3.2 第5道门槛：地球上生命的出现

生命是我们地球上的奇迹，或许也是迄今为止我们所不知道的其他行星上的奇迹。生命呈现出了新层次的复杂性，因此，我们把跨越生命当作宇宙历史中不断增加的复杂性的第5道门槛。生命是物质复杂性的延伸，也意味着从惰性化学物质向活的有机体的飞跃，活的有机体以更复杂的方式组织起来，能够从周围环境汲取能量，能够繁殖和自我调适，以便创造出包括我们人类在内的令人震惊的全新复杂形式（参见门槛5概述）。

门槛5概述

达尔文的自然选择理论解释了活的有机体如何在时间流逝中适应环境。不过，生命本身是如何从无生命物质进化而来呢？一种能够进行新陈代谢、繁殖和适应环境的活的有机体，如何从惰性化学物质进化而来呢？达尔文并没有尝试回答这个问题。但在1871年写给一位朋友的一封迷人信件中，他勾勒出来的一个观念指导了此后的科学思考：与现在相比，早期地球环境很可能更有利于简单生命形式的创造。

 

人们常常说，第一次产生一个活的有机体的所有条件现在已经具备，这种条件或许以往也存在过。然而，如果（哦！这是一个多么大的假设！）设想一个温暖的小池塘，里面含有氨、磷盐、光、热和电等元素，一种蛋白〔原文如此〕化合物通过化学方式形成，为更复杂的变化做好了准备；在今天，这种物质会立刻被吞噬或吸收，它不可能存在于活的生物形成之前。

 

在讨论当前关于生命起源的科学思想之前，我们打算概述一些传统的思想，以便为后面的讨论提供一个背景。

关于生命起源的传统思想

长期以来，许多文化和社会都假定，诸神或上帝通过对自然进行不可思议的干预，创造了各种生命有机体和人类。在犹太教-基督教传统中，这种观点在米开朗琪罗为罗马西斯廷教堂所绘的天顶画中得到淋漓尽致的体现。在《创造亚当》这幅画中，上帝从天堂伸出手触摸人类的手。由于没有客观可靠的证据为这种观点提供确切日期，并且也无法验证，因此，科学家把这种观点视为信仰或比喻。相反，他们探寻一些能够得到客观证据支撑的自然主义解释。

直到19世纪中期，博物学家依然相信一种被称为自然发生说的古老观念。这种观念断定，新生命能够突然和自发地从旧生命腐烂的残骸中出现。例如，我们都发现，蠕虫或蛆似乎突然出现在垃圾中。人们以亲眼所见现象为证据，还没有认识到只能用显微镜观察到的整个微生物世界的存在。

法国化学家和细菌学家路易·巴斯德（Louis Pasteur,1822—1895）是达尔文同时代人，他证明，生命的自然发生说是错误的。通过在灭菌环境下进行实验，巴斯德证明了这一点。他表明，空气中包含了微生物，如果与无菌水接触，就给人一种生命自发产生的错觉。巴斯德设法升高空气的温度，利用高温杀死所有微生物；他指出，一旦空气被杀毒消菌和密封之后，里面就不再有生命存在，这就证明生命不可能自发地从无生命的物体产生。生命只能来自生命（用拉丁文表达，就是omnevivum ex viva）。

关于生命起源的第三种理论，被称为胚种论或“无所不在的微生物”。这个古老的观念可以回溯到希腊科学家阿那克萨戈拉，现在还得到一些人的信奉。宇宙学家弗雷德·霍伊尔（Fred Hoyle,1915—2001）就是胚种论最著名的支持者之一。这种理论认为，生命来源于太空，由早期撞击地球的陨石和彗星带来。这一理论很容易得到进一步发挥，从而产生外星人为地球带来生命这种激动人心的故事。大多数太空科学家认为，生命无法在外太空环境生存，也不可能在穿越地球大气层的烈焰旅程中幸存；另一方面，微小的生命如果在外来岩石内部受到保护的话，那么，它有可能存活下来。胚种论面临的一个基本难题在于，它并没有解释生命的起源，仅仅是将这个问题转移到了其他地方。

