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第2章 从非生命到生命——浅谈生命的起源

第一篇 知识荟萃

第一章 从非生命到生命——浅谈生命的起源

《西游记》第一回中,说在花果山正当顶上,有一块仙石。自开天辟地以来,每受天真地

秀,日精月华,感之既久,遂有灵通之意。内育仙胞,一日迸裂,产一石卵,似圆球大小。

因见风,便化作一个五官俱备、四肢皆全的石猴子。那猴在山中,却会行走跳跃,虎豹为群

,獐鹿为友,猕猿为亲;夜宿石崖之下,朝游峰洞之中。这段由石头变猴子的神话,因为具

有“永久的魅力”,多少年来在我国民间广为流传,脍炙人口。但是神话毕竟不是科学。

迄今为止,生命从何而来,它是如何起源的,这仍是一个没有完全解开的谜。

在众多的关于生命起源的理论中,人们比较倾向于化学进化学说。

根据大爆炸宇宙理论,宇宙起源大约在200亿年以前,银河系起源至少在130亿年前,太阳

的形成发生在46亿年前。原始的太阳比现在太阳的质量大1 000倍,初期

它的温度并不高,由于内部物质的收缩,物质分子间相互摩擦,相互碰撞,便产生了许多热

量。热量辐射不出去,内部的温度越来越高,这样更加剧了物质的运动,中心部分的温度会

迅速升高,达几千度以上,结果引爆了太阳的主要成分——氢,发生热核反应,放出了巨大

的光和热。这个热核反应的熊熊烈火一直燃个不停,给生命的孕育、细胞的诞生、万物的成

长,提供了源源不绝的能源。

少年时代的太阳,就和天真烂漫的小孩一样,活泼、可爱,它围绕着银河系旋转。它又像一

位花样翻新的滑冰能手,为了展示其技能,它高速旋转,结果从它身体的外围抛出一块又一

块的原始物质。这些物质仍被它吸引,围绕着它旋转,后来,它们又互相凝聚,由小变大,

最终形成了环绕太阳的九个子女——九大行星,即金星、木星、水星、火星、土星、地球、

天王星、海王星、冥王星,其中地球就是由太阳生出来的。

地球出生的时间约在46亿年前。出生时太阳给了它由固体尘埃聚集成的身体,又给了它以氢

氦为主的气体外衣。地球娃娃的降生,在宇宙中来说,只不过是沧海中的一粟,算不了什么

大事,也提不到什么正式的议事日程上来。

然而,我们的母亲——地球,却有火热的心肠和得天独厚的条件,它孕育出了一批又一批的

细胞王国,建造了一个丰富多彩的生命世界。

由于原始地壳薄弱,内部温度很高,地球内的物质像开锅的沸水,随着火山的一起爆发,烟

雾缭绕的大气冲破地表。

原始大气的成分是,二氧化碳、甲烷、氮、水蒸气、硫化氢、氰化氢等。在40亿年前的原始

大气层里,根本没有氧气的存在,也没有像现在环绕地球25公里高空的臭氧层存

在,不能隔绝太阳射来的紫外线。没有氧分子,并不影响生命的孕育,作为生

命所需要的氧原子在其他气体小分子中已经存在。紫外线能射到地面上来,正好为生命

的孕育提供了可贵的能源。此外高空中,电光闪闪,雷声隆隆,也为生命的孕育提供了足够

的能量。

化学进化有原始大气作为丰富的原料,又有紫外光、放电、火山爆发、放射线等充足的能源

,它们就是化学进化第一阶段的内因和外因。由无机小分子生成有机小分子的阶段开始了。

化学进化的第一阶段像一幕闹剧,演出的日期在距今40~50亿年前,演出的舞台在原始大气

之中,演员由甲烷、氨、氢、水和二氧化碳等担任。原始地球的能源

好像舞台上强烈的灯光和演出中的音乐伴奏。在电光闪闪、雷声隆隆、火山喷射、热气腾腾

的场景中,原始大气的诸成分“跌”、“打”、“滚”、“爬”,化分、化合,剧情不断发

展,最终甲烷、氨、水等无机小分子生成氨基酸、嘌呤、嘧啶、核糖、脱氧核糖、卟啉等

有机小分子。由于这幕闹剧仅牵涉到碳、氢、氧、氮等几个元素,把它取名为碳、氢、氧、

氮大闹天宫倒也合适。

碳是大闹天宫中最主要的角色,它在化学进化中起着中坚和骨干作用。碳的重要性是由它的

特殊结构所决定的。一个碳原子核里含有6个中子和6个质子,周围有6个电子围绕着旋转。

它的外围电子轨道还可以接受4个电子,这便使每个碳原子具有4个化学键,都能用所谓的键

挂上其他原子。例如原始大气中的甲烷(CH4)就是一个碳原子连接4个氢原子组成的分子。

这种一个原子和其他原子连接的本领并不稀罕,因为它是所有原子的通性。碳原子之所以出

类拔萃,主要显示在碳与碳、碳与其他原子能连接成长链的能力上。连接起来的链可以有任

