無機物是如何一步步演變成為可以自我複製的有機物的？是巧合還是必然？

01-26

最不能理解的就是有機物的自我複製機制，這不就是生命的起源嗎？不只是RNA、DNA,朊病毒作為蛋白質也可以自我複製,作為能夠自我複製的有機物的必要條件是什麼？有人研究這些嗎？

目前已知，攜帶遺傳信息 + 具有酶催化功能 + 具備自我複製能力的分子是一類RNA，並因而催生了生命起源的RNA world學說。

單個RNA鹼基的起源，可以閱讀我寫的這篇專欄文章。

生命起源新證據：用簡單氣體創造RNA鹼基 - 知乎專欄

部分核酶具有自我複製功能，參加這兩篇文獻：

A self-replicating ligase ribozyme

以及

Highly Efficient Self-Replicating RNA Enzymes

但中間還有許多黑箱子，比如：：RNA鹼基當初如何與核糖、磷酸基團那麼剛好地組合到一起？多聚RNA鏈怎麼產生？這些都是破解生命起源奧秘不可迴避的問題。

至於是巧合還是必然，這點無法驗證：沒有人可以創造出和原始地球一模一樣的環境，並在同等的時間尺度下，去重複生命起源的實驗。（除非，實驗的目的並不是回答地球生命起源的問題，而是諸如「能否人工設計出自我複製的分子」等。）

不過我個人暫時更傾向於巧合吧。

實事求是地說，人類目前還不知道。教科書中經典的米勒實驗其實可重複性並不高。而且以二氧化碳，甲烷這麼簡單的小分子起始，單就米勒實驗自身來說是無法獲得比氨基酸更為複雜的有機分子的。但如果以核苷酸和RNA等複雜有機分子作為起始，以Harvard Medical School的諾獎得主Jack Szostak為代表的研究者做了大量的研究探索，不少成果還頗為津津樂道。比如，Jack Szostak和他的博後Katarzyna Adamala 就發現，RNA分子可以在脂質小泡或者淤泥表面依靠檸檬酸的保護實現非酶促反應（non-enzymatic）的模板依賴性擴增，簡單來說就是不需要酶催化就可以實現RNA的複製。

但即便如此，如何從簡單無機物演化出複雜、具有組織規律的有機分子簇，現在還是未知的。這個問題涉及的恐怕不只是有機化學規律，因為化學反應總是會向熵增、吉布斯自由能減小的方向發展，而生命起源過程顯然是熵減、吉布斯自由能增加的。究其原因，就是經典的有機反應通常是封閉的熱力學體系，而生命過程則是有能量輸入的開放體系（比如ATP供給）。因此，非線性動力學和非平衡態統計的規律在此過程中可能扮演著至關重要的角色，而後二者正是目前人類科學研究的前沿邊界，尚待更多研究成果。

瀉藥。

你想要的可能是米勒實驗：

米勒模擬實驗（Miller–Urey experiment）一種模擬在原始地球還原性大氣中進行雷鳴閃電能產生有機物（特別是氨基酸），以論證生命起源的化學進化過程的實驗。1953年由美國芝加哥大學研究生米勒（S.L.Miller）在其導師尤利（H.C.Urey）指導下完成。

這個實驗說明在自然條件（電閃雷鳴、火山高溫、紫外線等）的作用下，無機物確實可以生成有機物。

不過這中間有個問題，你生成了一大堆有機物，也不一定就能啟動自我複製的鏈條吧。

直到後來科學家發現了可以自我催化的RNA，這才是關鍵，催化劑對有機合成有多重要我就不多說了。有了催化劑，才能擺脫電閃雷鳴等複雜反應條件，在溫和的環境中進行。

那RNA能否催化自己複製自己呢？如果找到了的話，就算是搞清了生命起源。

雖然我的領域在RNA world里是支柱之一，但近年來另一個理論，包含了鹼性熱泉與金屬特別是二價離子的原初能量轉化機制的理論更加具有邏輯性和實物證據。觀察生物體內的能量轉化和二價離子的不可或缺性（例如ATP的水解與合成，還有離子梯度與質子傳遞，酶反應等等），說明了生物體的能量傳遞依靠的是生物膜兩側質子梯度差來進行的，而且容易在不同價間轉換的二價離子比如鎂鐵銅等在生命之初就是最基本的成分。因此自然界中必然有天然的質子梯度環境和以金屬離子為中心構建的自發能量轉化系統，並以此為基礎構建出早期的大分子以及self-cleavage或trans-acting 的類酶分子比如RNase P, hammerhead RNA等。隨著鹼性熱泉和周邊化石的發現，以及黃鐵礦管狀結構的研究，進一步證實了這一假說。因此RNA World 是可能存在但不是最早的起源，兩者很可能是同一時間線上的不同階段。

具體可參考Mije Russel, Peter Mitchell, William Martin, Deborah Kelly的研究。

此外還有更新的以酯類膜包裹附著促成大分子形成的protocell說，和綜合以上學說的化學物質混合自發成形學說。

腦洞：往複運動(潮汐、晝夜）導致了系統出現小區域的self-ordering, 比較穩定的小單元傾向於抓住周圍相同的小單元形成一條條一坨坨一片片的大單元，它們沒有像結晶那樣穩定，而是晃悠啊晃悠……

生命的起源，並不是自然形成的。而是有太多我們無法探索的原理。就好像奇點是怎麼來的為什麼會有大爆炸？奇點之外又有什麼？