地球/7b. 生命是什麼？

地球
7b. 生命是什麼？

生命是什麼？

Kizzmekia Corbett 在北卡羅來納州的一個大家庭長大，她對理解微生物學產生了興趣。她在本科教育期間喜歡在科學實驗室工作，在那裡她專門研究有機化學以及研究地球上今天存在的一些最簡單的生物體，即微生物學領域。這些微小的、幾乎看不見的簡單有機分子存在於通常定義的生命範圍的灰色地帶，但對 Corbett 來說，這些微小的複雜有機分子特別重要，因為它們是大量死亡的原因。Corbett 研究病毒，地球上最簡單的生命形式，它位於科學家將生命定義為灰色地帶。她的研究將使她登上國際舞臺，因為她專門研究一組被稱為冠狀病毒的病毒。當 2020 年春季一種新型冠狀病毒在國際上蔓延時，她對冠狀病毒化學結構的研究變得至關重要，這是一種致命病毒，影響了數十萬人，其中許多人在美國和歐洲；學校停課，經濟崩潰，導致自二戰以來對文明最嚴重的威脅。在 2020 年夏天，34 歲的 Corbett 在美國國家過敏和傳染病研究所爭分奪秒地尋找疫苗。

什麼是生命？病毒（例如 2019 年新型冠狀病毒 (Covid-19 病毒)）是生物嗎？從化學定義來看，病毒是碳原子與一系列氫、氧、氮和磷原子結合形成的複雜排列。碳基分子的這種複雜性構成了有機化學這一學科。

有機化學

碳通常透過其軌道上的 4 個價電子與四個、三個或兩個其他原子形成共價鍵。在無機分子中，這通常是氫形成甲烷 (CH₄) 或氧形成二氧化碳 (CO₂)，或者可能是其他碳原子，如石墨和鑽石。雖然另一個常見的碳分子是碳酸根陰離子 (CO₃^-2)，其中三個氧原子與碳結合，有兩個額外的電子（使它帶負電荷，如 ^-2 離子），允許與鈣、鎂或其他陽離子形成離子鍵。烴分子是指碳原子形成短鏈，周圍環繞著氫，常見於燃料中，如乙烷 (C₂H₆)、丙烷 (C₃H₈)、丁烷 (C₄C₁₀)、戊烷 (C₅H₁₂)、己烷 (C₆H₁₄)、庚烷 (C₇H₁₆) 和辛烷 (C₈H₁₈)，它們用於烹飪、供暖和汽車，每個碳原子都增加一個，形成越來越長、越來越長的碳鏈，周圍環繞著氫原子。

聚對苯二甲酸乙二醇酯的球棍模型，這是一種用於製造瓶子的常見塑膠。黑色球代表碳，白色代表氫，紅色代表氧原子。

一個複雜的（在番石榴屬植物中發現的）有機分子，帶有六元碳環，分別稱為苯。這些圖中沒有描繪碳原子，但出現在每個連線線的角度。

在複雜的（在番石榴屬植物中發現的）有機分子中，碳可以形成非常長的碳原子鏈，形成所謂的聚合物。聚合物是由許多重複的簡單分子集合組成的複雜分子，形成鏈。與岩石和晶體中發現的晶格結構不同，聚合物是重複的鏈或長原子串，而不是所有側面都鍵合在一起的分子結構塊。聚合物的一個例子是聚乙烯塑膠，它由重複的碳與碳結合的原子組成，周圍環繞著氫原子。大多數塑膠由形成聚合物鏈的重複碳原子結構組成，這使得它們成為一種非常有用的材料，因為它們在加熱時可以有彈性和柔韌性，但在冷卻時卻像捆綁的纖維一樣堅固。這些碳鏈也可以自身摺疊起來，並可以與其他元素結合。聚合物也可以由六元碳環組成，分別稱為苯環，它們可以鍵合形成聚合物，形成更復雜的分子，稱為苯基。吡啶是指環中六個碳中的一個被另一個元素（如氮）取代的情況。含環的有機分子通常被稱為芳香族，因為它們通常具有氣味或香氣，有些用於人工香料。而另一些（如苯）如果吸入量大，會致癌。

有機化學是研究這些由碳鏈與各種元素結合形成的複雜有機碳分子的學科。這些複雜的碳有機分子存在於生物體自然產生的有機物中，但這些分子本身並不具有生命，大多數可以在實驗室中合成。

