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1.生命從何而來？

　　距地球上第一種生物從無生命物質(zhì)中誕生，至今已近40億年，但最初的生命是如何出現(xiàn)的，至今仍是個謎。那些相對簡單的分子，最初如何從“原始湯”里創(chuàng)生出來，并形成越來越復(fù)雜的化合物？這些化合物又如何開始進行能量代謝，并完成自我復(fù)制（這兩者是定義生命的兩個特性）？當然，在分子水平上，所有這些步驟都是化學(xué)反應(yīng)，也正因為如此，“生命從何而來”成了一個化學(xué)問題。

　　關(guān)于這個問題，對科學(xué)家的挑戰(zhàn)不再是構(gòu)想出那些看似合理的假說，因為這樣的假說已經(jīng)太多了。例如，有研究者推斷，在第一種能夠自我復(fù)制的聚合物（類似DNA或蛋白質(zhì)一類的分子，是由許多更小單位構(gòu)成的長鏈）的形成過程中，泥土等礦物質(zhì)可能起到了催化劑的作用。還有人認為，正是因為深海熱泉源源不斷地提供能量，才會產(chǎn)生結(jié)構(gòu)復(fù)雜的化學(xué)物質(zhì)。此外，還有研究者提出，地球上曾存在一個RNA（核糖核酸）世界，這個世界出現(xiàn)在DNA和蛋白質(zhì)誕生之前。在這個世界中，DNA（脫氧核糖核酸）的近親RNA（它可以被看作是一種酶，并且可以像蛋白質(zhì)那樣催化化學(xué)反應(yīng)）無處不在。

　　我們現(xiàn)在要做的就是，找到一種方法，在加熱的試管里面觸發(fā)化學(xué)反應(yīng)，驗證上面提到的那些假說。科學(xué)家已經(jīng)取得了一些進展，他們的研究表明，一些化學(xué)物質(zhì)可以自發(fā)排列，形成更加復(fù)雜的結(jié)構(gòu)——例如氨基酸，還有眾所周知的核苷酸（nucleotides，DNA的組成單元）。2009年，現(xiàn)供職于英國醫(yī)學(xué)研究委員會劍橋分子生物學(xué)實驗室的約翰·薩瑟蘭德（John Sutherland）所帶領(lǐng)的團隊已經(jīng)證實，在“原始湯”中，確實可能存在自發(fā)的核苷酸合成過程。[在2015年最新一期的《自然·化學(xué)》（Nature Chemistry）上，薩瑟蘭德的團隊報道，要生成核酸前體，只需要氰化氫（HCN）、硫化氫（H2S）和紫外線（UV）就夠了。此外，薩瑟蘭還稱，能生成核酸前體的反應(yīng)條件也可以生成構(gòu)成天然氨基酸和脂質(zhì)的基本物質(zhì)。這意味著一個系列的反應(yīng)可能就同時生成了生命形成所需的大部分基本構(gòu)件。]

　　其他一些科學(xué)家則著重研究了特定RNA類似于酶的催化特性，為“RNA世界假說”提供了一些證據(jù)。通過這些步驟，科學(xué)家也許可以弄清楚，無生命物質(zhì)如何轉(zhuǎn)變成能自我復(fù)制、自我維持的系統(tǒng)，從而填補生命進化史上的這個缺失環(huán)節(jié)。

　　由于科學(xué)家對太陽系奇特而豐饒的環(huán)境有了更深的認識——火星上曾經(jīng)存在過液態(tài)水；土星衛(wèi)星泰坦（Titan，土衛(wèi)六）上有著甲烷海洋；木星衛(wèi)星歐羅巴（Europa，木衛(wèi)二）和加尼米德（Ganymede，木衛(wèi)三）的冰層之下，似乎潛藏著冰冷的咸海，因此地球生命的起源似乎只是一些宏大問題的一部分：在哪些環(huán)境中，生命才會出現(xiàn)？生命的化學(xué)基礎(chǔ)可以有多大的不同？過去16年，科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了500多顆圍繞著其他恒星運轉(zhuǎn)的太陽系外行星，這些光怪陸離的外星世界也讓前述問題變得更加迷人。

