从微尘到人类:35亿年的生命小史

**部分??洪荒时代 地球的生命史不仅是博物馆展览柜中收藏的贝壳和骨骸的演进过程，也不仅是生物形式和功能的变化过程，它更是史诗般的壮观场面。在人类所有荒谬至极的信念里，*奇怪的一条便是坚持认为低等动物缺乏意识、无力自主，只有人类才是生命的主宰。 **章 太阳之子 没有目光能触及它的边际，也没有仪器能测量出它的广度，更没有科学家能分析明白它的“水体”——它便是宇宙之海。没有什么东西能像它一样空虚、寒冷，但正是这片浩瀚的星空孕育了我们的生命。在恒星世界里，有的和我们的太阳系一样大，有的则比太阳系大上无数倍。在这片虚无里，恒星像鱼群一般游荡着，但它们和鱼群不同，鱼群可能因为头鱼一时兴起而改变方向，或是因天敌的突袭而被消灭殆尽——它们的命运完全掌握在变幻莫测的环境手中。而在宇宙里，恒星的运行遵守着完美的秩序——从围绕小小行星公转的*微小的卫星，到整个宇宙里*大的超星系世界，一切都遵守着这个自然界的**法则。在这里，混沌和突变是不存在的。 如今，利用先进的天文望远镜已经能看到数亿个星系。这些星系聚成薄薄的表盘状，这个“表盘”的*大直径是其厚度的10 ～15 倍。若沿着这个“表盘”的赤道轴从一端走到另一端，恐怕要花10 万光年之久——要知道光速是每秒约30 万千米，人类脉搏每跳动一次，光就能绕地球转7圈了。星系是恒星聚集的地方，我们也处在这样一个星系之中，它就是我们所熟知的银河。现在，我们已经知道自己在这个星系中所处的位置——接近银河系的外侧边缘。当我们遥望银河轻纱般的光晕时，视线所穿越的正是这个星系的长轴。无论是太阳，还是种类繁多的恒星——由炽热气体构成的恒星，已经燃烧成灰烬的黑暗死亡恒星，疏散星团和球状星团里的单颗恒星，广大的不规则星云中的恒星，还有许多性质尚不确定的星云中许许多多的恒星，所有这一切都在运动——不仅是星系整体，也包括星系中的各个小成员。 太阳和它忠实的随从一起，在群星云集的星系里走着自己的路，路线是由某种神秘的作用力决定的，这种作用力让我们的宇宙协调如一，也让太阳和它的随从更紧密地结合在一起。几百年前，哥白尼抛弃了人类的虚荣心，证明地球不过是太阳的附庸之一。现代天文学则在这条道路上走得更远，彻底关闭了人类妄想的空间：太阳不过是亿万颗恒星中的一颗，而现在目之所及的诸多耀眼的恒星，很可能也并非全部。就像亡者比活人更多一样，死去的恒星很可能比亮着的恒星多得多。在银河系之外，还有其他星系，它们的形状和大小都与银河系类似，但距离我们却非常远，以至于它们的星光传到我们这里至少要花100 万年。 太阳和它的小小家族在宇宙里游荡，就像被抛弃的货物在洋流里随波逐流一样。人类则像这块漂流的碎片上的一个细菌，如无限时空中的一个分子，似永恒一日里的一刹那。他们迷失在宇宙当中，对自己的存在意义和*终归宿全然无知。幸运的是，为了心灵平静起见，人类的哲学思考也很少上升到天文学的高度。人类唯一在意的就是天上*大的那颗恒星有朝一日或许会消失，除此之外，他们担忧的不过是人世间的问题而已。但是他们仍然会对身外的宇宙产生某些兴趣。毕竟，很可能正是宇宙中的某次突变给了他们生命，而未来一次类似的突变却可能终结他们的生命。 现代的科学家从不怀疑，太阳系中的行星、卫星、流星、彗星原本都源自太阳。分光镜（光谱仪）已经证明地球与太阳的亲戚关系：这种仪器能把太阳射出的白光分解成一系列光带，每条光带对应着一种确定的化学元素。我们从中得知，太阳的组成元素和地球的组成元素非常相似，地球上的已知元素基本都能在太阳上找到，在其他行星和它们的卫星及彗星上，我们也没有发现与地球上化学元素不同的元素。