5美元烤箱里的生命黎明

G上帝就像从烤面包机烤箱开始一样。几年前，在一次旧货拍卖会上，尼古拉斯•哈德(Nicholas Hud)发现了一个不错的候选者:一辆通用电气(General Electric)的老式车型，镀铬镶木镶板，放在一个发黄的旧盒子里，几乎没有使用过。他想，这是烹制生命化学前体的完美器具。他花了5美元买的。

在家中的地下室里，在上大学的儿子的帮助下，他在烤箱的背面开了一个长方形的孔，通过这个孔，一个自动滑动台（从旧的文档扫描仪中回收）可以将一盘实验移进移出。然后，他在一些喷墨打印机部件上安装了一个注射泵，并操纵系统定期将水滴到托盘上。

现在，这个装置放在哈德在佐治亚理工学院实验室的工作台上，哈德在那里领导化学进化中心，这是一个由美国宇航局和国家科学基金会资助的多所大学的联盟。在过去的二十年里，他一直在寻找能够解释地球上生命起源的化学配方。当科学家们在20世纪50年代开始研究生命的分子起源时，他们认为第一个生物分子是由原始化合物的汤自发形成的:正确的成分在正确的条件下、正确的时间的幸运结合。哈德和他的同事们现在发现，生命的火花可能是逐渐产生的，不是偶然的，而是经过长期的化学进化。

烤面包机是他最新的试验场。它模拟了冷与热、湿与干的循环，哈德怀疑正是这些循环启动了这个进化过程，在第一个细胞生命形式出现之前的数百万年。它模拟了露珠在夜间凝结，在日出时蒸发;雨水水坑填满并干涸;海岸泻湖随着潮汐涨潮而干涸。哈德称它为“日夜机器”。

去年春天的一天，他和我挤在自制的设备周围，看着它工作。在烤箱外面，注射器将几滴水注入滑动托盘上的陶瓷板上的六个孔中。对于本演示，井是空的;在实验中，它们包含简单分子或单体的混合物，就像那些被认为存在于早期地球上的分子或单体。托盘消失在烤箱中，封闭它。当温度上升到185华氏度(85摄氏度)时，水就蒸发了——这是第一天。几分钟过去了，托盘滑了出来。井凉了，水滴了下来，第二天托盘就进去了。

即使科学家可以在试管中伪造RNA或其他基本聚合物，结果也不会揭示它们的真正来源。

进化需要两个力量：变异和选择。当单体干燥时，脱水可以诱导它们粘合在一起，形成称为聚合物的链。然而，再次润湿混合物，其中一些键将破裂。换句话说，该过程是可逆的。聚合物可以形成，分解并再次形成新的配置。这是变化的。最终，一些聚合物可以扼杀一个优点。例如，它们可能折叠成防止它们分开太快的形状。那是选择。“这些可能是第一个进化的幸存者，”HUD说。

他推测，在原始地球上的数百万个循环中，一些幸存者获得了其他优势，比如催化反应的能力。它们开始相互作用和合作，形成原始的化学网络。迟早，一些网络开始自我复制并获得了保护膜。那时生命开始了，生物进化接过了指挥棒。细胞样囊产生原核生物(细菌和古细菌)，产生单细胞真核生物(原生动物、黏菌和藻类)，产生多细胞生物(植物和动物)，最终产生我们人类。

如果哈德是对的，我们旋转的星球就是启动这一切的巨大机器。

一个生命依赖于两种聚合物:蛋白质，它执行新陈代谢的基本任务;以及储存遗传指令并传递给后代的核酸(DNA和RNA)。在1953年的一次著名实验中，化学家斯坦利·米勒和哈罗德·尤里证明，这些基本分子的许多组成部分，在年轻的地球上，不需要生物过程的帮助，仅通过化学就可以组装起来。通过电火花对四种原始化合物——甲烷、氨、氢和水——的混合物产生氨基酸，这是蛋白质的基本单位。使用类似的方法，研究人员后来创造了一些化学字母，称为碱基，构成遗传密码。

