生命是一种奇妙的、极富魅力的自然现象。地球上的原始生命是如何产生的？关于生命起源的探索一直以来都是国际公认的四大前沿基础科学问题之一。探索生命的起源有利于人类充分理解生命的本质，可以从“根源”出发，了解病毒、细菌乃至真核细胞等多种生命形态，进而引导人类进行地外生命的探索，最终造福于人类。磷是生命的基本元素，磷与生命的起源息息相关。本书独辟蹊径聚焦磷元素，详细解析了在生命的化学起源之初，磷元素是如何参与到生物大分子从无到有的构建过程中，阐释了磷对生物物质的催化与调控作用。本书涉及了生命起源研究中人类普遍关切的科学问题，包括为什么大自然会选择α-氨基酸、手性及遗传密码子起源问题、生命体系中的代谢网络起源、原始细胞是如何产生的等。本书适合化学、生命科学、药学及相关专业高等院校师生以及对生命起源感兴趣的科学工作者阅读，会给读者带来一些新的启发，引发一些新的思考。

1生命起源的研究概况 001
1.1生命起源假说 002
1.1.1RNA世界 003
1.1.2HCN与生命起源 007
1.1.3冰晶与生命起源 010
1.1.4海洋与生命起源 011
1.2磷与生命起源 016
1.2.1磷的原始来源 018
1.2.2前生源环境下的有效磷源 021
1.3生命起源——人类永恒的奥秘，探索未知世界的动力 023
参考文献 024

2核苷酸的前生源化学合成 029
2.1核苷酸的组成 030
2.2核糖核苷酸的前生源逆合成法 032
2.2.1碱基的合成 032
2.2.2糖类的合成 033
2.2.3糖苷键及磷脂键的合成 034
2.3核糖核苷酸以及脱氧核糖核苷酸的系统化学合成法 038
2.3.1嘧啶核糖核苷酸的合成 038
2.3.2嘌呤脱氧核糖核苷酸的合成 041
参考文献 043

3蛋白质的前生源化学起源 045
3.1多肽前生源化学合成途径概况 046
3.1.1早期地球前生源的环境概况 046
3.1.2多肽前生源化学合成途径 047
3.2磷参与下的多肽前生源化学 054
3.2.1磷促进氨基酸的前生源合成 054
3.2.2磷促进多肽的前生源合成 055
参考文献 057

4氨基酸-磷酸混合酸酐的形成及其反应 063
4.1连续性原则 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′-磷酸核苷酸与N-羧基环内酰胺的反应及混合酸酐稳定性 072
4.2.35′-磷酸核苷酸与5(4H)-唑酮的反应及手性选择性 073
4.3氨基酸核酸酯或核苷酸酯的前生源合成 074
4.4氨基酸与核苷酸的同时活化 078
4.5RNA世界假说与蛋白质-核酸共起源 080
参考文献 081

5高能P-N键调控的核酸、蛋白质、膜的共起源 083
5.1高能P-N键的化学特性及生物学意义 084
5.1.1磷酸化精氨酸 087
5.1.2磷酸化组氨酸 087
5.1.3磷酸化赖氨酸 088
5.2高能P-N键和蛋白质的化学起源与演化 089
5.2.1氨基酸的前生源形成 090
5.2.2前生源环境下的氨基酸成肽反应 091
5.2.3磷化学与前生源多肽的形成 093
5.2.4N-磷酰化氨基酸 094
5.2.5磷参与α-氨基酸的自然选择 097
5.3高能P-N键与核酸、蛋白质共起源 103
5.4N-磷酸化氨基酸与细胞膜起源 105
5.4.1细胞膜前生源获得途径概况 106
5.4.2N-磷酰化氨基酸与细胞膜起源的关系 112
5.4.3原始细胞膜的进化 118
5.4.4基于P-N键的核酸、蛋白质、细胞膜共起源理论 118
参考文献 121

6高能P-N键介导的功能二肽的发现 127
6.1Ser-His对DNA的水解活性 128
6.2Ser-His对蛋白质的水解活性 131
6.3Ser-His与底物蛋白质相互作用的双功能性 133
6.4Ser-His与丝氨酸蛋白水解酶的分子进化关系 134
6.5丝组二肽——现代酶的原始进化雏形 139
6.6丝组二肽新功能的发现 140
参考文献 141

7磷调控下的遗传密码起源与同手性起源 143
7.1遗传密码化学起源研究概况 144
7.2N-磷酸化氨基酸与遗传密码起源 146
7.2.1化学起源模型的建立 146
7.2.2核苷与二肽生成量的关系评价 150
7.3生命体同手性的自然选择 160
7.3.1氨基酸、核苷的同手性选择 160
7.3.2五配位磷中心的手性研究 161
7.3.3氨基酸与核苷酸的相互作用 169
7.3.4基于磷化学同手性起源化学模型的建立 170
参考文献 172

