從生命體系重要的元素——磷出發(fā)，探討前生源化學(xué)進(jìn)化過(guò)程中磷元素所發(fā)揮的作用，為解開(kāi)生命起源這個(gè)世界之謎提供了新的研究思路，促進(jìn)化學(xué)、生物、地質(zhì)、空間科學(xué)的相關(guān)學(xué)科及技術(shù)的融合、發(fā)展，

生命起源是人類(lèi)永恒的奧秘，被國際學(xué)術(shù)界公認為四大基礎科學(xué)問(wèn)題之一。為紀念創(chuàng  )刊125周年，《科學(xué)》（Science）雜志曾于2005年7月提出了125個(gè)重要的科學(xué)問(wèn)題，其中25個(gè)最突出的重點(diǎn)問(wèn)題（highlighted questions）的第12位就是有關(guān)生命起源的問(wèn)題——地球生命在何處產(chǎn)生、如何產(chǎn)生? 針對這些未知問(wèn)題的探索可以激發(fā)生物、化學(xué)、物理、地質(zhì)、空間科學(xué)以及海洋科學(xué)等多學(xué)科交叉研究，推動(dòng)各學(xué)科發(fā)展。它們不僅是自然之謎，更是一個(gè)個(gè)人類(lèi)科學(xué)探索的機會(huì )。
地球上的生命是由磷元素主導的。磷元素在DNA中占了9%，DNA單酯的水解半衰期長(cháng)達1萬(wàn)億年，雙酯的水解半衰期也長(cháng)達10萬(wàn)年，其磷酸酯超強的穩定性是硅、砷、硫等其他元素無(wú)法取代的。1957年諾貝爾化學(xué)獎獲得者L. Todd教授認為“哪里有生命，哪里就有磷”，并指出“如果宇宙中其他任何地方存在生命的話(huà)，那只會(huì )是在一個(gè)容易獲取磷的星球上”。生命起源研究與地外生命探索是相輔相成的，因此生命起源的探索能幫助人類(lèi)從“根源”出發(fā)了解生命的本質(zhì)，進(jìn)而引導人類(lèi)進(jìn)行地外生命的探索，最終造福于人類(lèi)。
在我國，相對于眾多“生命起源”的科普書(shū)籍來(lái)說(shuō)，“生命起源”，特別是從“磷化學(xué)”的角度探討“生命化學(xué)起源”相關(guān)研究的學(xué)術(shù)專(zhuān)著(zhù)比較匱乏。本書(shū)集結了我國生命起源研究領(lǐng)域眾多研究者幾十年的研究成果，闡釋了在生命起源研究領(lǐng)域普遍關(guān)切的重要科學(xué)問(wèn)題，包括：蛋白質(zhì)的前生源化學(xué)起源；核苷酸的前生源化學(xué)合成；氨基酸-磷酸混合酸酐的形成及其反應；基于高能P-N鍵的核酸、蛋白質(zhì)、膜共起源；基于高能P-N鍵活化的功能二肽的發(fā)現；磷調控下的遺傳密碼子起源與同手性起源；磷與代謝起源；ATP與蛋白質(zhì)起源；原始細胞——非生命物質(zhì)與生命體之間的橋梁；磷與地外生命探索；等等。這些研究成果，相信會(huì )對人類(lèi)解開(kāi)生命起源之謎帶來(lái)一些新的啟發(fā)和思考。
在書(shū)稿的撰寫(xiě)過(guò)程中，英國劍橋大學(xué)的劉紫微博士參與編寫(xiě)了第二、四章內容，北京大學(xué)的梁德海教授參與了第十章的編寫(xiě)，華中農業(yè)大學(xué)的褚欣奕博士、田恬博士等參與了第八、九、十一章的編寫(xiě)，寧波大學(xué)的應見(jiàn)喜副研究員、新鄉醫學(xué)院公共衛生學(xué)院張鵬波副教授及廣東醫科大學(xué)藥學(xué)院王濤講師三人參與了第三、七章的編寫(xiě)，在此對以上各位老師的辛勤付出表示衷心感謝。
感謝多年來(lái)一直關(guān)心磷化學(xué)發(fā)展的各位讀者朋友們。限于編者水平，書(shū)中的不妥之處，敬請讀者朋友們批評指正。
                                                       編者
2024年1月