然而，所有人都在猜测这些简单的单体最初是如何将自己缝进聚合物的。在细胞中，蛋白质执行着制造和复制DNA的复杂工作，而DNA则为构建蛋白质提供了蓝图。鉴于这种“先有鸡还是先有蛋”的悖论，一些研究人员提名RNA为第一种生物聚合物，它将信息从DNA带到蛋白质工厂。也许这个信使分子在进化划分这些角色之前就已经完成了蛋白质和DNA的职责。在20世纪80年代，化学家托马斯·切赫和西德尼·奥特曼证明，这可能确实是事实。独立工作时，他们发现一些rna可以像蛋白质一样催化化学反应，这表明古老的分子可能已经复制了自己。

但到目前为止，科学家们还未能在生物起源的条件下重建RNA。他们最接近的一次是在2009年，当时曼彻斯特大学的约翰·萨瑟兰(John Sutherland)领导的一个团队在杂志上发表了一份食谱自然用于从头合成RNA的基本单位：附着在磷酸糖上的碱基，这些碱基一起形成核苷酸。这可能是因为RNA太复杂，在没有蛋白质帮助的情况下无法自发组装。如果这是真的，哈德和其他人说，它一定是从一种更原始的聚合物发展而来的。

Hud将RNA比作一把斯特拉迪瓦里小提琴:一种完美的乐器。“但你不能一开始就做斯特拉迪瓦里琴，”他说。“首先，有人拿着一根带有一根绳子的棍子，把它拉成弓。这就是我如何看待rna的——作为一长串分子的后代，进化给了我们这个完美的分子，……聚合物的顶峰。”即使科学家可以在试管中伪造RNA或其他基本聚合物，结果也不会揭示它们的真正来源。就像弗兰肯斯坦博士的怪物一样，这些经过缝合的创造物几乎不会透露数百万年来塑造它们的进化过程。

“作为人类，我们一直都有意识，我们想知道生命从何而来。如果我们能编出一个科学上可信的故事，那就太棒了。”

因此，HUD的团队始于寻找RNA的祖先分子，这些分子表现得同样，而是从益生元环境中更容易地组装。亨特开始了十年前，是100个单体的列表，这些单体在结构上是如RNA的核碱基。在各种条件下测试数十名候选人之后，研究人员最终取得了突破。在2013年的纸张中，他们报告说，两种单体，三胺嘧啶（Tap）和氰尿酸（CA）组装成环，其彼此堆叠在一起，形成围绕基因的链条。

在后续的研究中，研究小组发现TAP可以很容易地与糖结合(这是一个非常困难的步骤)，从而产生一种类似部分核苷酸的化合物。当加入CA时，这些准核苷酸也组成了类基因链。但这些并不是真正的聚合物。与实际的RNA核苷酸不同，RNA核苷酸像细绳上的珠子一样被缝在一起，这些单元只是像磁铁一样松散地结合在一起。

然而，结果只是开始。如果像TAP-CA链这样的结构是第一批原始仪器RNA的原型，那么它们是如何成为杰作的？

H乌德的办公室里装饰着许多受原始故事启发的场景。一面墙上是米开朗基罗的复制品亚当的创造．另一幅是印度神毗湿奴(Vishnu)的画像，他栖息在原始的“牛奶之海”上，而阿兹特克人的创造者披羽蛇神(Quetzalcoatl)则被想象成一条长着羽毛的蛇。“作为人类，我们一直都有意识，我们想知道生命从何而来，”Hud若有所思地说。“如果我们能编出一个科学上可信的故事，那就太棒了。”

哈德来自洛杉矶，他的父亲是乳品行业的质量控制检查员。他的母亲是一名护士，也是一名虔诚的基督徒，让他在天主教学校学习了16年。但他的爱好是科学。1989年，当切赫和奥尔特曼因发现RNA的蛋白质样能力而获得诺贝尔奖时，他正在加州大学戴维斯分校攻读生物物理学博士学位。“所有人都在谈论这个，”Hud回忆道。他迷上了。

