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交流學(xué)術(shù)，偶爾風(fēng)月

碳基為骨架，氫、氧、鐵、磷、鈣、鈉、鉀等元素塑造大腦、肌肉、神經(jīng)、血液……在人類的科學(xué)探索中，生命的輪廓日益清晰。

縱觀人類科學(xué)發(fā)展史，歷代科學(xué)家們一直在試圖探索“化學(xué)是如何塑造生命的”。這個(gè)看似現(xiàn)代的幻想，早在化學(xué)學(xué)科誕生之前，便已經(jīng)映照在古代煉金術(shù)士的熔爐里。

圖源：Alamy

1537年，醫(yī)生兼煉金術(shù)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(jīng)過長時(shí)間的發(fā)酵來制備有機(jī)胚胎，創(chuàng)造一種他稱之為“小矮人”（homunclus）的迷你合成生物。煉金術(shù)師認(rèn)為人的肉體和金屬材料相通，可以象煉金一樣煉出生命。

這樣以魔法為出發(fā)點(diǎn)的探索在如今看來的確荒謬，是對生命運(yùn)轉(zhuǎn)規(guī)律的根本誤解。但這種古代科學(xué)故事往往包含比看起來更深刻的意義。煉金術(shù)知識的基礎(chǔ)是化學(xué)。嘗試在混亂無序的無機(jī)物質(zhì)與和諧的生命體之間搭建橋梁，這是煉金術(shù)士在無意中促成了化學(xué)合成與轉(zhuǎn)變。

自古以來，化學(xué)從未完全擺脫突破生死的野心。在煉金術(shù)士的眼中，那是聯(lián)通無機(jī)與有機(jī)、生與死之間的密碼。

1818年，當(dāng)瑪麗·雪萊（Mary Shelley）首次匿名發(fā)表了世界上首部科幻小說——《弗蘭肯斯坦》時(shí)，當(dāng)代科學(xué)正處于一個(gè)非常微妙的時(shí)刻。生物與無機(jī)物之間的隔膜越來越薄，生命和死亡無限接近。對生物有機(jī)體的研究與其他科學(xué)領(lǐng)域的聯(lián)系越來越緊密。

1790年，路易吉·伽伐尼（Luigi Galvani）偶然發(fā)現(xiàn)，一只被解剖的青蛙腿部神經(jīng)因?yàn)閹ъo電的金屬手術(shù)刀的碰觸而導(dǎo)致肌肉劇烈痙攣。伽伐尼意識到，這種反應(yīng)與生物有機(jī)體固有的某種力量有關(guān)。這種力量從大腦傳遞到生物體的其他部分以產(chǎn)生運(yùn)動。他稱之為“動物電”。

伽伐尼的“青蛙腿”實(shí)驗(yàn)

圖源：Eoht.info

伽伐尼觀察到的“動物電”是由于細(xì)胞內(nèi)外存在電位差——即膜電位，是離子選擇性通過細(xì)胞膜的結(jié)果。當(dāng)時(shí)，還沒有電的概念，伽伐尼可能不知道他所觀察到的現(xiàn)象的本質(zhì)，但他明白，身體對電流的反應(yīng)一定與身體內(nèi)部的某種物質(zhì)有關(guān)。

伽伐尼的實(shí)驗(yàn)還澄清了另一點(diǎn)：生命的復(fù)雜行為不僅僅是能量的問題。生命體的動作反應(yīng)需要更具體的東西：讓組織可以“理解”的訊息——這與物理學(xué)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(zhuǎn)化為復(fù)雜的反應(yīng)。

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(fā)現(xiàn)應(yīng)用于人體，并向公眾展示其神奇的效果。1803年，阿爾迪尼在倫敦進(jìn)行了他最著名的“死而復(fù)生”演示：對一名被處決男子的尸體進(jìn)行持續(xù)電擊。結(jié)果，這名男子因劇烈的肌肉收縮而“動”了起來。

阿爾迪尼的目的在于確定生命力的來源，從而控制這種力量，來實(shí)現(xiàn)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(xué)怪人的橋段，但在后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(zhàn)著當(dāng)時(shí)人類的認(rèn)知。與其說人們害怕的是尸體能夠復(fù)活，不如說是害怕我們自己其實(shí)只是行尸走肉，受到與無機(jī)物質(zhì)相同力量的支配，不知何故還活著罷了。

其實(shí)，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(gè)化學(xué)合成過程，而不是強(qiáng)烈電擊的結(jié)果。小說主角維克多·弗蘭肯斯坦被設(shè)定為一名熱衷于生命起源的年輕生物學(xué)家。他愛好化學(xué)，對生命系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)抱有強(qiáng)烈好奇。在拼湊尸塊創(chuàng)造科學(xué)怪人的過程中，他試圖去找出化學(xué)與生命的關(guān)聯(lián)。

