地球生命的起源

生命分布在地球上的几乎所有地方：海底，山巅，甚至更高处（在比最高的山峰还高将近 5 倍的距海平面 25.5 英里的高空也有细菌），世界上最热与最冷的地区。地球上到处都有生命。要是不信，不妨试试除掉花园中的杂草，让食物不发霉。

这种说法一直都对吗？无论追溯到多么久远的岁月，似乎都能发现生命：在已存在将近 40 亿年的古岩石中，有古代的活生物化石。因此，人们自然很想知道生命的形成是否早于地球的形成。生命起源于地球还是起源于宇宙的某个遥远而黑暗的角落？

宇宙起源

有一种学派认为地球上的生命的形成实际上早于地球形成，生命起源于宇宙其他地方，在适当条件下，穿过空间在各行星上播下种子。这种思想（即生原说）可追溯到数千年前。古人认为地球是培育地球外生命孢子的肥沃的花园。到 19 世纪，洛德·开尔文（参见《温度的极限》）等著名科学家都认为陨星将处于休眠状态的生命带到了地球上。这一学说就是著名的岩石生原说。直到 1909 年瑞典大科学家阿伦尼乌斯谈到微生物可能在辐射压力的作用下，在宇宙（包括地球）到处落户，这种学说叫辐射生原说。

在 20 世纪大部分时间内，生原说的概念在科学界不再受到青睐。在陨石碎片中寻找生命的尝试一再失败。同时，多数科学家都认为在宇宙中漂游的孢子或种子不管耐久性有多强，都不可能在高空十分严酷的温度和辐射条件下生存。但是，仍然有人支持宇宙是生命的起源地这种说法，其中就有英国著名的天文学家弗里德·霍利。

尽管生原说不再得到公认，康奈尔大学的卡尔·萨甘等许多天文学家将其称为生命的携带者，相信撞击地球的小行星、彗星和陨星以及大量落下的星际尘埃确实在很大程度播种（不是播种生命本身），正在演化中的作为生命先兆的有机混合物。萨甘将这种现象称作带来生命的因素。托利多大学的阿尔曼特·H·德尔斯默则认为，流星应带来水，没有水就没有生命（见《奇妙的水分子》）和重要的有机物。圣地亚哥加州大学的斯坦利·米勒则认为彗星、小行星等类似的物体在生命的起源问题上所起的作用并不重要。

地球的起源

不管小行星在地球上播下生命原材料的过程中是否起过作用，科学家一致认为在地球上的生命起源纯属偶然事件，因此我们就在这一前提下进行讨论。可能性有很多。生命可能源于超自然事件或自然化学和物理反应。超自然主义实际上违反科学且具有宗教色彩，无法通过试验和观察来加以证实。科学探索的书籍中也无有关记载。因此生命是自然产生的。很长时间以来，巫师和小说家一直在寻找生命的起源。玛丽·雪莱的弗兰肯斯坦因博士（一个创造怪物而自己被它毁灭的医学研究者，是英国女作家玛

丽·雪莱于 1818 年所著同名小说中的主角——译注）用闪电中的电力也许已成功地将死亡的组织复活，但在现实生活中，在数十亿年前真正合适的特殊条件下是利用自然的力量从无生命中产生生命的。

自然发生说

古代的哲学家认为太阳加热过的泥土能变成青蛙和蛇，能将破旧衣服变成小鼠和大鼠，腐烂的肉可变成蛆。1609 年末，法国植物学家写道，“有一棵树⋯⋯树叶在凋零；落到水上，慢慢变成鱼儿；而落到地上，变成鸟儿。”其他作品写道种子自然变成黄瓜，肉汤或肉汁自然地变为微生物。有人认为非生命的物质在任何时刻通过某种变异变为生命物质，这种想法被称作无生原说或自然发生说。

这种想法对生命起源的解释当然很简单。唯一的问题是经严格的科学分析后这类想法并不成立。意大利物理学家弗朗西斯科·里德在 1668 年所作的一系列经典试验证明腐烂的肉并不能变成蛆。一个世纪后，另一位意大利调查员拉扎罗·斯帕兰扎尼证明煮沸的肉汁中不会产生微生物。可惜其他调查研究员怀疑他的研究结果，对自然发生说的辩论又持续了一个世纪。到 19 世纪中叶，开展独立研究的法国人路易斯·巴斯德和英国人约翰·廷德耳确证生命不可由任何无生命的物体产生。自然发生说似乎被彻底否定了。