显然，太阳系的所有成员之间都存在着亲缘关系。 地球和它的“姊妹”们是如何诞生的呢？对此人们提出了好几种猜想。其中，法国天文学家拉普拉斯的星云假说一度被普遍接受。他认为，太阳系的母恒星是一团炙热气体星云，直径超过80 亿千米，足以把太阳系*外侧的行星——海王星的轨道也包括进来。这团母星云缓慢旋转，不断收缩。由于温度不断降低，它的旋转速度逐渐增大，*终有一环气体与星云分离开来，自行凝固成一团气体，并围绕太阳旋转，这便是母恒星产下的**个子女——海王星。随后，这团不断收缩的气体星云不断分离出一环又一环的气体，天王星、土星、木星、火星、地球、金星和水星便依次产生。行星们也用类似的方式分离出各自的气体环，这些气体环*终凝固成卫星，围绕着生成它们的行星公转，就像行星围绕着太阳进行公转一样。 星云假说初步回答了太阳系形成的问题，当然这个说法还有缺陷。它太简单，无法解释太阳系中的复杂运动。对母星云在收缩到*内侧行星——水星轨道之内以前能否分离出气体环这一点也有诸多怀疑。如果拉普拉斯的假说是正确的，那么卫星应该都沿着行星自转的方向进行公转。但土星的一颗卫星、木星的两颗卫星的公转方向却与其行星的自转方向相反。同样，按照拉普拉斯的假说，行星的自转速度应该比各自的卫星的公转速度快，而太阳应该是太阳系所有成员中自转速度*快的，因为降温和收缩过程会增加自转速度。但实际上，*靠近火星的卫星福波斯围绕火星公转的速度是火星自转速度的3倍。木星占太阳系的总质量比例不到千分之一，自转速度却是整个太阳系中*快的，要知道，按照拉普拉斯的理论，这一速度本应属于太阳。 因此，星云假说在现代物理学和现代天文学的事实面前只能甘拜下风。但这却促进了新一代科学家的成长，旧理论会不断被新理论取代，是新理论成长的催化剂。星云假说之所以会在科学发展史上占有一席之地，一是因为它的某些错误促进了新理论的发展，二是因为人类必须具备某种宇宙进化论的观点，即便是错误的宇宙进化论观点，也会像伪神一样，敦促思想者们去不断探究宇宙的终极真理。 在达尔文提出生物进化论之后，理论科学界*重要的贡献可能就是由芝加哥大学的张伯伦教授和摩耳顿教授提出的星子假说。和之前的学者一样，他们也相信地球是太阳的子孙。但与拉普拉斯不同的是，他们认为太阳不仅是地球的母亲，还是它的父亲。他们认为，在远古时期曾有一颗恒星运行到距离太阳足够近的区域，它的引力足以对太阳产生影响。要知道，即使到了现在，太阳表面依旧不断喷发白热物质，喷发高度接近30 万英里，速度则超过每秒300 英里。当然，喷发出来的物质通常都会落回到太阳中去。但在当时，太阳系还在形成当中，喷发出来的物质很可能被经过的恒星用强大的引力从太阳的某一侧拉了出来，形成一条螺旋状旋臂。在恒星远去之后，太阳的引力不足以将这些物质拉回去。于是，旋臂中的喷发物质就被分离出来。在寒冷的宇宙空间中，这些气体状物质迅速凝固成块状固体，有的大，有的小，还有无数微小的颗粒分散其间。所有这些星体都沿着椭圆形轨道围绕太阳进行公转。 随着时间的推移，旋臂里的大块物质和小颗粒之间由于椭圆轨道的偏心率不同而发生碰撞。大的固体块利用自身较强的引力，一边公转，一边不断吸收体积较小的物质，从而越长越大。它们通过扫荡较小的物质，*终成长为一颗行星。卫星成长的方式也相同，只不过它们体积比较小，*终无法长到行星的体积。同时，每一次碰撞都会使行星轨道发生少许修正，使之从椭圆形越来越接近圆形。需要注意的一个事实是：一般认为大行星（如木星、土星、天王星、海王星）吸收的星子物质数量*多，它们的轨道也确实*接近圆形；而那些无关紧要的小行星（太阳系形成的副产品）围绕太阳公转的轨道偏心率确实都相当高。