宇宙、地球和生命的进化:时间的1000个-第12部分

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　　第一，距离太阳的远近决定着行星表面的温度，例如水星向阳面的温度可以使铅熔化，而天王星表面温度却是零下200℃。无论温度太高还是太低都不能产生生命。看起来地球的位置得天独厚，距离太阳的位置恰好不远不近，这构成了产生生命的第一个条件…温度。　

　　第二，水和大气的存在是必不可少的。大气层的存在抵挡和缓解了外来陨石的撞击能量，我们经常能看到的流星就是陨石在大气层中摩擦发热、发光的产物。如果没有大气层，地球就是30亿年前大气层尚未形成时的状态…陨石坑遍布。大气层保护了地球，为脆弱的生命诞生创造了理想的环境。另外，地球大气层特殊的化学构成也为生命演化提供了物质基础。地球上的生命形式大部分是由碳、氢、氧这几种元素构成的，早期大气层恰好含有丰富的这类元素，这提供了产生生命的第二个条件…生命元素。　

　　生命是一套复杂的系统，要构成生命，首先要能形成巨大的有机分子，这些巨大的分子再在某种条件下形成生命物质最重要的基本结构…氨基酸。这些氨基酸再进一步结合，形成构成生命的基本单元…蛋白质。能够形成蛋白质已经是一项了不起的成就，可是，最简单的生命也比蛋白质复杂得多。　

　　我们不妨设想一下生命基本物质出现时的情形：很多证据表明，最初的地球大气含有丰富的甲烷和氨，由于水的出现，甲烷和氨在水溶液中结合，形成简单的有机分子。这些有机分子在原始海洋的某些部位聚集，并且在原始地球剧变的环境中互相集合，成为越来越复杂的有机大分子。这个时候的地球就像一个巨大的化学实验室，各种各样的化学物质进行着各种各样的化学反应。那些结构稳定的大分子长期存在下来，并且逐渐形成一定的稳定的共生系统，和其他集团独立起来，再经过长期而缓慢的组合，最终形成生命最初的物质。　

　　2．46亿年前…原始大气　

　　自然发生说认为在地球现有的条件下，非生命物质可以在适宜的环境中短时间内一下子出现低等生物，例如水螅、蠕虫之类。而化学进化说讲的是在早期地球没有任何生物的特殊条件下的物质逐渐复杂化，并由此产生最原始的生命，这些生命类型都比现在所知道的任何低级生物简单得多。　

第51节：二、生命演化（2）


　　早期地球的特殊条件至少包括以下的内容：

　　（1）陆地上和海洋里都还没有生命。　

　　（2）大气含有特殊的化学成分。　

　　（3）地球表面有适宜的温度。　

　　（4）海水里含有多种化学成分，很适宜于物质的复杂化。　

　　很显然，化学进化说虽然跟自然发生说有些相似，但是区别是明显的。第一是条件不同，化学进化是发生在还没有任何生命的时期；第二是所需时间不同，化学进化要求很长很长的时间。　

　　不管地球以什么方式形成，也不管早期地球是低温还是高温，有一点可以相信：当时的地球上没有任何生物。　

　　指出早期地球没有生命，不仅是目前大家所能承认的事实，而且为生命起源提供了必要的前提。如果一开始有地球就有生命，那么这生命从何而来，还是一个问题。另一个问题，正如达尔文所说，早期地球的条件跟现在很不相同，不适宜任何生物的生存。　

　　原始大气的成分跟现在的很不相同。当时，氢气是主要的成分，基本上没有氧气。因此，当时的大气是还原性的（在古老大气中你把一块铁锈变成铁是很容易的事情，就像现在你使一块铁生锈一样容易），跟现在氧化性的大气很有区别。　

　　除了氢气以外，当时的大气还含有氦气、甲烷、氨、二氧化碳、一氧化碳、水蒸气、硫化氢等，这些是由有关的元素化合而来的。　

　　瑞士化学家米勒和美国化学家尤里曾经设计了一个简易的装置模仿原始地球的条件。他们在仪器里放有水、甲烷、氨和氢气，对这些混合物加热，使它沸腾，跑出气体。让混合的气体在仪器里流动，沿着一定路线循环不息。在仪器的一处装上电极，并且放电使其经常出现电火花，以此作为能源，以促进化学反应。这样连续处理一个星期，他们取出液体分析，得到一些意想不到的结果。他们在那些液体里发现几种氨基酸和其他一些化合物，这表明化学进化在试管里进行了。这就有理由推测相似的化学过程会在早期的地球上发生。一些无机物或比较简单的化合物会在适宜的条件下彼此化合产生出生命所必需的一些化合物，如氨基酸之类。这说明物质在一定条件下可以由简单向复杂方向发展，物质的复杂化是生命起源的物质基础。　

