化學進化論，即主張從物質的運動變化規律來研究生命的起源。認為在原始地球的條件下，無機物可以轉變為有機物，有機物可以發展為生物大分子和多分子體系，直到最後出現原始的生命體。
1924年蘇聯學者奧巴林首先提出了這種看法；1929年英國學者霍爾丹也發表過類似的觀點。他們都認為地球上的生命是由非生命物質經過長期演化而來的；這一過程稱為化學進化。
化學進化論在自然科學中是指一種闡釋從無機物中產生地球生命起源的理論。在米勒實驗——該實驗模仿了早期地球的環境，科學家發現通過與生命無關的自然化學反應能夠產生被稱為“生命原材料”的胺基酸。在生命體中，這些胺基酸組合成蛋白質；而蛋白質的構造則又是由核酸所決定。所以，地球上的生命是如何起源的問題最後就歸結為核酸最初是如何產生的。
基本介紹
- 中文名：化學進化論
- 外文名：Theory of chemical evolution
- 出版：1936年
- 出自：《地球上生命的起源》
- 特點：原始地球的地殼薄弱
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過程
化學進化的基本過程：地球內的溫度很高，火山活動頻繁，從火山噴出的許多氣體構成了原始大氣。一般認為原始大氣包括CH4、NH3、H2、HCN，H2S、C0、C02和水蒸汽等，是無游離氧的還原性大氣。
其主要根據是：
（1）射電望遠鏡無線電波譜分析表明，現在離太陽較遠、變化較小的行星如木星、土星等的大氣，都是由H2、He、CH4、NH3等組成的還原性大氣；
（2）遠古沉積岩所含的鐵是氧化程度較低的磁鐵礦(Fe3O4)，而以後生成的“紅層”所含的鐵則是氧化程度較高的赤鐵礦(Fe2O3)，這反映了原始大氣從還原性向氧化性的過渡，是在藍藻和植物出現後，通過長期的光合作用，逐步形成地球的氧化性大氣。
由於原始大氣中無游離氧亦未形成臭氧層以阻擋、吸收太陽輻射的大部分紫外線，所以紫外線能全部射到地球表面，成為合成有機物的能源。此外，天空放電、火山爆發所放出的能、地球深處的放射線和宇宙空間的宇宙線以及隕星穿過大氣層時所引起的衝擊波等，也都有助於有機物的合成。在上述各種能源中雷鳴閃電似乎更重要，因為它所提供的能量較大，又在靠近海洋表面處釋放，那裡合成的產物很容易溶於水中。
合成
模擬實驗
1952年美國芝加哥大學研究生S.L.米勒，在其導師H.C.尤里指導下，進行了模擬原始大氣中雷鳴閃電的實驗，共得到了20種有機化合物，其中11種胺基酸中有4種（甘氨酸、丙氨酸、天門冬氨酸和谷氨酸）是生物的蛋白質所含有的。
以後其他學者又進行了大量的模擬實驗，或改用緊外線、b射線、高溫、強的陽光等作能源，或改換了還原性混合氣體的個別成分（如以H2S代替H2O、以HCN代替CH4和H2、或增加CO2、CO等），結果都能產生胺基酸；而用氧化性混合氣體代替還原性混合氣體進行實驗，則不能生成胺基酸。現在組成天然蛋白質的20種胺基酸，除了精氨酸、賴氨酸和組氨酸以外，其餘的都可用模擬實驗的方法產生。
著名的米勒實驗裝置
著名的米勒實驗裝置組成核酸的生物小分子多數亦能通過模擬實驗形成；如有人用紫外線或g射線照射稀釋的甲醛(HCHO)溶液獲得了核糖和脫氧核糖；用紫外線照射HCN獲得了腺嘌吟和鳥嘌吟；用丙炔腈(N≡C-C≡CH)、KCN和H2O在100℃下加熱一天得到了胞嘧啶；將NH3、CH4、H2O和蘋果酸與聚磷酸加熱至100～140℃獲得尿嘧啶；將腺嘌呤及核糖的稀溶掖與磷酸或乙基偏磷酸鹽（ethylmetaphosphate）放在一起，用紫外線照射，可生成腺苷；將腺苷、乙基偏磷酸鹽封入石英玻璃管中用紫外線照射，可產生出腺苷酸（AMP）等。此外脂肪酸也可通過用高能電子照射碳氫化合物和二氧化碳而獲得。