各颗行星吸收星子物质的方式和速率并不相同，这一点可以用来解释为什么各颗行星的自转速度不同，也能解释为什么那3颗卫星会沿着与行星自转相反的方向进行公转。 星子假说很好地解释了当时有关太阳系的所有已知事实。但人们也对它的某些细节提出了修改意见。比如，巴雷尔认为，必定曾有相当大的星子物质坠入固态地核，其冲击力和速度足以熔化成长中的行星；金斯和杰弗里则坚信行星和它们的卫星从形成伊始就是气液混合状态；星子假说的拥护者坚持认为地球的成长十分缓慢，它绝大部分时间是既寒冷又坚固的。 很遗憾，无论想要证明这些假说里的哪一个，所需要的关键证据都被深埋在后世不断加厚的岩石碎片之下。如果地球是由液体凝固而来，那么应该能发现在它冷凝过程中形成的原始地壳的遗迹，就像能在高温熔炉里找到矿渣一样，但科学家至今还没有类似的发现。同样，如果地球是由寒冷的星子物质缓慢积累起来的，那么我们也应该能找到这类物质的踪迹，但大自然不会轻易让我们得逞。自然界的各种变化要么把这类踪迹隐藏起来，要么已经让它们消失了。就我们目前所知，只有一件事是确定的：过去的地球不可能同时呈现液体和固体两种状态。我们现在还很难在各种假说里找到真理之路，但时间和未来的发现有朝一日或许会为我们指引出这条道路。 现在，对地球的早期历史有两种说法，对这一点我们应该感到满意。二者之一*后可能会被证明是正确的，但两种都错也不是不可能的。有些人相信地球从诞生之日起就是固体，他们认为它*初是块状，大小大概是现在的十分之一。这个固体核在运行路径上慢慢聚集星尘。它吸收的星子物质体积都不太大，不足以让地球变成液体，但它们带来的热量又能够让它释放出一些气体。随着地球不断变大，它自身的引力足以阻止这些气体扩散，这样便开始形成大气层。与此同时，放射性矿物的衰变也产生了热量，这使成长中的地球内部压力不断增加，从而产生更多的热量，易熔的岩石因而熔化成了液体，火山开始形成，更多的气体被释放到大气层中。水蒸气在大气里不断聚积，*终凝结成雨。这样，地球岩石累累的表面就出现了水洼，低地*终被水淹没，海洋就此开始了漫漫生涯。 生命的诞生是各种适宜条件下的自然结果。它过去曾在泥泞中长期挣扎，未来却可能比过去的梦想更加辉煌。即便到了未来，所有现在的适宜条件都不复存在，生命体也会继续挣扎求生存。 那些相信地球曾是液体状态的人讲的故事更加悲哀。在他们的故事里，地球昨天还在地狱般的高温里蒸烤，明天又将如月亮一般冰冷死寂。整个太阳系都在走下坡路，生命不过是混乱暗夜里的一道闪电，待白日降临便将消失得无影无踪。我们现在拥有生存所必需的特殊条件：充足的空气和水、适宜的温度。但地球注定是要灭亡的，它的气温会降到宇宙空间的绝对零度，无论人类还是低等生物都将无法生存。太阳和它的孩子们会继续在时空里游荡，过去不过是记忆里一段失落的片段，未来又全无希望。现在，我们不可能知道哪种说法是正确的，但时间会揭示真相。在那之前，就让情人们继续谈情说爱、政治家继续唇枪舌剑、科学家继续为他们的理论添砖加瓦吧！ 第二章 奇妙的无机物 生命是一系列特殊条件风云际会的产物，这种存在很可能是独一无二的。在一片死寂的荒凉世界里，生命显得那么渺小、虚弱、孤立无援。残酷的环境一有机会就要打击它。不管生命的诞生有多么不可思议，它毁灭的悲剧却每天都在发生。生命的存在是那么脆弱：如果我们从15米高的地方摔下来，肯定会一命呜呼。同样，要是自然界发生大的变化，或是地球上的热量、空气和水的含量发生大的变化，一切生命也就都结束了。