地球/7b. 生命是什么？

地球
7b. 生命是什么？

生命是什么？

Kizzmekia Corbett 在北卡罗来纳州的一个大家庭长大，她对理解微生物学产生了兴趣。她在本科教育期间喜欢在科学实验室工作，在那里她专门研究有机化学以及研究地球上今天存在的一些最简单的生物体，即微生物学领域。这些微小的、几乎看不见的简单有机分子存在于通常定义的生命范围的灰色地带，但对 Corbett 来说，这些微小的复杂有机分子特别重要，因为它们是大量死亡的原因。Corbett 研究病毒，地球上最简单的生命形式，它位于科学家将生命定义为灰色地带。她的研究将使她登上国际舞台，因为她专门研究一组被称为冠状病毒的病毒。当 2020 年春季一种新型冠状病毒在国际上蔓延时，她对冠状病毒化学结构的研究变得至关重要，这是一种致命病毒，影响了数十万人，其中许多人在美国和欧洲；学校停课，经济崩溃，导致自二战以来对文明最严重的威胁。在 2020 年夏天，34 岁的 Corbett 在美国国家过敏和传染病研究所争分夺秒地寻找疫苗。

什么是生命？病毒（例如 2019 年新型冠状病毒 (Covid-19 病毒)）是生物吗？从化学定义来看，病毒是碳原子与一系列氢、氧、氮和磷原子结合形成的复杂排列。碳基分子的这种复杂性构成了有机化学这一学科。

有机化学

碳通常通过其轨道上的 4 个价电子与四个、三个或两个其他原子形成共价键。在无机分子中，这通常是氢形成甲烷 (CH₄) 或氧形成二氧化碳 (CO₂)，或者可能是其他碳原子，如石墨和钻石。虽然另一个常见的碳分子是碳酸根阴离子 (CO₃^-2)，其中三个氧原子与碳结合，有两个额外的电子（使它带负电荷，如 ^-2 离子），允许与钙、镁或其他阳离子形成离子键。烃分子是指碳原子形成短链，周围环绕着氢，常见于燃料中，如乙烷 (C₂H₆)、丙烷 (C₃H₈)、丁烷 (C₄C₁₀)、戊烷 (C₅H₁₂)、己烷 (C₆H₁₄)、庚烷 (C₇H₁₆) 和辛烷 (C₈H₁₈)，它们用于烹饪、供暖和汽车，每个碳原子都增加一个，形成越来越长、越来越长的碳链，周围环绕着氢原子。

聚对苯二甲酸乙二醇酯的球棍模型，这是一种用于制造瓶子的常见塑料。黑色球代表碳，白色代表氢，红色代表氧原子。

一个复杂的（在番石榴属植物中发现的）有机分子，带有六元碳环，分别称为苯。这些图中没有描绘碳原子，但出现在每个连接线的角度。

在复杂的（在番石榴属植物中发现的）有机分子中，碳可以形成非常长的碳原子链，形成所谓的聚合物。聚合物是由许多重复的简单分子集合组成的复杂分子，形成链。与岩石和晶体中发现的晶格结构不同，聚合物是重复的链或长原子串，而不是所有侧面都键合在一起的分子结构块。聚合物的一个例子是聚乙烯塑料，它由重复的碳与碳结合的原子组成，周围环绕着氢原子。大多数塑料由形成聚合物链的重复碳原子结构组成，这使得它们成为一种非常有用的材料，因为它们在加热时可以有弹性和柔韧性，但在冷却时却像捆绑的纤维一样坚固。这些碳链也可以自身折叠起来，并可以与其他元素结合。聚合物也可以由六元碳环组成，分别称为苯环，它们可以键合形成聚合物，形成更复杂的分子，称为苯基。吡啶是指环中六个碳中的一个被另一个元素（如氮）取代的情况。含环的有机分子通常被称为芳香族，因为它们通常具有气味或香气，有些用于人工香料。而另一些（如苯）如果吸入量大，会致癌。

有机化学是研究这些由碳链与各种元素结合形成的复杂有机碳分子的学科。这些复杂的碳有机分子存在于生物体自然产生的有机物中，但这些分子本身并不具有生命，大多数可以在实验室中合成。