　　這些發(fā)現(xiàn)促使化學(xué)家展開想象，去創(chuàng)想原始生命可能的化學(xué)構(gòu)成。例如，美國航空航天局（NASA）一直認為，液態(tài)水是生命存在的先決條件，但現(xiàn)在科學(xué)家卻認為不一定非得這樣。液態(tài)氨、甲酰胺（formamide，一種油狀溶劑，類似液態(tài)甲烷）或者木星上的超臨界氫（super-critical hydrogen）可不可以充當其他生命的“水”？為什么生命必須要以DNA、RNA和蛋白質(zhì)為基礎(chǔ)？畢竟，科學(xué)家已經(jīng)研制出了一些人造化學(xué)系統(tǒng)，只要有合適的組成成分，它們不需要核酸就能完成復(fù)制。從本質(zhì)上說，一個可以充當模板進行自我復(fù)制，并能與“復(fù)制品”分開的分子系統(tǒng)似乎就算是生命。

　　美國應(yīng)用分子進化基金會的化學(xué)家史蒂文·班納（Steven Benner）說，當我們的研究只局限于地球生命時，“我們沒法說清楚，它們之間的那些相似性（比如都會使用DNA和蛋白質(zhì)）到底代表了它們來自同一祖先，還是說生命都需要是這樣”。不過，如果我們堅持認為，我們看到的才是真實的，“那我們的研究就太沒意思了”。

2.分子如何形成？

　　在高中化學(xué)課本里面，分子結(jié)構(gòu)可算是最主要的內(nèi)容之一。但是，這些看上去由“球”（代表原子）和“棍”（代表化學(xué)鍵）構(gòu)成的模型已經(jīng)有些年頭了。并不是沒有更新的模型，問題在于，科學(xué)家在更為準確的分子外觀模型方面，并未取得一致意見。

　　20世紀20年代，沃爾特·海特勒（Walter Heitler）和弗里茨·倫敦（Fritz London）應(yīng)用剛剛興起的量子力學(xué)理論，向人們展示了如何描述化學(xué)鍵的形成。此后不久，美國著名化學(xué)家鮑林（Linus Pauling）又提出了雜化軌道理論，認為當不同原子的電子軌道在空間上重合時，就會形成化學(xué)鍵。而羅伯特·馬利肯（Robert Mulliken）和弗雷德里希·洪德（Friedrich Hund）卻提出了截然不同的理論：化學(xué)鍵的形成，是原子軌道并入一個包括多個原子的“分子軌道”的結(jié)果。那時的理論化學(xué)看起來就像物理學(xué)的一個分支。

　　近100年后，分子軌道模型成為認可度最高的一種。但對于這種模型是否研究分子的最佳工具，化學(xué)家仍然沒有達成一致。原因在于，這類分子模型，以及其他所有簡化了的假想模型都不夠精確，只能部分描述分子結(jié)構(gòu)。事實上，分子就是電子云中的一團原子核，并通過相反的靜電力，與另外一團原子核進行著一場永不停止的“拔河游戲”，而且所有的組成部分都在不停地運動和重組。現(xiàn)有的分子模型通常試圖將這樣一種處于動態(tài)的實體變?yōu)殪o態(tài)，并且明確各個組分之間的關(guān)系，這種做法會顯示出分子的一些突出性質(zhì)，但同時也會將其他信息忽略掉。

　　而對于每天的工作就是破壞和構(gòu)建化學(xué)鍵的化學(xué)家來說，量子理論又無法為化學(xué)鍵提供一個符合他們直覺的獨特定義。現(xiàn)在，很多人定義分子的方法，都是把分子看作是一堆通過化學(xué)鍵結(jié)合在一起的原子。在德國波鴻－魯爾大學(xué)的量子化學(xué)家多米尼克·馬克斯（Dominik Marx）看來，這些描述都有一個共同的毛病，那就是“在某些情況下是正確的，但換到其他條件下，就是錯誤的”。

　　現(xiàn)在，科學(xué)家可以根據(jù)量子第一性原理（quantum first principles），通過計算機模擬來計算分子的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)——只要電子數(shù)量相對較少，就能獲得精確度很高的結(jié)果。“計算化學(xué)可以極度現(xiàn)實化和復(fù)雜化，”馬克斯說。因此，計算機模擬越來越被看作是一種虛擬實驗，用來預(yù)測一個化學(xué)反應(yīng)的過程。但是，一旦某個反應(yīng)的模擬計算不再局限于幾十個電子，計算量就將變得巨大無比，即使最先進的計算機恐怕也無法勝任。因此，我們面臨的挑戰(zhàn)將會是能否放大模擬范圍，比如細胞中的復(fù)雜分子過程或某些復(fù)雜材料的分子結(jié)構(gòu)。