就我们所知，如果温度高于水的沸点或低于水的凝固点，多数生命是不能长期生存的。实际上，大多数动植物生存所需的温度要求更严格。地球距离太阳恰好够近，能获得维持生命所需的热量，它又恰好够大，能吸引住保存这些热量的大气层。空气和水也一样，要是它们的含量或成分发生较大变化，生命的脉搏就无法继续跳动了。很多天文学家认为：在另一个星球上重现这些适宜条件的可能性非常小。大自然孕育了一切，有朝一日它也可能将一切全部摧毁。 在死寂的宇宙里，我们的存在显得既不合理，又无比独特。生命与它诞生所需的土壤之间的联系实在太密切了，让我们无法对生命本身给出一个令人满意的定义。亚里士多德说：“生命是能够自我营养并独立生长和衰败的力量。”??2000多年后，斯宾塞认为：“生命是为了适应外在关系而对内在关系的不断调整。”我们还可以引用许多定义，但都不能让人满意，因为它们描述的都不是生命本身，只是生物的性质而已。我们对生命的了解并不比对声、光、热、电的了解更多，只是对它有何表现略知一二罢了。 另外，只有浪漫主义者才会认为生命是无法理解的神秘存在。他们坚信生命是不可知的，有不可知的力量凌驾于现实世界的物质和能量之上。这些人并不怎么关心真理，他们更在乎自己的希望和幻想。但我们所知的生命却并非某种理论，它是一种过程。 20 世纪所有的科学研究都支持这样一个结论：自然界没有什么东西是完全静止的。“迟钝的地球”只是对那些视而不见的人才显得迟钝罢了：地球表面的模样始终在缓慢地改变着，动植物在时间的长河里也是不断地生长变化着，千姿百态，华美壮观。拉马克、达尔文和他们的继承者曾经清楚地展示了生物世界的进化过程，现代物理学家和化学家同样清楚地说明了物质的基本组成单元。物质和能量是不灭的。在一段短暂的时间里，某些特定的动植物会以某些特定的形式占有一定的物质和能量。随着生物的死亡，这些特定的形式也会随之消亡，但物质和能量本身并没有完全消亡，换个时间，换种生物，它们依旧存在，之后还会继续被其他生物占有——如此循环，生生不息。通过这些形式，生命获得了永生。 人类的错误观念可以构成一座地狱，无生源说的幽灵曾经从中悄悄升起，并困扰着探究生命起源的科学家。当然，它只是偶尔出现，出现时也很少受到欢迎。尽管它已过去多年，但人们都还记得它曾经是怎么作恶的。它蒙蔽了古代社会*全知全能的心灵：亚里士多德、卢克莱修、维吉尔、奥维德、老普林尼；它导致中世纪的诗人、哲学家、博物学家纷纷误入歧途；它让冯·赫尔蒙特构想出了那个著名的“制造老鼠的配方”——往装着脏亚麻布的罐子里加几颗麦粒或一块奶酪，你想要的老鼠就会出现。由于当时缺乏可以进行精密观测的仪器，更缺少精密观测的意愿，人们都相信生命可以由无机物自动产生。腐朽的骨架可以繁殖昆虫，腐肉可以生蛆，雨水能产生微生物，采石场里新敲裂的石块能孕育癞蛤蟆，把马鬃放进一杯水里就能生出线虫。有一个中世纪的意大利人曾严肃地发表他的研究结果：海水里腐烂的木材能产生蠕虫，然后蠕虫会变成蝴蝶，蝴蝶*终会长成夜莺。 直到17 世纪晚期，才有人认真质疑起无生源说的正确性。当时弗朗切斯科·雷迪发现，只有苍蝇在腐肉上产卵之后，蛆才会出现。因此，蛆并不像之前人们所认为的那样，是无父无母自动产生的，它的根源在蝇卵。随后，借助显微镜，斯帕兰扎尼、巴斯德、丁达尔和其他科学家证明：之前被广泛接受的那些无生源说的实例不过是粗糙观察得出的结论。科学界逐渐开始相信：由于无法证明生命能够从无机物中直接产生，所以所有生物都有祖先。这一假说可以用那句著名的格言“万物皆有源”来描述，它也是当代生物科学的圭臬。 但无生源说的幽灵又出现了，因为生命总有开始，亡者必曾生存。