地球/7c. 生命是如何起源的？
斯坦利·米勒于 1951 年进入芝加哥大学，此前几年经历了一场家庭悲剧。米勒在加利福尼亚州奥克兰长大，他和他的兄弟都爱上了化学科学。1947 年，在大学学习化学期间，一直支持他学习的父亲突然去世，这让他不得不思考未来的教育，因为没有了父亲的经济支持。加州大学的教职工和学校都支持他申请研究生院，他幸运地获得了芝加哥大学的助教职位，继续深造。米勒最初被分配到爱德华·泰勒的实验室，爱德华·泰勒是一位匈牙利科学家，在 20 世纪 50 年代参与了氢弹的研制。但对斯坦利·米勒来说，这个实验室并不是一个愉快的地方，他在这里很挣扎。他从小就相信自己是一个化学神童，但现在却难以找到感兴趣的研究课题。爱德华·泰勒没有帮上忙，因为他经常研究更大更具破坏性的原子弹，资金来自美国政府。米勒对化学作为一门科学领域感到幻灭，这门科学领域似乎只致力于制造更大的炸弹和创造更大的原子。有一天，他坐在诺贝尔奖获得者化学教授哈罗德·尤里的讲座上，哈罗德·尤里研究同位素，并发现了氘。尤里在他的讲座中讨论了太阳系的起源，并暗示了地球生命起源的神秘之处。这场演讲给了米勒一个想法，一个主题，而不是研究原子弹，他要研究生命的起源。他 убедил 哈罗德·尤里同意他作为他的顾问，并换了实验室。尤里犹豫了，因为他知道从无机化学反应中研究生命起源可能对这位年轻科学家来说是一个很难进入的领域，但热情的斯坦利·米勒说服了他的顾问给他一些实验室空间。他有一个想法，想尝试一下。
米勒首先用实验室小版本模拟了早期地球的大气和海洋，他知道从地质证据来看，早期地球是缺氧的，没有游离氧气。他使用了纯净水 (H2O)、甲烷 (CH4)、氨 (NH3) 和氢气 (H2)。气体被装入一个密封的无菌玻璃烧瓶中，通过一根管子连接到一个半满的水烧瓶，他将水烧瓶放在热源上，产生水蒸气，在装满气体的烧瓶下方，他冷却气体，使水蒸气下降到另一个管子回到装满水的烧瓶中。沿着这个管子，他有一个阀门来采样在此形成的冷凝液。他给装满气体的烧瓶中加入的一个关键物质是电火花。他认为这种火花代表了地球气体大气中的闪电。实验完成后，就在实验室里进行。其他学生嘲笑他简单的实验，烧瓶下方有火花噼啪作响和燃烧的火焰，看起来像是你在弗兰肯斯坦实验室里看到的科学实验，而不是诺贝尔奖获得者化学家的实验室。哈罗德·尤里同样担心这个实验毫无意义，无机化学物质怎么可能仅仅用这些成分就能产生生命呢？米勒每天观察实验，记录实验过程。不久，水中的颜色变成了粉红色，然后变成深棕色，装满气体的烧瓶也变成了黑色。米勒取样分析了产生的混合物，他发现的东西让全世界都惊叹不已。
他发现了氢氰酸 (HCN)、甲醛 (CH2O) 和二氧化碳 (CO2) 的痕迹，但也发现了更大的碳分子链，如甘氨酸 (NH2-CH2-COOH)，以及多种氨基酸，如腺嘌呤，一种存在于 DNA 中的核碱基，以及碳水化合物，如核糖（RNA 的骨架分子）。
在米勒进行实验近 70 年后，科学家已经证实，这些更复杂的生物有机分子可以从如此简单的实验中合成出来。此外，添加硫，硫可能以硫化氢 (H2S) 或硫酸盐 (SO42-) 的形式存在于火山活动的大气中，这导致了其他新生物有机分子的合成。有了氨基酸和碳水化合物来源，如核糖，至少有了生命的原材料。唯一缺少的就是 RNA（核糖核酸）的出现，它将这些氨基酸和碳水化合物结合在一起形成自我复制的分子，这需要三种类型的核糖核酸的协调。这就是实验失败的地方。
复杂的 RNA 分子要困难得多，而且尚未在实验室中从如此简单的无机物质中合成出来。这些更复杂的分子需要额外的能量和原材料输入，以及不同的过程。生命的配方中这些步骤是什么，仍然是一个谜。
