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化学与生命起源 （哈尔滨工业大学） 摘要：200字左右 关键词：化学，生命起源 一、引言 伟大导师恩格斯在总结十九世纪三大发现(能量转化;细胞;进化论)时指出:“有了这三 个大发现，自然界的主要过程就得到了说明，就归结到自然的原因了。现在只剩下一件事情还.去做:说明生命是怎样从无机界中发生的。” 二、生命的化学进化 生命泛指有机物和水构成的一个或多个细胞组成的一类具有稳定的物质和能量代谢现象（能够稳定地从外界获取物质和能量并将体内产生的废物和多余的热量排放到外界）、能回应刺激、能进行自我复制（繁殖）的半开放物质系统。生命个体通常都要经历出生、成长和死亡。生命种群则在一代代个体的更替中经过自然选择发生进化以适应环境。病毒在有寄主可寄生的时候，会表现出生命现象；但在没有寄主可寄生的时候，不会表现生命现象，所以病毒是介于生命与无生命之间的一种奇妙的生物。生命是如何在地球上诞生的？化学起源说是被广大学者普遍接受的生命起源假说。这一假说认为，地球上的生命是在地球 温度逐步下降以后，在极其漫长的时间内，由非生命物质经过极其复杂的化学过程， 一步一步地演变而成的。 一般认为，化学进化可分为4个层次:无机分子的生成(NH3,HZO,CH4,CO,C02,NO>、生物小分子的合成(氨基酸、嘿吟,pu;咤,糖、单核普酸、ATP等高能化合物、脂类等)、生物大分子的合成(多肤、多聚核普酸)和原始细胞的出现。我们则认为化学进化也可以分为5个层次，就是将病毒列为化学进化的第4个层次，介于生物大分子合成之后，细胞出现之前。病毒是非细胞形态的生命体，它们与细胞在起源上的关系一直是人们很感兴趣的问题。由于病毒兼有生物和非生物的两重性，似乎可以将它们看做联系非生物和生物之间的桥梁;但随着研究的进一步深入，发现病毒必须依赖细胞才能生存，这又使人们开始怀疑病毒是否可能先于细胞出现。 三、生物小分子的合成 生物小分子包括氨基酸、核苷酸、单糖、脂类、维生素等。氨基酸是含有氨基和羧基的一类有机化合物的通称。生物功能大分子蛋白质的基本组成单位，是构成动物营养所需蛋白质的基本物质。是含有一个碱性氨基和一个酸性羧基的有机化合物。氨基连在α-碳上的为α-氨基酸。组成蛋白质的氨基酸均为α-氨基酸。两个或两个以上的氨基酸化学聚合成肽，一个蛋白质的原始片段，是蛋白质生成的前体。 氨基酸广义上是指既含有一个碱性氨基又含有一个酸性羧基的有机化合物，正如它的名字所说的那样。但一般的氨基酸，则是指构成蛋白质的结构单位。在生物界中，构成天然蛋白质的氨基酸具有其特定的结构特点，即其氨基直接连接在α-碳原子上，这种氨基酸被称为α-氨基酸。在自然界中共有300多种氨基酸，其中α-氨基酸21种。α-氨基酸是肽和蛋白质的构件分子，也是构成生命大厦的基本砖石之一。构成蛋白质的氨基酸都是一类含有羧基并在与羧基相连的碳原子下连有氨基的有机化合物，自然界中尚未发现蛋白质中有氨基和羧基不连在同一个碳原子上的氨基酸。 核苷酸是一类由嘌呤碱或嘧啶碱基、核糖或脱氧核糖以及磷酸三种物质组成的化合物。又称核甙酸。五碳糖与有机碱合成核苷，核苷与磷酸合成核苷酸，4种核苷酸组成核酸。核苷酸主要参与构成核酸，许多单核苷酸也具有多种重要的生物学功能，如与能量代谢有关的三磷酸腺苷（ATP）、脱氢辅酶等。某些核苷酸的类似物能干扰核苷酸代谢，可作为抗癌药物。根据糖的不同，核苷酸有核糖核苷酸及脱氧核苷酸两类。根据碱基的不同，又有腺嘌呤核苷酸（腺苷酸，AMP）、鸟嘌呤核苷酸（鸟苷酸，GMP）、胞嘧啶核苷酸（胞苷酸， CMP）、尿嘧啶核苷酸（尿苷酸，UMP）、胸腺嘧啶核苷酸（胸苷酸，TMP）及次黄嘌呤核苷酸（肌苷酸，IMP）等。核苷酸中的磷酸又有一分子、两分子及三分子几种形式。此外，核苷酸分子内部还可脱水缩合成为环核苷酸。 地球在诞生之初只有无机物，要产生生命体所必须有机物则需要经过一些题述条件的催化。 这一过程是在原始的地球条件下进行的，原始大气是含有氢气、氨气、甲烷和水蒸汽等“还原性大气”，在经常发生雷电的原始地球大气中，这些无机物有可能在闪电的作用下产生有机物。