人们都相信地球上并不是一直像现在这样栖息着各种生物，只有在地表进化出适宜的条件之后，生命才可能存在。同样，大部分科学家都承认，无论在地球上，还是其他行星上，生命必须首先由无机物直接进化而来。那么，“万物皆有源”这句话至少曾有过这个*初的例外。于是人们自然要问：曾经发生过的事，会不会再发生？即便到了现在，生命是不是还可能从无机物的泥沼中孕育出来？当然，这个过程可能已经变得极其缓慢或进展甚微，让人无法察觉。光合细菌是游荡于生物与无机物之间的卫士，严格守护着这两个世界的分界线。但就算是它恐怕也无法压抑大自然的创造力。虽然现在没有人知道这些问题的答案，但理性的科学家不会因为没有亲眼观察到这一过程，也没有在实验室中实验出来，就假定它不可能存在，毕竟这个过程在过去曾经发生过。科学家会努力寻找事实来说明——即便不能证明——这个过程在今天的地球上依旧可能存在。 大部分教科书对生物和无机物之间的相似性都轻描淡写，或略过不谈。它们满足于强调两者的区别，尽量不谈及它们的相似性。确实，在绝大多数情况下，无机物——如原子、大海和太阳——的大小几乎没有限制，而动植物在这方面是有严格限制的。它们的存在形式也是如此：无机物有各种各样的存在形式。但所有生物都必须严格遵循遗传学原理。家猫可能会哭着想长出狮子的肌肉和利爪，但它们永远也长不出来。无机物世界的组成材料是地球上已知的92 种化学元素，而生物世界对这些元素千变万化的组合显然已经感到满意了。绝大部分无机物在结构上缺乏组织，而绝大部分生物都有着精密的组织结构——细胞构成组织，组织形成器官，它们彼此完全不同，却相互依存，有机地结合在一起。此外，人们通常认为维持生命*重要的现象是生长、适应环境和繁殖，但在“矿物王国”里却找不到它们的对应现象。 以上便是有关生物与无机物区别的主要观点，两者之间被人为划出了一道不可逾越的鸿沟。但是，和大部分概而论之的观点一样，它们也忽略了例外现象，而在这个比较中，这些例外显然才是*有意思的，很可能也是*重要的。很久以前，赫拉克利特曾把生命比作火焰。首先，生物*重要的特征之一是能从环境中获取物质和能量来维持自身运转。在这一点上，蜡烛的燃烧方式和生物体颇为相似：火焰从空气中吸收氧气，发生化学变化，放出光和热。动植物用相同的方式从环境中获取食物，吸收营养，并以各种形式散发出能量。就人类的成长来说，在婴儿出生以前，卵子中的物质发生了变化；而在孩童成人之前，他的骨骼和肌肉也填充了一些新的物质，但他始终是同一个个体。从某种意义上说，我们不再是童年的自己；但从另一种意义上说，我们和童年时又毫无区别：火焰始终以相同的方式保持着个性。 比火焰的营养来源更重要的两个值得关注的现象是扩散和渗透，它们在无机物和生物中都很常见。在一杯水中加入一些盐，盐会渐渐溶解，慢慢通过扩散过程均匀分布到整杯水中。扩散是由杯中的分子浓度分布不均匀导致的。盐分子会从浓度高的地方移向浓度低的地方；相反，水分子会从浓度低的地方移向浓度高的地方，*终导致杯中的液体浓度重新达到平衡：盐均匀地溶解、分散在水中，而不会受重力影响导致浓度不均。 渗透现象是阿贝·诺雷在1748 年发现的，当时他把一个装满酒精的猪尿脬浸在水里，观察到水渗透进猪尿脬的速度要比酒精渗透到水里的速度快得多，结果是猪尿脬涨大了。这种浓度较低的溶液通过薄膜向浓度较高的溶液移动的过程叫作渗透。正是渗透压让土壤里的水分上升到了树冠上的小树枝里。动物的消化主要是将食物大分子粉碎成小分子的过程。这些小分子在肠道中可以经扩散和渗透等物理过程被吸收。实际上，以这两个过程为基础，生物构造了一系列至关重要的精细结构。 