纷乱中的秩序(2生命现象的偶然与必然)/生物学通报科普文选系列

生命现象的偶然与必然 　　生命是这个世界上*美好的事物，地球是生命的大家园。郁郁葱葱的森林、鲜花盛开的草原、鸣腔婉转的鸟儿、翩翩起舞的蝴蝶，让地球充满“生”机。人类更是地球上生命*杰出的代表，人类不但能够作为生物而生存，还能探索这个孕育生命的地球。如果考察一下自大爆炸以来宇宙诞生和演化的过程，我们就会发现生命的产生是多么不易。从化学元素产生到小分子，从小分子到大分子，从大分子到细胞结构乃至生命出现，真的需要“过五关斩六将”，只要其中任何一个步骤的发展情形不同，生命就有可能无从产生。从这个意义上讲，生命的出现是一系列幸运事件的结果。 　　一、组成生命的化学元素的产生 　　人类所处的宇宙来自137亿年前的一场大爆炸。这场大爆炸不仅产生了人类所在的宇宙，更有可能产生了多个宇宙，这些宇宙可能各有自己的物质组成、时间、空间、物理常数及运行规律。幸运的是，我们这个宇宙的运行规律，使得生命的出现成为可能。 　　在爆发的1万亿亿亿亿分之一秒（10-36秒）之后，我们的宇宙己经开始急剧膨胀，这时候组成宇宙的物质是夸克、胶子等基本粒子。随着宇宙的不断膨胀，宇宙温度也在不断下降。这时宇宙中物质之间相互作用的四种力一强作用力、弱作用力、电磁力、重力开始起作用。在1微秒后，温度降到约1000亿°0，基本粒子结合形成电子、质子和中子。几分钟后，温度降到10亿。C，一些质子和中子结合，形成重氢（氘）和氦的原子核。这个过程叫作“太初核合成”；多数质子不与中子结合，成为以后的氢原子核。这时宇宙中*多的化学元素是氢，其次是氦，二者之间的重量比约为3：1，原子数比为12：1。此外还有微量的锂。这是我们人类所处宇宙*初形成的元素。20分钟后，宇宙温度进一步降低，太初核合成停止，宇宙中元素的构成被固定，即主要为氢和氦。38万年以后，宇宙温度大幅降低，电子与原子核结合，成为中性的原子。这个时候辐射与物质脱离偶联，成为以后的微波背景辐射。 　　由此可见，在宇宙形成的*初阶段，化学元素就只有氢、氦和微量的锂。那时候，组成人体的元素，如氧、碳、硫、磷等，还完全不见踪影。如果宇宙就这样均匀地膨胀和冷却下去，这个宇宙就只有氢和氦，不会有恒星和行星，更不会有生命出现。 　　幸运的是，宇宙中物质的分布不是绝对均匀的，而是存在着微小的浓度差异。由于引力的作用，浓度稍高的地方就开始将周围的气体吸引过来，使自己的质量增大，进而吸引更多的气体。气体不断聚集，浓度就会越来越大，直至形成星球。**批恒星大约在宇宙大爆炸后4亿年形成。在这些星球内部，当由于重力作用产生的巨大压力和随之而来的高温达到一定程度时，原子核之间己足够靠近，强作用力（把质子和中子等基本粒子结合在一起的力，只在非常短的距离上起作用）发挥作用，核融合反应再次发生。这次融合反应发生在恒星内部，其过程只取决于恒星的质量所导致的内部温度和压力，不会像太初核合成那样因宇宙膨胀温度降低而停止。原子核越大，其中正电荷越多，彼此的排斥力越强，就需要更大的压力和更高的温度才能使彼此靠近。 　　例如在太阳中，4个氢原子（1)①聚合变成氦（4)。该聚合反应会释放出能量，太阳就是依靠它发光发热的。但如果恒星质量小于3个太阳，反应到此就会停止。所以太阳无法制造地球上各种比氦重的元素，组成人体的元素也不可能在太阳中产生。如果星球质量大于3个太阳，星球内部就有更高的温度和压力进行“氦燃烧”。这个“燃烧”不是化学反应，而是热核反应。2个氦原子融合变成铍（8)，再加1个氦原子，就变成碳（12)。如果星球的质量大于8个太阳，碳也会“燃烧”并且每次加上1个氦。由于氦是以阿尔法粒子（脱掉电子的氦原子核）的形式加上去的，所以此过程叫作“阿尔法作用”碳经过阿尔法作用可以依次变成氧（16)、氖（20)、镁（24)、硅（28)。如果星球质量大于11个太阳，这个过程还会进行下去，形成硫（32)、氩(36)、钙（40)、钛（44)、铬（48)直至铁（52)。上述所有步骤都是释能反应，星球内部也因此变得更热，有利于反应进一步发生。