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生命的起源

《宇宙的背面》这本书把宇宙朴素和宽容的一面展现给你,同时也让你感受到宇宙深刻无私的内涵。阅读这本书,你会和宇宙成为朋友。正因为你来自宇宙,因而尽管你只是一个普通人,却也有了悠久的历史。本节为大家介绍生命的起源。

作者:陈冰来源:电子工业出版社|2018-02-28 11:14

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生命是如何诞生的?科学家在实验室中用热量、闪电和紫外线折腾试管中的原始地球大气成分,能量斩开化学键,产生了一堆氨基酸、嘌呤、嘧啶等有机化合物,成果喜人,于是更多的热量、闪电和紫外线,激动人心的蛋白质和核酸也搞出来了。事情就这么简单?这不科学啊。然而,科学的事情终究还是来了,继续更多的热量、闪电和紫外线,但却始终不能更进一步,所有的尝试就此止步。再大再复杂的生物大分子也不是活的,非生命和生命之间的鸿沟似乎是不可逾越的。那么,地球是如何做到的?这要从地球的形成谈起。

生命的起源

生机勃勃的地球,宇宙中目前已知唯一拥有生命的绿洲。从太空中远望地球,一颗晶莹剔透的蓝色星球,水汪汪的,那么美丽,可以让铁石心肠者流下眼泪。

(图VCG41522064886.jpg)

然而,这一切并非轻易得到,46亿年前的地球远没有这么美丽。起初,构成地球的所有物质只是一团星际物质,主要是氢气、氦气、尘埃,以及少量的但种类繁多的其他元素。这些星际物质一边绕着刚刚点燃不久的太阳转动,一边在相互之间引力的作用下逐渐凝聚,慢慢地形成一个疏松的球形,这就是最初的地球。

这颗灰秃秃的蓬松的小球球尽管其貌不扬,却天生命好,拥有宇宙中每颗行星都垂涎的天时和地利。先来看天时,照耀着我们的太阳有幸不是那种质量巨大的恒星,因为随着恒星质量的增大,其寿命会急剧缩短。质量是太阳八倍的恒星的寿命只有几百万年,在生命的尽头会在令整个星系震颤的超新星爆发中将自己撕成碎片,连同它麾下的行星。在这么短的时间中根本无法孕育出生命。而我们的太阳却质量适中,过着克制的,若有所思的生活,这使得太阳能够拥有长久的寿命。太阳已经稳定地燃烧了50亿年,还可以继续稳定地燃烧50亿年,这给了地球足够的时间去尝试生命。再来看地利,地球距离太阳的位置不近不远,既不会被烤焦,也不会被冻僵。地球的质量也够大,能产生足够的引力拉住气体形成大气层,又很幸运地没有成长得过大,变成像土星和木星那样的气体行星。实验表明,固体行星较之气体行星更有利于生命的孕育。

这颗灰秃秃的小星球原本没有任何结构,就像你从地上随便抓起一把泥土捏成了一个球球,在这个球球的内部没有哪个部分比其他部分更为特殊。但时间可以改变一切。在这个小球球的深处,随着整个球球在自身引力作用下的不断收缩,中心处的压力越来越大,密度越来越高,处于中心处的物质分子所辐射出的热开始由于受到阻挡而无法再释放到周围宇宙中,从而导致中心区域开始升温。当中心处的温度达到铁的熔点时,中心附近的铁、镍,以及硫化铁开始熔化,因密度大而流向地球的中心,成为液态的地核。伴随地球的进一步收缩,压力更大,中心区域的温度越来越高。由于中心区域处的铁已经是液态,这种铁液在热量下形成的对流迅速地把中心的区域的热量向外层物质传送,将更多的物质熔化,这种作用最终从深远的地心一直传递到地表,有那么一个时期,整个地球都处于一种熔融态。这种充分的熔融使得重元素们向中心沉降,而轻元素们则向地表上浮,无结构的地球在熔融态的对流中自动形成了清晰的层次结构。

(图 熔融态的地球.png)

在地球为自己构造出层次的同时,大量的气体也被从内部排出。这些气体主要是氢气和氦气,它们起初包围在地球的外围,形成地球的第一代大气层。但由于这些气体是非常轻的气体,要靠引力拉住这些最轻的分子对地球这样质量的行星来说是一种考验。加之,此时地球的磁场尚在建立之中,由于缺少地球磁场对太阳风产生的偏转作用,这些最轻飘的气体在狂暴的太阳风的呼啸下很快被吹散到无尽的太空中去了。地球就这样失去了它的第一代大气。