如果年輕的維克多·弗蘭肯斯坦活到今天，他可能會發(fā)現(xiàn)，化學(xué)研究仍然最符合他的抱負(fù)。然而，他所創(chuàng)造的怪物也許就不會是一個(gè)身高兩米半的人形生物，而是一個(gè)納米級的微型生物，外表更為怪異，甚至更危險(xiǎn)。

1818年《弗蘭肯斯坦》出版后不久，弗里德里?！の掷眨‵riedrich W?hler）在合成氰酸銨時(shí)，意外發(fā)現(xiàn)了一種白色晶體的沉淀物。這種物質(zhì)的外觀與他預(yù)期獲得的無機(jī)鹽不同。這就是尿素，天然存在于動物的尿液中。沃勒還發(fā)現(xiàn)尿素與氰酸銨具有相同的結(jié)構(gòu)，它們都由相同的原子組成，但排列方式不同。

這種現(xiàn)象在化學(xué)中被稱為“同分異構(gòu)體”。這說明，將無機(jī)物與有機(jī)物區(qū)分開來的，不是物質(zhì)本身，而是其組織結(jié)構(gòu)。也就是說，結(jié)構(gòu)決定了化學(xué)物質(zhì)的性質(zhì)。

  圖源：pixabay.com

沃勒的發(fā)現(xiàn)是當(dāng)代化學(xué)發(fā)展的里程碑之一，逾越了有機(jī)化學(xué)和無機(jī)化學(xué)之間“涇渭分明”的鴻溝，第一次在化學(xué)實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)了用無機(jī)物合成有機(jī)物。

沃勒合成法之前，“有機(jī)”這個(gè)詞僅用于表示源自植物或動物的物質(zhì)?，F(xiàn)在，這個(gè)詞指的是一類特定的碳基化合物，與生物沒有任何聯(lián)系。這也證明了化學(xué)物質(zhì)無論是有機(jī)的還是無機(jī)的，都是活躍和動態(tài)的，能夠在不同的規(guī)?；A(chǔ)上形成復(fù)雜的組織，不斷進(jìn)化，并根據(jù)環(huán)境自發(fā)地改變其結(jié)構(gòu)。  

因此，生命不是一種非凡的、孤立的現(xiàn)象，而是始終處于運(yùn)動、變化中的形態(tài)。

1862年，路易斯·巴斯德（Louis Pasteur）證明了衰敗的物質(zhì)不可能自發(fā)產(chǎn)生活的生物體，鞏固了亞里士多德時(shí)代以來在科學(xué)思想史上一直存在的根深蒂固的信念，并形成了新的理論：生命只能從其他生命中產(chǎn)生，而不可能從非生命物質(zhì)中產(chǎn)生。

如果雞生了蛋，蛋又生了雞，那么，生命最初是到底是如何在地球上出現(xiàn)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(jī)物和生物之間樹起了一道新的屏障，注定會被生命起源的新科學(xué)理論逐漸侵蝕。生命起源于非生物化學(xué)成分的觀點(diǎn)被稱為“生物自生說”，由俄羅斯生物學(xué)家Aleksandr Ivanovi? Oparin提出，他在1924年的著作《生命的起源》中首次提出了化學(xué)進(jìn)化理論，即生命起源于不斷復(fù)雜化的有機(jī)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(xué)家斯坦利·米勒（Stanley Miller）在他的導(dǎo)師、諾貝爾獎化學(xué)獎得主哈羅德·尤里 （Harold Urey）的指導(dǎo)下進(jìn)行了一項(xiàng)迄今為止最著名的生命起源實(shí)驗(yàn)，為化學(xué)起源假說提供了理論依據(jù)。

他們將甲烷、氨氣和氫氣密封在一個(gè)無菌的硼硅酸鹽玻璃大燒瓶里，另一端連接一個(gè)盛水的燒瓶。隨后，米勒對水進(jìn)行加熱，產(chǎn)生的水蒸汽混入大燒瓶中。同時(shí)通過電極不斷放電，來模擬閃電，創(chuàng)造出一個(gè)微型的地球原始大氣環(huán)境。反應(yīng)的產(chǎn)物通過冷凝后進(jìn)行了收集。

Miller-Urey實(shí)驗(yàn)

圖源：Science, 1953, 117, 528

很快，反應(yīng)后的溶液逐漸變成了深紅色。結(jié)果顯示，實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生了大量包括氨基酸在內(nèi)的有機(jī)物。構(gòu)成蛋白質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)氨基酸共20種，而米勒-尤里實(shí)驗(yàn)創(chuàng)造出了其中5種。由此，米勒學(xué)派認(rèn)為，地球生命起源于原始海洋。無機(jī)物先轉(zhuǎn)變?yōu)橛袡C(jī)小分子，有機(jī)小分子逐漸發(fā)展為大分子，最后演變成為原始生命。

至此，化學(xué)，終于點(diǎn)化了生命之花，揭開了人類探尋生命奧秘的新時(shí)代。

參考文獻(xiàn)：

https://thereader.mitpress./artificial-lives-on-the-occult-origins-of-chemistry/