当前一些科学家接受了一种弱化版胚种论，这种理论认为，生命的一些基本组件或构成要素可能是那些未在地球大气层燃烧殆尽的彗星（肮脏的冰球）或陨石（撞击地球的陨星或岩石）带到地球上来的。我们在第2章已经了解到，地球上大量的水被认为是由彗星提供的；因此，人们很容易认为，这种水包含了形成生命的化学成分。众所周知，一些陨石含有创造活细胞所需的某些化学物质，比如1969年掉落在澳大利亚默奇森的一块陨石。其他一些陨石，比如2000年年初就落在加拿大育空领地（Yukon Territory）的那块，含有泡状有机小球体。这些发现至少证明，生命所需要的分子也存在于太空中；它们激发了科学家对外星生命的探究，同时也提出了一个基本问题，即宇宙中生命的分布到底有多广。

关于生命起源的现代思想

如果像巴斯德所证明的那样，生命只能源自生命，那么，生命最初究竟是如何源自非生命的呢？大多数科学家接受一个假定：在漫长的时间里，分子逐渐变得更复杂，最终，生命从非生命进化而来。现存最原始的生命形式是单细胞微生物，它们非常微小，上千个才能组成一个小句号（小黑点）。它们使人联想到地球上最早的、最简单的生命形式的模样。

很容易理解的是，生命开始的确切日期模糊不清。一些生物学家认为，嵌在岩石中的生命有机体的最古老化石大约有35亿年，比如南非克鲁格国家公园以及澳大利亚西北部岩石化石。其他一些人——如伦敦大学学院研究人员尼克·莱恩（Nick Lane）——认为，那些所谓的微化石事实上是自然产品，生命有机体最早的可靠化石大约为24亿年古老。如果他是正确的，那么，生命进化所花的时间可能比我们预想的要多许多（20亿年而不是10亿年）。还有一些人指出，35亿年的化石属于那些尚未进行光合作用的生命有机体。这一争论还在继续。

那么，第一个活细胞——类似于当前存在的最简单细胞——是如何具有生命的呢？现今，化学进化论假说得到生物学家的支持，这种假说认为，经过自然选择，分子缓慢进化为氨基酸（蛋白质的基本构成元素）和核苷（核酸的基本构件）长链。就像生命有机体世界的自然选择一样，一些适应环境的化学链生存下来，另一些消失，最后造就了第一批活的有机体。这一进程的细节还不明确，不过，实验室的实验已经提供了一些线索。

20世纪20年代和30年代早期，一位生物化学家和一位物理学家通过各自的工作，分别构想了化学进化假说。莫斯科的亚历山大·奥巴林（Alexander Oparin,1894—1980）和伦敦的霍尔丹（J. B. S. Haldane,1892—1964）提出了相似的生命起源方案。这个方案认为，早期大气富含氢化合物（甲烷和氨）和少量自由氧，这种环境有助于日渐复杂的有机分子的合成。霍尔丹强调指出，正在发展的生命必定来自无氧环境，因为氧气极具活性（火就是氧化反应的例子），很可能会摧毁早期地球进化出来的一切简单生命形式。我们由第2章可知，直到25亿年前能够进行光合作用的细菌兴起，氧气才成为大气的重要组成部分。

现在的地球大气和表面与早期地球的完全不同，因此，我们只得通过在实验室模拟早期地球环境来研究早期生命是如何出现的。1952年，在诺贝尔奖得主哈罗德·尤里实验室工作的芝加哥大学研究生斯坦利·米勒（Stanley Miller）进行了一次重要实验。米勒一直在思考，穿过早期大气（一个没有自由氧的世界）的闪电能否合成生命的原料。米勒在管子中充入他认为与早期大气很接近的气体，再将管子与装了消毒水的长颈瓶接在一起，然后通电轰击气体，为了加速这一进程，轰击的强度超过他所估计的早期地球上存在的冲击。在一周之内，试管变成暗红色，内壁有一层很薄的软泥。经过分析，软泥由很多种有机分子组成（这些分子包含碳-氢键，也存在于活的有机体之中）。这些分子至少含有6种氨基酸，而蛋白质就是由氨基酸组成（参见图3.5）。