水对生命的重要性

这些长碳原子聚合物链在水溶液中的相互作用是一个重要的物理因素。这些链的某些末端可以是亲水的（亲水的），这意味着它们会被水中的极性 H₂O 分子吸引，而这些链的另一些末端则是疏水的（疏水的），会被水中的极性 H₂O 分子排斥。如果聚合物链的一端是亲水的，另一端是疏水的，它被称为两亲性的。两亲性碳分子可以形成胶束。水溶液中的典型胶束是在分子亲水端被吸引并接触周围水，而分子疏水端朝向胶束中心的区域，并远离与水的任何接触时形成的。

这会导致水中形成球形的泡沫。许多肥皂是由长链碳原子组成，其中一端是亲水的，另一端是疏水的。肥皂分子亲水端通常是由钠离子 Na+ 或钾离子 K+ 与分子末端形成离子键造成的。肥皂中最常见的成分之一是 *月桂醇硫酸钠*，它是一长链碳氢原子，亲水端由一个与氧原子相连的硫原子（硫酸盐）组成，其中一个氧原子与一个钠离子（Na⁺）形成离子键。当该分子被引入水中时，钠离子（Na⁺）溶解，留下带负电荷的阴离子端，它会吸引周围水分子（H₂O）带正电荷的一侧。在水中搅拌时，会形成许多胶束，产生泡沫和气泡。

**脂类** 是指任何具有疏水端的长链碳分子，它们不会溶解在极性液体分子中，例如水。许多油脂、脂肪和生物体细胞膜都由脂类组成，因为它们排斥水分子。油和水不相溶的原因之一是油由疏水性的碳分子链组成。肥皂能够很好地清洗油脂的原因是，肥皂的疏水端会溶解到脂类分子中，而亲水端则会溶解到水中，从而在脂类分子周围形成胶束，将它们隔离并分解。

磷脂膜

冠状病毒等病毒具有脂类膜，因此在存在由这些胶束形成分子构成的肥皂的情况下容易破裂。膜会破裂，从而破坏脂类膜。洗手时大量使用肥皂很重要，因为它可以清除这些危险的颗粒。然而，脂类也很重要，因为它们是通常形成保护生物体内细胞内部的细胞膜的分子群。一些细胞膜由两亲分子组成，例如磷脂，它们具有疏水端和亲水端，亲水端由一个磷酸基团分子组成，通常与一个甘油分子连接成两个尾部。这些磷脂将形成两层，疏水尾部朝内，两侧是亲水的磷酸基团分子。由于大多数生命形式都使用磷脂细胞膜，因此除了碳、氧和氢之外，磷也是生命必需的元素。

氨基酸

对生命存在至关重要的一组有机分子是氨基酸。氨基酸包含胺 (-NH₂)，它类似于氨 (NH₃)，但通过少一个氢原子，在碳原子链中形成共价键。氨基酸也含有羧基 (-COOH)，其中碳除了与碳链相连外，还与两个氧原子 -COO- 相连，其中一个氧原子与一个氢原子 -OH 相连。氨基酸的这两个关键部分表明碳、氢、氧、磷和氮都是生命必需的元素，但氨基酸本身并非生命，可以在实验室合成，也可以在自然界中作为独立的分子找到。大约有 500 种可变氨基酸，尽管大多数生命形式包含大约 20 种氨基酸。

当胺端 (-NH₂) 贡献一个氢原子，而羧基端 (-COOH) 贡献一个氧原子和一个氢原子时，氨基酸可以连接在一起，这三个原子一起形成一个水分子 (H₂O)，并将这两个氨基酸连接在一起形成一条链。这种将氨基酸链连接在一起的过程可以形成称为**蛋白质**的超大分子。这个过程称为肽键，是一种聚合反应。**蛋白质** 是包含通过这些肽键连接在一起的氨基酸链的巨大生物大分子。氨基酸通常不会单独连接在一起形成蛋白质，而是需要一种催化剂或酶来帮助连接这些键。这种中间分子被称为 RNA（**核糖核酸**）。RNA 是一组极其复杂的分子，由碳、氢和氧（但也包括氮和磷）的多种类型的原子键组成。RNA 分子的组合有数十亿甚至万亿种，但主要的 RNA 类型可以从其在蛋白质合成中的作用来观察。

