小说——《弗兰肯斯坦》时，当代科学正处于一个非常微妙的时刻。生物与无机物之间的隔膜越来越薄，生命和死亡无限接近。对生物有机体的研究与其他科学领域的联系越来越紧密。

1790年，路易吉·伽伐尼（Luigi Galvani）偶然发现，一只被解剖的青蛙腿部神经因为带静电的金属手术刀的碰触而导致肌肉剧烈痉挛。伽伐尼意识到，这种反应与生物有机体固有的某种力量有关。这种力量从大脑传递到生物体的其他部分以产生运动。他称之为“动物电”。

伽伐尼的“青蛙腿”实验

图源：Eoht.info

伽伐尼观察到的“动物电”是由于细胞内外存在电位差——即膜电位，是离子选择性通过细胞膜的结果。当时，还没有电的概念，伽伐尼可能不知道他所观察到的现象的本质，但他明白，身体对电流的反应一定与身体内部的某种物质有关。

伽伐尼的实验还澄清了另一点：生命的复杂行为不仅仅是能量的问题。生命体的动作反应需要更具体的东西：让组织可以“理解”的讯息——这与物理学原理不同，它们不仅仅通过碰撞来传递能量，生命体还需要将外部刺激转化为复杂的反应。

伽伐尼的侄子乔瓦尼·阿尔迪尼（Giovanni Aldini）将动物电的研究推向了极端。从电击牛羊开始，他渐渐感到不满足，开始将叔父的发现应用于人体，并向公众展示其神奇的效果。1803年，阿尔迪尼在伦敦进行了他最著名的“死而复生”演示：对一名被处决男子的尸体进行持续电击。结果，这名男子因剧烈的肌肉收缩而“动”了起来。

阿尔迪尼的目的在于确定生命力的来源，从而控制这种力量，来实现跨越生死。他的演示促成了“弗兰肯斯坦”这一角色的魅力——虽然在小说中没有闪电唤醒科学怪人的桥段，但在后来电影的改编剧本中，电却扮演了重要角色。

这部小说突破了生死的界限，挑战着当时人类的认知。与其说人们害怕的是尸体能够复活，不如说是害怕我们自己其实只是行尸走肉，受到与无机物质相同力量的支配，不知何故还活着罢了。

其实，在玛丽·雪莱的想象中，人造怪人弗兰肯斯坦的诞生更像是一个化学合成过程，而不是强烈电击的结果。小说主角维克多·弗兰肯斯坦被设定为一名热衷于生命起源的年轻生物学家。他爱好化学，对生命系统的运转抱有强烈好奇。在拼凑尸块创造科学怪人的过程中，他试图去找出化学与生命的关联。

如果年轻的维克多·弗兰肯斯坦活到今天，他可能会发现，化学研究仍然最符合他的抱负。然而，他所创造的怪物也许就不会是一个身高两米半的人形生物，而是一个纳米级的微型生物，外表更为怪异，甚至更危险。

无机物与有机物的结合

1818年《弗兰肯斯坦》出版后不久，弗里德里希·沃勒（Friedrich Wöhler）在合成氰酸铵时，意外发现了一种白色晶体的沉淀物。这种物质的外观与他预期获得的无机盐不同。这就是尿素，天然存在于动物的尿液中。沃勒还发现尿素与氰酸铵具有相同的结构，它们都由相同的原子组成，但排列方式不同。

这种现象在化学中被称为“同分异构体”。这说明，将无机物与有机物区分开来的，不是物质本身，而是其组织结构。也就是说，结构决定了化学物质的性质。

图源：pixabay.com

沃勒的发现是当代化学发展的里程碑之一，逾越了有机化学和无机化学之间“泾渭分明”的鸿沟，第一次在化学实验室中实现了用无机物合成有机物。

沃勒合成法之前，“有机”这个词仅用于表示源自植物或动物的物质。现在，这个词指的是一类特定的碳基化合物，与生物没有任何联系。这也证明了化学物质无论是有机的还是无机的，都是活跃和动态的，能够在不同的规模基础上形成复杂的组织，不断进化，并根据环境自发地改变其结构。

因此，生命不是一种非凡的、孤立的现象，而是始终处于运动、变化中的形态。

生命之初的点化

1862年，路易斯·巴斯德（Louis Pasteur）证明了衰败的物质不可能自发产生活的生物体，巩固了亚里士多德时代以来在科学思想史上一直存在的根深蒂固的信念，并形成了新的理论：生命只能从其他生命中产生，而不可能从非生命物质中产生。

如果鸡生了蛋，蛋又生了鸡，那么，生命最初是到底是如何在地球上出现的呢？

巴斯德的教条虽然驳斥了生命神授的迷信，却也在无机物和生物之间树起了一道新的屏障，注定会被生命起源的新科学理论逐渐侵蚀。生命起源于非生物化学成分的观点被称为“生物自生说”，由俄罗斯生物学家Aleksandr Ivanovič Oparin提出，他在1924年的著作《生命的起源》中首次提出了化学进化理论，即生命起源于不断复杂化的有机分子。

然而，这种理论同样无法解释地球上生命的起源。

跟随奥帕林理论的脚步，1953年，美国化学家斯坦利·米勒（Stanley Miller）在他的导师、诺贝尔奖化学奖得主哈罗德·尤里（Harold Urey）的指导下进行了一项迄今为止最著名的生命起源实验，为化学起源假说提供了理论依据。

他们将甲烷、氨气和氢气密封在一个无菌的硼硅酸盐玻璃大烧瓶里，另一端连接一个盛水的烧瓶。随后，米勒对水进行加热，产生的水蒸汽混入大烧瓶中。同时通过电极不断放电，来模拟闪电，创造出一个微型的地球原始大气环境。反应的产物通过冷凝后进行了收集。