原作：chaotropy
引言：本文是关于生命起源、自然发生、化学进化和 RNA 世界假说系列文章的第一篇。
/机器翻译/
我们都熟悉达尔文的进化论，它完美的解释了生命是如何从单细胞生物演化成我们这些哺乳动物的。但最初的生命是如何诞生的？生命是如何从无生命物质中出现的？进化之前发生了什么？几十年来，物理学家、化学家和生物学家一直研究生命如何自然地从非生物物质中产生的过程——这被称为生命起源。
这个故事始于宇宙中最基本的构建模块：原子。碳、氢、氧、磷、硫和氮等元素的原子是地球上所有生命的最小粒子。在地球表面的条件下，它们彼此之间的行为都很奇怪。它们在构成我们星球的98种元素中形成一种家族，特别是在地球表面的温度和压力下，这种组合可能在许多其他世界上都不会发生。仿佛化学计量的规则是一个巨大的神圣建造套件的指令，可以创造出无限数量的几乎无限复杂的结构，这六种元素可以在我们的天空下组合成无数的分子，并且丰富地溶解在年轻星球的原始海洋中。正是在这种被称为原始汤的环境中，生命的故事开始了。
推动这六种元素不断形成新组合的力量是追求达到能量最佳状态，即尽可能低的能量状态。当两个化学粒子在化学反应中结合形成第三者时，这两个单独反应物固有的能量之和与所得产物的内部能量不相等。因此，如果产物的内部能量大于其反应物，则必须添加能量。但即使产物的内部能量小于其组分之和，也必须先耗费一定量的活化能才能开始反应。这可以说是点燃干木头的火柴，没有它我们甚至无法点燃最干燥的木头。顺便说一句，这是一个恰当的例子，因为火最终是一个反应，其中反应物碳和氧结合形成产物二氧化碳，并释放能量以热辐射和光的形式。在木材燃烧之前，这个反应都是能量最优状态。
但这个原理也可以反过来运行。为了从二氧化碳中产生氧气和碳，植物需要紫外辐射形式的能量。不过，更准确的说法是植物提供了一个（微观的）环境，在这个环境中紫外辐射的能量足以使二氧化碳分解为氧气和碳，从而在能量上达到最佳状态。否则，我们的大气层将不会从二氧化碳中产生氧气。用一个更简单的比喻：我们站在峡谷旁边，拿起一块石头（活化能量），然后扔进峡谷（反应）。显然，当我们放开石头时，它会掉下去，因为在这些新条件下，峡谷底部对于石头来说是能量上的最佳选择。
早在1953年，斯坦利·米勒 (Stanley Miller) 和哈罗德·克莱顿·尤里 (Harold Clayton Urey) 在他们著名的实验中表明，生命的基本组成部分可以在年轻地球上存在的条件下形成。他们假设原始大气层由氨气、一氧化碳、氢气、甲烷和蒸发水组成。然后对这种气体混合物施加高电压，导致静电放电或闪电。通过这种方式，他们在体外再现了据推测在地球早期时期肆虐的强烈雷暴。他们收集了从他们的气云中凝结的水，即雨水，然后发现其中的氨基酸完全是在没有生物体的情况下自行形成的。这是第一个确凿的证据，证明生命可以非生物地、即从死物质中全新地起源（古希腊人将雷电归因于他们的主神宙斯，这样的闪电不仅可怕，而且对生命的起源至关重要，难道这不美妙吗？）。通过这种方式，在我们仍处于死寂星球的海洋中，可能形成了伴随着醇类、简单糖、碳酸、氨基酸和核苷酸碱基的分子，这些分子首先使生命成为可能。
这些分子反过来又可以结合形成无限多甚至更大的连接分子：葡萄糖相互连接形成链条（称为多糖），氨基酸相互连接形成多肽——这些是如今作为蛋白质在我们身体中执行几乎所有功能的分子的早期前体。
许多这些化合物非常不稳定，不断变换形态。另一方面，其他化合物则表现出极高的持久性，即只有在有大量能量可用时才会分解为其组分。导致随机组合产生越来越复杂和稳定化合物的过程也被称为化学进化。它在我们星球漫长无尽的童年时光中稳步发展，是在其之前雷鸣般的生命交响曲的悠闲前奏。
生命基于复杂而稳定的化学化合物，因为根据定义，它必须能够在最基本的形式下进行自组织和自复制。因此，它需要一组稳定的构建模块，可以组装成长度理想可扩展的分子链。这些分子链不应该非常活跃。它们应该对大多数反应以及其环境中的其他分子具有抵抗力——化学家将这种物质称为惰性。这些分子将被再现为“信息”，同时提供一个分子固定点，可以实现组织。核苷酸碱基是这类分子的适合构建模块。这个家族中的五个成员似乎对生命具有杰出重要性：尿嘧啶、胸腺嘧啶、胞嘧啶、腺嘌呤和鸟嘌呤。前三者（尿嘧啶、胸腺嘧啶和胞嘧啶）源自一种叫做嘧啶的分子，这是一种六边形环结构，在早期地球条件下可能形成，并是前述化学进化的产物。嘧啶骨架在能量最优条件下几乎拥有完美的几何形态，因此在地球条件下非常稳定。而腺嘌呤和鸟嘌呤则共享嘧啶的基本结构，它们有一个双环结构，可以由嘧啶和一个被称为咪唑的五边形环组成。
核酸碱基可以与核糖（一种也可能在原始海洋中形成的糖）和磷酸结合，各自形成称为核苷单磷酸（NMP）的分子。这可能发生在海底火山热矿物表面的高温下，那里是生命起源的热点——生命的基本构建模块是在极高温度的地方锻造而成的。如果火山喷发还释放所谓的焦磷酸盐，核苷三磷酸（NTPs）可以与这些焦磷酸盐结合形成。NTPs是活化化合物，其内部能量不再需要大的冲动就能释放出来。回想一下火柴，NTPs就像是浸泡在汽油中的木棉，它们仍然在现代生物体中扮演着关键角色：例如，腺苷三磷酸（ATP）是我们身体细胞新陈代谢的中心中间能量储存。NTPs的能量也可用于结合NTPs自身，释放焦磷酸盐。通过这种方式，可以形成巨大的核酸碱基链条——结果是稳定且同样复杂：核糖核酸（RNA）。
越来越长的RNA分子是随机形成的，并经常融合在一起。然而，有时它们会被电磁辐射或特别活性的分子（自由基）再次分裂。这种现象也遵循能量优化的规则：如果一个高能光量子撞击RNA，并且其能量足以提供活化能量，则分子的分解是最佳的。如果一个活性自由基相互作用，可能会得到一个新的化合物作为能量结果。
嘧啶也可以在许多陨石中找到。作为星际漫游者，它们在太空的广袤中收集这种极其稳定的物质，据认为它是在死去的太阳、红巨星的火焰中产生的。在地球早期历史上，撞向地球的无数陨石也可能带来了这种创造性的星尘。2015年3月，NASA在一项地外实验中展示了引人注目的结果：研究人员能够证明，在早期地球表面暴露的辐射条件下，在寒冷的太空中，嘧啶连同原始“原始汤”的组分，独立形成了尿嘧啶、胸腺嘧啶和胞嘧啶这些核酸碱基。。