第二章 生命是如何起源的

       我们的宇宙具有无限的创造力,因为有创造力,所以才会有生命以及人类。

       宇宙靠什么创造生命,它们是一些我们非常熟悉的东西:物质、能量、时间和空间,还有一样不可或缺的东西——程序,也就是物质运行规律。


       我们有没有想过这样的问题,原子、分子、无机物、有机物等都是在宇宙演化过程中被创生出来,那么,它们的出现应该不是被随意造出来的,而是在为随后要发生的事做铺垫。

       不仅生物界有进化的历史,实际上整个物质世界都有其演化历史。

       生命和物质之间有着密切的关系,两者不能分开。物质有这样的特点,不同的物质结构有着不同的属性,这些不同的物质还会相互作用,并结合在一起,产生出具有新的属性的物质。

        就像水由氢和氧两种元素结合而成,但水有完全不同于氢和氧的外在形态和属性。

        从非生命的物质结构到生命组织的形成是一个连续的过程,是物质规律作用下的结果。

       生命是一种物质组合,组成生命的各种元素有不同的属性,它们结合在一起就表现出了所谓生命特征。当然,生命不是元素的大杂烩,是不同的物质根据各自属性的结合,同时,也需要有一定的外在条件。

       生命的出现不是碰巧或偶然,是物质作用规律下的必然要发生的事情,我们要搞清楚的问题只是生命会在哪里以及什么时候出现。


        那么,在浩瀚的宇宙中,哪里适合生命的产生和存在呢。

        根据我们今天的认知水平,产生生命的条件是相当苛刻的。首先,那里需要有液态的水,并且有适宜的水温,水温太低会结成冰,太高就变成了水蒸气。

        需要阳光,阳光为生命提供能量。

         还有一个重要的条件是要在一个有适当引力的地方,有一定的引力才能形成大气层,并保证水蒸气这样的物质不能逃逸到大气层外面去了。

        另外,那里要有强大的磁场,能够形成保护生命免于遭受外太空各种致命辐射的生死屏障。

        最重要的,那里要有组成碳、氢、氧、氮等构成生命的基本元素。

        ……

        我们知道,能满足这一切条件的地方,就是我们的地球。

        有人说地球受到神的特别眷顾,有人说地球中了一个宇宙特别大奖。

         由此看来,宇宙中生命的形成是一件相当不易的事(如果容易也轮不到我们在这里谈论这样的问题了)。

         对于地球来说,它是一个具有满足产生生命各种条件的地方,宇宙的演化为地球上生命的形成提供了条件。


       地球是在宇宙演化过程中形成的,宇宙演化创造出具有不同属性的元素,并将这些元素组合在地球这样一个物质体系中。同时地球围绕着太阳这样一颗恒星在运转,并且与太阳这颗恒星之间保持着适当的距离,太阳放射出能量,照耀在地球表面,为地球上发生的化学反应提供了外来能量,使地球有了生命出现和存在的适宜温度。

       当各种有利条件聚合在一起,通过不同属性的元素之间的相互作用,这样生命这种复杂的物质结构便在地球上产生了。

       地球环境和物质形态都随时间在不断变化。生命的出现和演化是一个与地球非生命部分的变化相关,生物进化与地球环境(地质、水、大气)的演化是相互关联的过程。地球上出现生命看似偶然,但这偶然之中也有着必然,因为生命诞生在一个不断变化着的宇宙中,应该说宇宙的演化造就了地球这个适宜生命产生和生长的环境。

        地球是人类的家园,这里我们感到了自我的存在,让我们人类有了归宿感。



      生命在地球上产生和发展的趋势已经得到大部分人的认同,但还有一个问题一直困扰着人们,就是人们无法解释简单的化学物质如何发展出生命的,即非生命物质与生命体之间是如何过渡的,那么,我们应该如何来解释这个问题。


       要研究生命如何产生,需要先研究一下组成生命的物质结构,以及这个结构有什么样的特点和属性。

       组成生命的元素看上去很普通:碳、氢、氧,另外还有磷、硫、钙、镁、钾铁等元素。由这些元素在一定条件下可以构成核苷酸、氨基酸、糖、脂,然后由它们再进一步组合,得到生物体的基本组件:RNA、DNA、蛋白质及各种酶,还有其它一些化学物质。

       生物体和普通的有机分子不同,生物体是由不同分子相互结合成的体系,有机分子则通常以一种单体形式存在。单个的分子、或某类分子的集合都不能成为生命,组成生命的单元有着各种特殊的属性,如核酸链具有储存和表达信息的功能、蛋白质具有组成机体结构和催化功能等,生命就是通过将各种具有不同属性的物质纳入一个体系来实现运转。

       现有已知最简单的生命体,其基因组的DNA碱基对约有50万左右。假设一个基因的平均长度为1000个碱基,那么这个微生命体所拥有的基因大约是500个。如果每个基因编码一种蛋白质,那么它最多可以拥有500种蛋白质。这就告诉我们,哪怕是最小、最简单的生物体,也是由许多执行不同功能的组分构成的。因此,生命是一种复合体,有一个最低复杂性的要求,不可能由一个成分(一种基因或蛋白质)构成。

        作为物质复合体的生命,其组成成分并非简单的元素堆积,而是不同组分彼此间有着广泛的联系,彼此协调又相互制约,由此构成了一个相对稳定的体系。在生命从低级到高级的进化过程中,各分子组分之间的相互作用起着主导作用,越是高级的生命,其相互间作用越复杂。换言之,生命的本质是由组成元素(分子)之间的关系所决定,而非组成的物质本身。

        可见,生命这种物质结构非常复杂,组成生命的物质之间的关系也非常复杂,而这种复杂的可运行的物质组合的形成需要有一个让人信服的理由。



       科学家们普遍认为,生命是一种物质结构的自然状态,表现为一种复杂化学系统的自然属性,它依据基本的物质作用规律形成。

       化学起源说是被广大学者普遍接受的生命起源假说。这一假说认为,地球上的生命是在地球温度逐步下降以后,在极其漫长的时间内,由那些无生命的物质元素经过极其复杂的化学过程,由简单化学物质到复杂化学物质,即从低组织化水平到高组织化水平,一步一步地演变而成的。


       化学演化过程人们很容易想象到和理解:首先是无机物分子的形成,然后是简单有机物、复杂有机物、大分子的聚合体、前生命体、直到生命现象的出现,这是一个很自然、循序渐进,也很符合逻辑的一个过程。

       俄国生物学家亚历山大.奥巴林认为,生命的产生是一个以不断增长的复杂组织水平上的化学进化过程,生命的出现是不断累积起来的化学复杂性。通俗地讲,就是简单化学结构向复杂化学结构的演化过程。

       在早期的地球上,存在组成生命的各种元素,这些为生命的形成提供了基础的条件。当这些物质在一定外界条件下,如适宜的温度、太阳光的照射、水、空气的流动和循环,一些物质相遇并且按照化学定理结合在一起,新的化学物质在这种情况下不断生成。所谓进化,就是指事物由低级的、简单的形式向高级的、复杂形式转变的过程。

      奥巴林不赞同建立在偶然合成基础上生命形成的思想。化学分子种类很多,不可能靠这些分子随机相遇的试错法来形成生命,因为这在概率上是行不通的,就算偶尔形成了也不能稳定存在。他提出,生命的出现过程中不存在生命与非生命之间明显的界线,化学进化的过程逐渐提高组织化的水平,导致从复杂有机体到第一个活细胞之间的连续性过程。

       物质的属性变化符合量变到质变的规律,生命的出现是化学复杂性程度逐渐累积的结果,而不是在某个时刻突然形成的。一种化合物形成之后,在其基础上又会发生新的化学反应,越来越多、越来越复杂的物质种类就这样被创造出来。

       例如,空气在雷电的作用下会产生氨,氨又会与其他物质结合,产生出含氮的有机物。这些含氮有机物又进一步与其他物质结合,形成更加复杂的物质结构。


       早期的地球是一个不毛之地,大气中不含自由氧。如果氧已经存在,就将毁坏生命出现的必要化学条件。地球最初被含碳氢化合物和氨气的还原性大气所包围,有水、二氧化碳、甲烷和氨等简单的化合物,这些东西构成了萌发原始生命的化学原料。

       有一个叫米勒的美国人做了一个非常著名的验证。在他的实验中,装有水的烧瓶注入CH4、NH3和H2的混合气体(模拟还原性大气),并提供如紫外线或电火花之类的能源——原始时代闪电现象的模拟。几个星期之后,在瓶内通常可以找到一些有趣的东西:一种稀薄的褐色溶液,里面含有大量的分子,其结构比原来放入瓶内的分子来得复杂。特别是在里面找到了氨基酸——用以制造蛋白质的构件,蛋白质乃是两大类生物分子中的一类。

       米勒的实验向人们证实,生命起源的第一步,从无机小分子物质形成有机小分子物质,在原始地球的条件下是完全可能实现的。

       在此过程中后来可能的状态是什么,对这个问题一直有争议。

       还原性气体进行的化学反应产生出复杂的有机分子,它们溶解在海洋或其它水域中,形成了营养丰富的“原始汤”。 生物学家和化学家认为"原始汤"就是大约三十亿到四十亿年前的海洋。在原始汤里,化合物再次合成,形成了多分子开放系统或者团聚体,团聚体是小液滴,具有确定的结构,可以从周围环境吸收物质。有机物质在某些地方积聚起来,也许在岸边逐渐干燥起来的浮垢上,或者在悬浮的微小的水珠中。

       接下来,从有机小分子物质生成生物大分子物质。这一过程可能是在原始海洋中发生的,即氨基酸、核苷酸等有机小分子物质,经过长期积累,相互作用,在适当条件下(如黏土的吸附作用),通过缩合作用或聚合作用形成了原始的蛋白质分子和核酸分子。近年来,在实验室里模拟生命存在之前的地球的化学条件,结果获得了被称为嘌呤和嘧啶的有机物质。它们是组成遗传分子脱氧核糖核酸(即DNA)的构件。

       第三个阶段,从生物大分子物质组成多分子体系。这一过程是怎样形成的呢?奥巴林提出了团聚体假说,他通过实验表明,将蛋白质、多肽、核酸和多糖等放在合适的溶液中,它们能自动地浓缩聚集为分散的球状小滴,这些小滴就是团聚体。奥巴林等人认为,团聚体可以表现出合成、分解、生长、生殖等生命现象。例如,团聚体具有类似于膜那样的边界,其内部的化学特征显著地区别于外部的溶液环境。团聚体能从外部溶液中吸入某些分子作为反应物,还能在酶的催化作用下发生特定的生化反应,反应的产物也能从团聚体中释放出去。


       在孕育生命的过程中,是先有蛋白质呢,还是先有核酸?这个问题有过激烈争论。其实,在前生命的化学进化阶段究竟先有核酸还是先有蛋白质分子的争论并不重要。早期前细胞的原始生命形式应该是由核酸和蛋白质(或许还有类脂)组成的大分子系统。在这个大分子系统内,氨基酸与核苷酸之间的关系通过相互作用逐步确立。完整生命结构的分子基础是核酸与蛋白质之间的相互作用和相互控制的复杂关系,换而言之,生命不是一种单纯的结构,而是一种由不同的生物大分子组成的关系机制。

       生命起源问题的真正难点是从化学进化到生物学进化的过渡。究竟是怎样过渡的,现在也只能做推测,大体上说,应包含以下步骤:一是能自我复制的生物大分子系统的建立;二是遗传密码起源,即蛋白质合成纳入核酸的自我复制系统的控制之中;三是分隔形成,即通过生物膜系统使生命结构与外环境分隔,同时使生命结构内部不同功能部分分隔。

       单独的或少量的分子不能构成活体,蛋白质、DNA、RNA分子等都只是组成生命的元器件。各种功能分子都就位了,有负责复制的、储存和传递信息的、能量转换的、系统和结构维持的,等等,不同的分子结构各司其职,生命就是这样一个众多分子的集合,或不同分子的关联组合体。生命是多种分子集合起来的自催化闭合系统,一旦达成催化的闭合,这个系统才是活的。生命以有序的整体的形式出现,有某种最低限度复杂性和稳定性的要求,而杂乱和零散的堆砌不可能形成生命。

       生命一旦出现,物质演化过程就转变为由适应、变异、遗传等因素驱动的演化模式。


      此外,在研究生命起源的时候,大多数研究者往往专注于研究分子结构本身的演化,而忽略了另外一个非常重要因素——环境。

       生命产生的过程不是孤立的。生命这种复杂结构的形成不仅是分子结构复杂性的积累,同时也是环境复杂性积累的过程,生命形成时有与之相对应的环境条件。仅有核酸、氨基酸这些物质,没有相应的环境物质构成,也不会形成生命。

       现代人类要创造生命,不是简单创造自催化的循环分子体系,还要构造分子体系在内的环境物质循环及整个反馈系统,这是一件极其困难的事。

       生命是一种动态的物质系统,它需要与环境进行物质与能量的交换,外界物质组分和存在形式要能满足这些的交换需要,以维持这个体系的运转。这里,我们也应该排除生命靠几率和巧合形成的可能性。

       迄今为止,我们并不清楚,当物质结构由非生命向生命过渡那个临界点,此时环境状态是怎样的,这种环境究竟是什么样的物质构成。


       生命产生于地球的物质循环和演化过程中。原始生命在一种特定的环境下形成,这样的特定环境也有一个逐步形成的过程,也就是复杂有机大分子聚集的环境。只有当各种内外在条件都具备了,才能满足生命这种复杂的具有特殊属性的物质结构的产生条件,产生出来的结构才可能稳定存在。

       生物大分子并不能独立表现出生命现象,原始生命既不是DNA、RNA,也不是蛋白质,只有形成了众多的、乃至成百万的蛋白质、核酸为基础的多分子体系时,才能表现生命萌芽。生物大分子在特定的溶液中自动聚集,形成各种独立的多分子体系,出现团聚体或微球体。由于多分子体系可以起到有机表面的催化作用,而反过来作用于各类单体的聚合,促使产生更高级的蛋白质和核酸,然后通过有序性逐渐提高的长期过程,形成结构和机能复杂的机体。

      生物体有一个最低限度复杂性的要求,低于这个限度就不能存活。最简单的细菌包含有细胞膜、基因、RNA、蛋白质,基因有几百个、甚至上千。为什么有这样最低复杂性限度的要求,这是因为,低于这个限度、生命运行链可能就建立不起来,生命这台“机器”缺少零件就不能运转。所以,生命是不同生物分子的组合、衔接、关联和对应,不同属性的分子被装配在一起,它们根据各自属性的不同各司其职,共同维持着一种活体的运转。

       从非生命体到生命体的过程不是在一个短暂瞬间完成的,那些复杂的有机大分子也在不断演化,非生命体与生命体之间还存在着过渡结构,这些过渡结构包含部分生命特征,然后由这些被称为“前生命体”的结构再向原始生命体演化。

       总之,生命是在一种特定环境中被“组装”起来的,与环境相适应的结构才是稳定的,离开这样特定环境,生命过程不可能被启动,即使碰巧出现了也不能稳定存在。换言之,特定的环境下,氨基酸、核酸等大分子按照一定的次序被整合在一起,经过了一个极其复杂和漫长的化学进化过程,构成了一种复杂的化学反应网络,即一种在特定环境中可自行运作的系统。

       无论如何,生命不是通过一些物质随机碰巧遇上凑合在一起的,也不是通过选择从外部强加的,而是一个循序渐进的、有机分子体系与环境同步演化的过程,需要经历相当长的时间。



       生命是物质按照宇宙固有规律运行的产物,是谁制定了这个规律我们不知道,其实不止是生命,原子、分子、所有宇宙存在都是在这种规律作用下形成的。宇宙规律,最基本的就是力学规律,即作用力及关系变化规律。

       实际上,不论是化学变化还是生物变化,这些最终都可以还原为物理的力学变化,即元素之间电磁力作用产生的变化。化学复杂性的积累也可以说成是力学复杂性的积累。生命体是一种复杂的作用力关系结构,这种结构对应于特定的力学环境,这是一种分子组合体的力学关系与环境外力的一种力学关系上相对平衡的产物。通俗的说:什么样的环境,造就什么样的存在。

       生命诞生及其进化的主要动因,一种存在通过改变自身以适应变化着的外部环境。这种特性使得地球上形成如此繁多的生物物种,使得人类这样高级的生命形态能够从原始的细菌进化而成。在这个意义上,美国科学家霍兰提出,“适应性造就复杂性”。因此,生命复杂性的特征是,系统具有开放性,在与环境的互动过程中不断地演化。

       所以,不能孤立地去看生命的形成,生命是与环境相关联的一种物质表达结构,是由许多化学反应所构成的网络系统。细胞以及组成细胞的生物分子异常复杂,尽管复杂,但却是一个非常有序的系统,不同的分子在这个系统中起不同的作用,它们各司其职,协同工作。同时,这个系统也是一个开放的系统,它不断从外界接受信息,并根据这些信息进行自身结构的调整,这就是生物体形成和运行的机理。


       还有一个问题人们经常讨论,生命均起源于一个原始细胞,还是有多个"生命"同时起源。我们能否这样理解,如果生命产生是一个必然的过程,形成生命的机理是统一的,都是以核酸、氨基酸为基础的多分子体系,那么,在当时地球环境下,生命可能在不同的地区发生起源的过程。也许,在一个相当长的时期内,生命在地球的不同地点产生出来,它们共用同一套生命运行机理,但由于环境的差别,不同生命体在结构上有所不同。所以,不能认为不同生物体有相似之处,就认为它们有统一祖先,两者之间不是必然关系。

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