在否定无生原说后，出现了一些似是而非的现象。如果生命只能从生命中产生，在地球形成之时并不存在生命（科学家有理由这样明确表态）， 那么最初的生命是来自地球何方？

生命起源前的演化

在远古某个时期，生命从非生命物质中产生。不要把这种说法和自然产生说混为一谈。生命的产生是一个需要数百万年漫长岁月的复杂而渐进过程。它需要不再存在的稳定高能资源，需要不复存在的大气成分。生命的起源也许不能毕其功于一役（它在原始地球的不同时期反复发生），但其发生并非容易，而且，在过去的数十亿年的历史中多半不会重现。

物质从无机发展到有机乃至生命，复杂性不断增加，这个过程极其漫长，被称作化学或物理演化——生命前的演化。也称为化学生原假说，这一假说是在 20 世纪 20 年代由英国生物学家 J．B．S．霍尔丹和俄罗斯生物学家亚历山大·I·奥帕林最先提出的。

霍尔丹和奥帕林的理论立足于人类对 40 亿年前地球诞生期大气的认识（详见《地球：不需要空气面罩》）。大气层主要由氢、氨、甲烷和水蒸气组成，后来失去了氢，氨和甲烷在发生化学过程中变为氮和二氧化碳。高能太阳辐射，特别是紫外线不断辐照大气层。闪电屡见不鲜。地球在重力收缩和放射性元素衰变作用下明显升温。科学家认为地球上兼备适合于生命的演化的物质和能量的条件。

然而生命是否真的发生了演化呢？即使在首次提出化学生原假说后， 科学家就检验这种假说。1953 年，美国生物学家斯坦利·米勒将甲烷、氢、氨和水蒸气组成的“原始大气”作通电和汽化实验。一周后在反应室中发

现了氨和糖。氨是所有生命体的必要成分，是蛋白质的结构单元。糖犹如营养物和细胞的结构成分一样重要。

迈阿密大学的悉尼·福克斯检验了化学生原假说的下一步。1957 年， 他将 18 种不同氨的混合物加热得到大型的类似蛋白质的分子。其他研究人员成功地合成了作为遗传物质 DNA 和 RNA 的结构单元的核苷酸分子！美国物理化学家菲利普·埃布尔森于 1956 年使用包括氮和二氧化碳而不是氨和甲烷的更近代的大气层来检验这一假说（以防生命在这种环境中产生）， 获得了氨和其他有机物。

奇怪的是，向反应室的混合物中加进氧气时，并没有发生有机合成， 氧化学性质十分活泼，与其周围的元素和混合物化合形成很稳定的惰性生成物。在变为有活性时，在化合与组成更复杂的分子时，分子必须相对不稳定。

尽管任何试验都未能产生生命，即便是最简单形式的生命，但这些成功进行的试验和其他试验仍提高了化学演化假说的可信度，科学家们认为过程如下：地球形成不到 5 亿年，这段时间很温暖，有机分子累积，形成氨基酸并连接成蛋白质；形成脂肪和油类；形成糖并化合为淀粉；由核苷酸形成核酸（DNA 和 RNA）。在地球的海洋含有丰富的有机物时，就具备了生命的所有必要成分。液体水是确保分子混合和反应的理想介质。从有机物的大杂烩变为被膜包住的类似细胞结构的原始生命，并在原始生命出现了加速重要化学反应的有用的酶系统以及天然的复制功能，这是一次飞跃，完成这种飞跃也许需要几亿年的时间。

