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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中誕生，至今已近40億年，但最初的生命是如何出現的，至今仍是個謎。那些相對簡單的分子，最初如何從“原始湯”里創生出來，并形成越來越復雜的化合物？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反應，也正因為如此，“生命從何而來”成了一個化學問題。

　　關于這個問題，對科學家的挑戰不再是構想出那些看似合理的假說，因為這樣的假說已經太多了。例如，有研究者推斷，在第一種能夠自我復制的聚合物（類似DNA或蛋白質一類的分子，是由許多更小單位構成的長鏈）的形成過程中，泥土等礦物質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，才會產生結構復雜的化學物質。此外，還有研究者提出，地球上曾存在一個RNA（核糖核酸）世界，這個世界出現在DNA和蛋白質誕生之前。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，并且可以像蛋白質那樣催化化學反應）無處不在。

　　我們現在要做的就是，找到一種方法，在加熱的試管里面觸發化學反應，驗證上面提到的那些假說�？茖W家已經取得了一些進展，他們的研究表明，一些化學物質可以自發排列，形成更加復雜的結構——例如氨基酸，還有眾所周知的核苷酸（nucleotides，DNA的組成單元）。2009年，現供職于英國醫學研究委員會劍橋分子生物學實驗室的約翰·薩瑟蘭德（John Sutherland）所帶領的團隊已經證實，在“原始湯”中，確實可能存在自發的核苷酸合成過程。[在2015年最新一期的《自然·化學》（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條件也可以生成構成天然氨基酸和脂質的基本物質。這意味著一個系列的反應可能就同時生成了生命形成所需的大部分基本構件。]

　　其他一些科學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。通過這些步驟，科學家也許可以弄清楚，無生命物質如何轉變成能自我復制、自我維持的系統，從而填補生命進化史上的這個缺失環節。

　　由于科學家對太陽系奇特而豐饒的環境有了更深的認識——火星上曾經存在過液態水；土星衛星泰坦（Titan，土衛六）上有著甲烷海洋；木星衛星歐羅巴（Europa，木衛二）和加尼米德（Ganymede，木衛三）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：在哪些環境中，生命才會出現？生命的化學基礎可以有多大的不同？過去16年，科學家已經發現了500多顆圍繞著其他恒星運轉的太陽系外行星，這些光怪陸離的外星世界也讓前述問題變得更加迷人。

　　這些發現促使化學家展開想象，去創想原始生命可能的化學構成。例如，美國航空航天局（NASA）一直認為，液態水是生命存在的先決條件，但現在科學家卻認為不一定非得這樣。液態氨、甲酰胺（formamide，一種油狀溶劑，類似液態甲烷）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和蛋白質為基礎？畢竟，科學家已經研制出了一些人造化學系統，只要有合適的組成成分，它們不需要核酸就能完成復制。從本質上說，一個可以充當模板進行自我復制，并能與“復制品”分開的分子系統似乎就算是生命。

　　美國應用分子進化基金會的化學家史蒂文·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）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？

　　在高中化學課本里面，分子結構可算是最主要的內容之一。但是，這些看上去由“球”（代表原子）和“棍”（代表化學鍵）構成的模型已經有些年頭了。并不是沒有更新的模型，問題在于，科學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）應用剛剛興起的量子力學理論，向人們展示了如何描述化學鍵的形成。此后不久，美國著名化學家鮑林（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，就會形成化學鍵。而羅伯特·馬利肯（Robert Mulliken）和弗雷德里�！ず榈拢‵riedrich Hund）卻提出了截然不同的理論：化學鍵的形成，是原子軌道并入一個包括多個原子的“分子軌道”的結果。那時的理論化學看起來就像物理學的一個分支。

　　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構。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�，F有的分子模型通常試圖將這樣一種處于動態的實體變為靜態，并且明確各個組分之間的關系，這種做法會顯示出分子的一些突出性質，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建化學鍵的化學家來說，量子理論又無法為化學鍵提供一個符合他們直覺的獨特定義�，F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鍵結合在一起的原子。在德國波鴻－魯爾大學的量子化學家多米尼克·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”。

　　現在，科學家可以根據量子第一性原理（quantum first principles），通過計算機模擬來計算分子的結構和性質——只要電子數量相對較少，就能獲得精確度很高的結果�！坝嬎慊瘜W可以極度現實化和復雜化，”馬克斯說。因此，計算機模擬越來越被看作是一種虛擬實驗，用來預測一個化學反應的過程。但是，一旦某個反應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，我們面臨的挑戰將會是能否放大模擬范圍，比如細胞中的復雜分子過程或某些復雜材料的分子結構。

3.環境如何影響人類基因？

　　以前的生物學觀點認為，你體內的基因決定了你是誰�，F在，另一個事實已經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。跟所有的生物學問題一樣，這個問題的核心依舊是化學問題。

　　早期胚胎中，細胞可以發育成各種類型的組織。但隨著胚胎發育，所謂的“多能干細胞”（pluripotent stem cell）則會發生分化，朝著不同的方向發展（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修飾，基因表達按特定規則“開啟”和“關閉”的結果。

　　但是，上述化學修飾是可逆的，而且會受到人體環境的影響，這是克隆和干細胞研究領域的一項顛覆性發現。在干細胞的分化期，細胞不能永久地關閉某一基因，而只能是將它們需要的基因維持在一種“準備”狀態。也就是說，被關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），當它們遇到周圍環境中特定化學物質時，這種潛力就可以激活。

　　對化學家而言，最讓人興奮、也最具挑戰性的是，基因表達的調控似乎涉及一些化學事件。這些事件發生在“中尺度”（mesoscale）水平上，主角是比原子和分子更大的分子復合體，涉及復合體之間的相互作用。染色質（chromatin）是由DNA和蛋白質組成的復合物，具有一種層級結構。DNA雙螺旋纏繞在一個個圓柱形的、由組蛋白（histones）構成的蛋白顆粒上，然后這些蛋白顆粒會聚集起來，形成更高級的結構。目前我們對這種結構還知之不多（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結構，它們在細胞分化過程中起著核心作用。胚胎干細胞中，染色質的結構看上去更松散、開放性更高，但隨著一些基因進入“沉默”狀態，染色質會變得更加緊湊、有序。“染色質似乎可以決定并維持（或者說穩定）細胞的狀態，”美國麻省總醫院的病理學家布拉德利·伯恩斯坦（Bradley Bernstein）說。

　　此外，染色質在形成高級結構的過程中，DNA和組蛋白還會發生化學修飾。一些小分子會結合到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，在再生醫學中，誘導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，科學家能走多遠。

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