与此同时,地球核心的压力已经超过350万个大气压,在这样的压力下,核心处的铁镍无法再保持液态,被压成了更致密的固态。这个固态内核的半径约为1200公里。距地球中心1200公里开外的铁由于压力的降低仍然得以保持液态。地球的自转使得液态的铁质外核转动起来,液态的铁外核与固态的铁内核之间形成的耦合与转动,构造出一个行星规模的发电机,地球的磁场产生了。无形的地球磁场释放出强大的能量,狂暴的太阳风在地球磁场的面前也只能如激流遭遇中流砥柱般从旁边绕过。这个强大的磁防护罩为日后地球费心产生的第二代大气提供了有力的保护。

(图VCG41564723049.jpg)

地球在完成了自身层次结构的塑造后,随着大量的热被带到地表,并散发到宇宙中,地球开始冷却。冷却首先发生在地表,这种冷却带给了地球一个坚实的岩石外壳。然而,由于岩石是热的不良导体,地壳的岩石化封闭使得内部的热量顿时失去了得以释放到宇宙中的途径,同时,地球内部放射性元素的衰变也仍然在源源不断地释放出大量的热,这些热量持续地把原本存在于岩石中的气体不断地挤压出来。几十公里厚的岩石地壳的下面的压力在可怖地积聚着,这些热量和压力很快就增大到无法遏制的程度,几十公里厚的岩石在相当于几百颗氢弹爆炸的能量的怒吼中被轻易地撕裂,气体、岩石碎块,以及熔岩被喷射到几公里直至几十公里的高空,全球规模的火山活动开始了。数十万乃至数百万座巨大的火山遍布地球的表面,持续不断的全球火山活动一直持续了数百万年。在这一过程中,伴随大量的热的释放,大量的气体被喷射到大气中,主要成分是水蒸气(约80%)、二氧化碳、二氧化硫,以及微量的一氧化碳、硫、氯气、氮气、氢气、氨气和甲烷。由于这些气体大多分子量较大,而且此时的地球已经有了地球磁场来对抗太阳风,所以,这次地球很容易地将这些气体分子一个不少地留在了自己的外层,拥有了自己的第二代大气层——一个没有氧气的大气层。注意,没有氧气并不等于没有氧元素,氧元素在地球上的丰度是非常可观的,只是此刻的氧仍被锁闭在其他化合物中。

(图VCG41N699837168)

随着大气层越来越厚,天空变得越来越暗,直至完全将太阳的光芒遮蔽,气体仍在继续积聚着。整个大地上除了喷火的火山口,以及四处蔓延的炙热红亮的岩浆外,一片漆黑,不分昼夜。这是锻造生命的炼狱。漫长的时间过去之后,随着地球内部热量的逐渐释放殆尽,火山活动开始减弱,地表的温度再度开始降低,空中的水蒸气开始冷凝,凝聚成水滴。一颗水滴从天而降,旷世的不间断的暴雨开始了。没有停歇的高密度的闪电终年累月地编织着天空。热量、闪电和紫外线用能量斩开化学键,将分子拆卸成原子,再以所有可能的方式将原子们重新组合成新的分子。第二代大气中碳、氢、氧、氮、硫和磷这六种生命元素开始合成一些生物单分子,包括氨基酸、脂肪酸、糖、嘌呤、嘧啶、单核苷酸、三磷酸腺甙等高能化合物。这些生命单分子随雨水降落到地面,大部分流到了远离火山的水洼中,没有了更进一步的造化;少部分降落到火山口中,或是降落到红透的熔岩上,直接没有了下文;但还有一小部分,降落在距离火山有一段距离,但还能感受到火山热量的地方,在火山热量的作用下,这些生物单分子开始脱水缩合成为生物大分子,一些氨基酸脱水缩合成为蛋白质,一些嘌呤和嘧啶碱基,有幸与糖(D-核糖或2-脱氧-D-核糖),以及磷酸脱水缩合而成核酸。这些蛋白质、核酸在雨水的冲刷下且走且停地向低处行进。

地面上的雨水越积越多,并不断地往低洼处汇聚,连同其中携带的蛋白质和核酸。当天空再次变亮时,暴雨停止了,海洋形成了,当然,还有无数大大小小的湖泊。看起来,用以产生生命的一切似乎都已经具备了,蛋白质和核酸都有了,热量、闪电、紫外线、各种高能宇宙射线,还有水,大量的水,样样具备。然而,如果没有一种看似很普通的东西的参与,生命的演化仍然是希望渺茫。这一看似普通的东西就是——膜。