高能
大量的研究模擬了幾種基本的高能環境—放電、紫外線照射（其它高能輻射）和熱能，並成功生成了最重要的生命構建（低分子）有機化合物—胺基酸、單糖、低分子碳氫化合物、嘌呤、嘧啶、卟啉等。人們認為，在早期的地球，可能存在過這樣的環境（全部或一些）。
在這些實驗中，人們是從一些最簡單的有機化合物開始的，譬如，在胺基酸合成中，常常是CH4、NH3、H2O及CO等，在單糖的合成中常用甲醛、乙醛或甘油醛，在嘌呤合成中常用氰化氫、氨和水，等等。這些無機化合物被認為是地球誕生之初原始大氣中的主要組分，因此，這表明現今如此複雜的生命世界也不過只是起源自為數不多的一些無機化合物而已。近年的太空生物學證據也與這些生命化學起源的實驗證據相一致。
從化學結構來看，天然蛋白質是由α-L-胺基酸脫水縮合而成的，多糖是由糖脫水縮合而成的，核酸是由嘌呤或嘧啶類、糖（D-核糖或2脫氧—D—核糖）以及磷酸脫水凝縮而成的，這樣看來，蛋白質、核酸、多糖，在形式上都是由其組成成分經脫水縮合而成的。因而可通過加熱使這些高分子聚合，或利用相當於原始地球性的脫水縮合劑，前者常常是在近於無水的狀態下進行，後者則可在水溶液中進行（原田1978）。可促進胺基酸聚合的催化劑（聚磷酸）其實也是高能的產物，在實驗條件下，聚磷酸可通過將磷酸加熱到200-350℃而生成。
在原始地球上存在著各種能源（如熱能、太陽射線、放電、輻射線、宇宙射線等），它們既能生成有機物，也能分解有機物，但為了產生生命，有機物的積累可能是必要的，因此，原始地球上肯定存在過這樣的適宜條件：在伴隨能和物質的流動而相繼發生的化學反應中，生成的有機物的積累超過其分解（原田1978）。其實，從總的趨勢來看，自從生命在地球上誕生之後，有機物質的積累似乎從未停息過。
隨機性
從現存生物的蛋白質胺基酸的平均組成來看，含量依次為：谷氨酸>甘氨酸>天冬氨酸>丙氨酸。在實驗條件下，將所有胺基酸按等克分子混合併加熱，生成的胺基酸聚合物（類蛋白）與天然蛋白質的胺基酸組成相近，表明胺基酸可被吸收到聚合物中去的比例有所不同。無論是通過氨基醯腺苷酸混合物的聚合、還是胺基酸的熱聚縮合所獲得的胺基酸的吸收類型，都與天然蛋白質的組成類似，這大概可以認為不是偶然，如果在原始地球上有ATP和胺基酸同時存在的話，生成氨基醯腺苷酸將是可能的（原田1978）。
可以推想原始地球上產生的類蛋白中也較多地含有這類胺基酸，事實上，通過前生化學生成的胺基酸（放電、熱能、氰化氫）是以賴氨酸、丙氨酸和天冬氨酸所占的比率為高。類蛋白物質可能是原始地球上產生的原始蛋白質（原田1978）。
此外，類蛋白物質的N末端及C末端的胺基酸組成同整個類蛋白胺基酸組成也有明顯差異，表明類蛋白的胺基酸連線並不是完全隨機的，因此，原田（1978）推測，沒有核酸密碼時，在類蛋白物質中的胺基酸的結合次序上所表現出來的某種秩序，也許能夠成為蛋白質進化的出發點，在這一階段，大概是由於各個胺基酸以及由它們所形成的肽鏈的形態，特別是肽鏈的立體化學因子，支配著胺基酸殘基的排列。
宇宙
默奇森隕石樣本1969年9月墜落在澳大利亞東南部默奇森鎮的隕石，經分析發現含有多種胺基酸，其種類與含量同米勒放電實驗生成的相當一致。這就表明，原始大氣由無機物生成生物小分子不但是可能的，而且這種過程在宇宙間仍在發生。
隕石有機組分的分析告訴我們，無生命的合成反應可以產生大量具有顯著複雜性的有機物，包括與地球生物分子完全對應的組分，也就是說，地球外無生命的合成體系可以產生生物分子。
默奇森隕石中不可溶有機碳
