生命组成的基本材料：聚合物的形成与进化

活细胞均由几个关键聚合物组成，聚合物指由更简单的物质，如氨基酸和糖构成的长而复杂的分子。这些聚合物包括核酸，如储存和传递细胞遗传信息的DNA和RNA，以及充当特定化学反应催化剂的蛋白质。这些化学物质都被细胞膜包裹着，细胞膜的成分是脂质，即脂肪分子，具有部分渗透性，允许营养物质和排泄物按部就班地进出细胞膜。地球上所有生命所使用的聚合物都离不开这几种元素：碳、氢、氧、氮、硫和磷。

20世纪50年代，芝加哥大学化学家、生物学家斯坦利·米勒（Stanley Miller），以及美国宇宙化学家、物理学家哈罗德·尤里进行了一系列模拟地球早期环境的实验，目的是在实验室中合成构成生命的基本物质。他们搭建了一套密封的玻璃装置，往里面通入氢气、氨气和甲烷，模拟地球早期没有氢气的大气；注入温水，模拟大气中的雨滴；将电极插入装置里产生火花，模拟闪电。放置一个星期后，米勒和尤里发现，原来的气体已经变成了一种奇异的液态有机混合“汤”，其中含有几种氨基酸，氨基酸是蛋白质的基本组成单位。此后，科学家又在实验中加入氰化氢，还生成了核碱基，核碱基是DNA的一种关键成分。

今天的科学家认为，地球早期大气中含有的气体类型与米勒和尤里实验所用到的并不相同。今天我们已经知道，氨遇到太阳的紫外线很容易被打散变成氢气（氢气由于较轻，会逃逸到太空中）和氮气，氮气则留在了大气中。此外，地球早期存在的二氧化碳很可能比甲烷常见得多。用氮气和二氧化碳构成有机分子比氨和甲烷要难，但实验证明，在黄铁矿、碳酸盐和黏土等矿物存在的条件下，同样可以产生氨基酸和其他有用的生物化合物。地球的早期岩石里应该都含有大量这些矿物。其中，以黏土尤为重要，因为它们为简单有机物合成类似RNA的聚合物提供了环境。

合成这些生物体所需的复杂有机分子需要能量。早期地球有许多能量来源，但有些来源更好。紫外线既可以合成有机化合物，又能轻易将它们分解。对比起来，闪电则更加有用，因为它们发生时离地面比较近，紫外线还没来得及将闪电形成的分子再次打散，它们就已经到达了河流和海洋。雷击还可以产生氰化氢，氰化氢是多种有机分子的基本组成单位。

水下火山口也可能是生命出现前合成有机分子的主要场地。火山口附近的高温使物质可以快速发生反应。新合成的分子很快从火山口进入附近的海水中，海水的低温使这些脆弱的物质得以保存。在陆地上的小池塘中或者湖的边缘，水蒸发导致有用化学物质的浓度增加，从而有可能生成复杂的有机分子。有些陨石中含有大量有机化合物，包括氨基酸。由于过去的陨石坠落事件比今天要频繁得多，所以陨石也有可能是地球早期有机化学物质的一大来源。(www.xing528.com)

脂质分子在稳定条件下会自发结合成球膜，球膜对其内部的化学反应起到了保护作用，而且有可能是地球上最早细胞的前身。膜的渗透性使小分子能够从外部渗透到里面，随后合并成更大的聚合物，然后被困在里面。一旦膜里积累了足够多的化学物质，膜就会由于压力太大而破裂，它内部的新聚合物便会进入新的环境中。通过这种方法，不同膜里的聚合物可以混合到一起并被新的膜包裹。

在遥远的过去，有机聚合物的种类一定非常繁多，但它们形成后又分裂，大多数的数量并不多。化学分子会偶尔合成一种聚合物，它们可以作为催化剂，将较小的分子合成和它们一样的聚合物。随着时间的推移，这些特殊的聚合物便以牺牲其他物质为代价进行繁殖。这是一种自然选择，今天的生物也是以这种方式繁衍的。

RNA是生命体内储存和传递遗传信息的分子之一，它同样可以充当催化剂。最早的一些生命体可能仅依赖RNA生存，这种环境也被称为“RNA世界”。而蛋白质很有可能是后来才出现的，它先由当时大量存在的几种氨基酸组成，后来再加入了其他少见的氨基酸。最后，生命体合成了DNA，它能比RNA更稳定和安全地储存遗传信息。生命树的三个主干都使用了DNA，这说明早期的生命已经有DNA了。而RNA可能由于太复杂而无法自发合成，因此在RNA世界之前，很可能还存在一代更早的催化性高分子，但科学家还没有验明正身。

这一系列事件看起来可以很好地解释地球生命的进化。但别忘了，这个猜想只是基于今天存在的生物体和实验室中的实验，以及大量合理的猜测。我们并没有在化石记录里找到有关生命起源的直接证据，而且很有可能这样的证据已经不存在了。因此直到现在，生命的起源在一定程度上仍然是一个谜。