核糖核酸 (RNA)

mRNA 分子的简单示意图模型。信使 RNA 包含一个带有连接核碱基的糖磷酸聚合物（核糖）的单螺旋（轴）。

转运 RNA (tRNA) 是一种具有独特三叶草形状折叠结构的分子，一端对应于特定类型的氨基酸，它会与之结合，而另一端称为反密码子，会与信使 RNA (mRNA) 分子相吸，并在第三种称为核糖体 RNA (rRNA) 的分子的存在下与相应的密码子结合。根据信使 RNA 分子的表达，产生的蛋白质通过将氨基酸连接在一起而制成，并且根据信使 RNA 分子的表达而不同。RNA 由核糖（一种糖或碳水化合物）形成。**碳水化合物** 是指具有碳原子 (C) 的分子，除了与其他碳原子相连外，还与水合物相连，水合物是氧原子与氢原子 (-OH) 相连。RNA 也包含四种类型的碱基对，称为**鸟嘌呤** (G)、**胞嘧啶** (C)、**尿嘧啶** (U) 和**腺嘌呤** (A)，密码子决定了氨基酸配对的顺序。RNA 形成了一个极其复杂的原子键链的缠绕，它向内折叠，有时由蛋白质支撑。

RNA 来自哪里？

在现代生物丰富的地球上，mRNA 由所有生物细胞中的 DNA 合成。RNA 散布在地球上每个生物体的所有细胞中。但 RNA 能否从无机化学成分中形成？这是对地球生命起源的中心科学调查之一，目前正在积极研究中。科学家们关注一种称为**核酶** 的 RNA。核酶是一种能够剪接或分解其他 RNA 分子的 RNA 分子。它们还可以催化自身的合成，利用这些片段分子。核酶 RNA 可以分解 RNA 并将这些片段结合到类似于自身的副本中。信使 RNA 也可以通过制作核酸长链密码子的镜像来复制自身，具有反向正负副本。由于这种类型的复制可以在没有 DNA 的情况下进行，研究人员提出地球上最早的生命是由自我复制的 RNA 分子组成的，设想在地球早期历史中存在一个 RNA 世界。但是，这些自我复制的 RNA 分子是生命吗？

自我复制的 RNA 分子是生命吗？

许多病毒，如在 2020 年和 2021 年导致许多人死亡的 Covid-2019 病毒，是一种自我复制的 RNA 分子，它被包裹在脂类膜中并与刺突蛋白结合。刺突蛋白从脂类膜中突出，在扫描电子显微镜下观察时，病毒呈现出冠状，因此得名冠状，意思是冠状。刺突蛋白的化学性质独特，能够进入各种哺乳动物呼吸道的某些细胞。一旦进入细胞，脂类会分解，受保护的 RNA 分子会释放到细胞中。该分子会切断宿主细胞的 RNA 和 DNA 分子，使其死亡，并利用这些片段分子复制病毒 RNA 和刺突蛋白的副本。一旦合成病毒 RNA 的复制副本，它就会从死亡的细胞中排出，利用死亡的细胞脂类形成膜，周围环绕着一系列由 RNA 分子产生的刺突蛋白（和其他蛋白质）。每个受感染的细胞都可以产生数百万个病毒副本，这些副本可以淹没呼吸系统，导致感染的人死亡，或者让他们病得很重，直到他们的身体能够抵抗病毒感染。

RNA 病毒表现出两种关键的生命特征。首先，病毒可以繁殖（复制自身）。其次，病毒可以通过编码在 RNA 中的性状遗传而进化。每次病毒通过复制 RNA 来繁殖时，都会引入复制的 RNA 分子发生新变化的可能性。这个过程允许 RNA 在其化学结构中引入和维持变异性，这与无机分子（如水 (H₂O)）中发生的情况截然不同。尽管水的同位素组成不同（例如在化学反应中），但每个水分子将完全相同。另一方面，RNA 分子由于其体积庞大且结构复杂，每个分子在化学上都可能非常独特。这是由于引入 RNA 分子的微小变化造成的。RNA 分子就像一堆大型的扑克牌，排列每张牌在牌堆中的位置有几乎无限种不同的方式。COVID-19 病毒的起源似乎发生在蝙蝠身上，在那里，一个复制的 RNA 株具有一个新的独特特征，即具有编码可使病毒感染人类呼吸道上皮细胞的刺突蛋白的密码子。一旦病毒能够感染新的宿主，这些 RNA 分子就会被复制，并且可以迅速地从细胞到细胞，以及从人到人地传播。如果 RNA 株产生了阻止其进入活细胞的新特征，它将不会复制，也不会传播。这确保了成功复制的 RNA 是在环境中持续存在的分子类型。在 COVID-19 不幸的情况下，这种新型病毒在能够高度感染人类肺部的细胞方面取得了成功，但也产生了无症状病例，使它们能够在人类个体之间密切接触的空间内传播。