8ATP等辅因子与蛋白质起源 177
8.1ATP-氨基酸相互作用 178
8.1.1ATP的结构及与氨基酸的相互作用 178
8.1.2基于质谱技术的ATP与氨基酸的弱相互作用研究 179
8.1.3基于荧光光谱技术的ATP与氨基酸的弱相互作用研究 182
8.1.4基于核磁共振技术的ATP与氨基酸的弱相互作用研究 184
8.1.5ATP与氨基酸的弱相互作用的理论分析 185
8.2最古老的蛋白质——ATP结合蛋白的发现及意义 189
8.2.1蛋白质序列和结构分子化石 190
8.2.2辅因子分子化石和蛋白质起源的小分子诱导/选择模型 192
8.2.3辅因子促进原始蛋白质形成 195
8.2.4小分子标定的蛋白质结构分子钟 196
8.2.5使用金属辅因子的早起源蛋白质 198
参考文献 198

9磷与代谢起源——系统生物学研究 203
9.1磷在原始代谢中的作用 204
9.2磷与代谢网络构建 206
9.2.1无磷代谢网络的构建 206
9.2.2磷依赖代谢网络的构建 207
9.3磷依赖代谢网络起源 210
9.4磷依赖代谢网络功能分析 214
9.5磷对代谢网络扩张的热力学影响 217
参考文献 222

10原始细胞——非生命物质与生命体之间的桥梁 227
10.1原始细胞 228
10.1.1原始细胞研究概述 228
10.1.2原始细胞的构建原则和策略 231
10.2原始细胞的类型 234
10.2.1脂肪酸体系 235
10.2.2凝聚物体系 239
10.2.3杂化原始细胞 245
10.2.4类蛋白微球体系 246
10.2.5其他类型的原始细胞 247
10.3原始细胞的群体行为 254
10.3.1化学信息交流 254
10.3.2捕食行为 255
10.3.3原生组织 257
10.4结论 260
参考文献 261

11磷与地外生命探索 269
11.1地外生命探索的传统印记 271
11.1.1气体生命印记 271
11.1.2表面生命印记 274
11.1.3时间生命印记 277
11.2磷是否可以作为生命探寻的有效印迹 279
11.2.1磷与地球生命起源 279
11.2.2磷与地外生命探索 281
参考文献 286

索引 290

生命起源是人类永恒的奥秘，被国际学术界公认为四大基础科学问题之一。为纪念创刊125周年，《科学》（Science）杂志曾于2005年7月提出了125个重要的科学问题，其中25个最突出的重点问题（highlighted questions）的第12位就是有关生命起源的问题——地球生命在何处产生、如何产生? 针对这些未知问题的探索可以激发生物、化学、物理、地质、空间科学以及海洋科学等多学科交叉研究，推动各学科发展。它们不仅是自然之谜，更是一个个人类科学探索的机会。
地球上的生命是由磷元素主导的。磷元素在DNA中占了9%，DNA单酯的水解半衰期长达1万亿年，双酯的水解半衰期也长达10万年，其磷酸酯超强的稳定性是硅、砷、硫等其他元素无法取代的。1957年诺贝尔化学奖获得者L. Todd教授认为“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话，那只会是在一个容易获取磷的星球上”。生命起源研究与地外生命探索是相辅相成的，因此生命起源的探索能帮助人类从“根源”出发了解生命的本质，进而引导人类进行地外生命的探索，最终造福于人类。
在我国，相对于众多“生命起源”的科普书籍来说，“生命起源”，特别是从“磷化学”的角度探讨“生命化学起源”相关研究的学术专著比较匮乏。本书集结了我国生命起源研究领域众多研究者几十年的研究成果，阐释了在生命起源研究领域普遍关切的重要科学问题，包括：蛋白质的前生源化学起源；核苷酸的前生源化学合成；氨基酸-磷酸混合酸酐的形成及其反应；基于高能P-N键的核酸、蛋白质、膜共起源；基于高能P-N键活化的功能二肽的发现；磷调控下的遗传密码子起源与同手性起源；磷与代谢起源；ATP与蛋白质起源；原始细胞——非生命物质与生命体之间的桥梁；磷与地外生命探索；等等。这些研究成果，相信会对人类解开生命起源之谜带来一些新的启发和思考。
在书稿的撰写过程中，英国剑桥大学的刘紫微博士参与编写了第二、四章内容，北京大学的梁德海教授参与了第十章的编写，华中农业大学的褚欣奕博士、田恬博士等参与了第八、九、十一章的编写，宁波大学的应见喜副研究员、新乡医学院公共卫生学院张鹏波副教授及广东医科大学药学院王涛讲师三人参与了第三、七章的编写，在此对以上各位老师的辛勤付出表示衷心感谢。
感谢多年来一直关心磷化学发展的各位读者朋友们。限于编者水平，书中的不妥之处，敬请读者朋友们批评指正。
编者
2024年1月