宇宙、地球和生命的进化:时间的1000个-第13部分
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7．对称性破缺导致的生命现象
根据近三十年来物理学、数学以及其他领域的研究进展结果，人们发现过去以牛顿力学为哲学背景建立起来的自然科学的思想基础（包括量子力学在内）都是有一定局限性的，都是以线性叠加原理成立为前题的，但是自然界的各种现象中很多都是非线性的，可以统称为非线性问题。简单地讲就是，一个系统的性质不同于它的组成部分性质的线性叠加，这个系统就是一个非线性系统。在过去，不论从数学还是物理学上都认为这类非线性问题很困难，无法解决。由于近年来计算技术的发展和数学、物理上的突破，出现了一大批研究非线性问题的理论和方法，如〃突变论〃、〃耗散结构〃、〃协同论〃、〃分岔理论〃以及〃混沌现象〃等等，这些理论虽然提法和解决问题的方法都不相同，但是它们都是针对动力系统的非线性问题而产生的。
当一个系统的变化属于非线性问题时，它的控制参数超过了某个临界值，就会出现〃对称性的破缺〃，一个均匀的、对称的系统就变为不均匀的和不对称的系统。物质在空间中出现了不均匀的分布也就意味着出现了结构。这种结构的形成和维持要依靠系统中各个组分及其与外界相互作用的非线性的性质才能实现。一旦各组分及其与外界的相互作用发生变化，它们就可能解体、消失，有人称之为〃耗散结构〃，因为它们的相互作用不断地耗散能量和物质。生命现象是一个典型的非线性动力系统，因此动力系统非线性问题的研究对生命的理解将有重要的贡献。
生命现象是一个不断地对称性破缺的过程。从分子水平上看，所有的核苷酸、绝大部分的氨基酸以及很多脂肪酸和其他分子都是〃光学活性〃分子，即只有手性分子的镜像的一面，它的镜像异构分子在生物体中却不存在。这个特性，从百多年前被巴斯德发现一直到现在，是唯一的有无生命活动的经验判据。这也可能是宇宙不守恒的对称性破缺的结果。这些分子的相互作用构成了一系列的对称性破缺，从而生成了有复制能力的对称性破缺的反应系统，从而导致生命现象的出现。
第50节：二、生命演化（1）
二、生命演化
1．100亿年前…生命物质
以前，人们认为地球在古生代才开始有生命存在，但是现在已经发现远在30亿年前，当地球还在幼年时期，表面受陨石撞击和火山运动而变得沟壑纵横时，地球上就已经有了生命物质。
关于地球上生命诞生的条件问题，我们可以从其他类地行星上不具备什么条件来得到反证。
第一，距离太阳的远近决定着行星表面的温度，例如水星向阳面的温度可以使铅熔化，而天王星表面温度却是零下200℃。无论温度太高还是太低都不能产生生命。看起来地球的位置得天独厚，距离太阳的位置恰好不远不近，这构成了产生生命的第一个条件…温度。
第二，水和大气的存在是必不可少的。大气层的存在抵挡和缓解了外来陨石的撞击能量，我们经常能看到的流星就是陨石在大气层中摩擦发热、发光的产物。如果没有大气层，地球就是30亿年前大气层尚未形成时的状态…陨石坑遍布。大气层保护了地球，为脆弱的生命诞生创造了理想的环境。另外，地球大气层特殊的化学构成也为生命演化提供了物质基础。地球上的生命形式大部分是由碳、氢、氧这几种元素构成的，早期大气层恰好含有丰富的这类元素，这提供了产生生命的第二个条件…生命元素。
生命是一套复杂的系统，要构成生命，首先要能形成巨大的有机分子，这些巨大的分子再在某种条件下形成生命物质最重要的基本结构…氨基酸。这些氨基酸再进一步结合，形成构成生命的基本单元…蛋白质。能够形成蛋白质已经是一项了不起的成就，可是，最简单的生命也比蛋白质复杂得多。