有些矿物质在高浓度溶液中会与其他溶液接触，形成薄膜，这些薄膜能阻碍水和溶液中的其他物质通过。比如，把可溶性钙盐放进碱金属碳酸盐或磷酸盐的溶液中，钙盐表面会形成一层渗透膜。膜内溶解的物质会对有限的表面施压，致使渗透膜膨胀，膜内体积增大，这样就会有更多的水涌进渗透膜，使矿物结构发生改变。动植物生长的原理与之非常类似。 法国南特的斯蒂芬·勒杜克 博士为渗透生长现象的研究作出了杰出的贡献。渗透生长中的物质会从它所在的培养液中吸收营养，但和晶体生长不同的是，新物质的吸收不是用外加方式来实现的，而是通过套叠过程实现的。换句话说，是通过在原有物质的分子之间加入新分子来实现的。这样会慢慢形成比*初的矿物“晶核”重许多倍的物质，而培养液会减少相应的重量。生长中吸收的物质在被吸收的过程中经历了化学变化，这也和动植物生长过程中吸收的物质一样。渗透生长吸收了特定的某些矿物“食物”，拒绝了其他“食物”，随后还排泄出废物。 许多渗透生长物质会因为周围环境中*微小的刺激而在母液中四处游动，很多物质会进行与营养状况相关的周期性运动，还有些会通过出芽进行繁殖。在特定的条件下，某些衰退的个体会重获生命力，伤口也会像生物组织一样愈合。随着时间的推移，渗透生长的渗透膜会变厚，生长减慢，*终由于膜内外的渗透压平衡停止生长。就像孩子的细胞年轻充满活力一样，渗透生长初期渗透压高，长出的细胞丰满，形状优美；而随着年岁渐长，人的细胞变得干瘪衰老；*终将面临死亡，躯体和结构终将不复存在。 现在，我们回到*初的假设中，即我们所知的生命只是一种过程，那么很显然，生物与无机物之间的界线并不像绝大部分人认为的那么清晰。渗透生长现象成功地模拟了营养、生长、形式、结构和感觉等维持生命所必需的现象。它已经非常接近这两个世界的分界线。此外，尽管我们还不能人工制造原生质——所有生物发源的土壤，但在实验室里已经可以制造包括尿素在内的许多有机物，完全不需要任何动植物的辅助。这些现象和许多类似的事实表明，生物与无机物之间并无天壤之别，它们在本质上源出同门。 因此，勒杜克博士和其他科学家再次提出了无生源说的问题。尽管矿物渗透生长中不包括蛋白质，而且还无法和生物的化学复杂程度相提并论，但它确实让无机物在形式和结构上都达到了动植物标志性的复杂程度。它们通过渗透压和扩散物理作用，完成了和生物同样的过程。现代化学家和生物学家还无法制造生物，但他们已经在矿物世界里成功复制出许多生物生长过程和结构，包括某些在不久之前还被认为是生物特有的物质。回溯生命诞生的远古时代，大自然完全可能在它的实验室里重复相同的实验，只不过它走得更远，更进一步创造出了生物。这样的过程现在也完全可能在深海中存在。没有人了解远古时代到现在大洋深处的情况。合成生物学家还没能发现生命的配方，但它在生命诞生时必定存在，现在也依旧可能存在。 关于生命有一种新概念，认为元素、化合物、矿物、岩石、植物、动物可能都是某个巨大生物体的一部分。当代研究正慢慢为这种信念奠定基础：物质从*简单的形式到*复杂的形式，其进化的过程是连续的。植物王国和动物王国之间模糊的界线正在融合，没人会拿奶牛做卷心菜沙拉，或是用卷心菜挤牛奶。因为奶牛和卷心菜具有明显的界线，没人会混淆它们。但有些单细胞生物同时结合了动物和植物的特征，植物学家和动物学家都把它们归入自己的研究范畴。生物与无机物的世界在逐渐融合，生死之间的沟壑曾是妨碍科学泛神论形成完美教义的*后障碍，而它正在消失。人类和石头并不相像，但人类维持生命所需的过程却和矿物的渗透生长过程几乎一模一样，这种相似性意味着生死之门或许可以通往其中任何一个世界。