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文 |
Michel Cassé
天体物理学家，原子能委员会研究主任
；Marie-Christine Maurel
巴黎第六大学教授，分子古生物学专家
译 |
成家桢
复旦大学-巴黎高等师范学校联合培养哲学博士，主要研究领域为生物学哲学，人类学-社会学，现当代法国哲学
Xénobiologie: Vers d'autres vies
Paris：Odile Jacob, 2018
1913年，生物化学家瓦尔特·勒布（Walther Löb）描述了二氧化碳、氨和水蒸气的混合物在放电作用下合成甘氨酸的过程。勒布并不关心生命的起源，而是试图了解植物对大气中氮的吸收。他的这篇文章几乎无人问津，直到今天仍鲜为人知。
1953年，在美国化学家哈罗德·乌雷（Harold Urey）的芝加哥大学实验室里，斯坦利·米勒（Stanley Miller）想象并重建了原始地球动荡环境中的大气化学条件。
正如勒布所做的那样，他将甲烷、氨、氢和水蒸气的气态混合物置于模拟闪电的6万伏特放电作用下。烧瓶下部冒泡的水代表原始海洋。几天后，烧瓶中形成了小型有机化合物，包括氨基酸。它们是在氰化氢（HCN）和甲醛（HCHO）形成后，在电的作用下产生的。
前生物的化学分析了有机分子从简单分子（水、二氧化碳、甲烷、一氧化碳、氮、硫化氢）中自发形成的过程，这些分子本身由星际环境中存在的原子和集合体组成。
在实验室中，氮和甲烷很容易生成氰化氢。
继米勒的研究工作之后，人们对氰化氢化学的兴趣与日俱增。1960年，胡安·奥罗（Juan Oró）证明，在紫外线辐射下，氰化氢会生成腺嘌呤，而腺嘌呤是我们核酸的碱基之一。詹姆斯·费里斯（James Ferris）和莱斯利·奥格尔（Leslie Orgel）破译了这种光化学合成的机制。随后，无数的研究模拟了一个富含能量和简单分子的前生命世界。
氰化氢的化学性质仍然蕴含着许多可能性。在氨和氰的作用下，会形成一种化学活化剂氨基氰（HN=C=NH）。
当甲醛在白垩或石灰的存在下搅拌时，会产生一种复杂的糖混合物。这种合成由俄国化学家亚历山大·巴特洛夫（Alexander Butlerow）于1861年完成，通过一系列自催化加速反应进行。100年后，即1959年，罗纳德·布雷斯罗（Ronald Breslow）对其进行了描述。核糖是核酸的纽带，有多种形式，其中最有趣的形式则很不稳定。因此，我们不得不想其他办法。陨石尘、硼酸盐和硅酸盐等矿物质都被请来帮忙。
细胞膜将生物分子所在的内部环境与营养物质所在的外部环境分隔开来。我们的细胞膜是由液态、不透水的双分子层中的脂质组成的，蛋白质在其中漂浮和固定。细胞膜脂质由亲水小分子组成，具有疏水尾部和大的极性头部。在实验室条件下，它们在水中聚集在称为脂质体的囊泡中，这些囊泡中聚集着许多有机分子。这就是我们细胞的模拟物。
彗星、陨石、冰和冰雹是否也能通过保留水分来促进分子的聚集，即生命的前身？在凝结在陨石的气体中似乎也发生了同样的化学反应，这些美丽的石头为我们提供了大量具有生物价值的化合物。
化学史上的英雄们是水、甲酰胺、糖（以核糖为首）、异氰酸甲酯、氨基酸（以甘氨酸为首），它们以字母和数字的形式出现在生物化学家的登记簿上。
在不知不觉中，我们在一滴雨水中喝下了宇宙，因为雨水中的H2O分子结合了氢（即宇宙大爆炸产生的灰烬）和超新星呼出的氧。水为生命提供了最佳的存在，它丰富、蒸腾、流动或冻结。水也是最好的溶剂，因为它能够形成氢键，溶解和运输分子，并使亲水/疏水分子得到定位。
在银河系和其他星系中，水分子如鱼得水。射电天文学家发现在许多环境中，从寒冷的分子云到炙热的恒星大气，甚至在吞噬星系中心的黑洞附近，都有大量蒸汽状态的水分子。
水将溶解盐类的艺术发挥到了极致。这种溶剂具有无与伦比的通用性和质量，能在各种温度和压力下保持其流动性。
但这还不是全部。液态水的热容量大，这意味着它可以承受巨大的热冲击。此外，它的冰漂浮在液态海洋上，给地球带来了良好的反照率（入射光的反射率）。它应该被贴上这样的标签：好喝，对生命有益。
在从宇宙大爆炸产生的无名粒子群到草地、小鸟、猫和丰富的情感——简而言之，到生命——的链条中，甲酰胺是一个很难理解的关键环节。
甲酰胺是天然酰胺中最简单的一种。这种分子包含生命的基本要素：C、H、O和N。酰胺是一种有机化合物，由羧酸衍生而来，其C=O羧基上结合了一个氮原子，而不是氧原子。酰胺是生物化学中的一个重要基团，因为它们负责构成蛋白质的不同氨基酸之间的肽键。
星际环境中最丰富的三原子有机化合物是氰化氢（HCN）。当它与天空中的水结合时，就会产生甲酰胺，这是生命氮基的前体。由此可见它的重要性，以及它在遗传前和代谢前的潜力。构建核酸所需的大部分化合物都来自它，而且很容易获得。
通过我们的射电天文望远镜在天空中看到它是令人感动的事情。
因为它们太多了，我们无法在此列举所有的前生物情况。干涸的泻湖、小热池、热液泉、尘冰、陨石撞击、原始汤......
物理学的历史是一部逐步去中心化的历史，也是一部反对地心说和人类中心论的斗争史。哥白尼革命接踵而至，但并非每个人都能理解：地球不是太阳系的中心，太阳不是银河系的中心，银河系也不是宇宙的中心......但所有这些都有一个共同的起源：宇宙大爆炸。
在这里，我们将反其道而行之，在我们认为合适的时候重新聚焦。我们会把甲酰胺的单碳钉在那里，并宣布它是生物群落的中心，我们将把它作为我们的起点，我们生命的源泉。
从简化和还原的前生物学角度出发，就像物理学一样，我们将带着剃刀般的简洁性进行剔除。
从甲酰胺开始，生物化学家在通往生命的崎岖道路上，通过氮基的合成、RNA长链的形成，在地球上和太空中可变和可获得的支持物上进行各种反应。
我们荣幸地向普通人郑重宣布，我们的宇宙生物学家兄弟姐妹们都知道：核酸的所有含氮碱基都可以通过甲酰胺化学反应获得。
甲酰胺提供了一种稳健的基础，起源之书的两个章节——新陈代谢和遗传——就是从此产生的。例如，我们发现RNA聚合可以在我们这无所不在的有机物英雄的存在下进行。
甲酰胺在宇宙中无处不在，这已成为一个传奇。人们在星际云中，在各种质量恒星的形成地点（包括稀薄的和浓稠的），在彗星表面和陨石中都发现了甲酰胺。
土卫六和木卫二的观测结果表明，在太空条件下存在液态甲醛海洋（无论是否与水混合），这是甲酰胺的前体。
据报道，甲酰胺和其他有机化合物是在质子轰击下从冰水、甲烷和氮的混合物中形成的，甲酰胺也是在紫外线辐射下从氰化氢、混合水和氨的冰中形成，或者通过热解混合一氧化碳、氨气、水的混合物形成的。
同样，甲酰胺也可以在陆地条件下和多种支持物上合成。特别是由至少两种不同元素的原子组成的环状化合物（杂环[hétérocycle]），如咪唑（imidazole），曾被用作催化剂，以在不同的实验条件下合成甲酰胺。如您所见，甲酰胺的合成并不需要很长时间，但这些丰富的可能性不应该让我们偏离正轨。
甲酰胺只是序曲，是有机物歌剧的序曲。由乙醛、乙二醇、甘油、异氰酸甲酯和核糖组成的花环则拉开了帷幕。
在向米勒和乌雷的经典实验致以应有的敬意之后，我们跳过几十年来看看最近（2017年9月）的几篇文章，以说明我们对分子起源的认识有了飞跃性的进步。让我们通过甘油（一种化学式为HOH2C–CHOH–CH2OH的脂肪物质）和其他基本糖类，从米勒和乌雷的实验愉快地滑向冰上和紫外线下的现代版实验。
DNA/RNA核酸合成仪
星星就像老鼠、猫和兔子一样，诞生于世系之中。如果说恒星是原子之母，那么云状物就是恒星之父。天文观测发现，在孕育恒星的云状物中，复杂的有机分子比比皆是，根据分娩阶段的不同，它们的种类也不同。
尘埃为这些分子提供了一个安全的避风港，使它们免受有害辐射的伤害，在低密度和一般温度的条件下，它们可以通过缓慢的化学反应悄然形成。在云状物中，化学反应有的是时间。幸运的是，尘粒提供了催化帮助，它们的表面就像分子的溜冰场，当它们接触时就会粘在一起。
让我们感谢尘埃（我们的祖先），它有助于恒星的诞生，并为诞生于恒星的化学提供了帮助。这是一个良性循环。在云状物中，我们可以通过射电望远镜一步一步地观察到整个化学过程。我们可以列出一份分子种类清单，并把它们写满杂志的每一页。
致密、寒冷的球状物——未来的恒星——屏蔽了有害辐射，是有机化学实验室。在恒星诞生前的条件下识别有机分子化合物尤为重要，因为这为分子演化奠定了基础，并确定了恒星和行星演化的化学成分。
最近的实验室研究表明，像乙醛和乙二醇这样复杂的分子是通过一氧化碳的氢化作用，在冰壳颗粒上有效形成的。甘油的形成也是类似的机制，甘油是形成细胞膜和细胞器所需的三碳醇。
气相中的反应往往不足以解释许多复杂有机分子。人们普遍认为，这些颗粒为原子提供了避难所，有利于它们的混杂性及其连接，从而为星际化学提供了帮助。因此，通过这些细小颗粒的中介作用，原子相继加入，形成了越来越大、越来越复杂的分子。这一观点得到了大量实验室实验的支持。
生命之路是多重的，但并非不可逾越。有一点可以肯定：它们是尘土飞扬的。
在此之前，没有氮。米勒和乌雷实验的现代版本表明，甲酰胺是新陈代谢和基因大分子形成的起点，尤其是因为人们在太阳型恒星形成区观察到了这种关键分子。
当你沉睡时，摇醒你是件好事，而这正是云状物中正在发生的事情。我们观察到，甲酰胺的形成有利于被冲击波席卷的太阳型恒星周围空间。
这种幸运的分子是在气相中形成的，还是通过微粒形成的？在这种情况下，观测结果和理论模型都倾向于第一种形成模式。让我们把前生命分子像念珠一样串起来。
CH3NCO：这种分子称为异氰酸甲酯。氰酸盐是氰化氢的一种盐。异氰酸甲酯（CH3-N=C=O）是氰酸甲酯（CH3-O-C≡N）的异构体。
这种分子具有特殊的意义，因为它在结构上与肽键（碳-氮）“相似”，肽键将氨基酸连接起来形成蛋白质，从而形成化学和生物学之间的联系。
因此，异氰酸甲酯属于星际分子中的“少数快乐分子”，它们被认为是通过肽键连接的长有机分子的前体。异氰酸酯只在两个大质量恒星形成区域（人马座B2和猎户座KL）被探测到过，人们一直怀疑它是否真的是通过微粒形成的。
由于射电望远镜阵列系统ALMA（阿塔卡马大型毫米波阵列）的帮助，这种分子在一颗太阳型（双星）恒星附近被探测到，而实验室实验证实了其形成的微粒途径。
氨基酸对生命至关重要，因为它们构成了蛋白质，而蛋白质是存在于所有生物细胞中的分子，在细胞中发挥着多种功能。当有机化合物在有水存在的情况下受到光或其他能源的照射时，就会形成氨基酸。这个过程在地球上和太空中都可能发生。
最简单的氨基酸是C2H5NO2，它有一个优雅的花名——甘氨酸。
欧洲探测器“罗塞塔”号（Rosetta）在访问“丘里”彗星（Tchouri）时，在其彗发中吸入了甘氨酸和磷，这进一步证实了地球上生命的形成可能得益于异源分子的贡献。
美国探测器“星尘”（Stardust）于2004 年在“怀尔德2号”彗星（Wild 2）尾部收集的尘埃样本中发现甘氨酸的消息已经公布，但这一结果仍在争论之中。欧洲探测器“罗塞塔”及其着陆器“菲莱”（Philae）提供了彗星中存在甘氨酸的实际证据。
这并不出乎意料，因为理论模拟显示，在紫外线辐射的作用下，甘氨酸可以从彗星冰类似物中合成，而不需要液态水，其他氨基酸则不然。
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