生命現(xiàn)象的偶然與必然幻燈片

生命現(xiàn)象的偶然與必然從宇宙大爆炸到生命出現(xiàn)，需要“過五關(guān)斬六將”。只要有一步情形不同，生命也無(wú)從產(chǎn)生。從這個(gè)意義上講，生命在我們這個(gè)宇宙中的出現(xiàn)是偶然的。

生命要在地球上產(chǎn)生，需要經(jīng)過許多階段。組成我們身體的化學(xué)元素是從哪里來的？我們宇宙的組成暗能量暗物質(zhì)“常規(guī)”物質(zhì)中微子大爆炸后最初形成的元素只有氫和氦。如果宇宙就停留在這個(gè)狀態(tài)，生命就無(wú)從產(chǎn)生。生命需要更重的元素。氫氦

宇宙背景微波輻射這個(gè)宇宙中物質(zhì)的分布不是均勻的。這種不均勻?qū)е滦窍岛托乔虻恼Q生。我們的銀河系位于室女座星系集團(tuán)（Virgocluster）中我們的銀河系當(dāng)恒星的內(nèi)部的溫度和壓力達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)，原子核之間足夠靠近，強(qiáng)作用力開始發(fā)揮作用，輕元素的原子核之間可以聚合，形成更重的元素。能夠進(jìn)行到什么程度要看星球的質(zhì)量有多大。原子核越大，正電荷越多，相互靠近就越困難，就需要更高的溫度和壓力。太陽(yáng)中的核聚變反應(yīng)，只能生成氦，反應(yīng)到此停止。所以太陽(yáng)只能給我們提供光和熱，在生成新元素上毫無(wú)貢獻(xiàn)。組成我們身體的化學(xué)元素是過去更大的星球所產(chǎn)生的。是我們真正的“祖宗”。星球的質(zhì)量大于3個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量時(shí)，核聚變反應(yīng)可以繼續(xù)進(jìn)行，每次加一個(gè)a粒子。氦（4）可以繼續(xù)“燃燒”，生成鈹（8）和碳（12）。星球的質(zhì)量大于8個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量時(shí)，碳可以繼續(xù)“燃燒”，生成氧（16）、氖（20）、鎂（24）、硅（28）。星球的質(zhì)量大于11個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量時(shí)，硅還可以“燃燒”，生成硫（32）、氬（36）、鈣（40）、鈦（44）、鉻（48）、鐵（52）、鎳（56）。所有這些反應(yīng)都是釋能反應(yīng)，所以恒星能夠發(fā)光發(fā)熱。但是要形成比鎳重的元素，就需要吸收能量，所以重元素的裂變能夠釋放能量。超新星爆發(fā)時(shí)的劇烈條件可以形成各種重元素。大質(zhì)量的星球就是太上老君的“煉丹爐”，在那里生產(chǎn)各種化學(xué)元素。組成我們身體的化學(xué)元素很可能是由過去質(zhì)量極大的星球形成的。它現(xiàn)在可能已經(jīng)變成了黑洞。大質(zhì)量的恒星是太上老君的“煉丹爐”超新星爆發(fā)比鎳重的元素要在超新星爆發(fā)時(shí)的劇烈條件下才能生成。所以組成我們身體的元素來自已經(jīng)死亡的巨型星球。噴灑出來的物質(zhì)主要還是氫，又可以形成新的星球。我們的太陽(yáng)就是第二代或第三代星球。原子中電子圍繞原子核轉(zhuǎn)動(dòng)類似于人造衛(wèi)星圍繞地球轉(zhuǎn)動(dòng)。但是如果電子只能圍繞自己的原子核轉(zhuǎn)動(dòng)，原子之間互不相干，這個(gè)世界就只由原子組成，沒有分子，更不會(huì)有生命。

幸運(yùn)的是，電子軌道不像人造衛(wèi)星那樣是連續(xù)可調(diào)的，而是有固定能級(jí)的軌道。不同原子的外層電子軌道之間可以相互重疊，電子可以圍繞兩個(gè)原子核轉(zhuǎn)動(dòng)，或者從一個(gè)原子轉(zhuǎn)移到另一個(gè)原子，形成分子。光有原子還不行氫原子的發(fā)射和吸收光譜不是連續(xù)的，而是分成許多譜線。這些譜線對(duì)應(yīng)電子在不同能級(jí)的軌道之間躍遷時(shí)吸收或放出的能量。氫原子的電子軌道甲烷的分子結(jié)構(gòu)水的分子結(jié)構(gòu)不同原子之間外層電子的軌道可以重疊，形成分子。沒有分子就沒有生命。

