第十章 晶体

“当你将所有不可能的东西排除之后，剩下来的，不管是什么，也不管其或然性如何低，它必定是事情的真相。这是我的一句老格言。”

如果有机分子作为一类物质不符合“低技术”基因的规格要求，那么剩下来的物质中有哪些种类符合这种要求呢？

让我们从下述观点着手：

最初的基因自行组合所用的物质单位应该是很小的。用碳原子合成的物质结构有一个缺陷，即这种结构在具有进行精确的自行组合的能力前须经过一个很长的精确的分子建造过程。我们需要的物质却是一种能够很快进行自行组合的物质。这种物质由在地球化学条件下易于生产的小物质单位合成，这种小物质单位构造简单因此种类不多，仅有几种。这对于减少与自行组装过程相联系的预先净化所面临的困难会有所帮助。由于一个装载不止少量信息的基因必须含有很多精确组合的物质单位，因此，预先净化尤显重要。但如果这些物质单位体积很小，它们则必须由强大的双向力将它们拉在一起。许多小物质单位由强大的双向力以精确的方式组合在一起？这听起来有

点像在描述一种无机晶体物质。我们现在将集中讨论关于最初基因是晶体基 因的概念，即最初的有机物本质上是一种无机晶体，而不像现在的有机物那 样是有机分子。

谈到晶体时，你也许会想到钻石，或雪花或石英。这些东西很好看，但却没有多少生气。确实如此。如果你对有机聚合物的概念仅仅只是汽车轮胎或塑料桶等之类的东西，那么，你对于有生命的有机物中的主要结构是有机聚合物这一概念也不会有太多的印象。我们所要寻找的晶体基因决不仅仅是任何一种晶体，就像有机基因决不仅仅是任何有机聚合物一样。一个晶体基因必须要能够装载相当多的信息，并且要能够通过晶体生长和破裂的过程将信息准确地复制下来。在另一方面，由这种基因装载的信息必须具有某种或某些效力，能够帮助提高基因的生存能力和复制速度或扩大其传播的范围。然而，非常普通的晶体却也可能呈现出我们所要寻找的那些必不可少的

特征。例如，你可做一个试验，用来试验的晶体会显得非常活跃：它会在你的眼皮底下生长、组合甚至繁殖。

取约 250 克摄影师用的“海波”（即硫代硫酸钠定影药剂），将它倒在

一只 250 毫升的干净的烧杯内，加上 75 毫升的蒸馏水。然后将烧杯加热，使溶液接近沸点，用玻璃棒将溶液搅均匀。随后将烧杯移离加热器并立即用一个较松的盖子（用一块玻璃最理想）将杯子盖住，以避免灰尘进入杯内。然后让烧杯呆在那里不动，一直等着杯内溶液冷却。此时，无论是幸运与否， 杯中不会有任何事情发生。几个小时前，杯内溶液是热的，几个小时后变凉了，热凉两种浴液看上去并没有什么不同。但实际上，此时变凉了的溶液却成了一种神奇的溶液。将盖住烧杯的盖子小心地拿开，然后将一小片“海波” 晶体投在溶液表面。这时你就会发现，烧杯内会开始产生奇异的变化。投下去的那片晶体会以肉眼可见的速度生长。这片晶体会不时破裂，而破裂后的晶片也会生长⋯⋯很快，烧怀内会挤满晶体，达几厘米长。这一过程可持续约几分钟，然后又归于平静。此时神奇溶液的神奇力已经消失。如果你想再看一次，你只需将烧杯再次加热和冷却即可。

这个试验说明晶体从溶液中生长需要两个条件，即超饱和与引晶。让我 们一个一个地单独分析。

欠饱和——饱和——超饱和

假定你已开始向一只盛水的烧杯内加盐。盐开始在水中溶化。只要是盐能继续溶于水中，那么我们就说溶液对于盐仍处于未饱和状态，到了一定时候，不管你如何搅动，不管你等多长时间，加进去的盐已不再溶化。这时， 我们就说，烧杯内的水已对盐处于饱和状态，形成一种饱和溶液。众所周知， 有些物质比另一些物质更易溶于水。这就是说在特定的溶剂（如水）内和特定的温度下，不同物质的饱和溶液含有这些物质的量有不同。例如“海波”， 这种物质在水中的易溶性特强。一公斤“海波”在室温下可溶于一升水中。同样，盐也易溶于水， 370 克盐在室温下可溶于一升水中。那么，玻璃粉呢？不能溶解，很多人会如此说。实际情况当然不是这样。玻璃粉同样可溶于水，但它溶解得相当慢。在室温下溶于一升石英玻璃溶液中的石英玻璃大约只有 0.1 克。甚至纯石英砂（一种硅石晶体）也可溶于水。在室温条件下， 六毫克纯石英砂可溶于一升水中。