水對生命的重要性

這些長碳原子聚合物鏈在水溶液中的相互作用是一個重要的物理因素。這些鏈的某些末端可以是親水的（親水的），這意味著它們會被水中的極性 H₂O 分子吸引，而這些鏈的另一些末端則是疏水的（疏水的），會被水中的極性 H₂O 分子排斥。如果聚合物鏈的一端是親水的，另一端是疏水的，它被稱為兩親性的。兩親性碳分子可以形成膠束。水溶液中的典型膠束是在分子親水端被吸引並接觸周圍水，而分子疏水端朝向膠束中心的區域，並遠離與水的任何接觸時形成的。

這會導致水中形成球形的泡沫。許多肥皂是由長鏈碳原子組成，其中一端是親水的，另一端是疏水的。肥皂分子親水端通常是由鈉離子 Na+ 或鉀離子 K+ 與分子末端形成離子鍵造成的。肥皂中最常見的成分之一是 *月桂醇硫酸鈉*，它是一長鏈碳氫原子，親水端由一個與氧原子相連的硫原子（硫酸鹽）組成，其中一個氧原子與一個鈉離子（Na⁺）形成離子鍵。當該分子被引入水中時，鈉離子（Na⁺）溶解，留下帶負電荷的陰離子端，它會吸引周圍水分子（H₂O）帶正電荷的一側。在水中攪拌時，會形成許多膠束，產生泡沫和氣泡。

**脂類** 是指任何具有疏水端的長鏈碳分子，它們不會溶解在極性液體分子中，例如水。許多油脂、脂肪和生物體細胞膜都由脂類組成，因為它們排斥水分子。油和水不相溶的原因之一是油由疏水性的碳分子鏈組成。肥皂能夠很好地清洗油脂的原因是，肥皂的疏水端會溶解到脂類分子中，而親水端則會溶解到水中，從而在脂類分子周圍形成膠束，將它們隔離並分解。

磷脂膜

冠狀病毒等病毒具有脂類膜，因此在存在由這些膠束形成分子構成的肥皂的情況下容易破裂。膜會破裂，從而破壞脂類膜。洗手時大量使用肥皂很重要，因為它可以清除這些危險的顆粒。然而，脂類也很重要，因為它們是通常形成保護生物體內細胞內部的細胞膜的分子群。一些細胞膜由兩親分子組成，例如磷脂，它們具有疏水端和親水端，親水端由一個磷酸基團分子組成，通常與一個甘油分子連線成兩個尾部。這些磷脂將形成兩層，疏水尾部朝內，兩側是親水的磷酸基團分子。由於大多數生命形式都使用磷脂細胞膜，因此除了碳、氧和氫之外，磷也是生命必需的元素。

氨基酸

對生命存在至關重要的一組有機分子是氨基酸。氨基酸包含胺 (-NH₂)，它類似於氨 (NH₃)，但透過少一個氫原子，在碳原子鏈中形成共價鍵。氨基酸也含有羧基 (-COOH)，其中碳除了與碳鏈相連外，還與兩個氧原子 -COO- 相連，其中一個氧原子與一個氫原子 -OH 相連。氨基酸的這兩個關鍵部分表明碳、氫、氧、磷和氮都是生命必需的元素，但氨基酸本身並非生命，可以在實驗室合成，也可以在自然界中作為獨立的分子找到。大約有 500 種可變氨基酸，儘管大多數生命形式包含大約 20 種氨基酸。

當胺端 (-NH₂) 貢獻一個氫原子，而羧基端 (-COOH) 貢獻一個氧原子和一個氫原子時，氨基酸可以連線在一起，這三個原子一起形成一個水分子 (H₂O)，並將這兩個氨基酸連線在一起形成一條鏈。這種將氨基酸鏈連線在一起的過程可以形成稱為**蛋白質**的超大分子。這個過程稱為肽鍵，是一種聚合反應。**蛋白質** 是包含透過這些肽鍵連線在一起的氨基酸鏈的巨大生物大分子。氨基酸通常不會單獨連線在一起形成蛋白質，而是需要一種催化劑或酶來幫助連線這些鍵。這種中間分子被稱為 RNA（**核糖核酸**）。RNA 是一組極其複雜的分子，由碳、氫和氧（但也包括氮和磷）的多種型別的原子鍵組成。RNA 分子的組合有數十億甚至萬億種，但主要的 RNA 型別可以從其在蛋白質合成中的作用來觀察。

