Astronomy 版 (精华区)

发信人: reise (璀璨星河), 信区: Astronomy
标  题: 第二章  什么是生命？
发信站: 哈工大紫丁香 (2003年04月22日11:52:00 星期二), 站内信件


　　　　“谁说我们不会是火星人？”
　　　　　　　　　　　　　　　　——理查德·扎雷

　　什么是生命？乍一看，答案似乎很显然，但事实上要完整
而合乎逻辑地回答这一问题却相当困难。

　　如果说生命就是能够成长，能够运动的东西，恐怕并不贴
切。毕竟。晶体也能够成长——它能产生规则的结构，复制出
与细胞形态极为相似的单元。毫无生命的水或其他液体能够流
动，或者说运动，这显然不足以用来定义生命。

　　也许稍加思索后，你会说：所有的生命都消耗能量。然而，
从除草机到计算机，从汽车到宇宙飞船，所有这些机器也都消
耗能量。比较确切的定义或许是：生命拥有控制能量的能力。
不过一些高级的机器，特别是近几年来运用模糊逻辑设计的某
些先进的机器也具有这样的能力。

　　我们通过一个有趣的例子来看看要对“生命”下定义是何
等的困难。请想象一下，如果外星观察者们发现了因特网，假
如他们还没有注意到使用网络的是人类，他们会做出什么样的
判断呢？控制论专家沃里克（Kevin Warwick）描述了外星种族
面对因特网时会提出的一系列问题：

　　　　以下７条关于生命的测试中，它真正能通过的有几
　　条呢？

　　　　它成长吗？当然：事实上在过去几年中，这种网络
　　成长的速度相当惊人。它具有行动能力吗？绝对有：例
　　如网络中的那些开关路由。对外界有没有反应呢？对外
　　界刺激的响应原本就是网络的基本职责。需要营养吗？
　　确实需要：信息（一种或另一种形式的能量）不断输入
　　网络中。具有排泄功能吗？有啊：信息最终是要送出网
　　络的。是否呼吸呢？这稍微有些难理解，不过如果考虑
　　一下电脉冲在网络中的传播，这也是正确的。最后是繁
　　殖，这也是最难说明的一点。也许我们可以从最初的网
　　络又在其他地方衍生出新的网络这样一个过程中作出推
　　论。[1]

　　另一种对于“生命”的理解是：只有生命处理和存储信息。
但这不就是计算机特有的用途吗？虽然关于将来是否可能利用
复杂的计算机来发展人工智能的争论十分激烈（我们将在第三
章里讨论），至少目前的计算机还不能被看成有生命的东西（
尽管它也处理信息）。那么，我们要如何来清楚明白地抓住要
点，把有生命的东西与无生命的物体区分开来呢？

　　传统教科书上有这样一条定义：所有生命都呈现出3个“f”
的特性：攻击（fight）、移动（flight）和繁殖（frolic）。它也同
样使我们陷入逻辑上的麻烦。繁殖事实上是“复制”的委婉语，
而且是迅捷的“复制”，有如无机的晶体在溶液中生长。对于
生命，也许我们得出的最准确的说法是：所有的生命，从最简
单的细菌到人类，都进行复制并把它们的基因物质或遗传特征
传递给后代。这些物质在传递过程中经历变异。换句话说，它
们经历了自然选择的进化过程，而不是简单地产生与自身完全
相同的拷贝①。

　　在萨根意外地辞世之前不久，他把生命定义为“任何具有
复制、变异和变异之复制能力的系统”。这意思是说，生命是
由具有下述特征的实体来表征的：这种实体通过自然选择的进
化机制，允许代与代之间产生变异，它能把自己的特征通过繁
殖而重组，使下一代的特征与自身并不完全一模一样。

　　在下一章，我们会回到进化问题上进行详细的讨论，现在
则必须先对“生命”的定义进行更深入的分析（这与其说是科
学问题，不如说是语义问题更恰当）。在这里，一个尤为重要
的问题是：生命是如何在地球——一颗生机勃勃的行星上产生
的？

　　为了探究这个问题，我们有必要了解一下在诸如“生命如
何在早期地球上产生？在宇宙历史的不同时期这样的过程在其
他地方又会如何发生？”之类的疑问背后的几个基本概念。

　　所有的物质都由原子组成。自然界总共有100 多种不同的
原子，有些是非常普遍的，如氧，氮，铁和铅等；也有一些有
着奇怪名字的不太常见的物质，如铷、锿和硒等。在关于生命
的讨论中，最重要的原子是碳。在许多方面，碳原子有着和其
他原子一样的特性：它很稳定，能与其他原子或其他碳原子产
生键，从而形成小到仅有几个原子，大到含有成百万个原子的
分子。但是，它也有一个与众不同的重要特性。只有碳原子能
够成为大分子（有机分子）甚至更大的聚合物（生化物质）的
中坚。已故作家、化学家莱维（Primo Levi）在他的一部著作中
这样描述碳原子的多样性以及它与生命之间密不可分的关系：