所谓超饱和是指物质在溶剂中溶解的量超出了它应能溶解的量。达到超饱和状态的方法有各种各样，但最简便容易的方法之一是我们在做试验时所用的那种方法，即将溶液放在高温下加热，使其可溶解性增强，然后将其降温冷却。用这种方法很容易使“海波”溶液的错误显露：冷却后的超饱和溶液简直不知道应该干什么才好，因此它必须“受教”。使其受教的方法是给它加上一片晶体，这片晶体内的单位（无数个单位）已用同“海波”晶体同样的方式捆扎在一起。换句话说，这种溶液必须加以引晶。

新造一种晶体显然要比使一种已经存在的晶体增大更加困难。其原因是很小的晶体很难很好地连接在一起。这种很小的晶体的可溶解性比大晶体要高得多。一种对大晶体来说已处超饱和状态的溶液，对于那种非常小的晶体来说则仍处于欠饱和状态。

当我们谈到一种晶体结构，例如“海波”晶体结构时，我们指的是物质单位的一种特定的立体结构，就像一个仓库中大捆大捆的货物整整齐齐、密密匝匝地堆积在一起，堆积的方式全都相同。“海波”晶体内的单位有三种： 即钠离子，硫代硫酸盐离子和水分子。钠离子是带一个正电荷的钠原子；硫代硫酸盐离子是由两个硫原子和三个氧原子合成的分子，这种分子带两个负电荷。这三种单位数目的比例是 1：2：5。

晶体组合的速度之快简直令人咋舌（“海波”晶体中的单位数目可能超过将地球的历史以毫秒计算而成的数目）。这种组合之精密也令人惊讶。这种内部排列之精确就像人们所熟悉的一种典型晶体的有规则的轮廓一样。那么，相互任意碰撞的分子如何能够排列得如此精确呢？

这种分子排列的精确性，就像所有各种形式的自行组装的精确性一样， 其形成的关键就在于将各个单位拉在一块的力量所具有的双向性。即使在一个生长的晶体中，生长与溶解的过程也是同时进行的。溶液中的单位往晶体上加，但同时，已在晶体上的单位则因受其本身热骚动的影响和溶液中水分子的吸引而从晶体上抖落。这就是动态平衡。如果溶液处于饱和状态，那么这就是说，单位加入到晶体内的速度与单位从晶体脱离的速度完全相等。如

果溶液处于超饱和状态，这时加入过程就快过脱离过程。如果溶液处于欠饱和状态，那么单位减去过程就会占上风。当然，这些单位并没长有眼睛。它们经常以错误的方式加入到晶体中。当这种情况发生时，以错误方式加入而形成的那部分晶体就会不稳定；它们不会很好地组合在一起。因此在这一地区溶解过程就会加快。如果超饱和的程度不是太高，那么，那部分拙劣的晶体溶解的速度就可能超过新晶体形成的一般速度。

如果这种改错机制发挥正常效应，溶液处于何种程度的超饱和状态显然是很重要的。如果超饱和程度很高，那么那种通过单位从溶液加入到晶体而形成新晶体的速度就会远远超过晶体的平均溶解速度，同时它也完全可能超过晶体的那些有缺陷的部分能够重新溶解的速度。我们可用另一种方式来表述这一点，即就完美无暇的晶体而言，溶液应处于超饱和状态；但就有缺陷的晶体而言，如果要使改错机制正常发挥效应，那么溶液就应处于欠饱和状态。这里有一个报偿问题。低度超饱和状态只能产生低速度的晶体生长；高度超饱和则可以提高晶体生长速度，但同时也使生长中的有缺陷晶体的数字增大，并使缺陷的种类增加。

超饱和高到一定程度时可导致“自发引晶”现象。在这种情况下甚至连那些很小及缺陷很多的单位群也会生长。这种单位群会偶然出现，而且很可能出现在溶液容器的表面或尘土粒子上，从而不用加入任何晶种就可引发晶体生长过程。

