生命的起源：化学究竟表明了什么
精细调节论证表明宇宙是为生命而被校准的。但还有另一个更困难的问题：一旦存在了一个常数恰当的宇宙，非生命的化学物质又是如何变成第一个活细胞的？莱斯大学的化学家詹姆斯·图尔，世界顶尖的合成有机化学家之一，认为诚实的答案是：没有人知道。
为什么这个问题重要
生命的起源，有时被称为"非生命起源"或"化学起源"，问的是第一个活细胞如何从非生命的化学过程中产生。必须把它与生物学上的进化区分开来。达尔文以自然选择为机制的进化理论解释的是既有生命如何分化，它并不解释，达尔文本人也承认它并不解释，生命最初是如何开始的。
这不是一个小缺口。没有第一个细胞，自然选择就没有任何可以作用的对象。生命的起源是此后一切生物学赖以建立的地基，而按照任何诚实的评估，它至今仍是科学中一个未解的问题。
詹姆斯·图尔是莱斯大学 T.T. and W.F. Chao 讲席化学教授，拥有 700 多篇同行评审论文和数百项专利，是世界上被引用次数最多的化学家之一。他的专长在于从零开始构建复杂分子，这使他对"生命要自行组装起来需要什么"有着独到的视角。
五个未解的难题
生命需要四类复杂分子：氨基酸（用于蛋白质）、核苷酸（用于 DNA 和 RNA）、碳水化合物（糖类）以及脂类（用于细胞膜）。图尔指出，生命起源研究至今没有解决五个根本性的难题：
- 1多肽的形成。氨基酸如何以正确的化学键连接成蛋白质链？在实验室里，化学家要使用严格控制的条件和保护基。而在早期地球上，氨基酸会形成错误的化学键、随机交联，或者干脆分解。没有任何合理的生命前机制能产生具有功能的蛋白质链。
- 2多核苷酸的形成。核苷酸如何连接成 RNA 或 DNA 链，且错误连接率低于 2%？把核苷酸连接起来的化学反应出了名地困难。即便使用纯化的起始原料并有专家干预，产率依然很低，错误率依然很高。
- 3多糖的形成。像葡萄糖这样的简单糖类如何以正确的取向连接起来？糖类在化学上脆弱、反应性极高，倾向于形成复杂的混合物，而不是生物学所要求的有序长链。
- 4特定的信息。就算你能造出氨基酸链、核苷酸链和糖链，它们又如何具备正确的序列？一条有功能的蛋白质与一串随机的氨基酸之间的差别，就像一句通顺的句子与一堆随机字母之间的差别。这些信息是从哪里来的？
- 5细胞的组装。就算这四类分子都以正确的形式存在了，它们又如何组装成一个有功能的细胞？活细胞不是一袋化学物质，而是一个复杂到令人震惊的一体化纳米系统，其中的膜、分子机器、能量系统与信息处理架构全都协同运作。
2023 年，图尔向十位顶尖的生命起源研究者公开发出为期 60 天的挑战：请证明这五个难题中任何一个已经得到解决，哪怕是在不切实际地有利的条件下也可以。他允许他们假定起始原料已经纯化、手性已经正确，甚至让一个由这十位专家中选出的三人小组来评判结果。期限过去了，没有任何一位研究者尝试回答哪怕一项挑战。 jmtour.com
手性问题
其中一个最深层的化学障碍值得特别注意。大多数生物分子都表现出手性，也就是说它们有"左手型"和"右手型"两种形式，彼此互为镜像。生命几乎只使用左手型的氨基酸和右手型的糖。蛋白质链中只要出现一个手性错误的分子，就足以摧毁它的功能。
每一种已知的生命前合成反应，产生的都是左手型与右手型各占一半的混合物。目前没有任何被证实的生命前机制，能够达到生命所要求的接近百分之百的手性纯度。图尔指出，单是这一个问题，在你还没有走到序列、折叠或组装之前，就已经足以让非生命起源止步。
米勒-尤里实验：它究竟表明了什么
1953 年，斯坦利·米勒与哈罗德·尤里让电火花通过一组用来模拟早期地球大气的气体，由此制造出了氨基酸，这一实验因而闻名。教科书上常常引用它，作为生命的基本构件在自然条件下容易形成的证据。
教科书往往略去的是：
- 1大气成分错了。米勒使用的是还原性大气（甲烷、氨、氢）。地球化学家现在认为，早期地球的大气主要由二氧化碳和氮构成，而这样的条件产生的氨基酸要少得多。
- 2只有最简单的氨基酸。这个实验产生了少数几种最简单的氨基酸。它没有产生生命所需的复杂氨基酸，也没有产生核苷酸、糖类或脂类。
- 3产物是焦油。主要产物是一种复杂、黏稠、难以处理的混合物，也就是"有机黏胶"，而不是细胞所需要的纯化构件。正如图尔所强调的：在一片焦油之海中得到几种氨基酸，就像在垃圾填埋场里找到几块砖，就宣称自己已经解释了帝国大厦。