氧元素形成并且被噴灑到太空以后，由于氫是最豐富的元素，自然會(huì)形成大量的水。氮和氫會(huì)生成氨。碳和氫會(huì)生成甲烷。木衛(wèi)二土衛(wèi)六

生命活動(dòng)需要液態(tài)的介質(zhì)。水就是最好的介質(zhì)，也為地球上的生命所必需。火星上也曾經(jīng)有大量的水彗星也含有大量的水

星際塵埃有巨大的表面積，上面吸附有水、氫、氨、甲烷等分子。在高能射線的照射下，再加上礦物表面的催化作用，可以形成各種有機(jī)物。為生命所需要的有機(jī)分子可以在太空中形成這是美國(guó)的“星際塵埃使命”所收集到的星際塵埃，里面含有“芳香化合物”（由碳原子和氫原子組成的環(huán)狀化合物）和脂肪類化合物（由碳原子連成的長(zhǎng)鏈，上面再連上氫原子），以及甲基和羰基這樣的含碳功能基團(tuán)。這顆隕石總重超過100公斤，上面含有15種氨基酸，包括組成蛋白質(zhì)的甘氨酸、丙氨酸、谷氨酸。在從隕石中取樣時(shí)最容易被污染的絲氨酸和蘇氨酸反而沒有被測(cè)出，說明那15種氨基酸的確來自太空。而且這些氨基酸是“消旋”（沒有旋光性）的，即兩種鏡面對(duì)稱的分子都有，說明它們是非生物來源的，很可能是碳、氫、氧、氮等元素的化合物被高能射線照射，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而形成的。除氨基酸以外，墨其森隕石還含有嘌呤和嘧啶，即地球上生物的遺傳物質(zhì)脫氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）的組成部分。該隕石還含有大量芳香型（環(huán)狀）碳?xì)浠衔?、直鏈型碳?xì)浠衔铩⒋碱惢衔?、羧酸（含有“羧基”的碳?xì)浠衔铮?/p>

墨其森隕石（MurchisonMeteorite）1969年9月28日降落于澳大利亞的墨其森。

宇宙中大量存在的甲酰胺（formamide）在礦物質(zhì)存在時(shí)加熱，就可以形成組成核酸的四種堿基（腺嘌呤、鳥嘌呤、胞嘧啶、尿嘧啶）。

科學(xué)家還在距離地球400光年的原始恒星IRAS16293-2422周圍探測(cè)到了羥基乙醛（glycolaldehyde）。這是一種糖類物質(zhì)。它可以在兩個(gè)纈氨酸組成的二肽的催化下變成四碳糖和五碳糖，例如核糖。羥基乙醛兩分子的甲醛1953年，美國(guó)科學(xué)家米勒在無(wú)氧環(huán)境中混合甲烷、氨、氫、和水。他先將水燒開，再對(duì)這個(gè)混合物進(jìn)行放電，以模擬閃電。一個(gè)星期后，水變成了黃綠色。米勒用紙層析的方法，測(cè)到有氨基酸形成，例如甘氨酸、丙氨酸、天冬氨酸。

1972年，米勒重復(fù)了他1953年的實(shí)驗(yàn)，但是用更靈敏的方法（例如離子交換層析、氣相層析加質(zhì)譜分析）來檢查實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物。結(jié)果他發(fā)現(xiàn)了33種氨基酸，其中10種是生物體所使用的。

StanleyLloydMiller

1930-20071964年，美國(guó)科學(xué)家福克斯用了和米勒不同的方法來模擬地球早期的情況。他把甲烷和氨的混合物氣體穿過加熱到1000攝氏度的沙子，以模擬火山熔巖，再把氣體吸收在冷凍的液態(tài)氨中，結(jié)果生成了蛋白質(zhì)中使用的12種氨基酸，包括甘氨酸、丙氨酸、纈氨酸、亮氨酸、異亮氨酸、谷氨酸、天冬氨酸、絲氨酸、蘇氨酸、脯氨酸、酪氨酸、和苯丙氨酸。