生命有随着时间变化的能力

这种变化或进化的能力是生命的一个关键方面，然而许多科学家将病毒视为一种化学颗粒而不是真正的生物体。这是因为病毒缺乏生命的许多其他特征。例如，生物体生长。病毒只复制它们的分子构成，它们在产生或形成后不会生长或变化。换句话说，没有幼年病毒或成年病毒。此外，病毒不会通过从化学反应中获得能量来进行新陈代谢，它们只形成于最初的化学反应，并且需要仅存在于活细胞中的有机物质的破碎种类。一旦形成，它们不会保持内部条件稳定的稳态，相反，病毒很容易被热量、氧化或破坏其脂质膜的肥皂破坏。它们无法对这些事件做出反应（例如游走），也无法对不断变化的环境条件做出反应。最重要的是，病毒没有细胞结构，大多数病毒只是由包裹在脂质和蛋白质外壳中的 RNA 分子组成。然而，生物学家建议这些复杂的复制分子可能是生命的先驱；想象一个早期的RNA 世界。

生命的起源，也伴随着死亡的起源

生命在最基本的层面上只是自组织系统。这就是复制过程有利于结果，而结果反过来又有利于该复制在循环中继续进行。想象一叠红黑卡片，如果发出一张红牌，则丢弃该卡片，如果发出一张黑牌，则保留该卡片，并且可以发出一张第二张卡片，如果该卡片是红牌，则必须丢弃两张卡片，但是如果前两张卡片是黑牌，则保留牌堆，即使下一张卡片是红牌。每叠成功牌被随机返回牌堆。这个过程随着时间的推移会慢慢减少牌堆中红牌的数量，并增加黑牌的数量。这是一个自组织系统的例子。为了使这起作用，必须持续循环利用材料，并且分子本身的持续时间很短。如果 RNA 不易分解，而是像硅酸盐矿物的晶体结构一样存在数百万年，那么这些分子将从一种状态变为另一种状态，然后像晶体一样在很长一段时间内保持在那里。

生命在其最简单层面的基本原则之一是，这些复杂的分子必须易于分解，以便可以循环利用并重新用于新的分子。换句话说，为了生命的生存，它必须与死亡并存。这意味着这些复杂分子的形成需要向系统输入能量，不可避免的结论是，这些复杂分子将在很短的时间内在其创造的环境中分解。每个生物体在其生命中的某个时刻都必须死亡，这种从分子产生（出生）到其毁灭（死亡）之间的短持续时间很短。这将确保复杂分子会自组织，但也需要持续输入能量。

病毒真的是生命吗？

并非所有人都认同病毒是活的，而且另一种病毒起源理论表明病毒起源于细菌。细菌与病毒不同，具有生命的全部特征。它们表现出生长和发育，繁殖（无性或有性），它们将遗传信息传递给性状遗传，细胞内的遗传信息是可变的，并且能够通过每一代的进化和改变，它们表现出内部条件稳定的稳态，并且可以通过从化学反应中获得能量来代谢食物，包括在一些细菌中，通过光子获得能量的一种非常巧妙的方式（光合作用），它们具有细胞体，并且对外部环境做出反应。此外，它们在出生和死亡之间具有非常短暂的生命周期，能够快速繁殖，但也很快死亡。也许最重要的是，它们不像病毒那样依赖宿主进行繁殖。

如果 RNA 株在地球上生命出现之前就存在，它们就需要能够从无机分子（如氨基酸）中复制。这是一个活跃的研究领域，有一些关于这种现象在地球早期历史中如何发生的理论。一个想法是氨基酸通过连接酶核酶 RNA 株结合在一起，这些株通过磷酸酯键将链连接在一起。这种方法已被用于实验室中合成 RNA 链，其中 RNA 分子的末端通过夹板保持彼此靠近，直到它们连接在一起。另一个想法是 RNA 形成一个模板，在 RNA 聚合酶核酶存在的情况下，这些亚基会被吸引到 RNA 模板上，以形成该分子的副本，这是一种原始但与信使 RNA 在活细胞中制造蛋白质的方式类似的方式，但制造的是 RNA 自身的副本。