1999年，他加入了佐治亚理工学院，在那里他开始研究地球的循环——湿与干、热与冷、白天和黑夜——驱动生命聚合物的产生的可能性。在20世纪70年代，包括斯坦利·米勒(Stanley Miller)在内的一些生命起源化学家，曾试图通过在大烤箱中烘干手表眼镜上的成分，然后手工重新水化，来生产蛋白质和DNA。但他们几乎没有成功。最终，当研究人员开始在比干燥的水坑更奇特的地方寻找生命的起源时，这种从未流行过的方法不再使用，比如海底的热液喷口。

哈德说，生命和进化的引擎可以简单到“一颗行星在一颗恒星前旋转”。

然而，哈德认为米勒和他的同辈人走在正确的道路上。他意识到，干湿循环可以通过解决所谓的“水悖论”来诱导聚合物的存在。作为一种溶剂，水对生命至关重要:它促进化学反应，帮助运输营养物质和废物。但是为了制造生命的聚合物，你必须去除水。如果没有精密的细胞机制将它们连接在一起，蛋白质和核酸就无法在细胞的水环境中结合。因此，第一个类似生命的分子必须同时需要水分和干燥。

Hud决定在前任停止的地方开始试验。但事实证明，他们手工润湿和干燥单体的方法过于繁琐。“每天做两个以上的周期很快就成了一件麻烦事，”哈德回忆道。“假设我们想尝试50个周期，这几乎需要一个月的时间！”

就在那时，他决定建造一个昼夜两用的机器。他修改了几项设计，其中一项设计涉及熨斗和披萨锅。另一种设计将机械臂安装到PCR仪上，PCR仪是一种常用的实验室工具，利用温度波动来复制DNA。在他们第一次成功的实验中，他和他的团队用这种方法一次又一次地对单体进行润湿和干燥，从而生长出称为羟基酸的原始化合物链。这些周期就像一个棘轮。当PCR仪加热羟基酸和水的溶液时，一些单体在干燥时结合。当它们冷却后，水又回来了，一些化学键存活了下来。哈德解释说:“由于温度较低，逆反应会更慢，所以我们不太可能破坏这些键。”“有水进来，也有水出去——来来回回。然而，我们正在朝着一个方向前进——我们正在制造聚合物。” His team published their findings in 2014.

在今年7月发表的一项研究中，他们将实验进行得更进一步：他们添加了氨基酸。在每一个干湿循环中，当羟基酸结合并生长成聚合物时，一些氨基酸会结合到这些链中，形成类似蛋白质的排列。Hud怀疑类似的过程，可能涉及RNA的前体，可能发生在地球早期，提供了化学进化的第一步。

加州大学圣克鲁兹分校(University of California in Santa Cruz)的生物物理学家戴维·迪默(David Deamer)没有参与这项研究，他说，这是一个看似合理的场景。他补充说，这个理论更有说服力，因为Hud的团队能够“不借助任何化学技巧”证明聚合物的形成。

但迪默和其他人指出，要真正推销这个故事，科学家必须证明干湿循环不仅可以构建聚合物，还可以选择用作催化剂的分子。Hud的团队仅在20个周期后就制造出了类似蛋白质的链。在数百或数千次循环之后，一些链条是否会开始以新的方式扭曲自己？它们会形成形状完美的口袋来捕获另一个分子，就像手套适合手一样吗？它们会帮助这个分子与其他分子发生反应，从而协调生命所必需的化学反应吗？

为了回答这些问题，Hud将转向他的烤面包机，它比PCR设置有几个优点。编程成本更低，也更简单，便于他的学生进行实验。这是通用的。PCR机迫使他们在微小的塑料管中测试溶液，而烤面包机允许更大体积的液体和各种各样的表面。Hud说道:“我们可以在托盘上放置任何类型的物体。“我们可以让整个表面模仿岩石，”这可能是生命的诞生地。在接下来的几个月里，他计划用烤面包机来增加日夜循环的次数。他说:“我们的目标是进行100到几百次循环。”

卡内基研究所的矿物学家罗伯特·哈森说，如果哈德的团队能够将它们从单体循环到催化剂，“这显然是一种可行的机制。”如Hud所言，生命和进化的引擎可能就像“一颗在恒星前旋转的行星”一样简单。

约翰尼·邦坦普斯是纽约布鲁克林的一位科学作家。