我们不妨设想一下生命基本物质出现时的情形：很多证据表明，最初的地球大气含有丰富的甲烷和氨，由于水的出现，甲烷和氨在水溶液中结合，形成简单的有机分子。这些有机分子在原始海洋的某些部位聚集，并且在原始地球剧变的环境中互相集合，成为越来越复杂的有机大分子。这个时候的地球就像一个巨大的化学实验室，各种各样的化学物质进行着各种各样的化学反应。那些结构稳定的大分子长期存在下来，并且逐渐形成一定的稳定的共生系统，和其他集团独立起来，再经过长期而缓慢的组合，最终形成生命最初的物质。
2．46亿年前…原始大气
自然发生说认为在地球现有的条件下，非生命物质可以在适宜的环境中短时间内一下子出现低等生物，例如水螅、蠕虫之类。而化学进化说讲的是在早期地球没有任何生物的特殊条件下的物质逐渐复杂化，并由此产生最原始的生命，这些生命类型都比现在所知道的任何低级生物简单得多。
第51节：二、生命演化（2）
早期地球的特殊条件至少包括以下的内容：
（1）陆地上和海洋里都还没有生命。
（2）大气含有特殊的化学成分。
（3）地球表面有适宜的温度。
（4）海水里含有多种化学成分，很适宜于物质的复杂化。
很显然，化学进化说虽然跟自然发生说有些相似，但是区别是明显的。第一是条件不同，化学进化是发生在还没有任何生命的时期；第二是所需时间不同，化学进化要求很长很长的时间。
不管地球以什么方式形成，也不管早期地球是低温还是高温，有一点可以相信：当时的地球上没有任何生物。
指出早期地球没有生命，不仅是目前大家所能承认的事实，而且为生命起源提供了必要的前提。如果一开始有地球就有生命，那么这生命从何而来，还是一个问题。另一个问题，正如达尔文所说，早期地球的条件跟现在很不相同，不适宜任何生物的生存。
原始大气的成分跟现在的很不相同。当时，氢气是主要的成分，基本上没有氧气。因此，当时的大气是还原性的（在古老大气中你把一块铁锈变成铁是很容易的事情，就像现在你使一块铁生锈一样容易），跟现在氧化性的大气很有区别。
除了氢气以外，当时的大气还含有氦气、甲烷、氨、二氧化碳、一氧化碳、水蒸气、硫化氢等，这些是由有关的元素化合而来的。
瑞士化学家米勒和美国化学家尤里曾经设计了一个简易的装置模仿原始地球的条件。他们在仪器里放有水、甲烷、氨和氢气，对这些混合物加热，使它沸腾，跑出气体。让混合的气体在仪器里流动，沿着一定路线循环不息。在仪器的一处装上电极，并且放电使其经常出现电火花，以此作为能源，以促进化学反应。这样连续处理一个星期，他们取出液体分析，得到一些意想不到的结果。他们在那些液体里发现几种氨基酸和其他一些化合物，这表明化学进化在试管里进行了。这就有理由推测相似的化学过程会在早期的地球上发生。一些无机物或比较简单的化合物会在适宜的条件下彼此化合产生出生命所必需的一些化合物，如氨基酸之类。这说明物质在一定条件下可以由简单向复杂方向发展，物质的复杂化是生命起源的物质基础。
适宜的温度是生命起源的另一种必需条件。像金星现在的温度达到800℃，显然不适于生命的起源或生命的存在，除非另有一些特殊的生物类型适于在那样的高温下生活。鉴于某些星球，例如冥王星上的极端低温条件，也不适于生命的起源和活动。
生命适宜的温度一般在0℃以上，60℃以下。海洋的出现对地球上温度的调节起了关键性的作用。水在100℃以上会成为水蒸气，在0℃以下会结成冰。海洋的出现意味着水的温度不会太高，也不会太低。在早期的地球，有很长时期海洋的温度不太高也不太低，这适于贮存大量的有机物。高温一般会把有机物分解掉。
第52节：二、生命演化（3）
海洋是生命的摇篮，这是因为海洋能够提供生命起源和发展的若干重要条件。海洋能够使地球的温度不会趋于极端，这有利于生命物质的形成。很显然，没有海洋，生命的起源是不可思议的事。当然，最早的生命不一定在广阔的海洋里出现，也可能是在陆地上的某些适宜的沼泽里，像达尔文所猜测的那样。但是无论如何，海洋的存在是必需的条件，陆地上某地方的积水由于雨水冲刷会汇集于海洋。