实验室的这些实验表明，简单的氨基酸和核苷很容易在无氧的大气中形成，下一步要做的，就是证明这些简单化合物能够自我组合形成更复杂的蛋白质和核酸。进一步的实验已经证明，只要条件合适，简单氨基酸就能够形成由成千上万原子构成的长链。许多生物学家认为，生命的出现，就需要这些原始原子中的一个碰巧发生化学进化，在这种进化过程中（至少经过5亿年），这个原子逐渐演变成为一个充分的活细胞。不过，这种现象还没有在实验室中得到演示，它是这个故事最大的未解之谜之一。

细胞的化学

为了理解生命出现之际发生的化学进化，了解一下最简单的活细胞的成分（基于最基础的化学和物理学）会很有帮助。原子是化学元素的最小单位，永远也不可能在化学反应中分裂为更小的粒子，尽管原子由更小的粒子组成。第1章已经做了说明，地球上存在92种化学元素或不同原子，它们是自然出现的。

生命的化学建立在碳原子的独特结构之上，碳原子最常见的同位素有6个质子、6个电子和6个中子。它能够与其他碳原子形成长链，不过，每个碳原子还留有两个位置给其他原子来依附，从而促使碳链折叠形成非常多样和复杂的稳定结构。碳原子与以下五种化学元素（它们形成生命的常见蛋白质）的原子结合在一起：氢（质子和电子各1个）、氮（质子和电子各7个）、氧（质子和电子各8个）、磷（质子和电子各15个）以及硫（质子和电子皆为16个）。

以上对细胞做了概述；下面的内容会更详细。最简单的活细胞被称为原核细胞，即没有细胞核的细胞（参见图3.6）。即便没有细胞核，一个原核细胞还是相当复杂。一层细胞膜把它的所有内容包裹起来，同时控制分子的进出。除了遗传物质之外，原核细胞的内容被称为细胞质；主要由蛋白质构成，而蛋白质是折叠成三维形状的氨基酸长链。新蛋白质在被称为核蛋白体的细胞质的特殊结构中合成。在原核细胞中，遗传物质，即DNA分子，漂浮在可能形成细胞核的细胞膜周围，而不是包裹在细胞膜之内。

最早的细胞在何处以及如何出现？

地球上什么地方的环境适合最早细胞的出现呢？水似乎是最有可能的场所。达尔文已经想到，细胞可能出现于一个“温暖的小池塘”。液态水对生命来说似乎至关重要，因为原子在气体中运动速度很快，只会短暂接触，在固体中则很难运动。但在液体中的运动却恰到好处；原子慢慢相互接触，足以连接形成更复杂的分子。水可以在凝固点（即零摄氏度）以上到沸点（即100摄氏度）以下的温度区间保持液态。水是由氢和氧两种大量存在的原子构成，它也不会影响碳和其他原子形成的键。

现代生物学家通常认为，海岸浅水区是最有可能的场所，那里的环境很适合生命出现。最近进行的海洋重大研究表明，另一个可能的地点是大洋深处被称为“黑烟囱”的排气口，它们位于海底活动板块边缘的火山附近，那里存在液态水、大量热量、能量、化学物质以及不太多的氧。喜热的细菌（它们不依赖氧气或阳光）在这些出气口被发现。其中有古生菌（arhaea），即1977年发现的生物领域，它可以回溯到某些最古老的生命形式。一些生物学家认为，这些排气口的热量太多，以至于最初的细胞难以生存，或者生命的基本成分太稀少。生命最有可能起源于哪里呢？人们现在还没有就此达成一致。

在思考活细胞如何出现的同时，科学家也在构想更复杂的分子，它们的构成元素与活细胞一样，结合在一起形成一层有保护膜的细胞状球体，通过吸收其他原子和分子获取能量，也通过分裂实现自我复制。这些原始细胞是如何精确地自我繁殖，从而保持它们已经获得的非常有用的适应性并且进化成生命呢？这个问题还没有得到充分回答，它也是我们理解生命出现这个问题上的一段空白。

不过，我们已经取得了一些成就，其中第一个是在1944年取得的，当时，有人发现遗传物质的构成成分是核酸而不是蛋白质。1953年，沃森和克里克解释了DNA分子的结构（前文有描述）。

DNA控制着细胞的组合和维护，同时将信息遗传给子代细胞。DNA存在于每个生物体的每一个细胞中，它是核苷长链，核苷不同于形成蛋白质的氨基酸，也不同于形成细胞膜的磷脂。

