地球/7c. 生命是如何起源的？
斯坦利·米勒於 1951 年進入芝加哥大學，此前幾年經歷了一場家庭悲劇。米勒在加利福尼亞州奧克蘭長大，他和他的兄弟都愛上了化學科學。1947 年，在大學學習化學期間，一直支援他學習的父親突然去世，這讓他不得不思考未來的教育，因為沒有了父親的經濟支援。加州大學的教職工和學校都支援他申請研究生院，他幸運地獲得了芝加哥大學的助教職位，繼續深造。米勒最初被分配到愛德華·泰勒的實驗室，愛德華·泰勒是一位匈牙利科學家，在 20 世紀 50 年代參與了氫彈的研製。但對斯坦利·米勒來說，這個實驗室並不是一個愉快的地方，他在這裡很掙扎。他從小就相信自己是一個化學神童，但現在卻難以找到感興趣的研究課題。愛德華·泰勒沒有幫上忙，因為他經常研究更大更具破壞性的原子彈，資金來自美國政府。米勒對化學作為一門科學領域感到幻滅，這門科學領域似乎只致力於製造更大的炸彈和創造更大的原子。有一天，他坐在諾貝爾獎獲得者化學教授哈羅德·尤里的講座上，哈羅德·尤里研究同位素，並發現了氘。尤里在他的講座中討論了太陽系的起源，並暗示了地球生命起源的神秘之處。這場演講給了米勒一個想法，一個主題，而不是研究原子彈，他要研究生命的起源。他 убедил 哈羅德·尤里同意他作為他的顧問，並換了實驗室。尤里猶豫了，因為他知道從無機化學反應中研究生命起源可能對這位年輕科學家來說是一個很難進入的領域，但熱情的斯坦利·米勒說服了他的顧問給他一些實驗室空間。他有一個想法，想嘗試一下。
米勒首先用實驗室小版本模擬了早期地球的大氣和海洋，他知道從地質證據來看，早期地球是缺氧的，沒有遊離氧氣。他使用了純淨水 (H2O)、甲烷 (CH4)、氨 (NH3) 和氫氣 (H2)。氣體被裝入一個密封的無菌玻璃燒瓶中，透過一根管子連線到一個半滿的水燒瓶，他將水燒瓶放在熱源上，產生水蒸氣，在裝滿氣體的燒瓶下方，他冷卻氣體，使水蒸氣下降到另一個管子回到裝滿水的燒瓶中。沿著這個管子，他有一個閥門來取樣在此形成的冷凝液。他給裝滿氣體的燒瓶中加入的一個關鍵物質是電火花。他認為這種火花代表了地球氣體大氣中的閃電。實驗完成後，就在實驗室裡進行。其他學生嘲笑他簡單的實驗，燒瓶下方有火花噼啪作響和燃燒的火焰，看起來像是你在弗蘭肯斯坦實驗室裡看到的科學實驗，而不是諾貝爾獎獲得者化學家的實驗室。哈羅德·尤里同樣擔心這個實驗毫無意義，無機化學物質怎麼可能僅僅用這些成分就能產生生命呢？米勒每天觀察實驗，記錄實驗過程。不久，水中的顏色變成了粉紅色，然後變成深棕色，裝滿氣體的燒瓶也變成了黑色。米勒取樣分析了產生的混合物，他發現的東西讓全世界都驚歎不已。
他發現了氫氰酸 (HCN)、甲醛 (CH2O) 和二氧化碳 (CO2) 的痕跡，但也發現了更大的碳分子鏈，如甘氨酸 (NH2-CH2-COOH)，以及多種氨基酸，如腺嘌呤，一種存在於 DNA 中的核鹼基，以及碳水化合物，如核糖（RNA 的骨架分子）。
在米勒進行實驗近 70 年後，科學家已經證實，這些更復雜的生物有機分子可以從如此簡單的實驗中合成出來。此外，新增硫，硫可能以硫化氫 (H2S) 或硫酸鹽 (SO42-) 的形式存在於火山活動的大氣中，這導致了其他新生物有機分子的合成。有了氨基酸和碳水化合物來源，如核糖，至少有了生命的原材料。唯一缺少的就是 RNA（核糖核酸）的出現，它將這些氨基酸和碳水化合物結合在一起形成自我複製的分子，這需要三種類型的核糖核酸的協調。這就是實驗失敗的地方。
複雜的 RNA 分子要困難得多，而且尚未在實驗室中從如此簡單的無機物質中合成出來。這些更復雜的分子需要額外的能量和原材料輸入，以及不同的過程。生命的配方中這些步驟是什麼，仍然是一個謎。