生命的基本特征

表现出生长和发育
繁殖
几代之间的性状遗传
可变的和独特的个体特征
随着时间的推移而进化和改变
表现出稳态
代谢食物或能量
表现出细胞体
对外部环境做出反应
随着时间的推移而死亡或消亡

类病毒

RNA 到 RNA 的复制已在自然界和实验室中观察到。在自然界中，RNA 到 RNA 的复制已在影响植物的传染性病原体类型中发现，称为类病毒。类病毒是短链的环状单链 RNA 分子，缺乏蛋白质外壳。类病毒中的 RNA 不编码蛋白质，而是能够利用宿主细胞中发现的 RNA 聚合酶来复制 RNA，以合成新的 RNA。这是通过在植物细胞内使用原始类病毒的 RNA 作为模板来完成的。一些类病毒是核酶 RNA，它也可以在宿主细胞中使用裂解或分割较大的分子，并使用连接将这些片段连接在一起，以帮助复制新的 RNA 链。在实验室环境中，Tracey Lincoln 和 Gerald Joyce 的工作证明了核酶 RNA 可以在实验室中通过 RNA 模板连接自我复制，只要它们有用于合成该 RNA 的活跃的亚基供应。

疫苗

在 2020 年春天，Kizzmekia Corbett 看着美国国家过敏和传染病研究所所长每天发布简报，介绍这种新型病毒在美国蔓延导致的不断上升的死亡人数。到那年的 5 月，将近 60,000 名美国公民死于这种新型冠状病毒，到 6 月，这个数字翻了一番，达到 120,000 人，到 9 月上升到 200,000 人死亡，两年后，近 100 万美国人死于这种病毒，死亡率高于世界上许多其他国家。纽约市的街道上停满了装满尸体的冷藏卡车，等待着亲人认领。在美国历史上，从未有过其他时刻，其公民如此依赖对生命科学的清晰理解。病毒的传播是对科学对一个国家健康的重要性的一种令人清醒的提醒。所有这些死亡都是由一个极小的自我复制的 RNA 粒子造成的，科学家们争论它是否是一种生命形式。

为了找到疫苗和治疗方法，一场竞赛开始了。Kizzmekia Corbett 和她的科学家同事在 2020 年春季发表了一篇论文，详细介绍了病毒刺突蛋白的原子结构，以及它如何利用细胞膜中的一种名为血管紧张素转换酶 2（ACE2）的蛋白质进入呼吸系统的细胞。刺突蛋白将允许病毒 RNA 通过这个细胞门户进入，就像一把钥匙插入锁中一样。在开发疫苗或治疗方法时，科学家提出的一个想法是合成刺突蛋白并将其注射到人体内。刺突蛋白会打开细胞膜，但没有病毒的 RNA 部分，细胞不会被感染并产生新的病毒 RNA 复制。这将使细胞能够通过构建 *抗体* 来响应，以防止这些刺突蛋白在膜上打开更多孔洞。如果该人在之后接触到病毒，抗体会帮助阻止病毒感染细胞，并通过建立对病毒的抵抗力来阻止其复制。这正是疫苗通常的工作原理。这种接种有效，前提是蛋白质刺突不会随着新一代病毒而改变或进化，而且通常需要更新或进行蛋白质加强剂注射。另一个更激进的想法是注射编码刺突蛋白的信使 RNA。这将允许 RNA 复制刺突蛋白，并导致更长时间的病毒免疫力，因为它将使用 RNA 在体内合成。这项新技术催生了 Moderna 和辉瑞的 RNA 疫苗，它们在对抗这种疾病方面取得了更大的成功。

我们如何定义生命

生命的关键特征之一是复杂分子的快速循环，包括构建和分解，这导致了自我复制的循环，该循环会朝着成功的复制模式进行自组织。简单地说，生命是一组复杂的分子，它们通过一个促进自我复制的系统不断地形成和破坏，并与试错相结合。我们可以把生命想象成任何在短时间内出生、繁殖（繁殖）和死亡的东西。你和最简单的病毒拥有相同的循环：出生、繁殖和死亡。水晶之所以不是生物，是因为它可能是通过化学反应产生的，但它不会自我复制，而且只有在数百万年内由于化学、温度和压力变化而改变其结构。岩石循环极其缓慢。另一方面，生命是短暂的，在生与死之间以及重生之间不断地波动，每小时、每天、每年都如此。生命从其脆弱性中获得其本质。

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