- 4构件不等于建筑。就算所有必需的分子都出现了，把它们组装成一个有功能的细胞仍是另一个难度高得无法想象的问题，就像拥有一堆晶体管与拥有一部能用的智能手机之间的差别。
图尔在主张什么，又不在主张什么
准确把握图尔的立场很重要：
- ✓他确实主张：当前的生命起源研究尚未解决，而且远远没有接近解决"非生命的化学如何变成活细胞"这个问题。已被证实的成果与所需达到的目标之间，差距极其巨大。
- ✓他确实主张：公众在生命起源科学的现状上被误导了。大众媒体和某些教科书把这个问题呈现得近乎已经解决，而按照任何诚实的化学评估，它并没有。
- ✓他确实主张：即便是最简单的细胞，其复杂程度也指向无引导的化学之外的某种智慧源头。
- ✗他并不主张：科学应当停止研究。图尔明确鼓励继续研究，只是要求在知识现状的问题上保持理智上的诚实。
- ✗他并不主张：反对生物学上的进化（既有生命的分化）。他的批评专门针对化学起源，也就是最初生命的由来。
本课所呈现的一切，包括五个未解的难题、手性障碍，以及从基本构件到活细胞之间的鸿沟，都来自詹姆斯·图尔本人的工作。在这场长达一小时的对谈中，图尔用自己的话把整个论证完整地讲了一遍，以合成化学家的身份解释生命的分子为什么不会自行组装，以及他为什么认为公众所看到的生命起源研究图景，远比化学本身所能支持的要乐观得多。这段视频的标题措辞直白，反映的正是他最后这项指控；而上面各节给出的，是关于图尔在主张什么、又不在主张什么的精确而谨慎的表述，请在观看时把它们放在心里。
詹姆斯·图尔博士谈生命的起源 · Daily Dose of Wisdom 播客 · 在 YouTube 上观看 · jmtour.com · 本视频为英文；YouTube 提供中文字幕，可通过字幕按钮开启。
图尔写道："那些以为科学家已经理解生命前化学诸问题的人，是被彻底误导了。没有人理解这些问题。也许有一天我们会理解。但那一天离今天还很远。"他还说："建立在氨基酸、核苷酸、糖类与脂类之上的生命是一个反常现象。生命本不应该在我们的宇宙中的任何地方存在。然而我们却被引导去相信：38 亿年前，所需的化合物可以在某个洞穴或海底热泉中找到，而且它们不知怎么就自行组装成了第一个细胞。"
常见质疑
"只要时间够久，再不可能的化学反应也会变成必然。生命有几十亿年的时间。"
时间是必要条件，却不是充分条件。问题不只是概率低，而是所需的化学反应本身在对抗生命。在水中，生物分子倾向于分解，而不是组装。时间越长意味着分解越多，而不是进展越多。正如图尔所强调的，任何在早期地球上形成的氨基酸链，早在它有机会进入原始细胞之前就已经水解（断裂）了。对生命前化学而言，时间是敌人，不是朋友。
"图尔是纳米技术专家，不是生命起源研究者。他在自己的领域之外发言。"
生命起源研究本身就是有机化学，它问的是复杂有机分子如何形成并组装。而图尔恰恰是世界上从零开始合成复杂分子的顶尖专家之一。他构建的正是生命所需要的那些类型的分子，这使他在"所提出的生命前路径在化学上是否可行"这一问题上具有直接而相关的权威。关键不在于是谁提出这个论证，而在于其中的化学是否正确。
"只是科学还没弄明白而已。再给它一些时间。"
这是一个公允的观点，科学的确仍在推进。但图尔的论证并不是"我们永远都弄不明白"。他的论证是：（1）目前的知识状况远比公众被告知的要原始得多；（2）我们对细胞复杂性了解得越多，这个问题就越难（球门柱是在越退越远，而不是越来越近）；（3）此刻诚实的结论是：无引导的化学尚未被证明能够产生生命，而且这道鸿沟在扩大，不是在缩小。
- 生物学上的进化与化学起源有什么区别？为什么图尔的批评只适用于后者？
- 为什么手性问题对生命前化学如此致命？一个解决方案需要证明什么？
- 图尔强调，我们对细胞了解得越多，生命起源的问题就越难。这一点为什么重要？
- 如果生命的起源目前无法用无引导的化学来解释，还剩下哪些选项？"我们还不知道"和"根本没有答案"是一回事吗？
詹姆斯·图尔为什么认为米勒-尤里实验不足以解释生命的起源？
生命的起源依然是整个科学中最深层的未解问题之一。詹姆斯·图尔，世界顶尖的合成化学家之一，已经表明现有的任何生命起源模型都没有解决五个根本化学难题中的哪怕一个。米勒-尤里实验常常被过度解读。单是手性问题就足以让一切止步。而且我们对细胞复杂性了解得越多，无引导的化学所能产生的东西与哪怕最简单的生命所需要的东西之间的鸿沟就越宽。