地球的温度变化比较小，火星的温度变化很大。据观测，火星晚上的低温达到零下120℃，而白天的高温达到800℃。这是夏季的记录，这样的温度显然不适于生命的活动。尽管有不少人认为火星上有生物，甚至有人类，但现在看来，这不可能。
地球上不寻常的条件不仅在于温和的气候条件，而且还在于巨大的海洋面积。海洋占地球表面的71％，这样庞大的水面有许多好处。温和的气候跟巨大的海洋有密切的关系，这是因为水有特殊的性质，能够贮存较多的能量而温度变化不大。
这些条件非常有利于生命的起源和发展。
3．30亿年前…化学演化
原始的早期地球从非生命物质逐步发展到具有生命过程的原始细胞，大抵要经历以下几个可能的基本步骤，这就是早期的化学演化。
（1）形成了行星，出现了地球。这大约在46亿年前，当时地球的周围有许多气体，其中已有由某些元素合成的简单化合物。这些元素和化合物是进一步合成比较复杂化合物的材料，到一定时期（大约在39亿年前），出现了海洋。现在有资料表明，地球上最早的火成岩出现在39亿年以前。
（2）利用原始地球的条件合成出比生命基本物质小的单体分子，例如氨基酸、糖类和有机碱。
从无机物合成有机物，特别是合成氨基酸和有机碱，需要能源。在原始地球可以利用的能源大概有闪电或电火花。这在刹那间会提供大量的能源，引起化学演化。上面谈到的米勒实验，他们用经常发生的电火花作为能源，把一些结构比较简单的分子合成为氨基酸和其他有机物，包括甘氨酸、丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸、蚁酸、醋酸和其他一些碳源分子。
其他学者应用相似的能源和增加某些其他成分例如乙烷等，得到了更多的氨基酸。早期地球由于没有氧气，大气的上层没有臭氧层，所以当时紫外线可以大量地到达地面。有些科学工作者应用紫外线作为能源，照射一些简单的化合物，由此得到另外一些氨基酸，例如天冬氨酸、丝氨酸和苯丙氨酸。而另一些科学工作者发现不超过100℃的热量和电离射线也可能在化学演化中发生作用，把氰化氢、氨和其他一些分子放在一起加热，不仅产生出一些氨基酸，也产生出一些嘌呤，如腺嘌呤。
第53节：二、生命演化（4）
嘧啶（在生物学中，嘌呤和嘧啶属于脱氧核苷酸）也可以由类似的方法产生出来，所用的原料当然有所不同。于是在原始海洋里，或者在某些池塘里，就逐渐累积下多种有机物，特别是各种氨基酸和核苷酸。由此出现了大量的蛋白质和核酸。这些都发生在达尔文所说的〃热汤〃里。这就是生命起源的海洋，不是现在所知道的一般海洋。在这特殊的海洋里，物质复杂化的过程又有新的创造。
（3）在〃热汤〃里由于某种化学作用，有些物质聚合在一起，形成许多小颗粒。这些小颗粒具有自己所特有的成分，这在生物学上称为〃团聚体〃或〃微球〃。这是从物质引导出具有一些内部结构体的一个重要步骤。从电子显微镜中观察这些〃微球〃，可以看到一些初步结构的情况，但是这当然还不是细胞，虽然它们可能已有吞食的现象。
活细胞之所以能够正常工作，一是在于它所含有的大分子有相当高的浓度，二是在于大分子之间、大分子与其他分子之间能够发生相互联系和相互制约。一句话，这是物质世界中一种新的体系的出现。这又是一个质变。
这样的环境中细胞是怎样起源的还是一个谜，但是团聚体、微球等的形成和结构可以帮助我们了解细胞的起源。
在人造的〃热汤〃里，核酸跟某些氨基酸如组氨酸在一起，会形成小颗粒，如团聚体一类的东西。它能吸取周围相类似的物质而增大体积，又能进行一些氧化还原作用，这跟呼吸作用相类似。
用各种氨基酸与高浓度的天冬氨酸和谷氨酸形�
