人類來自何方?又將去往何處?在上古神話中,女媧創造了人類的始祖。那時,人類篤信,生命源於神的旨意。然而隨著科學的誕生和發展,人們開始思考生命的真正起源。
碳基為骨架,氫、氧、鐵、磷、鈣、鈉、鉀等元素塑造大腦、肌肉、神經、血液……在人類的科學探索中,生命的輪廓日益清晰。
縱觀人類科學發展史,歷代科學家們一直在試圖探索「化學是如何塑造生命的」。這個看似現代的幻想,早在化學學科誕生之前,便已經映照在古代鍊金術士的熔爐裡。
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1537年,醫生兼鍊金術士Paracelsus在其出版的《自然》(De Rerum Natura)一書中,就曾記述了人造生命的最初嘗試:將人類的精液、糞便和血液等生物成分,經過長時間的發酵來製備有機胚胎,創造一種他稱之為「小矮人」(homunclus)的迷你合成生物。鍊金術師認為人的肉體和金屬材料相通,可以象鍊金一樣煉出生命。
這樣以魔法為出發點的探索在如今看來的確荒謬,是對生命運轉規律的根本誤解。但這種古代科學故事往往包含比看起來更深刻的意義。鍊金術知識的基礎是化學。嘗試在混亂無序的無機物質與和諧的生命體之間搭建橋樑,這是鍊金術士在無意中促成了化學合成與轉變。
01
破解生與死的密碼
自古以來,化學從未完全擺脫突破生死的野心。在鍊金術士的眼中,那是聯通無機與有機、生與死之間的密碼。
1818年,當瑪麗·雪萊(Mary Shelley)首次匿名發表了世界上首部科幻小說——《弗蘭肯斯坦》時,當代科學正處於一個非常微妙的時刻。生物與無機物之間的隔膜越來越薄,生命和死亡無限接近。對生物有機體的研究與其他科學領域的聯繫越來越緊密。
1790年,路易吉·伽伐尼(Luigi Galvani)偶然發現,一隻被解剖的青蛙腿部神經因為帶靜電的金屬手術刀的碰觸而導致肌肉劇烈痙攣。伽伐尼意識到,這種反應與生物有機體固有的某種力量有關。這種力量從大腦傳遞到生物體的其他部分以產生運動。他稱之為「動物電」。
伽伐尼的「青蛙腿」實驗
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伽伐尼觀察到的「動物電」是由於細胞內外存在電位差——即膜電位,是離子選擇性通過細胞膜的結果。當時,還沒有電的概念,伽伐尼可能不知道他所觀察到的現象的本質,但他明白,身體對電流的反應一定與身體內部的某種物質有關。
伽伐尼的實驗還澄清了另一點:生命的複雜行為不僅僅是能量的問題。生命體的動作反應需要更具體的東西:讓組織可以「理解」的訊息——這與物理學原理不同,它們不僅僅通過碰撞來傳遞能量,生命體還需要將外部刺激轉化為複雜的反應。
伽伐尼的侄子喬瓦尼·阿爾迪尼(Giovanni Aldini)將動物電的研究推向了極端。從電擊牛羊開始,他漸漸感到不滿足,開始將叔父的發現應用於人體,並向公眾展示其神奇的效果。1803年,阿爾迪尼在倫敦進行了他最著名的「死而復生」演示:對一名被處決男子的屍體進行持續電擊。結果,這名男子因劇烈的肌肉收縮而「動」了起來。
阿爾迪尼的目的在於確定生命力的來源,從而控制這種力量,來實現跨越生死。他的演示促成了「弗蘭肯斯坦」這一角色的魅力——雖然在小說中沒有閃電喚醒科學怪人的橋段,但在後來電影的改編劇本中,電卻扮演了重要角色。
這部小說突破了生死的界限,挑戰著當時人類的認知。與其說人們害怕的是屍體能夠復活,不如說是害怕我們自己其實只是行屍走肉,受到與無機物質相同力量的支配,不知何故還活著罷了。
其實,在瑪麗·雪萊的想象中,人造怪人弗蘭肯斯坦的誕生更像是一個化學合成過程,而不是強烈電擊的結果。小說主角維克多·弗蘭肯斯坦被設定為一名熱衷於生命起源的年輕生物學家。他愛好化學,對生命系統的運轉抱有強烈好奇。在拼湊屍塊創造科學怪人的過程中,他試圖去找出化學與生命的關聯。
如果年輕的維克多·弗蘭肯斯坦活到今天,他可能會發現,化學研究仍然最符合他的抱負。然而,他所創造的怪物也許就不會是一個身高兩米半的人形生物,而是一個奈米級的微型生物,外表更為怪異,甚至更危險。
02
無機物與有機物的結合
1818年《弗蘭肯斯坦》出版後不久,弗里德里希·沃勒(Friedrich Wöhler)在合成氰酸銨時,意外發現了一種白色晶體的沉澱物。這種物質的外觀與他預期獲得的無機鹽不同。這就是尿素,天然存在於動物的尿液中。沃勒還發現尿素與氰酸銨具有相同的結構,它們都由相同的原子組成,但排列方式不同。
這種現象在化學中被稱為「同分異構體」。這說明,將無機物與有機物區分開來的,不是物質本身,而是其組織結構。也就是說,結構決定了化學物質的性質。
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沃勒的發現是當代化學發展的里程碑之一,逾越了有機化學和無機化學之間「涇渭分明」的鴻溝,第一次在化學實驗室中實現了用無機物合成有機物。
沃勒合成法之前,「有機」這個詞僅用於表示源自植物或動物的物質。現在,這個詞指的是一類特定的碳基化合物,與生物沒有任何聯繫。這也證明了化學物質無論是有機的還是無機的,都是活躍和動態的,能夠在不同的規模基礎上形成複雜的組織,不斷進化,並根據環境自發地改變其結構。
因此,生命不是一種非凡的、孤立的現象,而是始終處於運動、變化中的形態。
03
生命之初的點化
1862年,路易斯·巴斯德(Louis Pasteur)證明了衰敗的物質不可能自發產生活的生物體,鞏固了亞里士多德時代以來在科學思想史上一直存在的根深蒂固的信念,並形成了新的理論:生命只能從其他生命中產生,而不可能從非生命物質中產生。
如果雞生了蛋,蛋又生了雞,那麼,生命最初是到底是如何在地球上出現的呢?
巴斯德的教條雖然駁斥了生命神授的迷信,卻也在無機物和生物之間樹起了一道新的屏障,註定會被生命起源的新科學理論逐漸侵蝕。生命起源於非生物化學成分的觀點被稱為「生物自生說」,由俄羅斯生物學家Aleksandr Ivanovič Oparin提出,他在1924年的著作《生命的起源》中首次提出了化學進化理論,即生命起源於不斷複雜化的有機分子。
然而,這種理論同樣無法解釋地球上生命的起源。
跟隨奧帕林理論的腳步,1953年,美國化學家史丹利·米勒(Stanley Miller)在他的導師、諾貝爾獎化學獎得主哈羅德·尤里 (Harold Urey)的指導下進行了一項迄今為止最著名的生命起源實驗,為化學起源假說提供了理論依據。
他們將甲烷、氨氣和氫氣密封在一個無菌的硼矽酸鹽玻璃大燒瓶裡,另一端連接一個盛水的燒瓶。隨後,米勒對水進行加熱,產生的水蒸汽混入大燒瓶中。同時通過電極不斷放電,來模擬閃電,創造出一個微型的地球原始大氣環境。反應的產物通過冷凝後進行了收集。
Miller-Urey實驗
圖源:Science, 1953, 117, 528
很快,反應後的溶液逐漸變成了深紅色。結果顯示,實驗中產生了大量包括氨基酸在內的有機物。構成蛋白質的標準氨基酸共20種,而米勒-尤里實驗創造出了其中5種。由此,米勒學派認為,地球生命起源於原始海洋。無機物先轉變為有機小分子,有機小分子逐漸發展為大分子,最後演變成為原始生命。
至此,化學,終於點化了生命之花,揭開了人類探尋生命奧秘的新時代。
參考文獻:
https://thereader.mitpress.mit.edu/artificial-lives-on-the-occult-origins-of-chemistry/