科學家引入了電磁輻射，以強光的形式，蒸發（這似乎是一個關鍵過程），以及其他材料來源，如磷酸鹽。研究還表明，由磷酸鹽和鈣離子組成的礦物磷灰石，在熱水中（接近 80 °C）促進了核糖從甲醛和乙醇醛的形成。核糖是更復雜的 RNA 分子的重要組成部分。實驗中使用水的 pH 值也至關重要，以及實驗執行的時間長度。進行這樣的前生物實驗室實驗讓科學家們越來越接近於使用早期地球的假定條件來複制生命。但這些實驗尚未產生簡單的基於 RNA 的生命形式，像自我複製的病毒那樣的簡單生命形式。這些實驗室實驗的奇怪之處在於，科學家創造了生命，但他們在製造生命的過程中不得不作弊，使用可能不存在於早期地球上的物質——細胞膜。
大多數人會說克雷格·文特有點叛逆；他從不服從，從不迴避自己的信念和強烈的動力。他於 1946 年出生於鹽湖城，後來搬到舊金山，他是一個普通的學生，高中畢業後就讀於加州的社群大學。與斯坦利·米勒不同，克雷格·文特不是什麼化學神童，他大部分空閒時間都花在衝浪或航海以及在海灘上閒逛，勉強考到 C 和 D。隨著 20 世紀 60 年代越南戰爭的爆發，他意識到自己很可能會被徵召入伍，所以他決定參軍，在加利福尼亞州聖地亞哥接受醫護人員的訓練。他在海軍中的態度沒有改變，最後在一次混亂的軍事法庭後被調遣，被派往越南沿海城市峴港的野戰醫院。
這是一個危險的地方。1968 年 1 月 30 日，北越軍隊發動了“春節攻勢”，襲擊了從北部的廣治到南部的西貢沿岸的數百個城市。這場大規模的進攻導致戰爭雙方都產生了重大傷亡。克雷格·文特正在人滿為患的醫院工作，這座城市成為了戰爭核心區域。死亡無處不在，傷員和垂死之人湧入海軍診所，而街道上則爆發了槍戰。目睹了周圍如此多的人死去，他陷入了深深的沮喪，有一天，他再也忍受不了，遊進了海里，遠離了死亡的海岸。在游泳時，他想知道自己是否應該返回岸邊。回到一個人們遭受痛苦和死亡的世界。當地球海洋的波浪起伏時，他那微小的漂浮的身體，在液體海洋和氣體大氣之間的廣闊空間裡上下浮動。他思考著自己人生的意義。在空虛中，他抓住了目的——他要拯救人們。從越南和血腥的戰爭中回來後，他在社群大學完成了學位，結婚，併入讀加州大學，攻讀生理學和藥理學研究生，而不是成為一名醫師，他認為透過開發治癒疾病的新藥來拯救更多的人，而不是治療個別病人，他可以拯救更多的人。研究生畢業後，他的才華和動力讓他在紐約州立大學獲得了一份教職，但他仍然狂妄自大，與妻子離婚，並娶了他的學生之一。1984 年，他開始在國立衛生研究院 (NIH) 工作，後來在詹姆斯·沃森（1962 年諾貝爾生理學或醫學獎獲得者之一，因發現 DNA 的分子結構而獲獎）的領導下工作。國立衛生研究院的專案是測序組成人類細胞單個 DNA 分子的各種單個核苷酸。這個專案是剛剛起步的《人類基因組計劃》，該專案於 1990 年啟動，旨在繪製組成人類 DNA 分子的單個基因圖譜。
克雷格·文特開發了一種方法，將大型分子切成越來越小的片段，並透過將資訊輸入計算機庫來分析這些序列。每個工作站都檢視越來越小的單個片段，就像一個工廠。它們被設定為繪製出每個核苷酸序列，即在人類細胞中發現的複雜 DNA 分子中遺傳物質的單個程式碼。文特與許多主管發生了衝突，主管們認可了他的才華和雄心壯志，但努力抑制他的自負和觀點。大約在專案開始一年後，文特辭職，併成立了一傢俬人公司，旨在為人類基因組申請專利，並在與政府資助的科學家的競爭中勝出。這一事件震驚了世界，人們認為一家公司可以擁有生命的知識。文特在解碼使生命成為可能的複雜有機物方面的才能，不僅在解碼在活的動物和植物中發現的 DNA 分子方面取得了重大突破，而且在構建新的 DNA（和 RNA）鏈以合成新的生命形式方面也取得了重大突破。