生命是一種奇妙的、極富魅力的自然現象。地球上的原始生命是如何產(chǎn)生的？關(guān)于生命起源的探索一直以來(lái)都是國際公認的四大前沿基礎科學(xué)問(wèn)題之一。探索生命的起源有利于人類(lèi)充分理解生命的本質(zhì)，可以從“根源”出發(fā)，了解病毒、細菌乃至真核細胞等多種生命形態(tài)，進(jìn)而引導人類(lèi)進(jìn)行地外生命的探索，最終造福于人類(lèi)。磷是生命的基本元素，磷與生命的起源息息相關(guān)。本書(shū)獨辟蹊徑聚焦磷元素，詳細解析了在生命的化學(xué)起源之初，磷元素是如何參與到生物大分子從無(wú)到有的構建過(guò)程中，闡釋了磷對生物物質(zhì)的催化與調控作用。本書(shū)涉及了生命起源研究中人類(lèi)普遍關(guān)切的科學(xué)問(wèn)題，包括為什么大自然會(huì )選擇α-氨基酸、手性及遺傳密碼子起源問(wèn)題、生命體系中的代謝網(wǎng)絡(luò )起源、原始細胞是如何產(chǎn)生的等。本書(shū)適合化學(xué)、生命科學(xué)、藥學(xué)及相關(guān)專(zhuān)業(yè)高等院校師生以及對生命起源感興趣的科學(xué)工作者閱讀，會(huì )給讀者帶來(lái)一些新的啟發(fā)，引發(fā)一些新的思考。

1生命起源的研究概況	001
1.1生命起源假說(shuō)	002
1.1.1RNA世界	003
1.1.2HCN與生命起源	007
1.1.3冰晶與生命起源	010
1.1.4海洋與生命起源	011
1.2磷與生命起源	016
1.2.1磷的原始來(lái)源	018
1.2.2前生源環(huán)境下的有效磷源	021
1.3生命起源——人類(lèi)永恒的奧秘，探索未知世界的動(dòng)力	023
參考文獻	024

2核苷酸的前生源化學(xué)合成	029
2.1核苷酸的組成	030
2.2核糖核苷酸的前生源逆合成法	032
2.2.1堿基的合成	032
2.2.2糖類(lèi)的合成	033
2.2.3糖苷鍵及磷脂鍵的合成	034
2.3核糖核苷酸以及脫氧核糖核苷酸的系統化學(xué)合成法	038
2.3.1嘧啶核糖核苷酸的合成	038
2.3.2嘌呤脫氧核糖核苷酸的合成	041
參考文獻	043

3蛋白質(zhì)的前生源化學(xué)起源	045
3.1多肽前生源化學(xué)合成途徑概況	046
3.1.1早期地球前生源的環(huán)境概況	046
3.1.2多肽前生源化學(xué)合成途徑	047
3.2磷參與下的多肽前生源化學(xué)	054
3.2.1磷促進(jìn)氨基酸的前生源合成	054
3.2.2磷促進(jìn)多肽的前生源合成	055
參考文獻	057

4氨基酸-磷酸混合酸酐的形成及其反應	063
4.1連續性原則	064
4.2氨基酸-磷酸混合酸酐的前生源合成	066
4.2.1氨基酸及其衍生物的前生源活化	067
4.2.25′-磷酸核苷酸與N-羧基環(huán)內酰胺的反應及混合酸酐穩定性	072
4.2.35′-磷酸核苷酸與5(4H)-唑酮的反應及手性選擇性	073
4.3氨基酸核酸酯或核苷酸酯的前生源合成	074
4.4氨基酸與核苷酸的同時(shí)活化	078
4.5RNA世界假說(shuō)與蛋白質(zhì)-核酸共起源	080
參考文獻	081

5高能P-N鍵調控的核酸、蛋白質(zhì)、膜的共起源	083
5.1高能P-N鍵的化學(xué)特性及生物學(xué)意義	084
5.1.1磷酸化精氨酸	087
5.1.2磷酸化組氨酸	087
5.1.3磷酸化賴(lài)氨酸	088
5.2高能P-N鍵和蛋白質(zhì)的化學(xué)起源與演化	089
5.2.1氨基酸的前生源形成	090
5.2.2前生源環(huán)境下的氨基酸成肽反應	091
5.2.3磷化學(xué)與前生源多肽的形成	093
5.2.4N-磷?；被?094
5.2.5磷參與α-氨基酸的自然選擇	097
5.3高能P-N鍵與核酸、蛋白質(zhì)共起源	103
5.4N-磷酸化氨基酸與細胞膜起源	105
5.4.1細胞膜前生源獲得途徑概況	106
5.4.2N-磷?；被崤c細胞膜起源的關(guān)系	112
5.4.3原始細胞膜的進(jìn)化	118
5.4.4基于P-N鍵的核酸、蛋白質(zhì)、細胞膜共起源理論	118
參考文獻	121