现在，即使我们对一个晶体基因可能如何装载及复制复杂信息只有一个模糊概念，我们已知道有一个条件将是必需的：这就是一种适度的（很可能是程度相当低的）超饱和溶液。这是因为将新单位组合成新晶体的工作应当精确无误，而且这种组合工作只应在已经存在的良好的晶体上进行。

另一个必要（但不是充分）条件是晶体基因应当进行简单意义上的“繁殖”，用晶体学家的语言来说就是：晶体应在生长的同时破裂，从而产生新的晶种。这种现象就像用“海波”做试验时清楚地显示的那种情况一样。详细研究这种现象如何能够以保存和传播信息这类方式发生这一问题可为我们提供一些线索。我们将在第十二章中追查这些线索。目前，有关适度超饱和这一问题还可以给我们提供更多的线索。

连续结晶

你会如何保持一个给定的低度超饱和状态呢（例如保持 100 万年）？ 我们做试验用的那种“海波”结晶法肯定不行。根据这种结晶法，溶液

的超饱和度一开始很高，但却随着结晶的进行而降低。然后，整个过程停止。那么，怎样才能使一种结晶过程无限期进行下去呢？

如果我们安装了一个被称之为开放系统的装置，即一种既能使溶液流进也能使它流出的容器，而不是一个简陋的烧杯，我们本可以使“海波”晶体的生长按照我们的意愿保持下去，要它保持多久则可保持多久。说得更详细一点，我们需要的是这样一种容器：这种容器可使具有给定浓度的超饱和溶液连续不断地流入，而从溶液中结成的悬浮晶体则不断清除。这样一种装置叫做连续结晶器，它用于在恒定晶体生长条件下进行的晶体商业性生产。

如果我们的目的实际上不是生产晶体而是将结晶过程无限期保持下去—

—如果我们是园丁而不是农民，这时，明智的做法是将外流物质回收并再放

入系统之中。方法是将外流的悬浮晶体加热然后再冷却，使之变成作为输入的超饱和溶液。（整个布置这时成为一种闭路循环系统，但它的任何部分却都是一种开路系统，只需有输入能源即能将其驱动。）

现在，我们不仅了解了晶体的生长和繁殖，也了解了晶体的死亡。任何晶体迟早都会通过废水管道排出，整个过程则通过新晶体的同时形成而持续不变。如果超饱和度低到足够的程度，这个过程则只需通过晶体的繁衍就可持续下去。

这种循环式连续结晶器是地球上生命整体的一个微观类比。你能够想到的任何有机物均生活在一个开放系统中，这个系统所处的环境与循环式连续结晶器中的晶体所处的环境相类似。对于有机物或那种“上了发条的”（即超饱合的）晶体溶液来说，两者都需要有源源不断的物质和能源供应。这些物质和能源就是食品和阳光等等。

人们也许已开始看出那种靠晶体生长过程而生存的简单有机物所需的一般环境。如果这种有机物想生活一段很长的时间，它们必须生活在一种连续结晶器中。例如，现今很多海洋生物必须在碳酸钙（白垩）处于超饱和状态的海水中才能生存。接着，这些生物巧妙地促进碳酸钙晶体的形成，以制造壳层等结构。

这种靠晶体生长过程而生存的有机物所含有的无机组成成分大部分均在这种有机物的组织结构的外层，即在套盒中的外层盒内。比较高级的有机物可依靠能量在其组织结构内部形成合适程度的超饱和状态（可能就像我们人类在自己的身体内部制造骨头和牙齿一样）。不过我以为，我们仍然可以认为，对于靠晶体生长过程而生成的第一个有机物，最适合它形成的地点是在一个连续结晶器内，这个连续结晶器内的溶液通过不断的适度的流入和流出始终保持在一种超饱和状态。海洋就像这么一个结晶器。此外，地球上还有其它很多地方也具备同样的环境，我们将看到这一点。

如果由简单单位组成的晶体可以作为脱氧核糖核酸的“低技术”替代物这一看法有重要意义；如果晶体基因这种东西确实存在或曾经可能存在，那么，我们可能找到这种东西的地方就是地球。当然，要将这一点解释得更为清楚，我们还需做更具体的讨论。

“这一次给你的教训就是：千万不要忽视另一种可能性。”