1995 年，他的團隊破譯了細菌流感嗜血桿菌的遺傳密碼，這種細菌會導致致命肺炎和腦膜炎，尤其是在嬰兒和幼童中。他們隨後對解脲支原體進行了完整的基因組測序，這是一種性傳播細菌，生活在人類生殖器上（也缺乏細胞壁，是迄今為止發現的最小細菌）。這些簡單的單細胞細菌的基因數量遠少於人類 DNA 基因組，文特想知道他是否可以合成一個更簡單的細胞。
最簡單的生命形式是什麼？生命所需的最小遺傳資訊量是多少？斯坦利·米勒的實驗詢問了如何從無機物質中創造生命，文特則從另一方面提出了問題，即存在的最簡單的生命形式是什麼？換句話說，如果他能將這些複雜的分子分解以繪製和研究它們，他和他團隊能否將它們重新組裝在一起，創造出新的生命形式，這些生命形式可以被引導來製造新的藥物或疫苗？能夠做到這一點將徹底改變醫學。
文特和他的大型團隊於 1995 年開始合成生命。這項任務表面上很簡單，製造一個 DNA 分子，然後觀察它在餵養和照顧的情況下是否會繁殖。然後，他們將從這些培養的複製細胞中選擇，並繪製基因組圖譜，以檢視合成生命是否會表達他們在實驗室中建立並插入第一個細胞的初始分子中設定的相同基因。他們面臨的主要問題，也是無數研究人員之前遇到的一個問題，是與細胞膜有關。如果製造了 RNA 或 DNA，它必須受到某種膜的保護，否則它會因環境條件（尤其是在有遊離氧或溫度略有變化的環境中）而迅速分解。氧化或熱量導致碳-碳鍵斷裂，可以迅速分解這些複雜的分子，使它們沒有機會複製，因此需要保護膜。研究人員計劃使用細菌膜，並將他們的合成分子插入空膜中，這很像病毒感染細菌細胞以複製自身的方式。一次又一次，培養的細胞不是他們合成的分子，將他們合成的分子插入空細胞的能力證明幾乎不可能。他們嘗試了 15 年，擁有大量研究人員，試圖向世界證明這確實是可能的。
2010 年 7 月，該團隊終於宣佈成功，他們在《科學》雜誌上發表了一篇名為“用化學合成的基因組控制細菌細胞的建立”的論文。培養的細胞（只有 582,970 個鹼基對）包含了他們名字的水印，刻在合成生命形式的遺傳密碼中。自這項驚人發現以來的幾年裡，製藥公司紛紛要求使用這項技術來合成藥物和疫苗，而公眾則越來越擔心這種技術，對“基因”改良食品產生了厭惡。自 2010 年以來，我們生活在一個人類能夠合成生命的世界裡，就像工程師建造汽車一樣。
這些突破以及實驗室進行的其他實驗表明，地球上生命的起源是透過地球大氣中獨特的氣體化學特性、海洋的液體化學特性以及地球岩石表面的固體化學特性所促進的多個複雜步驟實現的，這一切得益於缺乏氧氣。RNA 世界的出現，即生命最初以自複製的碳鏈大分子（含有氫、氧、氮、磷和硫）的形式出現，被認為發生在地球歷史的早期。然而，隨著地球歷史後期富氧海洋和大氣層的出現，這些早期生命形式可能被摧毀並滅絕，只留下那些進化出保護性細胞膜的生物，即第一個真正的生命形式——細菌。
細菌符合生命的定義。它們表現出生長和發育，它們繁殖，它們傳遞具有性狀遺傳的可變遺傳資訊，它們能夠透過每一代進化和改變，它們表現出細胞內部穩定的條件的穩態，它們可以透過化學反應獲得能量來代謝食物，它們具有帶膜的細胞體，它們對外部環境作出反應，最後，它們從出生到死亡之間具有非常短的生命週期，能夠快速繁殖，但也能夠快速死亡。
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