科学家引入了电磁辐射，以强光的形式，蒸发（这似乎是一个关键过程），以及其他材料来源，如磷酸盐。研究还表明，由磷酸盐和钙离子组成的矿物磷灰石，在热水中（接近 80 °C）促进了核糖从甲醛和乙醇醛的形成。核糖是更复杂的 RNA 分子的重要组成部分。实验中使用水的 pH 值也至关重要，以及实验运行的时间长度。进行这样的前生物实验室实验让科学家们越来越接近于使用早期地球的假定条件来复制生命。但这些实验尚未产生简单的基于 RNA 的生命形式，像自我复制的病毒那样的简单生命形式。这些实验室实验的奇怪之处在于，科学家创造了生命，但他们在制造生命的过程中不得不作弊，使用可能不存在于早期地球上的物质——细胞膜。
大多数人会说克雷格·文特有点叛逆；他从不服从，从不回避自己的信念和强烈的动力。他于 1946 年出生于盐湖城，后来搬到旧金山，他是一个普通的学生，高中毕业后就读于加州的社区大学。与斯坦利·米勒不同，克雷格·文特不是什么化学神童，他大部分空闲时间都花在冲浪或航海以及在海滩上闲逛，勉强考到 C 和 D。随着 20 世纪 60 年代越南战争的爆发，他意识到自己很可能会被征召入伍，所以他决定参军，在加利福尼亚州圣地亚哥接受医护人员的训练。他在海军中的态度没有改变，最后在一次混乱的军事法庭后被调遣，被派往越南沿海城市岘港的野战医院。
这是一个危险的地方。1968 年 1 月 30 日，北越军队发动了“春节攻势”，袭击了从北部的广治到南部的西贡沿岸的数百个城市。这场大规模的进攻导致战争双方都产生了重大伤亡。克雷格·文特正在人满为患的医院工作，这座城市成为了战争核心区域。死亡无处不在，伤员和垂死之人涌入海军诊所，而街道上则爆发了枪战。目睹了周围如此多的人死去，他陷入了深深的沮丧，有一天，他再也忍受不了，游进了海里，远离了死亡的海岸。在游泳时，他想知道自己是否应该返回岸边。回到一个人们遭受痛苦和死亡的世界。当地球海洋的波浪起伏时，他那微小的漂浮的身体，在液体海洋和气体大气之间的广阔空间里上下浮动。他思考着自己人生的意义。在空虚中，他抓住了目的——他要拯救人们。从越南和血腥的战争中回来后，他在社区大学完成了学位，结婚，并入读加州大学，攻读生理学和药理学研究生，而不是成为一名医师，他认为通过开发治愈疾病的新药来拯救更多的人，而不是治疗个别病人，他可以拯救更多的人。研究生毕业后，他的才华和动力让他在纽约州立大学获得了一份教职，但他仍然狂妄自大，与妻子离婚，并娶了他的学生之一。1984 年，他开始在国立卫生研究院 (NIH) 工作，后来在詹姆斯·沃森（1962 年诺贝尔生理学或医学奖获得者之一，因发现 DNA 的分子结构而获奖）的领导下工作。国立卫生研究院的项目是测序组成人类细胞单个 DNA 分子的各种单个核苷酸。这个项目是刚刚起步的《人类基因组计划》，该项目于 1990 年启动，旨在绘制组成人类 DNA 分子的单个基因图谱。
克雷格·文特开发了一种方法，将大型分子切成越来越小的片段，并通过将信息输入计算机库来分析这些序列。每个工作站都查看越来越小的单个片段，就像一个工厂。它们被设置为绘制出每个核苷酸序列，即在人类细胞中发现的复杂 DNA 分子中遗传物质的单个代码。文特与许多主管发生了冲突，主管们认可了他的才华和雄心壮志，但努力抑制他的自负和观点。大约在项目开始一年后，文特辞职，并成立了一家私人公司，旨在为人类基因组申请专利，并在与政府资助的科学家的竞争中胜出。这一事件震惊了世界，人们认为一家公司可以拥有生命的知识。文特在解码使生命成为可能的复杂有机物方面的才能，不仅在解码在活的动物和植物中发现的 DNA 分子方面取得了重大突破，而且在构建新的 DNA（和 RNA）链以合成新的生命形式方面也取得了重大突破。