SidneyWalterFox

1912-1998

這些事實(shí)說明，為生命所需要的有機(jī)分子可以在星際空間自然形成。其中碳元素成為所有這些復(fù)雜分子的骨架。在地球上的94種天然元素中，只有碳原子能夠彼此相連，形成長(zhǎng)鏈或者環(huán)狀化合物，而且上面還能夠連接氫原子和各種功能基團(tuán)。所以地球上的生命是以碳為基礎(chǔ)的。葡萄糖和果糖脂肪酸賴氨酸輔酶Q血紅素生物分子中的碳骨架早期的生命分子可能是多功能的，因?yàn)榉肿又g的配合還沒有建立。核糖核酸（RNA）可以自我復(fù)制，可以催化氨基酸的連接，生成肽鏈。它還能把氨基酸連接到RNA分子上，成為轉(zhuǎn)移RNA的前身。所以早期的生命分子可能是以RNA為中心的。多功能的RNA分子能夠自我復(fù)制的RNA。由RNA片段A和B連成的RNA片段T具有連接酶活性，能夠把A和B連成T。其功能相當(dāng)于連接酶（蛋白質(zhì)）核酶（ribozym）B6.61能夠以核酸為模板，合成新的RNA鏈，其功能相當(dāng)于RNA聚合酶（蛋白質(zhì)）。核糖體的小亞基和大亞基。棕色和黃色為核糖體RNA，藍(lán)色為蛋白質(zhì)。肽鍵的形成是被核糖體RNA催化的。核糖體RNA催化的氨基酸和tRNA的連接RNA分子中的核苷酸序列也可以儲(chǔ)存信息。例如每三個(gè)核苷酸為一個(gè)氨基酸編碼。這樣RNA的核苷酸序列就對(duì)應(yīng)于蛋白質(zhì)中氨基酸的序列。最早的蛋白質(zhì)合成過程也許就是全由RNA分子催化的。

RNA分子雖然擁有如此多的功能，但是“一身數(shù)任”的情形必然以功能低下為代價(jià)。隨著蛋白質(zhì)的出現(xiàn)，RNA的催化功能逐漸被蛋白質(zhì)取代。蛋白質(zhì)由于含有20種氨基酸，空間結(jié)構(gòu)和催化功能都遠(yuǎn)比RNA復(fù)雜和強(qiáng)大。例如B6.61的RNA要為新的RNA分子添加20個(gè)核苷酸，需要24小時(shí)。而大腸桿菌的RNA聚合酶每秒鐘可以添加2000個(gè)核苷酸，比B6.61快1.8億倍！RNA聚合酶IIRNA的絕大多數(shù)催化功能被蛋白質(zhì)取代，包括RNA自身的合成。然而，蛋白質(zhì)卻不能夠復(fù)制自己。這不是因?yàn)榈鞍踪|(zhì)沒有催化肽鍵形成的能力，而是氨基酸之間沒有如核苷酸那樣的對(duì)應(yīng)關(guān)系。谷胱甘肽是一個(gè)三肽，由谷氨酸、半胱氨酸、和甘氨酸三個(gè)氨基酸組成。它就是被蛋白質(zhì)合成的。第一步，g-谷氨酰半胱氨酸合成酶把谷氨酸和半胱氨酸連在一起，形成二肽。再由谷胱甘肽合成酶把甘氨酸加到這個(gè)二肽上，形成谷胱甘肽。細(xì)菌外面包的肽聚糖中的短肽鏈，免疫抑制劑環(huán)孢素，抗菌素如放線菌素，也是酶（蛋白質(zhì)）合成多肽的例子。但這些都不是蛋白質(zhì)的自我復(fù)制。這個(gè)機(jī)制也不能用于蛋白質(zhì)的合成。蛋白質(zhì)不能復(fù)制自己！谷胱甘肽谷胱谷胱二肽合成酶谷胱甘肽合成酶谷胱甘ABABAB合成酶CABC合成酶ABCDABCD合成酶ABCDEABCDE合成酶

蛋白質(zhì)通常由數(shù)百個(gè)氨基酸殘基組成，用這種方法合成蛋白質(zhì)顯然是不現(xiàn)實(shí)的。蛋白質(zhì)序列的信息只能儲(chǔ)存在核苷酸的序列里面。RNA核糖中第2位的羥基為它的催化活性所必需，是核酶的“牙齒”。這個(gè)羥基也攻擊RNA分子自身的磷酸鍵，使RNA緩慢分解。這對(duì)它作為遺傳物質(zhì)的功能是很不利的。RNA儲(chǔ)存信息的功能被DNA取代催化反應(yīng)中心第2位羥基2位羥基去掉2位的羥基，相當(dāng)于敲掉了RNA催化能力的“牙齒”。DNA不再有催化活性，雙螺旋的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)也適合于信息儲(chǔ)存。生物合成脫氧核苷時(shí)，也是先合成核苷，再去掉2位的羥基，說明脫氧是后來發(fā)生的。DNA自我復(fù)制其他催化（肽鍵、氨基酸-RNA連接、剪接RNA等）RNARNADNA蛋白質(zhì)合成合成合成轉(zhuǎn)錄反轉(zhuǎn)錄最初：以RNA為中心后來：相互依賴，誰(shuí)也不能合成自己。催化各種化學(xué)反應(yīng)地球上所有的生物都來自一個(gè)共同的祖先DNA、RNA、蛋白質(zhì)這個(gè)三架馬車的模式為地球上所有的生物所采用。地球上所有的生物都來自一個(gè)共同的祖先，所以都是或近或遠(yuǎn)的親戚。