6高能P-N鍵介導的功能二肽的發(fā)現	127
6.1Ser-His對DNA的水解活性	128
6.2Ser-His對蛋白質(zhì)的水解活性	131
6.3Ser-His與底物蛋白質(zhì)相互作用的雙功能性	133
6.4Ser-His與絲氨酸蛋白水解酶的分子進(jìn)化關(guān)系	134
6.5絲組二肽——現代酶的原始進(jìn)化雛形	139
6.6絲組二肽新功能的發(fā)現	140
參考文獻	141

7磷調控下的遺傳密碼起源與同手性起源	143
7.1遺傳密碼化學(xué)起源研究概況	144
7.2N-磷酸化氨基酸與遺傳密碼起源	146
7.2.1化學(xué)起源模型的建立	146
7.2.2核苷與二肽生成量的關(guān)系評價(jià)	150
7.3生命體同手性的自然選擇 	160
7.3.1氨基酸、核苷的同手性選擇	160
7.3.2五配位磷中心的手性研究	161
7.3.3氨基酸與核苷酸的相互作用	169
7.3.4基于磷化學(xué)同手性起源化學(xué)模型的建立	170
參考文獻	172

8ATP等輔因子與蛋白質(zhì)起源	177
8.1ATP-氨基酸相互作用	178
8.1.1ATP的結構及與氨基酸的相互作用	178
8.1.2基于質(zhì)譜技術(shù)的ATP與氨基酸的弱相互作用研究	179
8.1.3基于熒光光譜技術(shù)的ATP與氨基酸的弱相互作用研究	182
8.1.4基于核磁共振技術(shù)的ATP與氨基酸的弱相互作用研究	184
8.1.5ATP與氨基酸的弱相互作用的理論分析	185
8.2最古老的蛋白質(zhì)——ATP結合蛋白的發(fā)現及意義	189
8.2.1蛋白質(zhì)序列和結構分子化石	190
8.2.2輔因子分子化石和蛋白質(zhì)起源的小分子誘導/選擇模型	192
8.2.3輔因子促進(jìn)原始蛋白質(zhì)形成	195
8.2.4小分子標定的蛋白質(zhì)結構分子鐘	196
8.2.5使用金屬輔因子的早起源蛋白質(zhì)	198
參考文獻	198

9磷與代謝起源——系統生物學(xué)研究	203
9.1磷在原始代謝中的作用	204
9.2磷與代謝網(wǎng)絡(luò )構建	206
9.2.1無(wú)磷代謝網(wǎng)絡(luò )的構建	206
9.2.2磷依賴(lài)代謝網(wǎng)絡(luò )的構建	207
9.3磷依賴(lài)代謝網(wǎng)絡(luò )起源	210
9.4磷依賴(lài)代謝網(wǎng)絡(luò )功能分析	214
9.5磷對代謝網(wǎng)絡(luò )擴張的熱力學(xué)影響	217
參考文獻	222

10原始細胞——非生命物質(zhì)與生命體之間的橋梁	227
10.1原始細胞	228
10.1.1原始細胞研究概述	228
10.1.2原始細胞的構建原則和策略	231
10.2原始細胞的類(lèi)型	234
10.2.1脂肪酸體系	235
10.2.2凝聚物體系 	239
10.2.3雜化原始細胞	245
10.2.4類(lèi)蛋白微球體系	246
10.2.5其他類(lèi)型的原始細胞	247
10.3原始細胞的群體行為	254
10.3.1化學(xué)信息交流	254
10.3.2捕食行為 	255
10.3.3原生組織	257
10.4結論	260
參考文獻	261

11磷與地外生命探索	269
11.1地外生命探索的傳統印記	271
11.1.1氣體生命印記	271
11.1.2表面生命印記	274
11.1.3時(shí)間生命印記	277
11.2磷是否可以作為生命探尋的有效印跡	279
11.2.1磷與地球生命起源	279
11.2.2磷與地外生命探索	281
參考文獻	286

索引		290