意长短,也可以有任意长短的分支,还可以首尾相接形成各种各样的环。环和链又能连环。

由于碳原子连接的方式层出不穷,可以形成无限多的复杂的集合体,化学进化在很大程度上

就是碳化物的进化。因此,碳作为“大闹天宫”中的主角应该是当之无愧的。

在碳、氢、氧、氮“大闹天宫”中,能源起了重要的促进作用。原始大气的成分直接沐浴在

太阳光下,接受着各种各样的能量。特别是紫外线化学活性很强,它能打断CH4、H2O

、NH3的化学键,把C、H、O、N等原子从分子中“解放”出来,然后,任它们在广阔的空

中舞台中大闹特闹。由于各种原因这些原子集中在一起,并以各种各样的方式结合起来

,又重新生成了许多化合物。在这些化合物中,有无机物也有有机物,有老面孔也有新花样

,有简单的也有复杂的。有机物生成的速度是缓慢的,但自然界有的是时间,日积月累,这

些有机物越来越丰富了。

生命的先驱——小分子有机物的生成,就是地球上生命的起源。

大约在39亿年前,地球温度已下降到100℃以下。高空中的大量水蒸气便凝结成雨,大雨滂

沱,倾盆而下,不知下了多少岁月,积水形成了湖泊、河流,再进一步汇集出现了原始的海

洋。

空中大量的有机小分子,这时也随昼夜不停的大雨,被作为“天兵天将”派到还十分荒凉的

地球上。地球上处处是茫茫大水,它们只好随波逐流,最终纷纷汇入了富饶的海洋。

原始的海洋富庶无比,大量小分子有机物质的汇集,就像一锅“有机汤”。假如这锅“有机

汤”中只含有百分之一的有机物质的话。它的总数量也将超过1 000亿万吨!如此丰富的养料

,却没有任何生物享用,也绝对没有任何敌对竞争,真不愧为生命诞生的水栖乐园,特别是

大量的有机小分子物质,可以互相融合,频繁地接触,这比高空更为理想。

经过漫长的岁月,在太阳送来的紫外线和地层释放出来的热能帮助下,小分子有机物在生命

孕育的化学大道上迅跑,第二次飞跃生成了大分子有机物。这些有机大分子,要逃避为它的

出生帮过忙、又能杀伤它的强烈紫外线作用,需要一个安全地带,于是纷纷向理想的海洋中

层转移。

在海洋中层,这里聚集了大量的大分子物质,它们又互相作用,才生成了更为复杂的蛋白质

和核酸分子为主的物质体系。在这原始的蛋白体具有简单的“界膜”,能与周围的水溶液分

隔,就像小油珠似的“团聚体”,这就是最原始的生命。这是经历了10亿年的化学进化,由

无机物到有机物,再到生命的质变。

生命的诞生,犹如破云而出的阳光,使一度死寂而荒凉的地球上,开始出现了无限的生机。

32亿年前的原始小生命,在富饶的海洋中大口大口地“吃”有机物,由小长大,繁殖后代。

经过狂风巨浪、雷电交加的考验,小生命愈来愈坚强了。在和自然的搏斗中,小生命演化得

越来越复杂了,在身体的外围包了一层蛋白质和磷脂物质结构的“细胞膜

”样物质。这样,第一个细胞王国就诞生了。

由非细胞形态的生命飞跃为细胞形态的生命,加快了生命进化发展步伐。

细胞王国开始了生生息息,繁衍后代的生活。于是,大量的单细胞生物迅速占据了整个海洋

,它们乘风破浪,追逐游戏着,完全一副“浪荡公子”的样子,饿了,它们就以海洋中丰富

的有机物为食。这样,久而久之,随着后代的增多,种类的增加,终于“坐吃山空”,海洋

中的有机物将要被它们消耗殆尽了。这些靠吃现成的有机物过日子的生物,将面临着被饿死

的危险。

可是天无绝“命”之路。化学演化中早已合成了叶绿素的核心卟啉环。生命具有无限的变异

潜力,在厌氧的生物中发展出一支含叶绿素的蓝藻。它们利用光能进行光合作用,把无机物

直接合成有机物。从此,生命自己解决了“粮食”问题。

光合作用产物之一——氧,使大气圈逐渐产生了臭氧层。臭氧屏障,阻止了紫外辐射,保护

了生命。光合作用产生的氧,还促使还原性大气向氧化性大气转化,从而使生物由无氧酵解

向有氧氧化发展,大大提高了生物能量代谢的效率。

自养生物利用光能把水、二氧化碳和氨盐合成了糖和蛋白质等有机物。异养生物通过吃自养

生物又把有机物分解成水、二氧化碳和氨盐等,从此生物界出现了自养和异养、合成和分解

的矛盾。由于这两对矛盾的对立统一组成了一个完整的生态系统,为以后的生命大发展开辟

了崭新的道路。于是真核细胞出现了,植物、动物出现了,最后随着动物的进化,又在它们

的高级类型中分化出了具有自我意识的人类。

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