DNA分子是活细胞中最大、最复杂的分子；在人体中，大约2米长的DNA被压缩在每个细胞中。DNA聚合成染色体，含有一段DNA的染色体被称为基因。基因在蛋白质中对氨基酸进行编码。被称为信使RNA的分子把基因指令输送到核糖体，在那里，依照基因指令，氨基酸在细胞质中合成蛋白质。

DNA结构就像一架长长的旋转梯（参见图3.7）。梯子的垂直骨架（外侧）由磷酸分子和核糖分子的长链交替联结。横档由被称为碱基的配对分子构成：胞核嘧啶（C）与鸟嘌呤（G）配对，腺嘌呤（A）与胸腺嘧啶（T）配对。

当DNA自我复制时，两条互补的横档就会从中间断裂。每一种碱基只能与另外一种结合，因此，每条螺旋就可以通过另外一条推断出来。每条螺旋从它周围收集分子，直到精确实现自我复制，不过，偶尔也会发生错误或变异，这就产生了多样性。（还会存在其他的错误来源，比如辐射或化学元素、基因活动以及其他变化。）DNA的形象图可以参见如下网页：www.apod.nasa.gov/apod/ap120821.html。

DNA的近亲RNA（核糖核酸）的骨架所含核糖稍有不同，它通常以单链形态存在。前面刚刚提到，在现代细胞中，一条信使RNA是从部分DNA复制而来，然后进入细胞质，向核糖体传达如何合成新蛋白质的指令。RNA早先的形状或许可以被早期细胞用来制造蛋白质，同时它（RNA）又能够将指令传递给子代细胞。如果确实如此，那么RNA很可能就是DNA的先驱。

RNA先于DNA存在的观念，已经成为当前生物学家的主要假说；他们称之为RNA世界假说（RNA World theory）。这种假说认为，储存遗传信息的是古代RNA而不是DNA，古代RNA能够像现代DNA那样复制，古代RNA具有与现代蛋白酶一样的催化作用。如果这种假说被证明是正确的，那么，第一个生命形式很可能使用了RNA的自我复制链（或许位于一层保护性细胞膜之内），新陈代谢后来才出现。

为了生命的出现，两种不同的分子必须进化出来：核酸（用于为繁殖编码）和蛋白质的先驱氨基酸（用于新陈代谢和保养）。有待解答的问题是：它们如何相互作用以确保彼此的生存？它们发展的序列是怎样的？

以下是一些可能的假说。或许蛋白质（新陈代谢）和DNA是同一时间、相互合作发展起来的。或许RNA率先发展，蛋白质后来才出现；或者相反。又或者RNA和蛋白质各自出现在单独的原始细胞中，然后融合形成整体。无论如何，遗传密码（具有令人吃惊的复杂性）的起源，至今依旧是一个谜。大多数生物学家认为，最早的生命涉及到的化学现象似乎是可能的和可以预料的，如果他们能够弄清楚它到底是什么的话。

尽管这个问题——生命是如何出现的——依然是一个未解之谜，不过，我们由遗传证据得知，所有生命都是从一个最初的细胞群（LUCA，露卡）进化而来，露卡促使化学现象新陈代谢和精确复制它所开创的化学优势。我们人类与地球上所有活的有机体联系在一起，因为我们与它们分享着相同的遗传密码，自从第一个活细胞出现以来，这种遗传密码就在维系和繁殖生命。这或许是我们所知道的与地球生命有关的最特别的事实。

我们也很清楚，要想有生命出现和生存，地球上的环境必须恰到好处。地球从早期的熔融状态冷却下来，产生一些方式驱散内部热量。自海洋在大约43亿年前到20亿年前形成以来，地球再也没有冷得让整个表面封冻，或热得把所有的水都蒸发掉。相反，在与地球最邻近的金星和火星上，生命或许曾经出现过，但是，环境的急剧变化让生命难以为继。金星变得炽热，因为太阳发出的热量比最初大约增加了30%，同时，金星大气中的二氧化碳进一步提升了它的温度。火星太小，不足以维持它的大气和液态水，这些缺失很可能杀死了火星上一度存在的所有生命，如果有的话。