　　　　我们的主角已经和３个氧原子、１个钙原子一起以
　　石灰岩的形式静静地沉寂了数十亿年……十字镐的敲击
　　将它分离下来，送入石灰窑，进入这变化的世界…它被
　　风抓住，直落地面，又复飞上10千米的高空。一只鹰把
　　它吸入体内……在海水中溶解了３次后……它又被排了
　　出来……然后，它再次被捕获并由此开始了有机之旅…
　　它幸运地从一片叶子上擦过并钻了进去，一缕阳光将它
　　牢牢锁住……眨眼间就好像被蜘蛛捕获的昆虫一样，碳
　　原子和氧原子分离了开来，最终和氢一同进入了生命的
　　长链……它进入了血液，不断地迁徙。叩响每一个神经
　　细胞的大门后进入其中，碳原子被排挤了出去。这个细
　　胞是一个大脑的一部分。其实正是我的大脑……这个细
　　胞和细胞中的原子在一个从未有人描述过的伟大而微小
　　的运动中控制着我的书写。它……引导着我的手在纸上
　　画上一点，对，就是这里，句子后面的这个标点。[2]

　　碳具有可形成与其他原子相连的长链或环的几乎独一无二
的能力。我说“几乎”是因为还有其他一些原子也能形成类似
的链或环，但远不如由碳基产生的分子来得多样化。“硅”是
一个最接近的例子。它有些特征与碳颇为相似，但由于硅原子
之间的键比碳键要弱许多，所以它只能组成长度仅为５到６个
原子的稳定链。

　　此外，硅也没有碳的另一种惊人的特殊属性。碳能和其他
碳原子或合适的原子组成多重键。这大大加强了它的多样性，
使之能形成大量不同类型的分子，其中有些分子相当大，含有
数百万个原子。相对而言，硅却不能与同类型原子组成多重键，
也很少能和其他原子以多键的形态存在。

　　因此，尽管有些科幻作家在描写基于硅的生命形态方面做
了不少出色的尝试，但事实上这几乎是不可能的。原因非常简
单，以我们目前的化学知识来看，硅无法形成那么复杂的分子。
碳是这个宇宙中能形成生命砌块的独一无二的原子。

　　也许你会想，这是不是过于盲目自信了呢？事实上，我根
本没有离开过地球，人类也仅仅到达过月球，对我们这个小小
太阳系中其他行星的探索也不过处在用简单机器探测的起步阶
段而已。究竟为什么我敢下此断言呢？

　　这个问题的答案对于理解如何用科学的方法推测其他行星
上的生命至关重要。科学理论中极为基本的一条就是“普适性
原理”，它说明了宇宙的同一性——或者换一种说法，“这里
发生什么，那里也会发生”。举个例子，我们不可能莫名其妙
地错过了与碳相似的另一种原子，因为这样一种原子不可能填
进元素周期表——以某种精确的模式列出宇宙中所有不同元素
的精确位置与相互关系的分类方案②。

         图 2 碳基分子和硅基分子的比较

　　元素周期表是一个世纪以前由俄国化学家门捷列夫（Dmitry
Ivanovich Mendeleyev）依据元素特性创制的。 他把各种元素按
它们的特性置入相互关联性的模式中——这个网格状的系统被
称为“族”和“周期”。随着原子量的变化，原子的大小也不
同，表中并没有给任何特异的元素（也许这样的元素只有在猎
户座里才会发现）留下“空位”。”此后几十年里，表格中的
空缺逐渐被填补了上去，科学家还扩展了表的长度，但他们始
终没有发现过应插入表的中部的未知元素③。

　　这样迂回一番是为了要说明，只有碳原子才能形成“生命
分子”这样的大分子，例如，像DNA（脱氧核糖核酸）和RNA
（核糖核酸）这样巨大的分子结构，或者甚至较小一些的分子，
如组成前两者的核苷酸等）除此之外，还有蛋白质、酶及其他
维持细胞运作的生化物质。由于宇宙具有的同一性，这样的情
况在“这里”和“那里”都是一样的。

　　那么这些生化物质又有什么用呢？它们究竟又有什么特别
之处呢？

　　这些生化物质有着极为广泛的功能，从提供所有生物的每
个细胞运作所需的能量，到完成生命不可或缺的部分——繁殖。
在经历了漫长的进化过程以后，数以千计的这类生化物质均能
以惊人的高效完成各自特定的任务。其中最复杂的任务可能是
由一组特定的大型生化物质通过一系列精密的步骤将遗传信息
从上一代传至下一代。

　　正如我在本章开头所说的那样，具有复制能力、能在复制
过程中将遗传信息（它还具有变异能力）传递给后代，也许是
我们定义生命的最清晰的方式。在这个过程中需要许多大型有
机分子和生化物质。基于这一原因，很难想象某种生命形式，
特别是某种高级的智慧生命，能以碳元素以外的任何其他元素
为其化学构架的基础④。

　　好了，既然我们已经明确“生命”的核心在于一代代地复
制和变异，认识到那些生化物质在这一机制中起到了关键作用。
那么，它们又是如何具体参与其事的呢？

　　其实很简单：所有的生物都是通过印在每个细胞中的遗传
蓝图将特征信息传给下一代的。每个个体的模板全都不尽相同。
正是它区分了猴子和青蛙，区分了斯瓦辛格（Arnold Schwarzenegger）
和布莱尔（Tony Blair）。这种蓝图被称为遗传密码，它由一系
列微小的基因组成，而这些基因又由一种非常大的生化物质——
DNA（脱氧核糖核酸）的片段组成。

　　遗传学的历史由来已久。19世纪中期，奥地利修道士孟德
尔（Gregor Mendel）认识到代与代之间是通过他称为 “离散因
子”的东西——今天我们称之为基因——而遗传其特征的。他
发现每个个体从上一代那里继承两套完整的基因，分别来自父
母双方，在生物学上叫做“等位基因”。它们在复制过程中并
不发生任何变化，原封不动地从上一代传到下一代。使每个个
体不同的真正原因在于：每一个后代都从双亲两方各自的等位
基因中取一条，也就是说选中任一条的概率为50％，这样一来
就会产生4种组合，任何一种组合出现的概率为25％。 这种基
因的重组产生了多种多样的特征结果，如：肤色、体型、对疾
病的抵抗力，甚至酗酒的倾向性。

