如何用一滴水创造一个世界？

本文由微信公众号“新发现杂志”授权转载

化学家意外地发现，将两个简单分子投入水滴，无需任何外界作用，它们就能迅速形成复杂分子！而这，仅仅是“表面张力”在起作用，它会促使水滴中所有分子相互连接。
这是一项重大发现，因为它终于为地球生命起源提供了一个可信的脚本：始于水滴的化学反应或许通过云的传播，最终席卷原始地球。水滴内部究竟有什么？答案是：生命的能量。现在，科学家正试图掌握这种能量……

一切是怎样开始的？桀骜的原子如何相互作用，从而形成稳定的分子？何种神秘力量使这些微小的物质凝块集中在一起，迫使它们搭出巨大的构造？又是何等奇迹才能让这些分子相互合作，集合成复杂系统？

简言之，生物活动是如何出现在这个化学世界中的？

这个问题是关键。法国斯特拉斯堡大学安德鲁·格里菲思（Andrew Griffiths）领导的一个由物理学家和化学家组成的团队如今带来了一个答案，它简单至极：

一切可能开始于约40亿年前原始海洋巨浪溅起的飞沫与原始大气的高空云层之中。激起这一伟大进程的能量可能来自小小的水滴，它们点燃了生命的火花。

难以想象吗？没关系，只要观察雨后的树叶就能理解，这些小小的液滴蕴含着非凡的能量。否则如何解释它们能够凝聚不散？

事实上，200多年前人们就已经知道这一能量的来源。一切都发生在水滴的内壁。那里的水分子无法与外界建立联系，于是把能量集中于邻近的分子，从而更加紧密地相互连接在一起。这在水滴表面形成张力，将其压缩成一个球体。

这种内力似乎小得可怜：表面积为1平方厘米的小水滴蕴藏的能量相当于托起一粒直径0.1毫米的沙子所需的力气。但就是它使水滴中的水分子连成一体，是它使注满液体的容器中液面会稍稍高出容器，是它支撑蚊子的体重、赋予它们在水上行走的能力……

这种既平常又神奇的现象或许也提供了人们追寻已久的生命能量。

这是因为，生命诞生的奥秘取决于一个能量问题。地球上存在着生命体这样复杂的结构，这本身就是对热力学、即能量转换之科学的挑战。

热力学第二定律规定：熵（一个系统的混乱程度）只会增加。物质有逐渐稀释的趋势，组合则趋向崩溃。“自然促使事物维持不变，而不是生成复杂系统。”西班牙巴斯克大学前生命化学专家科帕·鲁伊兹-米拉佐（Kepa Ruiz-Mirazo）如此描述。

问题来了：组成地球生物的无数原子是怎样自我组织，形成一个个如此和谐、能够繁殖进化的结构的呢？

第一步是分子化，这没有问题：原子（氢、碳、氧、氮）转变成简单的化学分子是初等化学就能解释的。

但然后呢？

1953年，美国生物学家斯坦利·米勒（Stanley Miller）利用放电在试管中生成氨基酸。从那一刻起，生物学家和生化学家就从未停止过对这一问题的研究。

斯坦利·米勒当时认为，他已经破解了从化学世界迈入生物世界的关键：通过这22种不同的氮化合物，可以造出地球上的一切生命体。

答案似乎已经显现：生命从被闪电击中的各种温汤——积水、湖泊或海洋——的热量中摄取能量，从而战胜了熵。在这其中自发形成了简单的有机分子，再聚集为更加复杂的结构，它们占领了整个地球。

只不过，生化学家此后意识到，这一阶段并非关键：在自然界里，氨基酸其实是相对容易合成的——太空中“无法生存的”环境里都能找到它们，陨星就曾带来证据。

“毫无疑问，菲莱登陆器和罗塞塔号会在楚留莫夫－格拉希门克彗星上找到氨基酸。”蒙彼利埃大学生物分子研究所的化学家罗贝尔·帕斯卡（Robert Pascal）补充说，“只要有碳、氮、氢和氧就能搞定！”

实际上，真正的难题在下一阶段，当这些基本材料聚集在一起，形成大小和复杂程度都增加百倍的分子，如蛋白质或核苷酸，它们才是真正的前生命分子。

科学家有时能造出几个样本。例如，2009年，英国生化学家约翰·萨瑟兰（John Sutherland）成功合成了核苷酸。

但是，试管中的成功在自然界里却很难想象，热力学在此投了否决票。“要想就前生命分子的形成提出可信的脚本，就必须找到一些使系统失衡的进程。”科帕·鲁伊兹-米拉佐总结说。

沉浸在温汤中的氨基酸从哪里找到团结起来的力量？一定有什么东西改变了化学反应。可是，是什么东西呢？

生化学家提出了一些特殊环境。例如岩石上的纳米级孔隙。孔隙通过形状对分子形成一定筛选，可能由此引起化学反应。又或许是热液源附近的黏土，其水合层起到了庇护所和催化剂的作用……又或许是海岸：循环往复的水流使反应物集中在一起，引发了进程。

科帕·鲁伊兹-米拉佐解释说：“近几年来，我们感觉到，要解决热力学问题，得在两种环境的界面上寻找。”

斯特拉斯堡大学的物理学家和化学家正是在此有了突破。对于偶然发现这一简单机制的经过，他们仍感难以置信。

起初，他们与生命起源问题毫无瓜葛。这些微流控专家手头的设备能制造、控制数百个大小精确的水滴（直径1至100微米），原本只想利用刚发现的一种反应物不能发光、产品却能发出荧光的化学反应开展研究。