核糖核酸 (RNA)

mRNA 分子的簡單示意圖模型。信使 RNA 包含一個帶有連線核鹼基的糖磷酸聚合物（核糖）的單螺旋（軸）。

轉運 RNA (tRNA) 是一種具有獨特三葉草形狀摺疊結構的分子，一端對應於特定型別的氨基酸，它會與之結合，而另一端稱為反密碼子，會與信使 RNA (mRNA) 分子相吸，並在第三種稱為核糖體 RNA (rRNA) 的分子的存在下與相應的密碼子結合。根據信使 RNA 分子的表達，產生的蛋白質透過將氨基酸連線在一起而製成，並且根據信使 RNA 分子的表達而不同。RNA 由核糖（一種糖或碳水化合物）形成。**碳水化合物** 是指具有碳原子 (C) 的分子，除了與其他碳原子相連外，還與水合物相連，水合物是氧原子與氫原子 (-OH) 相連。RNA 也包含四種類型的鹼基對，稱為**鳥嘌呤** (G)、**胞嘧啶** (C)、**尿嘧啶** (U) 和**腺嘌呤** (A)，密碼子決定了氨基酸配對的順序。RNA 形成了一個極其複雜的原子鍵鏈的纏繞，它向內摺疊，有時由蛋白質支撐。

RNA 來自哪裡？

在現代生物豐富的地球上，mRNA 由所有生物細胞中的 DNA 合成。RNA 散佈在地球上每個生物體的所有細胞中。但 RNA 能否從無機化學成分中形成？這是對地球生命起源的中心科學調查之一，目前正在積極研究中。科學家們關注一種稱為**核酶** 的 RNA。核酶是一種能夠剪接或分解其他 RNA 分子的 RNA 分子。它們還可以催化自身的合成，利用這些片段分子。核酶 RNA 可以分解 RNA 並將這些片段結合到類似於自身的副本中。信使 RNA 也可以透過製作核酸長鏈密碼子的映象來複制自身，具有反向正負副本。由於這種型別的複製可以在沒有 DNA 的情況下進行，研究人員提出地球上最早的生命是由自我複製的 RNA 分子組成的，設想在地球早期歷史中存在一個 RNA 世界。但是，這些自我複製的 RNA 分子是生命嗎？

自我複製的 RNA 分子是生命嗎？

許多病毒，如在 2020 年和 2021 年導致許多人死亡的 Covid-2019 病毒，是一種自我複製的 RNA 分子，它被包裹在脂類膜中並與刺突蛋白結合。刺突蛋白從脂類膜中突出，在掃描電子顯微鏡下觀察時，病毒呈現出冠狀，因此得名冠狀，意思是冠狀。刺突蛋白的化學性質獨特，能夠進入各種哺乳動物呼吸道的某些細胞。一旦進入細胞，脂類會分解，受保護的 RNA 分子會釋放到細胞中。該分子會切斷宿主細胞的 RNA 和 DNA 分子，使其死亡，並利用這些片段分子複製病毒 RNA 和刺突蛋白的副本。一旦合成病毒 RNA 的複製副本，它就會從死亡的細胞中排出，利用死亡的細胞脂類形成膜，周圍環繞著一系列由 RNA 分子產生的刺突蛋白（和其他蛋白質）。每個受感染的細胞都可以產生數百萬個病毒副本，這些副本可以淹沒呼吸系統，導致感染的人死亡，或者讓他們病得很重，直到他們的身體能夠抵抗病毒感染。

RNA 病毒表現出兩種關鍵的生命特徵。首先，病毒可以繁殖（複製自身）。其次，病毒可以透過編碼在 RNA 中的性狀遺傳而進化。每次病毒透過複製 RNA 來繁殖時，都會引入複製的 RNA 分子發生新變化的可能性。這個過程允許 RNA 在其化學結構中引入和維持變異性，這與無機分子（如水 (H₂O)）中發生的情況截然不同。儘管水的同位素組成不同（例如在化學反應中），但每個水分子將完全相同。另一方面，RNA 分子由於其體積龐大且結構複雜，每個分子在化學上都可能非常獨特。這是由於引入 RNA 分子的微小變化造成的。RNA 分子就像一堆大型的撲克牌，排列每張牌在牌堆中的位置有幾乎無限種不同的方式。COVID-19 病毒的起源似乎發生在蝙蝠身上，在那裡，一個複製的 RNA 株具有一個新的獨特特徵，即具有編碼可使病毒感染人類呼吸道上皮細胞的刺突蛋白的密碼子。一旦病毒能夠感染新的宿主，這些 RNA 分子就會被複制，並且可以迅速地從細胞到細胞，以及從人到人地傳播。如果 RNA 株產生了阻止其進入活細胞的新特徵，它將不會複製，也不會傳播。這確保了成功複製的 RNA 是在環境中持續存在的分子型別。在 COVID-19 不幸的情況下，這種新型病毒在能夠高度感染人類肺部的細胞方面取得了成功，但也產生了無症狀病例，使它們能夠在人類個體之間密切接觸的空間內傳播。