　　适宜的温度是生命起源的另一种必需条件。像金星现在的温度达到800℃，显然不适于生命的起源或生命的存在，除非另有一些特殊的生物类型适于在那样的高温下生活。鉴于某些星球，例如冥王星上的极端低温条件，也不适于生命的起源和活动。　

　　生命适宜的温度一般在0℃以上，60℃以下。海洋的出现对地球上温度的调节起了关键性的作用。水在100℃以上会成为水蒸气，在0℃以下会结成冰。海洋的出现意味着水的温度不会太高，也不会太低。在早期的地球，有很长时期海洋的温度不太高也不太低，这适于贮存大量的有机物。高温一般会把有机物分解掉。　


第52节：二、生命演化（3）


　　海洋是生命的摇篮，这是因为海洋能够提供生命起源和发展的若干重要条件。海洋能够使地球的温度不会趋于极端，这有利于生命物质的形成。很显然，没有海洋，生命的起源是不可思议的事。当然，最早的生命不一定在广阔的海洋里出现，也可能是在陆地上的某些适宜的沼泽里，像达尔文所猜测的那样。但是无论如何，海洋的存在是必需的条件，陆地上某地方的积水由于雨水冲刷会汇集于海洋。　

　　地球的温度变化比较小，火星的温度变化很大。据观测，火星晚上的低温达到零下120℃，而白天的高温达到800℃。这是夏季的记录，这样的温度显然不适于生命的活动。尽管有不少人认为火星上有生物，甚至有人类，但现在看来，这不可能。　

　　地球上不寻常的条件不仅在于温和的气候条件，而且还在于巨大的海洋面积。海洋占地球表面的71％，这样庞大的水面有许多好处。温和的气候跟巨大的海洋有密切的关系，这是因为水有特殊的性质，能够贮存较多的能量而温度变化不大。　

　　这些条件非常有利于生命的起源和发展。　

　　3．30亿年前…化学演化　

　　原始的早期地球从非生命物质逐步发展到具有生命过程的原始细胞，大抵要经历以下几个可能的基本步骤，这就是早期的化学演化。　

　　（1）形成了行星，出现了地球。这大约在46亿年前，当时地球的周围有许多气体，其中已有由某些元素合成的简单化合物。这些元素和化合物是进一步合成比较复杂化合物的材料，到一定时期（大约在39亿年前），出现了海洋。现在有资料表明，地球上最早的火成岩出现在39亿年以前。　

　　（2）利用原始地球的条件合成出比生命基本物质小的单体分子，例如氨基酸、糖类和有机碱。　

　　从无机物合成有机物，特别是合成氨基酸和有机碱，需要能源。在原始地球可以利用的能源大概有闪电或电火花。这在刹那间会提供大量的能源，引起化学演化。上面谈到的米勒实验，他们用经常发生的电火花作为能源，把一些结构比较简单的分子合成为氨基酸和其他有机物，包括甘氨酸、丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸、蚁酸、醋酸和其他一些碳源分子。　

　　其他学者应用相似的能源和增加某些其他成分例如乙烷等，得到了更多的氨基酸。早期地球由于没有氧气，大气的上层没有臭氧层，所以当时紫外线可以大量地到达地面。有些科学工作者应用紫外线作为能源，照射一些简单的化合物，由此得到另外一些氨基酸，例如天冬氨酸、丝氨酸和苯丙氨酸。而另一些科学工作者发现不超过100℃的热量和电离射线也可能在化学演化中发生作用，把氰化氢、氨和其他一些分子放在一起加热，不仅产生出一些氨基酸，也产生出一些嘌呤，如腺嘌呤。　


第53节：二、生命演化（4）


　　嘧啶（在生物学中，嘌呤和嘧啶属于脱氧核苷酸）也可以由类似的方法产生出来，所用的原料当然有所不同。于是在原始海洋里，或者在某些池塘里，就逐渐累积下多种有机物，特别是各种氨基酸和核苷酸。由此出现了大量的蛋白质和核酸。这些都发生在达尔文所说的〃热汤〃里。这就是生命起源的海洋，不是现在所知道的一般海洋。在这特殊的海洋里，物质复杂化的过程又有新的创造。　

　　（3）在〃热汤〃里由于某种化学作用，有些物质聚合在一起，形成许多小颗粒。这些小颗粒具有自己所特有的成分，这在生物学上称为〃团聚体〃或〃微球〃。这是从物质引导出具有一些内部结构体的一个重要步骤。从电子显微镜中观察这些〃微球〃，可以看到一些初步结构的情况，但是这当然还不是细胞，虽然它们可能已有吞食的现象。　

　　活细胞之所以能够正常工作，一是在于它所含有的大分子有相当高的浓度，二是在于大分子之间、大分子与其他分子之间能够发生相互联系和相互制约。一句话，这是物质世界中一种新的体系的出现。这又是一个质变。　