　　尽管孟德尔有了遗传物质的概念，但他并不清楚这个过程
在化学上是如何实现的。在孟德尔死后，大约过了70年，这个
谜终于被解开了。 在剑桥工作的沃森（James Watson）和克里
克（Francis Crick）发现基因由两股复杂的分子组成，这就是现
已广为人知的DNA双螺旋。

　　现已发现所有生物的每一个细胞中全都含有DNA。虽然它
是非常大的有机分子，但令人惊奇的是，构成DNA的基本化学
单位只有4种。它们分别是：A（腺嘌呤，adenine）、T（胸腺
嘧啶，thymine）、G（鸟嘌呤，guanine）、C（胞嘧啶，cytosine）。
它们数以亿计地散处于DNA分子结构中。这4种物质中的3种便
可以构成一个特定的代码或“词”， 这些由“3个字母”组成
的代码使单个的氨基酸能够按照指定的顺序组合成蛋白质。蛋
白质不单单是组成人体器官的必要物质，所有的生命都要依靠
蛋白质来提供自身所需的复杂化学物质。

　　使这一过程形象化的最佳办法，莫过于将一个细胞想象成
一大套百科全书。每一册书就是细胞中的一条染色体。人类的
每个细胞中都含有23对染色体，它们由极长并紧密盘绕的DNA
构成。人类身上的这套“百科全书”共有46册，每一册都有数
十亿的词汇量。

　　就像大百科全书的每一册都讨论大量不同的问题一样，每
一条染色体都控制着生物种种不同的物理特征。打个比方说，
眼睛的颜色就好比是“文艺复兴时期的经济理论”；毛发的类
型就是“第一次世界大战时期伦敦的双层公交车”，身高相当
于“鸭嘴兽的交配习性”。这本百科全书中的每一个条目就是
单个的基因。当然，每个条目都是由段落、单词和字母组成的。
依据我们的类比，段落就是基因中大段的DNA，而单词是DNA
中由3个“字母”组成的“词”（它为氨基酸编码）， 其中的
字母就是基本单元：A、T、C和G。

     图 3  遗传密码与单词、书和图书馆的类比

　　除提供组成基因的必要物质外，通过在细胞中复制自身，
DNA同样也是生长过程中的重要媒介物。它就像是一块模板那
样产生自身新的拷贝。我们的这本“大百科全书”似乎可以无
限地复印和分送；你只要拆开它就能一份一份地复印出相同的
拷贝。但是正像复印一样，在这一过程中总有些小误差。这些
“小误差”被称为“变异”，它们可能是有益的，但也有可能
会产生不良后果。

　　在克里克和沃森对DNA结构具有独创性和开拓性的发现之
后15年，科学家们对于“大百科”中的“单词”的形成有了充
分的认识。他们发现在A、T、C和G这4种基本物质中，每次只
要3种即可正确定位氨基酸以形成蛋白质。这样一来，用4个不
同的字母，我们就可以得到64个不同的单词（长度为3）。 举
例来说， “G-A-T”就决定了一种特定的氨基酸——“天冬氨
酸。

　　然而，这并不是故事的全部。DNA并不是遗传机制中唯一
的生化物质。另一种同样重要的化合物叫做RNA（ribonucleic acid
的缩写，即核糖核酸）。它与DNA的关系相当近。让我们来再
看一看大百科全书和复印机之间的关系。大百科全书的书页通
过复印机复制。复印机扫描书页并用墨将书上的文字和图片在
另一张纸上重复展现出来。在生化反应中，将信息从原件传送
至复制件的正是RNA分子。这种特殊的分子可以被看成信息传
递者——它把DNA编码转送至细胞内另一种叫做“核糖体”（
类似于复印机中的实际复印部件）的生化“装置”中，由后者
来构造蛋白质。

　　整个过程也可以看成工厂中的一条生产线。DNA将“引物
核苷酸”——一种体内已预先制备好的有机大分子——正确地
连接起来制造出更多的DNA和RNA。用我们的类比来看，引物
核苷酸就像是机器的许多小部件，这些部件可以在机械车间的
装配线上拼装在一起。要完成这项工作，DNA还必须使用酶。
酶是另一种有机分子（蛋白质），它能促成某些化学反应的进
行（加快反应的速度，也就是说，它们是生化催化剂）。RNA
将DNA的设计指令转送到核糖体，核糖体用较为简单一些的化
合物（氨基酸）来制造蛋白质。利用这些蛋白质又可以制造出
更多的DNA、RNA和其他大分子，同时另一部分蛋白质以酶的
形式共同参与到细胞乃至整个生命体的维持运作中（包括所有
以上这些过程）。

            图 4 DNA如何制造蛋白质

　　这可是一条自给自足的生产线。大脑是公司的总裁，每个
细胞的细胞核就是一个生产车间，而这些大分子则是机器，所
有的机器和它们的产品是用同样的零件制造出来的。这一切的
一切都由我们吃的食物来提供能量。车间由我们呼吸的空气来
通风，所有的过程都在水（或一种似水的溶液）中完成⑤。

　　整个过程相当清晰。它展现了生命维持自身运作的机理。
但是，在这个生命循环的生化过程中是否有些问题呢？想一下
生命的基本要素：生命的定义是能够复制并将变异的信息一代
代传下去或通过自然选择而进化的实体。进化是通过复制过程
中的遗传变异来实现的。遗传密码由DNA携带，DNA是在细胞
内利用RNA生产蛋白质的某种生化过程中产生的。不过，我们
陷入了一个左右为难的困境，如果说进化对“生命”乃是必不
可少的，而这个过程本身又要求一系列相当复杂的变化，那么
生命最初是如何产生的呢？从另一个角度来看，所有能够进化
的实体（按我们的定义就是“活的”）都要具有足够复杂的结
构来运作自身的遗传机制，从而实现进化过程——即便最简单
的细菌也是如此（这就是为什么细菌被认为是有生命的原因）。
但一种实体在没有进化的情况下又是如何变得如此复杂的呢？
它究竟是怎么开始攀上这进化之梯的呢？这是出名的“先有鸡
还是先有蛋”之类令人进退维谷的难题。幸运的是，这个看来
无法解答的谜却是有答案的。

　　直至17世纪，所有关于生命起源的思想都深深扎根于宗教
而不是自然哲学（现代科学的先驱）的基础上。神被视为所有
生命的缔造者；人类是由神通过一种无法（或是不该）了解的
神圣方法创造出来的。随着时光的推移，先后出现了一些试图
解释其中奥秘的理论。

　　“自然发生论”是最早的理论之一。从很久以前，人们就
注意到一些有机物，特别是像奶酪和面包这样的食物，表面常
常会无缘无故地长出生命来。例如，一块放置了几天的奶酪上
会长出霉茵来。同样的现象也会发生在面包和熟透了的水果上。
由此就引出了生命会“自然”产生的想法。

　　一直到1860年，这种想法的势头才得以遏制。巴斯德（Louis
Pasteur）证明如果将这些东西装入密封容器中， 它们并不会长
出真菌或其他可见的薄膜。即使面对这样的事实，那些“自然
发生论”的支持者们仍辩称，巴斯德只是证明了面包或奶酪上
自然产生的生命由于缺少空气而窒息并停止生长罢了。巴斯德
于是又接着说明真菌或细菌的生长是由于空气中不可见的孢子
或微生物引起的。有机物表面出现的那种生命形式正是细菌或
真菌的菌落生长到了肉眼可以观察到的地步，而空气、合适的
湿度和可靠的食物来源也都是促成这一切发生的必要条件。

　　几乎就在巴斯德的研究成果发表之际，自然发生论的丧钟
敲响了——达尔文（Charles Darwin）和华菜士（Alfred Russel
Wallace）几乎同时创建了自然选择的进化理论。在他的革命性
著作《物种起源》中，达尔文证明了生物是如何在一个漫长的
时期中，从简单进化到复杂，而且尽管奶酪上的生物非常简单，
它们决不是随意突然地产生的。鉴于当时的宗教敏感性，达尔
文在《物种起源》中并没有推测生命在地球上产生而不必借助
神的力量。他在书中写道：“造物主”呼出了“一种或几种生
命”。然而，当私下里与他的朋友和同事胡克尔（Joseph Hooker）
通信时，达尔文表达了自己真实的想法——生命从化学中产生：
“从充满了氨、硫酸盐、光、热、电等等所有这一切的某些温
暖的小池塘中诞生。”

　　自然哲学家试图依据早期的实验以自然发生论来诠释地球
乃至其他星球的生命起源。但是，所有的生命都必须经历进化
过程，从定义上来说都要在自然选择法则的支配下运作——它
们要卷入代代相传的遗传变异，并且必须变得复杂到能够参与
这种过程。虽然我们面临着“先有鸡还是先有蛋？”的问题，
自然发生论却不是这个问题的答案，它只是一条死胡同。

　　有一种避开了这一起源问题的理论叫做“胚种说”。它主
要由瑞典化学家阿雷尼乌斯（Svante August Arrhenius） 之倡导
而在19世纪大为流行。阿雷尼乌斯认为生命是从外层空间以孢
子的形式传到地球上的，他的这种理论得到当时多位著名科学
家的支持，其中包括杰出的物理学家亥姆霍兹（Hermann von Helmholtz）
和开尔文勋爵（Lord Kelvin）。从详细的模型中可以看到， 胚
种说提出“生命的种子”从一颗行星传至另一颗行星，当某颗
行星演化到适宜于生命时，生命就会开始出现。

　　根据胚种说支持者的说法，地球上的生命是在大约35亿至
40亿年前，生命种子或孢子来到地球以后开始出现的。当时地
球上已经形成了适合这些“种子”生长和进化的大气层和地面
环境。

　　迄今为止，这种理论仍相当有争议。现代胚种说的积极支
持者霍伊尔（Fred Hoyle） 和维克拉马辛在过去几十年内一直
不懈地进行着论证，而且事实上也没有任何科学推理可以证明
这是不可能的。 即便艾伦山84001是第一块被发现含有生物化
石的火星岩石，它无论如何也决不是唯一含有有机物质的陨石。
我们已经从坠落在地球上的岩石中发现过大量不同的复杂有机
分子。这些岩石中有一部分是从太阳系外历经数千万年来到这
里的。就像彗星一样，从其他恒星的行星系统中诞生（虽然不
常如此），并踏上漫漫旅程前来此地⑥。

　　胚种说的一个疑点在于：细菌作为最简单的生命，经受不
住宇宙中以百万年计的漫长旅行。不过，新的证据却使持此疑
问的反对者失去了优势。

　　近几年的研究表明，细菌可以在地球上一些环境非常恶劣
的地方生存。10年前，科学家在活火山口附近发现了细菌的生
长。类似的情况也出现在其他地方。在热泉和南北两极的荒漠
地带也都有能够忍受极端温度的细菌的影踪。更有甚者，在核
反应堆通风口处也有生命在繁茂生长。不过，这些比起1996年
的一项发现来说却又算不了什么了。一群科学家在美国东海岸
的海床上钻了一个深洞后惊奇地发现，在水下11 000英尺（约
3350米）的沉积物下面2500尺（约760米） 的地方也有细菌存
在。

　　很难想象科学家们当时震惊的样子。几乎所有地面上的生
物都不能承受海平面以下13 000英尺（约4000米）处的环境。
那里的温度大约是170℃，而且压力约是地面上的400倍。虽然
这与星际空间中几乎毫无大气压力、并且处在绝对零度（-273
℃或0Ｋ）边缘的环境不完全相同，但这无疑同样是很严酷的
条件。没有理由说，能够在地表以下13 000英尺（约4000米）
处的恶劣条件下生存的细菌，如果在一颗彗星或流星体的中心
部分静静地处于休眠状态的话，就一定不能忍受太空中的环境。

　　然而，完全没有必要在“是否可能”这上点上大费周章。
在前面的章节里我已说过，DNA和RNA是由一种叫做“引物核
苷酸”的大型有机分子或生化物质产生的，“引物核苷酸”镶
嵌在一起形成更坚实的单元，它们制造出DNA和RNA的组成部
分。有些人认为这种较为简单的“生命前”单元（作为生命前
驱的大型有机分子，但其自身并不是“活的”）可以承受星际
之旅）将生命之种传播到地球上。

　　这次生命之旅的出发点可能是我们这个太阳系中的某处——
也许是火星，假如那里确实先于地球有过生命。要不然，它也
可能是从许多光年以外比我们太阳系先有生命的另一个行星系
统出发，长途跋涉才来到这里。

　　尽管恒星之间相距遥远，封闭在彗星或流星体中的有机物
质往往要在太空中漂泊数百万年，但是生命通过这种方式传播
到地球的可能性依然存在。最近的估计表明宇宙的年龄大约是
150亿年，而地球上最早出现生命的时间是35亿～40亿年前。
可见， 从大爆炸到地球上首次出现生命之间至少有100亿年的
时间。很有可能在银河系或其他星系中有某个行星系统比我们
的太阳系形成和冷却得稍早一些，如果生命在那里开始进化，
哪怕只比这里早了1%，也会给生命之种数千万年的时间飞抵地
球。

　　20世纪70年代，一群加拿大和英国科学家在胚种说的基础
上提出了一种更精致的思想，称为“生命云”理论。这种理论
展示了星际尘埃云中含有的有机化学成分如何反应生成核糖体
和蛋白质。按照这种理论，当行星穿越这样的云时，生命之种
的传播就完成了，一旦行星上的环境变得适宜，生命就开始繁
盛起来。他们认为地球很有可能在35亿～40亿年前曾穿越过这
样的星云。

　　基于“胚种说”的种种可能的理论都非常有趣，也没有什
么科学依据可以完全否定地球生命源于某个遥远世界的假设，
但是它同样无法解开生命的起源之谜。这些理论就像移动球门
柱一样，将问题的重心转移了一下而已。就算“胚种说”是正
确的，它确实解释了地球生命的起源，但老问题仍未解决：生
命究竟是怎样在它第一次出现的地方产生的呢？

　　不管某一天“胚种说”会被证实为对或错，如果我们要认
真地探究生命起源的话，就应该先把它放在一边。取而代之的
是，让我们暂且假设地球上的生命不是来自其他地方，而是在
当时的环境条件下，通过某种途径自行产生的。那么，它会是
如何产生的呢？

　　1936年，俄国生物学家奥巴林（Aleksandr Ivanovich）在《
生命的起源》一书中首次尝试描述含简单化合物的溶液如何通
过一系列生物化学反应形成非常复杂的分子结构。在那本书中，
奥巴林提出原始的生物有可能是从已有的有机物中产生的，而
那些有机物又是由更为简单的化合物自然形成的。这样，他真
正开始将达尔文的进化论放入前生命系统之中。尽管奥巴林可
以在实验室中用精密的实验来证实他的构想，但不足为奇，他
在当时受到了全体宗教思想家和科学家的怀疑。不过，他的理
论得到了英国大生物学家霍尔丹（John Haldane）的支持。霍尔
丹是第一位提出在原始海洋中发现的某些有机化合物或许能合
成某种可自我复制的物质形式的科学家。他认为富氢的大气环
境会大有帮助，这一系列条件称为“还原性大气”⑥。

　　20世纪40年代和50年代中，认为生命起源于大气中含氢的
原始地球的想法相当盛行，并且由于1953年两位美国化学家米
勒（Stanley Lloyd Miller）和尤里（Harold Clayton Urey） 进行的
有些传奇色彩的实验而得到了长足的发展。

　　1953年4月， 全世界都为克里克和沃森所揭示的DNA分子
“双螺旋”结构所震惊。一时间，关于生命的话题以及如何利
用科学技术手段来揭开遗传和进化之谜的各种讨论成为新闻的
焦点。在这样的环境下，一个月之后，也就是1953年5月， 米
勒和尤里公布了他们的革命性发现。

　　按照试验计划，米勒和尤里决定要验证一下奥巴林和霍尔
丹的理论。他们在实验室中做了一个假想生命出现时地球环境
的模拟实验。首先将氢、水、甲烷和氨混合成某种气体（为了
和史前地球大气的成分相吻合），然后模拟闪电，让这些混合
物经受一星期的放电反应。

　　一周之后，他们得到了令人吃惊的结果。在烧瓶底部的红
褐色沉淀物中发现了大量的有机化合物。其中包括多种有机酸
（脂肪酸和羟基酸）和尿素，此外还有一系列与糖的结构相似
的化合物。进一步的研究表明，这种方法可以产生大量生命必
需的分子。

　　有了第一次的成功之后，这两位科学家又在先前那种混合
气体中加入火山气体中含有的一种简单分子——氰化氢（HCN）。
这样，他们最重要的发现诞生了。在沉淀物中出现了氨基酸，
它在生物化学反应中起着重要的作用，是生命起源绝对不可缺
少的成分。

            图 5 米勒和尤里的实验

　　自然界中有20种不同的氨基酸，它们能以多种多样的方式
形成蛋自质，其中也包括参与形成（组成DNA和RNA的）核苷
酸的酶。简单他说，氨基酸是生命的基本砌块，是一种在细胞
所有活动中都据关键地位的分子。米勒和尤里在烧瓶中总共发
现了不下8种的氨基酸。

　　他们得出的结论是，形成生命的各种分子完全有可能是在
地球大气中孕育而成的。最近，米勒更是声称形成足够复杂的
结构并产生活细胞的过程大约只要１万年。米勒不顾那些宣称
地球生命是宇宙中唯一生命的反对言论，而根据自己的实验结
果非常肯定地认为，如果有适宜的环境条件以及恰当的化学混
合物，任何一颗行星上就都可以产生生命。

　　8年后，米勒和尤里的研究结果得到了进一步的支持。1961
年，在休斯顿大学工作的生物化学家奥罗（Juan Oro） 尝试用
更简单的化合物形成氨基酸。他只采用了米勒和尤里当时用的
混合物中的两种成分——氰化氢和氨。结果令他惊奇的是，产
生物中除了大量不同的氨基酸外，还有许多腺嘌呤（DNA和RNA
的4种基本组成成分之一）。 腺嘌呤同时还是在所有生物的所
有细胞活动中提供能量的主要分子腺苷三磷酸（ATP）的组成
部分。

　　但是，米勒－尤里模型以及所有相关的后续尝试都存在着
一个缺陷。这种缺陷近来更是引起了对基于这些实验的地球生
命起源解释的怀疑。在实验时有一个默认的假设，即早期地球
大气中含有高浓度的氢和低浓度的氧。现在看来，这种假设是
完全错误的。

　　早期地球大气中非但没有米勒－尤里实验（采用富氢混合
物）中所有的分子种类，而且地球大气似乎也从未如此稀薄过。
我们并不能因此就说尤里和其他一些人所描述的机制不可能发
生，不过，它的确给这种早期地球上产生氨基酸的理论敲了警
钟。

　　此外，许多陨石中都含有大量与实验结果相同的氨基酸。
这使许多评论家更加相信，这些生命之砖在大约40亿年前来到
地球，并逐渐演变发展到今天的地步。

　　就像我先前说过的那样，不论哪种过程是正确的，我们的
问题仍未解开。简单的氨基酸究竟是如何发展成为生物学物质
或简单的生命物质，并进而形成一个自我维持的生态系统——
共同生活在地球上的各种各样的生物呢？其中的难点并不完全
在于氨基酸如何一步步地形成蛋白质，最后产生像RNA那样的
大分子（当然这个转变过程也不应该被忽略）；真正的难解之
处在于“无生命的”或前生命的分子（如RNA）是如何发展到
一个具有进化能力的系统（如细菌）的。事实上，这才是吸引
众多生物化学家和进化生物学家的科学前沿，他们希望彻底揭
开生命在地球或其他地方进化发展的奥秘。

　　目前有两种试图解释从前生命系统到生物学系统之转变如
何发生的理论。第一种叫做“RNA世界假说”。这一假说是在
20世纪60年代后期，由生物化学家沃斯（Carl Woese）、 克里
克和奥格尔（Leslie Orgel）首次提出的。 他们和当时的其他研
究者一样，都注意到了这一转变中一个基本的佯谬——制造DNA
和RNA要有蛋白质，而只有DNA和RNA中具有正确的核苷酸序
列才能制造出蛋白质。面对这样的情况，我们要么假设蛋白质
和DNA、RNA在早期地球上是同时产生的，要么找出一种理论
来解释如果两者之中先出现某一种的话，会如何导致生命创生。

　　这些科学家的回答是：在整个过程启动的时候，可能有某
种尚不清楚的机制少量地产生了某种类型的RNA。他们猜想这
种RNA具有比今天的RNA更多的功能。它或许可以在不存在蛋
白质（也许是利用自身结构中的蛋白质）的情况下进行复制（
产生其自身的拷贝），而且还能在产生蛋白质的过程中起到催
化作用。

　　乍一看，这似乎是不可能的。先前我们已经看到，如今在
每个生命的每个细胞中进行的过程是何等复杂，它需要大量各
式各样的重要有机分子的共同参与。这个运作系统中包括DNA
和RNA，还有既是原材料又是催化剂的蛋白质（起催化作用的
蛋白质称为“酶”）。显然，这种理论中所假设的是一种结构
上近似RNA，但更加复杂、具有更多功能的分子。

　　自从30多年前提出这种理论之后，科学家已在这一领域中
进行了大量的研究工作。1983年，在科罗拉多大学工作的切赫
（Thomas Cech）和耶鲁大学的阿尔特曼（Sidney Altman）独立
发现了一组他们称之为“核糖酶”的分子——一种RNA催化剂，
或者说由RNA形成的酶（核糖酶在英语中称为ribozymes，其中
ribo-代表核糖核酸（ribonucleic acid）或RNA，-zymes则是酶（enzymes）
的后半部分）。尽管这一发现大大支持了“RNA世界假说”，
但是仍没有迹象表明有哪种RNA曾经执行过而如今已不再执行
另一项实质性的任务——自我复制。

　　当一部分生物化学家专注地寻找那些特异分子（它们能够
完成通常由DNA实施的功能）时，另一部分人也努力尝试着从
其他途径找到问题的答案。其主要思想是：原始地球上的RNA、
DNA和酶与今天的不同。换句话说，就是希望我们能接受分子
也在某种意义上进化的观念。

　　这种观点看起来也不算很牵强附会。一条潜在的原则是，
原始的DNA需要原始的RNA和简单形式的酶来催化当时的生物
化学进程。如果事实果真如此，那么有可能早期RNA的部分功
能已渐渐被其他更适合的分子取代了。而且据估计，催化剂（
加快反应速度的化学成分）的角色也可能在相同环境下已由某
种无机物质替代了。⑦

　　由于没有切实的证据，也没有人成功地制造出能自我复制
的RNA分子，这种理论迄今仍只是地球生命起源众多可能解释
中的一种罢了。

　　另一些有力的竞争者将非生命物质到生命物质的飞跃建立
在一种完全不同而很有争议的理论上。

　　在克里克、奥格尔和沃斯形成RNA世界假说的同时、另一
位生物化学家——格拉斯哥大学的凯恩斯－史密斯（A. Graham
Cairns-Smith）提出了一种令人耳目一新的革命性观点。他认为
导致生命形成的有机物最初是从无机物质演化而来的。

　　起初，这听起来有些令人咋舌。毕竟，对于我们大多数人
来说，无机物和有机物之间是存在着巨大差异的。一切生命都
是有机的，当然包括我们的所有食物在内。遍布全球的森林、
动物、植物全都是有机的。而像岩石和组成大气的气体等一般
视为“无生命”的东西则均是无机物。

　　尽管碳具有一些与众不同的特性，但对于化学家而言也只
不过是元素周期表中100多个元素之一员， 况且有机物（常常
与“有生命的”相联系）与无机物（总是与“无生命的”联系
着）之间的界限实际上是一个概念问题。

　　凯恩斯－史密斯指出，就像利用DNA和RNA的生物化学系
统一样，复杂的无机系统也可以复制和传递信息——虽然是以
简单得多的方式。让我们回顾一下现代生物圈的运转过程，DNA
携带着一整套复杂得令人难以置信的复制蓝图——遗传密码。
我们已详加讨论的RNA和蛋白质则为此各司其职。现在，凯恩
斯－史密斯提出的全新观点却是：40亿年前某种更简单的系统
在运转，它最初并不需要DNA和RNA，甚至不需要蛋白质。

　　在这个系统中（在有史以来最受欢迎的科学书籍之一——
《生命起源的七条线索》中有很精彩的描写），凯恩斯－史密
斯展现了地球生命的两条迥然不同的演化途径。第一步是利用
存在于粘土中的晶体结构产生他所称的“低技术”组织，这种
晶体在当时应该（和现在一样）相当普遍。这些粘土在结构上
虽然远不及DNA分子来得复杂，但却能产生自我复制系统，以
此将信息从一“层”传到下一“层”。这与DNA的复制过程有
着异曲同工之妙。

　　凯恩斯－史密斯相信，从这种“低技术”开始，渐渐演化
出了结合成有机分子的更为复杂的系统。它有可能就像米勒、
尤里和其他人主张的那样，是在早期的地球上产生的，或者也
有可能从另一个已有生命的世界远道而来。这些不甚复杂的结
构经过漫长的时间，进化到今天这种包含了DNA、RNA和蛋白
质的“高技术”组织，从而促成了目前这样通过自然选择不断
进化的遗传机制。凯恩斯－史密斯把从“低技术”迈向“高技
术”的转折点称为“１号基因”诞生。自此之后，地球上生命
的进一步发展都以其为原始模板。这种理论超越了达尔文的生
命起源于“温暖的小池塘”的假说，将我们引向一个甚至不是
有机物的共同祖先。

　　凯恩斯－史密斯的想法相当大胆，它处在人们通常接纳的
科学范畴的边缘，但事实上它并不见得比RNA世界假说更令人
惊讶，而且也有相当多的证据支持它。关于通往“生命”之途
的最终思考与这两个过程都有联系。

            图 6 粘土的“复制”

　　化石记录告诉我们，在很久以前地球上就开始出现生命了。
1980年，在澳大利亚的沙漠中发现了一种名叫叠层岩或“活石
头”的生物化石，这种生物大约生活在35亿年前，在过去16年
中它一直被视为地球上最古老的生命形式。然而，在1996年底，
圣迭戈斯克里普斯海洋学研究院的科学家们又将这一时间往回
推了一些，他们成功地分离出一种碳的同位素的混合物⑧。据称
这种同位素是由38亿年前的生物产生的。我们知道，地球上的
环境是在大约40亿年前才开始变得适宜生物形成的，所以，这
样看来，在此之后仅仅过了几亿年时间，最简单的生命就已经
出现了。