生命有隨著時間變化的能力

這種變化或進化的能力是生命的一個關鍵方面，然而許多科學家將病毒視為一種化學顆粒而不是真正的生物體。這是因為病毒缺乏生命的許多其他特徵。例如，生物體生長。病毒只複製它們的分子構成，它們在產生或形成後不會生長或變化。換句話說，沒有幼年病毒或成年病毒。此外，病毒不會透過從化學反應中獲得能量來進行新陳代謝，它們只形成於最初的化學反應，並且需要僅存在於活細胞中的有機物質的破碎種類。一旦形成，它們不會保持內部條件穩定的穩態，相反，病毒很容易被熱量、氧化或破壞其脂質膜的肥皂破壞。它們無法對這些事件做出反應（例如遊走），也無法對不斷變化的環境條件做出反應。最重要的是，病毒沒有細胞結構，大多數病毒只是由包裹在脂質和蛋白質外殼中的 RNA 分子組成。然而，生物學家建議這些複雜的複製分子可能是生命的先驅；想象一個早期的RNA 世界。

生命的起源，也伴隨著死亡的起源

生命在最基本的層面上只是自組織系統。這就是複製過程有利於結果，而結果反過來又有利於該複製在迴圈中繼續進行。想象一疊紅黑卡片，如果發出一張紅牌，則丟棄該卡片，如果發出一張黑牌，則保留該卡片，並且可以發出一張第二張卡片，如果該卡片是紅牌，則必須丟棄兩張卡片，但是如果前兩張卡片是黑牌，則保留牌堆，即使下一張卡片是紅牌。每疊成功牌被隨機返回牌堆。這個過程隨著時間的推移會慢慢減少牌堆中紅牌的數量，並增加黑牌的數量。這是一個自組織系統的例子。為了使這起作用，必須持續迴圈利用材料，並且分子本身的持續時間很短。如果 RNA 不易分解，而是像矽酸鹽礦物的晶體結構一樣存在數百萬年，那麼這些分子將從一種狀態變為另一種狀態，然後像晶體一樣在很長一段時間內保持在那裡。

生命在其最簡單層面的基本原則之一是，這些複雜的分子必須易於分解，以便可以迴圈利用並重新用於新的分子。換句話說，為了生命的生存，它必須與死亡並存。這意味著這些複雜分子的形成需要向系統輸入能量，不可避免的結論是，這些複雜分子將在很短的時間內在其創造的環境中分解。每個生物體在其生命中的某個時刻都必須死亡，這種從分子產生（出生）到其毀滅（死亡）之間的短持續時間很短。這將確保複雜分子會自組織，但也需要持續輸入能量。

病毒真的是生命嗎？

並非所有人都認同病毒是活的，而且另一種病毒起源理論表明病毒起源於細菌。細菌與病毒不同，具有生命的全部特徵。它們表現出生長和發育，繁殖（無性或有性），它們將遺傳資訊傳遞給性狀遺傳，細胞內的遺傳資訊是可變的，並且能夠透過每一代的進化和改變，它們表現出內部條件穩定的穩態，並且可以透過從化學反應中獲得能量來代謝食物，包括在一些細菌中，透過光子獲得能量的一種非常巧妙的方式（光合作用），它們具有細胞體，並且對外部環境做出反應。此外，它們在出生和死亡之間具有非常短暫的生命週期，能夠快速繁殖，但也很快死亡。也許最重要的是，它們不像病毒那樣依賴宿主進行繁殖。

如果 RNA 株在地球上生命出現之前就存在，它們就需要能夠從無機分子（如氨基酸）中複製。這是一個活躍的研究領域，有一些關於這種現象在地球早期歷史中如何發生的理論。一個想法是氨基酸透過連線酶核酶 RNA 株結合在一起，這些株透過磷酸酯鍵將鏈連線在一起。這種方法已被用於實驗室中合成 RNA 鏈，其中 RNA 分子的末端透過夾板保持彼此靠近，直到它們連線在一起。另一個想法是 RNA 形成一個模板，在 RNA 聚合酶核酶存在的情況下，這些亞基會被吸引到 RNA 模板上，以形成該分子的副本，這是一種原始但與信使 RNA 在活細胞中製造蛋白質的方式類似的方式，但製造的是 RNA 自身的副本。