至此，原子己经达到*大束缚能，更进一步的反应就不再释出能量，而是消耗能量了。更重的元素只能在更大的星球内部，或超新星爆发时才能形成。这些重元素分裂时反而放出能量，这就是裂变原子反应堆和原子弹的工作原理。 　　星球不是把全部氢燃料耗尽时才死亡。热核反应主要在星球的核心进行，因为那里的温度和压力*高。超新星爆发时，喷洒到周围空间的物质主要还是氢，可以再形成星球并再次燃烧。如此，恒星中重元素的含量就会越来越高。由于铁是核融合反应所能产生的*重元素，恒星光谱中铁的谱线也很容易检测，天文学家常用铁和氢的比例来判断一个恒星是第几代恒星。从铁和氢的比例看，太阳是比较年轻(也就是比较后形成）的恒星，应该属于第三代星球，是在大爆炸后45.7亿年才形成。 　　所以地球上的石头（主要成分是硅酸盐）是太阳系制造不出来的。组成生物（包括我们自己）的主要元素碳、氧、氮、硫、磷、钙，也不是太阳生产的，而是过去比太阳大得多的星球死亡时，将这些元素喷洒到太空中，成为了太阳系形成的物质基础。随便拿起一块石头，那里面的元素都比太阳的年龄老。同样，构建人体的元素也比太阳的历史悠久。这都要感谢形成了构建人体的各种元素但目前不知在何方的巨大恒星。 　　二、从原子到分子 　　虽然星球内部的热核反应可以产生各种化学元素及原子，但原子本身并不能产生生命。如果原子中的电子只围绕自己的原子核旋转，原子之间互不相关，这个世界就只能由原子组成，生命也就无从产生。幸运的是，不同原子中外层电子的运行轨道可以相互重叠，这样，这些外层电子就可以同时围绕2个原子核旋转，把这2个原子“绑”在一起，形成分子。而且同一原子的外层电子还可以跟多个其他原子的外层电子轨道重叠，例如氧原子的外层电子轨道就可以和2个氢原子的外层电子轨道重叠，形成水分子。氮原子的外层电子轨道也可以和3个氢原子的外层电子轨道重叠，形成氨分子。由于氢是宇宙中*丰富的元素，热核反应生成的氧可以和氢反应生成水，氮和氢生成氨，碳和氢生成甲烷。 　　但是这样形成的分子多数是小分子，只由少数几个原子构成，而生命现象是极为复杂的，需要各种各样复杂的分子。幸运的是，化学元素中有一种元素叫作“碳”，它有4只“手”可以和别的原子“拉”在一起，即可以用4个化学键与其他原子相连。碳原子之间也可以彼此相连，形成长链或环。由于形成链和环只占用了碳原子的2～3个化学键，每个碳原子还有1～2个化学键可以用于和其他的功能基团相连，这样就可以组成具有不同结构和功能的复杂分子。无论是葡萄糖、脂肪酸、氨基酸、核苷酸，还是辅酶Q、血红素，都是以碳原子环或链为骨架的。煤和石油就是古时的生物遗体被埋藏，在高温高压下分解后留下的碳骨架。地球上的生命是以碳为基础的，碳元素使得生命的出现成为可能。 　　三、生命所需要的复杂分子，可以在太空环境中自然形成 　　地球上的葡萄糖、脂肪酸、氨基酸、核苷酸等，都是在生命过程中产生的。而在生命出现之前，这些分子又是从哪里来的？如果非生命过程不能产生这些分子，生命的出现就是一句空话。 　　幸运的是，在巨型星球爆发时产生的水、氨、甲烷，以及仍然占元素总量绝大部分的氢，可以吸附在星际尘埃、陨石和彗星的表面上。这些小分子经过宇宙中高能射线的照射，并在星际尘埃和陨石表面矿物质的催化下形成各种复杂的有机物。例如，1969年9月28日坠落于澳大利亚默奇森的陨石（被命名为“默奇森陨石”，Murchison meteorite)分裂为多个碎片，总重超过100千克。取样检测发现，陨石上有多种氨基酸，包括组成蛋白质的甘氨酸、丙氨酸、谷氨酸，而且没有检出丝氨酸和苏氨酸（这两种氨基酸容易在取样过程中混入样本中，造成样品污染，没有检出说明陨石样品没有被地球上的物质污染），说明这些氨基酸的确来自太空。此外，这些氨基酸大部分是没有旋光性的，即两种镜面对称的分子都有，更是说明了这些氨基酸是非生物来源的，很可能是碳、氢、氧、氮等元素的化合物被高能射线照射，发生化学反应而形成的。除氨基酸以外，默奇森陨石上还检测出嘌呤和嘧啶，即地球生命的遗传物质——脱氧核糖核酸（DNA)和核糖核酸（RNA)的组成部分。