“我们对荧光产物特别感兴趣，因为它们很容易辨认、量化，不用进行化学分析。”完成该实验的阿里·法拉-阿拉吉（Ali Fallah-Araghi）解释说，“只需测算光亮度即可。”

涉及的化学反应简单至极：两个与氨基酸相似的有机小分子——一个醛分子和一个胺分子相遇，形成一个更复杂的分子——发出荧光的亚胺——和一个水分子。

实验设备也不复杂，只需将反应物注入微流控芯片（制造水滴的微型液压管道），随后通过显微镜观察释放的光亮，追踪产生的亚胺即可。

然而结果出人意料：与亚胺分子本该发出的微光不同，水滴开始闪耀强光。这一热力学不利的反应（合成醛和胺所需的能量比逆向用一个水分子摧毁亚胺大得多）居然进行得非常高效！

研究人员感到很不可思议，决定重新进行实验，但对浓度、水滴大小进行调节……他们发现，反应不仅十分顺利，而且随着水滴直径减小，效率越来越高。

实验有偏差？不是！验证后发现，反应加速既不是由于压力改变，也不是因为与分离水滴的油发生了物质交换……水滴的几何特征是唯一原因。

“于是我们便结合水滴内化学反应的热力学概念，尤其通过为分子与水滴表面的相互作用建立模型，试图解释这一进程。”研究团队成员卡洛斯·马奎斯（Carlos Marques）详述道。

这是因为，液体与水滴之间只有一个区别：表面。这种现象的关键就在于此。微型水滴中，表面释放的张力占据主导地位，从而吸引醛分子和胺分子中的原子，暂时挂在水滴表面。

“分子一旦挂到表面，就不再像在水滴中心那样在三维空间中发展，而是处在了一个二维空间里。”参与研究的物理学家让-克里斯托弗·巴莱（Jean-Christophe Baret）描述道，“所以它们不用跨越很长距离就能相遇产生反应。”

也就是说，水滴表面使这两种氨基酸结合为更复杂分子的频率远高于“温汤”，扭转了反应的平衡。而这无需增加其他任何物质，也用不着外界辐射刺激……“更不需要引入什么机制使反应分子集中在一起。”让-克里斯托弗·巴莱补充说，“一切都自然发生，一刻不停。这一力量适用于所有分子。”

这就是这一研究方向的根本优势：水滴是所有反应的加速器。与岩石孔隙或黏土相反，它不只对一些分子有利。研究人员可以把任何物质放进实验装置，它们都将进入同样的复杂化进程！

最普通的事物展示了出人意料的能量，能将物质聚集在一起。此外，微型水滴这个天然化学实验室是如此高效，可以预见，更加精确地操控水滴，便可催生无数新的应用。一些人从而认为，一场技术革命正在展开。

这篇几个月前发表的论文在结论中冷静地指出，这一机制“可以帮助我们了解，在热力学规律对化学反应不利的情况下，为什么还能达到必要的前生命合成水平，使得系统能够自我复制、进化，乃至出现生命。”

说白了就是：生命可能起源于水滴。

“这很有趣。”艾克斯-马赛大学的前生命化学专家格雷果·当热（Grégoire Danger）评论道，“它简单、普遍，无需任何特殊条件……”

“这是人们首次精确观察到界面对化学反应产生的作用，不仅仅是加速反应而已。”科帕·鲁伊兹-米拉佐补充说，“水滴表面还扭转了热力学平衡！”

这一假设由来已久。几年来，不少生命起源专家着力于研究被脂肪酸包裹的微小水滴（可以在水中自动形成）的行为，观察到分子浓度局部上升的现象有所增加。“但还缺乏精确的观测结果、以及对与界面相关的热力学效应的物理描述。”科帕·鲁伊兹-米拉佐指出。

斯特拉斯堡大学团队的发现来得正巧，因为研究生命起源的生化学家正处于激烈竞争之中，并且制定了一个新计划：让所有化学反应展开竞争，看看哪些能以足够的速度和效率胜出。简言之，他们试图从生命出现之前的阶段就开始应用达尔文的进化论……

“怎样把能量注入化学分子构成的系统？各种系统如何自我组织，才能在远离热力学平衡的状态下自我维系？越来越多的专家开始认为，这些才是关键问题。水滴表面的这一过程可能在大局中起重要作用。”罗贝尔·帕斯卡总结说。

生命起源的新脚本正在成型：飞沫，云朵，甚至海洋中被油脂包裹的小水珠可能制造出了前生命分子。随后，这无数个携带着复杂分子的微型实验室或许成了物竞天择的场所，使一些化学分子逐渐脱颖而出……直至改变世界的构成，并且启动下一阶段——形成第一个原生命体。

接下来要做的就是在真实的环境中精确地量化这项发现带来的影响：水滴的数量和寿命是否足以引发一种能动关系？同时还得把它与其他进程相结合。“大气中的水滴可以下降、上升，经受各种温度或辐射……”安德鲁·格里菲思列举道，“这一切都可能促进反应发生。”

现在该轮到还原原始地球环境的生化学家采取行动了。40亿年前的飞沫能否使化学走出死寂，进入生物学的复杂世界？生命起源的火花是否诞生于古代的云雾之中？最终是不是一滴水掀起了生命的巨浪？这都要由他们来判定。

目前看来，水滴为我们提供了一种合情合理的机制，能够解释地球生命是如何抵达今天这一步的……

撰文 Mathilde Fontez

编译 周佩琼

来源：新发现杂志

编辑：Quanta Yuan