我們使用同樣的四種核苷酸來建造DNA和RNA；使用同樣的20種氨基酸來建造蛋白質(zhì)；使用同樣的三聯(lián)碼為蛋白質(zhì)編碼；使用同樣的脂肪酸為生物膜的主要建造材料；都以葡萄糖為主要的“燃料”分子；都使用ATP作為主要的供應(yīng)能量的分子；都使用三羧酸循環(huán)作為化學(xué)反應(yīng)的“轉(zhuǎn)盤路”。所有的生物都使用同樣的基本分子來建造自己的身體，所以這些分子也能夠在不同生物之間通用。所謂“吃飯”，其實(shí)就是拆別的生物體的“零件”來建造自己的身體。原則上所有的生物都可以“吃”其他的任何生物，只要實(shí)際上辦得到，并且能夠把有毒的物質(zhì)除去。我們能夠稱為“食物”的東西，都來自其他生物地球上所有生物的基本“零件”都可以通用，也可以彼此為食物。動(dòng)物吃植物植物吃動(dòng)物植物吃植物動(dòng)物吃動(dòng)物微生物吃微生物細(xì)菌吃活人李斯特菌在人細(xì)胞中地球上的生命雖然看上去多姿多彩，在分子水平上是非常單調(diào)的。這是人類一直渴望了解外星生命的原因。雖然地球上已經(jīng)有70億人，但是我們?nèi)匀桓械焦陋?dú)。因?yàn)榈厍蛏现挥幸环N生命形式。

我們的銀河系有約1000-2000億顆恒星，據(jù)估計(jì)其中有約五分之一的恒星含有位于宜居帶之內(nèi)的行星。我們宇宙的可見部分又含有數(shù)千億個(gè)星系。從星際空間中有機(jī)物質(zhì)廣泛存在，類似地球的星球?yàn)閿?shù)眾多的情況來看，生命在其它星球上出現(xiàn)幾乎是必然的。部分已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)的太陽(yáng)系外行星宜居帶主要是指水能夠以液體形式存在的空間帶。恒星的亮度越強(qiáng)，宜居代離恒星越遠(yuǎn)。對(duì)于外星生命的一些猜想1，我們的宇宙由同樣的化學(xué)元素構(gòu)成元素周期表中原子序數(shù)1-112的位置已經(jīng)全部填滿，外星生物也只能由這些元素中的一些組成，也必須受到這些元素性質(zhì)的限制。

生命需要數(shù)千種不同的分子協(xié)同作用才能維持。能夠生成這么多種分子的元素最有可能還是碳元素。所以外星生命很可能也是以碳為基礎(chǔ)的。硼和碳同周期并且位置相鄰。但硼烷為籠狀化合物，不太可能成為線性大分子的骨架。硅和碳同族，也可以生成類似的長(zhǎng)鏈或環(huán)狀化合物。但是硅烷在空氣中會(huì)自燃，在水中會(huì)分解，因此以硅為基礎(chǔ)的生命必須在無(wú)水無(wú)氧的環(huán)境中才能存在。2，外星生命很可能也是以碳為基礎(chǔ)的硼烷硅烷

由于水在太空中廣泛存在，水又有許多特殊的物理化學(xué)性質(zhì)適合作為化學(xué)反應(yīng)的介體并且廣泛介入這些反應(yīng)，所以外星生物很可能也是以水為介質(zhì)的?！耙司訋А币仓饕且罁?jù)液體水的存在來定義的。3，外星生命很可能也是以水為介質(zhì)的生命的首要條件就是把身體的內(nèi)容物和外部環(huán)境分開。所以生命必須以細(xì)胞的形式存在。由于分子在液態(tài)水中靠擴(kuò)散進(jìn)行有效位移的距離很短，所以細(xì)胞的尺寸不能太大，應(yīng)該是微米級(jí)的。更大的生物也應(yīng)該是多細(xì)胞的，即走細(xì)胞聯(lián)合和分化這條路，而不是細(xì)胞自己變大變復(fù)雜