1995 年，他的团队破译了细菌流感嗜血杆菌的遗传密码，这种细菌会导致致命肺炎和脑膜炎，尤其是在婴儿和幼童中。他们随后对解脲支原体进行了完整的基因组测序，这是一种性传播细菌，生活在人类生殖器上（也缺乏细胞壁，是迄今为止发现的最小细菌）。这些简单的单细胞细菌的基因数量远少于人类 DNA 基因组，文特想知道他是否可以合成一个更简单的细胞。
最简单的生命形式是什么？生命所需的最小遗传信息量是多少？斯坦利·米勒的实验询问了如何从无机物质中创造生命，文特则从另一方面提出了问题，即存在的最简单的生命形式是什么？换句话说，如果他能将这些复杂的分子分解以绘制和研究它们，他和他团队能否将它们重新组装在一起，创造出新的生命形式，这些生命形式可以被引导来制造新的药物或疫苗？能够做到这一点将彻底改变医学。
文特和他的大型团队于 1995 年开始合成生命。这项任务表面上很简单，制造一个 DNA 分子，然后观察它在喂养和照顾的情况下是否会繁殖。然后，他们将从这些培养的复制细胞中选择，并绘制基因组图谱，以查看合成生命是否会表达他们在实验室中创建并插入第一个细胞的初始分子中设置的相同基因。他们面临的主要问题，也是无数研究人员之前遇到的一个问题，是与细胞膜有关。如果制造了 RNA 或 DNA，它必须受到某种膜的保护，否则它会因环境条件（尤其是在有游离氧或温度略有变化的环境中）而迅速分解。氧化或热量导致碳-碳键断裂，可以迅速分解这些复杂的分子，使它们没有机会复制，因此需要保护膜。研究人员计划使用细菌膜，并将他们的合成分子插入空膜中，这很像病毒感染细菌细胞以复制自身的方式。一次又一次，培养的细胞不是他们合成的分子，将他们合成的分子插入空细胞的能力证明几乎不可能。他们尝试了 15 年，拥有大量研究人员，试图向世界证明这确实是可能的。
2010 年 7 月，该团队终于宣布成功，他们在《科学》杂志上发表了一篇名为“用化学合成的基因组控制细菌细胞的创建”的论文。培养的细胞（只有 582,970 个碱基对）包含了他们名字的水印，刻在合成生命形式的遗传密码中。自这项惊人发现以来的几年里，制药公司纷纷要求使用这项技术来合成药物和疫苗，而公众则越来越担心这种技术，对“基因”改良食品产生了厌恶。自 2010 年以来，我们生活在一个人类能够合成生命的世界里，就像工程师建造汽车一样。
这些突破以及实验室进行的其他实验表明，地球上生命的起源是通过地球大气中独特的气体化学特性、海洋的液体化学特性以及地球岩石表面的固体化学特性所促进的多个复杂步骤实现的，这一切得益于缺乏氧气。RNA 世界的出现，即生命最初以自复制的碳链大分子（含有氢、氧、氮、磷和硫）的形式出现，被认为发生在地球历史的早期。然而，随着地球历史后期富氧海洋和大气层的出现，这些早期生命形式可能被摧毁并灭绝，只留下那些进化出保护性细胞膜的生物，即第一个真正的生命形式——细菌。
细菌符合生命的定义。它们表现出生长和发育，它们繁殖，它们传递具有性状遗传的可变遗传信息，它们能够通过每一代进化和改变，它们表现出细胞内部稳定的条件的稳态，它们可以通过化学反应获得能量来代谢食物，它们具有带膜的细胞体，它们对外部环境作出反应，最后，它们从出生到死亡之间具有非常短的生命周期，能够快速繁殖，但也能够快速死亡。
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