默奇森隕石中不可溶有機碳隕石几乎備齊了原始生命及光合作用起源用的一些核心的有機化合物構件，如各種各樣的胺基酸的存在使多肽鏈的出現順理成章，腺嘌呤和類糖物質說不定就是生物能量的貨幣物質—ATP以及核苷酸前體形成的基礎，再加上煙酸的存在，另一個重要的還原力—NADPH（或NADH）的出現似乎有了可能，從芳香環的存在加上核苷酸，另一個重要的電子傳遞體—FAD的出現似乎不會困難。從成簇的芳香環化合物的存在似乎看到了出現卟啉結構的希望，加上長脂肪烴的存在，似乎看到了葉綠素這樣的感光物質的出現也已萬事俱備。
此外，碳同化（卡爾文循環）、糖酵解、三羧酸循環等關鍵代謝過程中的一些小分子有機化合物（如丙酮酸、琥珀酸、甘油酸、乳酸等）也已存在。能夠在水中形成膜狀囊泡的兩親物質的存在使這些有機物在水存在的條件下形成細胞膜這樣的結構成為可能。可以這樣說，宇宙的普適性的物理化學過程已經為光合作用的出現準備好了物質鋪墊，只是在等待一個適宜陽光的沐浴和珍貴雨水的降臨，而地球正好具備了這樣一個得天獨厚的條件。
隕石中的可溶性有機化合物
隕石中的可溶性有機化合物論點
論點一
“生命分子”容易製造。
早期地球上存在各種類型的能源，如火山、地熱、陽光、特別是閃電和紫外線等。這些能源作用於原始大氣，大氣就出現生命。通過米勒等人的試驗已經證明在模擬原始地球的條件下，可以製造出胺基酸、腺嘌呤（核苷酸的一種重要組成成分）。
論點二
地球的歷史有45億年
有足夠的時間去進行各種化學反應。
論點三
海洋“原初湯”理論。
在缺氧狀態下，海洋會將“生命分子”匯集起來，就象一個盛滿營養湯的巨大的碗，“生命分子”不斷結合、破裂，有的分子結合，凝結成大分子。大分子在黏土、沙石的作用下經過漫長的歲月，終於變成細胞，並且具有了生命的基本特徵：DNA複製、新陳代謝。最後終於開始了達爾文描述的進化階梯，生物繁衍，並將其特性遺傳給後代。
挑戰
材料雖有，但如何‘自動地’組裝成細胞呢？
已有的實驗研究已足可以說明，在地球誕生之後，構成生命的原材料應該是應有盡有。但是，生命在材料選擇上還頗為挑剔，譬如，天然胺基酸有200-300種之多，而蛋白質幾乎只有了20種，此外，作為信息載體的核酸只用了5種鹼基來處理信息，等等。
從核苷酸的聚合實驗中發現，在有模板（聚尿苷酸）存在的條件下，可顯著提升聚合速度，這似乎也表明核苷酸的配對是一種內稟的化學屬性。就像一些人工合成的肽類也具有微弱的催化能力（雖然與天然的蛋白質相比能力極低）一樣。話說回來，這又有什麼奇怪的呢？首先必須有這樣的屬性（本性），才可能會在進化之旅中不斷地完善與發展，才有機會揚升出新的屬性。
需要指出的是，即使人們能使胺基酸、單糖、核苷酸等發生聚合，並形成可觀的長鏈化合物，但它們與現在的生命大分子—蛋白質、多糖、核酸還是相差甚遠（雖然人類已經能合成一些相當複雜的有機化合物了）。更不用說去構建人工的細胞去模擬這些生物大分子之間的相互作用了。正如法國哲學家德日進所說，“若我們觀察得更細心時，就馬上會看出，這塊整體與重複而絞鏈在一起的一堆東西完全兩樣”（de Chardin 1955）。
無法相信，自然界在一個幾近無限的地球表面（相對於一個小的細胞來說），花費了長達10億年的時間才成功構建的細胞，人類可以在如此之短的時間內以及在幾個小小的燒杯中就可以成功實現！大自然花費了近十億年的時間精心編織出的秘密不會如此簡單就蕩然無存的！在這個所謂的“化學進化”之後，最大的問題就是了解大自然如何機緣地設計與創作生命了。其實生命起源最大的難點可歸結於一點，即這些原材料是如何‘自動地’組裝成一個細胞的。應該可以這樣說，只要細胞的形成問題得以解決，生命起源的問題就能迎刃而解了。