生命的基本特徵

表現出生長和發育
繁殖
幾代之間的性狀遺傳
可變的和獨特的個體特徵
隨著時間的推移而進化和改變
表現出穩態
代謝食物或能量
表現出細胞體
對外部環境做出反應
隨著時間的推移而死亡或消亡

類病毒

RNA 到 RNA 的複製已在自然界和實驗室中觀察到。在自然界中，RNA 到 RNA 的複製已在影響植物的傳染性病原體型別中發現，稱為類病毒。類病毒是短鏈的環狀單鏈 RNA 分子，缺乏蛋白質外殼。類病毒中的 RNA 不編碼蛋白質，而是能夠利用宿主細胞中發現的 RNA 聚合酶來複制 RNA，以合成新的 RNA。這是透過在植物細胞內使用原始類病毒的 RNA 作為模板來完成的。一些類病毒是核酶 RNA，它也可以在宿主細胞中使用裂解或分割較大的分子，並使用連線將這些片段連線在一起，以幫助複製新的 RNA 鏈。在實驗室環境中，Tracey Lincoln 和 Gerald Joyce 的工作證明了核酶 RNA 可以在實驗室中透過 RNA 模板連線自我複製，只要它們有用於合成該 RNA 的活躍的亞基供應。

疫苗

在 2020 年春天，Kizzmekia Corbett 看著美國國家過敏和傳染病研究所所長每天釋出簡報，介紹這種新型病毒在美國蔓延導致的不斷上升的死亡人數。到那年的 5 月，將近 60,000 名美國公民死於這種新型冠狀病毒，到 6 月，這個數字翻了一番，達到 120,000 人，到 9 月上升到 200,000 人死亡，兩年後，近 100 萬美國人死於這種病毒，死亡率高於世界上許多其他國家。紐約市的街道上停滿了裝滿屍體的冷藏卡車，等待著親人認領。在美國曆史上，從未有過其他時刻，其公民如此依賴對生命科學的清晰理解。病毒的傳播是對科學對一個國家健康的重要性的一種令人清醒的提醒。所有這些死亡都是由一個極小的自我複製的 RNA 粒子造成的，科學家們爭論它是否是一種生命形式。

為了找到疫苗和治療方法，一場競賽開始了。Kizzmekia Corbett 和她的科學家同事在 2020 年春季發表了一篇論文，詳細介紹了病毒刺突蛋白的原子結構，以及它如何利用細胞膜中的一種名為血管緊張素轉換酶 2（ACE2）的蛋白質進入呼吸系統的細胞。刺突蛋白將允許病毒 RNA 透過這個細胞門戶進入，就像一把鑰匙插入鎖中一樣。在開發疫苗或治療方法時，科學家提出的一個想法是合成刺突蛋白並將其注射到人體內。刺突蛋白會開啟細胞膜，但沒有病毒的 RNA 部分，細胞不會被感染併產生新的病毒 RNA 複製。這將使細胞能夠透過構建 *抗體* 來響應，以防止這些刺突蛋白在膜上開啟更多孔洞。如果該人在之後接觸到病毒，抗體會幫助阻止病毒感染細胞，並透過建立對病毒的抵抗力來阻止其複製。這正是疫苗通常的工作原理。這種接種有效，前提是蛋白質刺突不會隨著新一代病毒而改變或進化，而且通常需要更新或進行蛋白質加強劑注射。另一個更激進的想法是注射編碼刺突蛋白的信使 RNA。這將允許 RNA 複製刺突蛋白，並導致更長時間的病毒免疫力，因為它將使用 RNA 在體內合成。這項新技術催生了 Moderna 和輝瑞的 RNA 疫苗，它們在對抗這種疾病方面取得了更大的成功。

我們如何定義生命

生命的關鍵特徵之一是複雜分子的快速迴圈，包括構建和分解，這導致了自我複製的迴圈，該迴圈會朝著成功的複製模式進行自組織。簡單地說，生命是一組複雜的分子，它們透過一個促進自我複製的系統不斷地形成和破壞，並與試錯相結合。我們可以把生命想象成任何在短時間內出生、繁殖（繁殖）和死亡的東西。你和最簡單的病毒擁有相同的迴圈：出生、繁殖和死亡。水晶之所以不是生物，是因為它可能是透過化學反應產生的，但它不會自我複製，而且只有在數百萬年內由於化學、溫度和壓力變化而改變其結構。岩石迴圈極其緩慢。另一方面，生命是短暫的，在生與死之間以及重生之間不斷地波動，每小時、每天、每年都如此。生命從其脆弱性中獲得其本質。

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