　　这样的环境中细胞是怎样起源的还是一个谜，但是团聚体、微球等的形成和结构可以帮助我们了解细胞的起源。　

　　在人造的〃热汤〃里，核酸跟某些氨基酸如组氨酸在一起，会形成小颗粒，如团聚体一类的东西。它能吸取周围相类似的物质而增大体积，又能进行一些氧化还原作用，这跟呼吸作用相类似。　

　　用各种氨基酸与高浓度的天冬氨酸和谷氨酸形成一种蛋白质性质的混合物，把这些混合物放入水中，就出现了微球。它们表现出一些代谢作用，例如它们能把一些有机物分解，它们具有膜一类的结构，能够进行类似芽生的〃生殖作用〃。　

　　当然，团聚体也好，微球也好，都是短命的。它们都称不上细胞，它们的内部还没有什么可利用的稳定结构，周围也没有一个哪怕是很原始的半透性膜。　

　　现在要问，在还没有细胞的时期，有没有其他类型的生物？如果有，可能是什么样子的呢？我们来进行一些臆测。　

　　现在所知道的生命过程都离不开细胞，但是细胞，即便是原核生物的细胞，例如最简单的细菌，内部的结构也很精致、很复杂。看来生命一开始不会以细胞的形式存在，原则上应该有一个非细胞形态的生物，换句话说，就是前细胞形态的生物。　

　　病毒如果算是生物，那么因为它没有细胞结构，它就是一类非细胞形态的生物。它是不是前细胞形态的生物呢？那是另一个问题。病毒不能在细胞外进行复制，换句话说，在细胞外，病毒并没有代谢作用，也不能复制自己，不能产生后代。因此，病毒是否是生物，一直是一个争论的问题，还有理由认为病毒是退化的细菌或者是离开细胞的基因。所以长期以来没有把病毒看做是前细胞生物。　


第54节：二、生命演化（5）


　　现在看来，至少可以从病毒的简单结构推测前细胞的生物类型。我们知道，病毒的基本成分就是遗传物质（DNA或RNA）加上由蛋白质组成的外膜，这样的结构在早期地球的〃热汤〃里可能有条件进行代谢作用和复制自己。最简单的病毒只含有三个基因，一个基因产生出复制酶，一个基因产生出自己所特有的蛋白质，一个基因产生出另一种蛋白质，用于附着在宿主细胞上。类病毒是比病毒更简单的结构，它只是一条RNA，没有蛋白质，但是它一旦进入适宜的细胞（主要是高等植物例如土豆的细胞），就能复制自己并引起宿主出现特有的病症。生命是否可以由类病毒的形式出现呢？这也是一种可能性。　

　　在现代生命系统中，DNA是至高无上的统治者，它是地球上绝大多数生物的遗传物质，即使不含DNA的少数病毒，也是以与DNA有关的RNA作为遗传物质的。因此，在生命物质准备向细胞演化之前，无论它是结构多么简单的前细胞形态，一定不能缺少DNA。DNA的重要性不仅在于作为遗传物质而传递本身，而且更主要的是在于DNA所具有的各种功能。　

　　首先，细胞内的DNA含有生物正常发育、生长和繁殖所需的全部信息，它好比是一套详细、完整的〃生物建筑蓝图〃，决定生物长成什么样子，长到多大，什么时候开始繁殖下一代，甚至什么时候开始衰老，什么时候死亡。　

　　其次，DNA在很大程度上决定了生物的习性。据近年的研究成果，错综迷离的动物行为的根源是可以追溯到遗传物质DNA本身的。　

　　第三，DNA还决定了生物与环境的关系，决定了一种生物能在什么样的环境范围内生存，决定了生物对环境因子变化的反应。　

　　第四，DNA通过〃半保留式的复制〃，可以精确地把其所含的遗传信息从1份变为2份，再变为多份，使得一个细胞可以分裂为多个含有相同DNA的细胞，使得一个小小的受精卵可以长成一个成熟的生物体，使得遗传物质可以精确地从上一代传给下一代，从而才有〃种瓜得瓜，种豆得豆〃，使生命得以延续。　

　　第五，DNA通过RNA的中介和一整套的遗传密码，编码了生物所需的所有蛋白质，决定了蛋白质链中的氨基酸种类及其排列顺序。离开了DNA的指引，细胞内将是混乱一团。　

　　第六，生物能够进化，也完全是由于DNA的存在。DNA在精确复制的同时，还可表现出一定的变异性。可以说，细胞内DNA的变异，特别是DNA整体结构的变异，是生物进化的基础，所有生物进化最终都要归结于DNA的变异。　

　　因此，概括地说，生物细胞