为了验证这一假说，有位叫米勒的美籍科学家，做了一个试验：将组成生命体的最基本的碳氢化合物分子，如甲烷、氨和氢等与水混合，一起灌入到一个特殊的玻璃装置中，给瓶内混合物加热，使之不断沸腾，产生气体。气体经过一个装有两个电极的小室，室内连续产生火花，犹如大自然的闪电和火山爆发，然后经过冷却又变成液体回到原处。即模拟降雨的过程。经过一周持续不断的实验和循环之后。米勒分析其化学成分时发现，其中含有包括5种氨基酸和不同有机酸在内的各种新的有机化合物，同时还形成了氰氢酸，而氰氢酸可以合成腺嘌呤，腺嘌呤是组成核苷酸的基本单位。米勒的实验试图向人们证实，生命起源的第一步，从无机小分子物质形成有机小分子物质，在原始地球的条件下是完全可能实现的。 除了大气原始海洋中也可能产生生命所需的有机单体。研究表明在原始海洋的微碱性条件，通过氰化氢聚合物的水解可以产生蛋白氨基酸。过去曾认为，‘在生物体中20种蛋白氨基酸都可以直接从氛氰化氢聚合物水解产生，由于氰化氢是火花放电水相中的主要产物，并且产生的氨基酸种类同火花放电生成的氨基酸相应，甚至认为借助于火花放电产生的氨基酸也是从氰化氢聚合物水解而来。然而近来的工作指出，通过氰化氢形成的氨基酸种类并不是那样多，仅有七种，而其中蛋白氨基酸有5种，以甘氨酸、门冬氨酸较多，丙、谷、异亮氨酸较少。 四、生物大分子的合成 一般认为从有机小分子物质生成生物大分子物质这一过程是在原始海洋中发生的，即氨基酸、核苷酸等有机小分子物质，经过长期积累，相互作用，在适当条件下（如黏土的吸附作用），通过缩合作用或聚合作用形成了原始的蛋白质分子和核酸分子。 究竟是什么样的条件催生了生物大分子的形成，这是生命诞生过程中关键的一步。实验表明，在某些片层状粘土如蒙托土存在下，在微碱性的稀水溶液中，这些被活化了的氨基酸单体可以进行多聚，得到聚合度分别为9, '16, 27, 32, 42, 54的多肚链。这种在稀水溶液中的多聚化在蛋白质前生物合成中的意义在于:它是以现代蛋白质生物合成的底物—氨基酚腺嗓吟核普酸为单体，并以原始地球上广泛存在的粘土做无机模板催化而多聚。这不仅把原始条件下氨基酸的多聚同现代蛋白质合成的起始底物联系起来，而且又一次显示出无机催化在化学进化中的作用。遗憾的是这种多聚化只是单一氨基酸的多。 有人在利用甲烷和氨合成氛化氢时，得到一种类似蛋白质性质的化合物，由此推断蛋白质在原始条件下可以不经过氨基酸，而直接由氰化氢聚合而成。如果真是如此，这将是很有意义的事，它将越过在原始地球条件下从氨基酸聚合成蛋白质这一热动力学方面所产生的困难。当然在原始条件下，原始蛋白质是否由这种机制形成，还必须进一步研究。 而氨基酸的热多聚—热多肽或类蛋白的形成多聚物的形成，从化学反应角度来讲 就是小分子单体脱水缩合的过程。在中性水溶液中，氨基酸以非常稳定的偶极子形式存在(H,N+-CHR-COO`)。福克斯(S. W. Fox等人采用干氨基酸热聚合的办法，即克服了偶极子对聚合的抗性，又为氨基酸相互聚合脱水创造了条件。其方法是将20种天然蛋白氨基酸按酸、碱、中性氨基酸不同匹配混合，在无氧条件下140-190℃干热聚合2-10小时。产吻除一定量的二酮呱嗓外，产生少量多聚氨基骏，因同天然蛋白的某些特性相类似，福克斯等人称之为类蛋白。 与其它聚合方式相比较，热聚合类蛋白分子量较高，可达4,000-20,000以上，氨基酸的组成较全，几乎所有的氨基酸都可参入到类蛋白中，并表现出某些类酶活性和形成所谓微球体的能力。 最新的研究发现在某些空腔里有氨基酸溶液的陨石或彗星碎片在进入地球大气时产生的高温条件下也有可能产生大分子。也许生命不是源于海洋，而是那些“天外来客”。但无论怎样，构成生命的基本结构都是无机世界通过化学作用孕育的。 ， 参考文献 [1] 李静, 黄慧, 胥春, 等. 氧化锆复合陶瓷的机械性能测试[J]. 上海交通大学学报:医学版, 2006, 26(10): 1089-1092 [2] 本文来源：https://www.dywdw.cn/5f07ff34c77da26924c5b049.html
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2022-03-30