　　当然，所有这些并没有给出在地球外的其他行星上也有生
命进化的证据，但它至少向我们表明，一旦有合适的条件生命
就会出现。卡尔·萨根曾经写道：“现有的证据充分表明，只
要给出初始条件和10亿年的演化时间，就应该会出现生命。在
适宜的行星上产生生命似乎构成了宇宙化学的一部分。”他在
这里所描述的就是自组织原理。

　　最近的研究表明，某些物理或化学系统可以自发地从较简
单的状态跃变为高度复杂或高度有组织的结构。有些人认为这
种组织原理是“反熵”（一种从有序转化为无序的过程之逆过
程）的一种表现，而且有可能与生命有着某种神秘的联系。

　　熵是一个系统中的“无序程度”，在自然界中它总是增长
的——放着的水果会渐渐腐败，它的细胞分解开来，“干净”、
“有组织”的新鲜水果就变成了一堆无组织的物质。据信自组
织原理是宇宙中熵不断增长这一趋势的逆过程。由此看来，由
太空中的简单分子或“低技术”无机系统发展出有机分子；尔
后又由这些有机分子最终形成生命的可能性就大大增加了。

　　由于宾夕法尼亚州立大学的物理学家斯莫林（Lee Smolin）
教授最近的一项提议，生物学界和物理学界正陷入一场激烈的
辩论之中。引起这场骚动的具体原由是斯莫林教授提出，宇宙
也有可能像生命那样通过达尔文的自然选择而演化。他称这项
原理为“宇宙学选择”。按照这一理论，我们所处的宇宙乃是
从时间开端以来一直在演化着的一系列宇宙中年代最近的一个。
更有甚者，我们宇宙中的生命则是黑洞的副产品。在这个达尔
文式的系统中，黑洞的创生乃是真正的动力，斯莫林指出这样
说的依据是：一个宇宙拥有的黑洞数量越多，这个宇宙就越稳
定。

　　不过最值得注意的是，该理论表明只有存在碳的宇宙才有
可能形成黑洞。根据宇宙学选择理论，生命恰巧也依赖于碳纯
粹只是一种巧合。[3]

　　很显然，要找到生命起源——甚至只是找到地球上生命起
源的确切答案仍有很长一段路要走。假若我们在不久的将来真
能有幸研究外星生命，这就能使我们有更多的机会揭开简单生
命在地球或其他地方发生发展的奥秘。不论最后究竟会是哪一
种理论获胜，也不论最终的解答是本书中已经提及的或是至今
尚未出现的，要解开这个科学史上最大的疑谜之一，找到切实
的证据把现时尚属臆测的想法变为真实的答案，我们要做的工
作还很多很多。

_________
①　这自然引起了许多伦理上的思考，特别是近期在遗传方面
关于克隆技术的一些突破。比方说，根据上面的说法，克隆羊
“多利”算不算是有生命的呢？克隆出来的子代和它们的亲代
完全相同。这虽然非常有趣，但却不是一个章节的内容可以涵
盖的，如此复杂的、谜一样的问题完全可以写一本书来讨论一
番。

② 　你们中的有些人也许仍然无法相信，并怀疑这不过是我们
一厢情愿的想法罢了。要想真正地论证这个复杂的问题恐怕需
要整整一个章节才行。不过在这里将给出一个例子，我希望这
已经足够说明问题了。运用一种叫做“光谱分析”的技术，天
文学家可以探恻遥远恒星的光波并分析它们的组成。研究结果
表明，它们的光与我们的太阳光相似（主要区别在于不同颜色
成分的比例）。光的差异由组成这些恒星的化学元素所确定，
这些元素都可以在我们的太阳中或在地球上找到。就像前面提
及的莱维所说的那样。从根本上来讲，所有的东西——从高楼
大厦的砖瓦，到我们眼睛的细胞和这本书的每一张纸——都是
从恒星而来；而所有恒星的基本组成都是相同的。

③ 　根据最近的统计，元素周期表中共有109种元素。 随着对
核反应的进一步研究，这个数字还在不断增长。这些新增的不
稳定元素叫做超铀元素，它们的寿命很短，很快分解成原子量
较小的其他元素。最重要的是，它们都是元素周期表尾部的重
元素，与那些主要构成元素周期表的稳定元素相比，它们的原
子序数大，原子量也大。

④ 　对有些人来说，这样的断言听起来有些过于主观。这样的
意见在此时此刻应该说是有一定道理的，毕竟，在浩瀚宇宙中
存在某些以目前我们还不甚了解的机制进化而来的生命形式也
是有可能的。不过这样的情况不在眼下讨论的范围之内，它将
在第四章中讨论。

⑤ 　最后的这一点正是含水的环境对于生命的出现和维持至为
重要的原由（参见第三章）。

⑥ 　迄今观测到的大部分彗星都来自太阳系边缘的两个区域，
即奥尔特云和柯伊伯云。有理由相信， 在过去的46.5亿年中周
期性地造访地球的某些天体也许来自遥远的、环绕其他恒星运
行的世界。

⑦ 　有些读者可能会奇怪，为什么科学家选择了RNA而非DNA
作为最原始的导火索？原因是制造RNA所用的核苷酸要比制造
DNA的脱氧核苷酸更加容易合成。而且这样也更容易想象DNA
如何从RNA演变成今天这样的遗传信息的保卫者和储存者的角
色。

⑧ 　几乎所有的元素都至少有两种同位素形态，它们的质子数
相同，但是中子数不同，这就导致了原子量（原子核内中子与
质子之和）的不同。

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