膜是什么?很简单,膜就是将生物体与周围环境分隔开的那层东西。单细胞生物的细胞膜,我们的皮肤,都可以看作是一种膜。最明显的一点,膜可以让它所包裹的东西始终待在一起,不至于四分五裂。膜还可以通过有选择地使不同的物质通过膜或被阻挡在膜之外,从而使得膜的内部能够保持一种与外部不同的环境,这实现了物质的交换,物质的交换就是生命的特征之一——新陈代谢。再复杂的生物大分子也不是活的,最简单的生命也同最复杂的生物大分子有本质的区别。要完成从没有生命到成为生命这最后也是最关键的一步,需要适合的环境和大量的尝试,而膜可以提供这样的可能。

(图 VCG41539667931.jpg)

那么,这些嗷嗷待哺的蛋白质和核酸从哪里能搞到一个膜呢?在热量、闪电和紫外线肆虐的时候,不仅产生了蛋白质和核酸,一些脂肪酸也得以合成脂质。这些脂质也在雨水的冲刷下汇聚到海洋和湖泊中。我们知道,水中的脂质在水波的激荡作用下很容易形成油包水的脂质体。在这一包装过程中,一些蛋白质和核酸会被包入其中。一个相当不错的由脂质膜、蛋白质、核酸、水,以及一些无机物构成的类细胞体系形成了。脂质膜本身就具有对物质选择性通过的半透性,因为脂质正是构成真正的细胞膜的主要物质之一。这个由脂质膜包裹着的各种物质得以在漫长的岁月中朝夕相处,这保证了在这个小区域中的生物大分子物质的密度,为日后的量变到质变提供了物质基础,并得到由脂膜的半透性所提供的必要的物质交换的支持。无数个这样的微小的体系在海洋和湖泊中承受着外界各种能量的轰击,体系中的核酸们在能量之手的随意地断裂、链接、组合下,尝试着所有可能的组合。经历漫长的时间,其中一个小体系中偶然排列出了一个与所有以往的核酸都不同的核酸,这条特立独行的小核酸的不同之处在于——它可以利用脂质体中的其他原材料复制出另一个自己。这应了那句话,生命就是原子的特定的排列。能够排列出这条可以复制自身的核酸决不是偶然,这是因为膜的存在使得膜内可以保持一个相对很高的生物大分子物质的密度,有了足够的核酸来不断地尝试各种排列组合,而且在核酸们发生断裂之后,由于被束缚在膜中这个狭小的区域,因此,彼此可以很容易地再次遇到另一段核酸来进行组合。试想,如果没有这个膜的话,核酸们一旦断裂,在茫茫大海和江湖中再想相遇谈何容易。

(图VCG41547435764.jpg)

生命不会浪费时间。这条掌握了复制技术的核酸接下来所干的所有的事情,我们完全可以想到,那就是不停地复制自身。由于复制速度过快,很快就把脂质体中的能够用来进行复制的原材料用完了。为了能够进行更多的复制,现在这些小核酸们急于从脂质体中出去。但这并不容易,最终也许是周围环境的变化,使得脂质体破裂,将核酸们释放了出去,也许是核酸们忍饥挨饿地在每日有限的原材料配给下经过很长时间的复制,达到足够数量时把脂质体撑破了,也许是一部分变异的核酸竟然直接将脂质体消化了,从而得以打开缺口出去,也许是在最剧烈的水波震荡下导致脂质体破裂将核酸们释放了出去。不管是因何种原因使这些核酸们从母脂质体中释放出去的,总之,有一天这些小核酸们是出去了,从此便雄心勃勃地踏上了各自不同的进化旅程,这一走就是40亿年。

地球和生命的诞生我们了解了,那么宇宙的诞生呢?如今,我们仰望夜空,繁星点点,哈,对于生活在大多数城市中的人来说,这可能的确需要加上相当的想象力,因为在城市的夜晚,你实在是看不到几颗星星的。但你依然知道,壮观的银河就在那里,至少在某些时刻某些地方你曾见过它。它非常美丽,因为它是宇宙的一部分。我们都知道,宇宙源于大爆炸,但爆炸之后的相当一段时间发生了什么,你可能不是很清楚。本文要讲的就是宇宙最初的那10亿年岁月。


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