3.環(huán)境如何影響人類基因？

　　以前的生物學(xué)觀點認為，你體內(nèi)的基因決定了你是誰。現(xiàn)在，另一個事實已經(jīng)清晰地擺在我們面前：在“你是誰”這個問題上，你使用了哪些基因，與你攜帶了哪些基因同樣重要。跟所有的生物學(xué)問題一樣，這個問題的核心依舊是化學(xué)問題。

　　早期胚胎中，細胞可以發(fā)育成各種類型的組織。但隨著胚胎發(fā)育，所謂的“多能干細胞”（pluripotent stem cell）則會發(fā)生分化，朝著不同的方向發(fā)展（例如血細胞、肌肉細胞或皮膚細胞）。這樣，它們后代的“角色”就被固定下來。人體的形成，是干細胞中的染色體受到化學(xué)修飾，基因表達按特定規(guī)則“開啟”和“關(guān)閉”的結(jié)果。

　　但是，上述化學(xué)修飾是可逆的，而且會受到人體環(huán)境的影響，這是克隆和干細胞研究領(lǐng)域的一項顛覆性發(fā)現(xiàn)。在干細胞的分化期，細胞不能永久地關(guān)閉某一基因，而只能是將它們需要的基因維持在一種“準備”狀態(tài)。也就是說，被關(guān)閉的基因也有參與工作的潛力（即合成它們所編碼的蛋白質(zhì)），當它們遇到周圍環(huán)境中特定化學(xué)物質(zhì)時，這種潛力就可以激活。

　　對化學(xué)家而言，最讓人興奮、也最具挑戰(zhàn)性的是，基因表達的調(diào)控似乎涉及一些化學(xué)事件。這些事件發(fā)生在“中尺度”（mesoscale）水平上，主角是比原子和分子更大的分子復(fù)合體，涉及復(fù)合體之間的相互作用。染色質(zhì)（chromatin）是由DNA和蛋白質(zhì)組成的復(fù)合物，具有一種層級結(jié)構(gòu)。DNA雙螺旋纏繞在一個個圓柱形的、由組蛋白（histones）構(gòu)成的蛋白顆粒上，然后這些蛋白顆粒會聚集起來，形成更高級的結(jié)構(gòu)。目前我們對這種結(jié)構(gòu)還知之不多（請參見對頁插圖）。細胞活動極好地控制了這種組裝過程——一個基因以何種方式，被定位到染色質(zhì)的哪個位置，也許就決定了它能否正常表達。

　　細胞里，有些酶專門用于重塑染色質(zhì)結(jié)構(gòu)，它們在細胞分化過程中起著核心作用。胚胎干細胞中，染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)看上去更松散、開放性更高，但隨著一些基因進入“沉默”狀態(tài)，染色質(zhì)會變得更加緊湊、有序。“染色質(zhì)似乎可以決定并維持（或者說穩(wěn)定）細胞的狀態(tài)，”美國麻省總醫(yī)院的病理學(xué)家布拉德利·伯恩斯坦（Bradley Bernstein）說。

　　此外，染色質(zhì)在形成高級結(jié)構(gòu)的過程中，DNA和組蛋白還會發(fā)生化學(xué)修飾。一些小分子會結(jié)合到DNA和組蛋白上，就像標簽一樣，告訴細胞里的分子機器該對基因采取何種措施：應(yīng)該阻止還是放任基因的表達。這種“標記過程”叫做“表觀遺傳”（epigenetic）現(xiàn)象，因為該過程不會改變基因攜帶的遺傳信息。

　　至于成熟細胞能在多大程度上重獲分化能力（不管它們能否變得像真正的干細胞那樣，在再生醫(yī)學(xué)中，誘導(dǎo)性干細胞的使用都是一個非常重要的問題），這在很大程度上取決于在表觀遺傳標記的重置上，科學(xué)家能走多遠。

　　現(xiàn)在比較清楚的是，在遺傳上，除了遺傳密碼里的關(guān)鍵信息，細胞還有一套完全不同的“化學(xué)語言”——這就是表觀遺傳。英國伯明翰大學(xué)的遺傳學(xué)家布萊恩·特納（Bryan Turner）說：“人類的很多疾病都與遺傳相關(guān)，包括癌癥在內(nèi)，但是一種潛在的疾病最終是否發(fā)作，通常還要看環(huán)境因素能否通過表觀遺傳的方式起作用。”