生命已经开始。我们见到的从最简单的细胞演变到极其复杂与形形色色的生命，历时 35 亿到 40 亿年。

生命的进化

最初的原始细胞，叫原核生物，至今仍以细菌的方式存在。它们都没有一些较高级细胞那样的细胞核、其他许多亚细胞结构和细胞器。这些细胞不能获得自身的养料；而将排出的有机物分子溶解在自己生活的海洋中。这种营养方式——摄入现成的养料——被称为异养型。细胞也不能利用氧气破坏食物分子以获得能量。由摄入养料而放能的过程叫呼吸；无氧的呼吸称为厌氧呼吸。最初的生命实际上是厌氧型的（即在缺氧情况下生活的——译注）。由于大气中没有自由氧或单体氧，这种说法有一定道理。

厌氧呼吸的效率极为低下，它需要很多养料来产生很少的能量。但是在充满大量有机物的海洋中，海洋所含养料不能持续很长时间。生命体消耗养料的速度比通过化学过程补充养料的速度快得多。没有养料，生命不可能生存。难道远在最低级的软体虫爬行到陆地上之前，生命就因为饥饿而灭绝了吗？

要不是一种叫作叶绿素的奇妙分子，答案也许会是肯定的。大约 25

亿到 30 亿年前，经演变生成的叶绿素大大改变了进化的过程。它提供了一种从阳光中获得能量，并转变成可存储的化学能量，或养料的方法。因此生命体不再依赖通过厌氧过程聚集起来但不断减少的营养素。它们只需在太阳下就能获得养料。生命体从基本原材料中获得自身的养料叫自养。利用日光完成上述工作被称为光合作用。光合作用还向大气中释放自由氧（参

见：《地球：不需要空气面罩》）。对岩石的化学分析表明我们的大气层在 20 亿年前就有氧气存在。

自由氧出现后不久就逐渐形成有氧生命。细胞利用氧气从营养素中获得的能量为没有氧气时的近 20 倍。养料持续时间延长，进化出较复杂的有机物。简单的原核细胞有机化，形成第一个有自己的膜包核子的真核细胞。这种变化大约在 14 亿年前出现。不久，真核细胞开始聚集成多细胞有机

物。最古老的多细胞动物化石在大约 10 亿年前出现。现在，所有的动物和生物由原核细胞组成。

在氧气进入大气层之后，生命开始进入陆地。如果没有自由氧，实际上不可能演变出陆地上的生命。原因在于：生命在海洋中通过化学合成进化。这是一个艰难的过程。刚刚形成的有机物分子结构复杂且脆弱。强烈的太阳光，特别是紫外线，袭击地球，有机物分子刚形成时很容易被毁掉。在这种条件下即使最简单的细胞都没有机会进化。但是，如果这些分子形成后沉入水中，可能仅仅在水面下几英寸或一英尺，基本上也能躲避射线， 化学合成可以进行得很顺利。然而，陆地上的生命不断受到紫外线的伤害。

我们来看看氧气。正如在《地球：不需要空气面罩》已谈到的，紫外线和闪电放电将上层大气层中的氧气转变成臭氧（见表 1）。

表 1

普通氧气 ^辐^射^或^闪^电→ 臭氧

3O2 2O3

臭氧的独特能力是吸收紫外线。因此，随着建立臭氧保护层（现在仍然存在，但环境学家认为它正在逐步消失），生命有可能迁移到陆地上（事实上已迁移到陆地上），经过数十亿年的进化而成为蛞蝓、臭虫、青蛙、蛇、鸟、蕨类、花、黄瓜和人类。没有臭氧保护层，绝对不可能有这些进化。

就我们所知，在太阳系的其他地方不存在生命。对火星和月球泥土所作的直接检验表明那儿没有生命存在。金星上的温度过高。水星上的温度要么过高、要么过低，辐射也太多。在木星、土星、天王星和海王星等大行星中没有合适的物质，表面温度也太低。冥王星是一片冰冻的荒地。在60 多个卫星中，也许只有几颗卫星上存在一些简单的微生物，但这一点尚无法确定。生命的进化需要合适的物质、能量和温度，这是让人极为珍惜的条件。生命日益复杂和多样化，要求客观条件在关键方面发生改变，从而异养型生物才能变成自养型生物，厌氧微生物才能进化成需氧微生物， 水生动物才能离开海洋走上陆地。智能生命才能逐步形成，再去考虑自身的起源。

就我们所知，这些奇迹发生在地球上，而不是在任何其他星球上。

（李明 译）