此外，该陨石还含有大量芳香型（环状）碳氢化合物、直链型碳氢化合物、醇类化合物和羧酸（含有羧基的碳氢化合物）。 　　美国的“星尘号”探测器（Stardust Mission)所收集到的星际尘埃也含有芳香化合物和脂肪类化合物，以及甲基和羰基等含碳的功能基团。科学家还在距离地球400光年的原始恒星IRAS16293-422周围探测到了羟基乙醛（glycolaldehyde)。羟基乙醛是一种糖类物质，它可以在由两个缬氨酸组成的二肽的催化下变成四碳糖和五碳糖，如核糖。宇宙中还存在大量的甲酰胺（formamide)，当有矿物质存在时，在足够高的温度下，就可以产生组成RNA的4种碱基一腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶、尿嘧啶。这些事实都说明，生命所需要的复杂有机物可以在太空中产生。 　　在实验室中模拟太空环境也得到了类似的结果。1953年，美国科学家米勒（Stanley Lloyd Miller，1930——2007)在无氧环境中将甲烧、氨、氢和水混合。他先将水烧开，再对混合溶液进行放电，以模拟闪电。1周后，混合溶液变成了黄绿色。米勒利用纸层析检测到有氨基酸形成，如甘氨酸、丙氨酸、天冬氨酸。1972年，米勒重复了他在1953年做的实验，并且使用了精度更高的检测手段（如离子交换层析、气相层析加质谱分析）检测实验产物，结果发现了33种氨基酸，其中有10种是生物体所使用的。1964年，美国科学家福克斯（Sidney WalterFox，1912——1998)采用与米勒不同的方法模拟地球早期的情况。他将甲烷和氨的混合气体穿过加热至1000°C的沙子，以模拟火山熔岩，再利用冷冻的液态氨吸收气体，检测发现生成了蛋白质中使用的12种氨基酸，包括甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、谷氨酸、天冬氨酸、丝氨酸、苏氨酸、脯氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸。 　　四、核糖核酸很可能是*早的生命分子 　　早期的生命分子很可能是多功能的，因为分子之间各种功能配合还没有建立。RNA可以自我复制，可以催化氨基酸连接成肽链，还能把氨基酸连接到RNA分子上，成为tRNA的前身，所以早期的生命分子很可能是以RNA为中心的。 　　科学家在实验室中发现由RNA片段A和片段B连成的RNA片段T具有连接酶（Ugase)活性，能够把片段A和片段B连成片段T;核酶（ribozyme)B6.61能够以核酸为模板合成新的RNA链，相当于具有现在由蛋白质组成的RNA聚合酶（RNApolymerase)的功能。 　　现今，地球生命的蛋白质是在核糖体（ribosome)中合成的。真核细胞的核糖体分为“小亚基”和“大亚基”两个部分。小亚基含有33种蛋白质，大亚基含有46种蛋白质。核糖体中还含有RNA，小亚基含1个RNA分子，大亚基含4个RNA分子，总的蛋白质的量和总的RNA的量大约是1:1。以往的观点认为，核糖体中的RNA只起结构构成的作用，并不起催化作用，因为“酶（蛋白质）催化一切反应”的观点己经根深蒂固，几乎得到所有实验事实的支持。然而后来实验发现，去除核糖体中的蛋白质只会降低但不能消除核糖体的合成蛋白质的功能，但是去除RNA却会使核糖体合成蛋白质的功能完全消失。对核糖体精细结构的分析表明，在合成蛋白质的“反应中心”（实际把氨基酸加到合成中的蛋白质链上的地方）只有RNA分子，没有蛋白质分子，说明蛋白质的合成是由RNA催化的。也就是说，似乎无所不能的蛋白质竟然不能催化蛋白质自己的合成！从*初的生命出现到人类的产生，其间有几十亿年的时间，蛋白质的合成仍然是由RNA催化的，这也说明RNA很可能是生命*早的核心分子。 　　除了催化活性外，RNA分子中的核苷酸序列也可以储存信息。例如每3个核苷酸编码1个氨基酸（密码子），这样RNA的核苷酸序列就可对应蛋白质中