冰幽宁 2004-10-16 09:39 PM
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第二章 什么是生命？
|)J+]Ykc'L0Mc
9\RI3zC-F-Z
“谁说我们不会是火星人？”
#[ F\v)Id c0~Pm
——理查德·扎雷 s,m,q ?.Rt"bw8Qc:Y
什么是生命？乍一看，答案似乎很显然，但事实上要完整2S(E`z2H@$b
而合乎逻辑地回答这一问题却相当困难。7g/r5m B$IE4}{)]4ft
如果说生命就是能够成长，能够运动的东西，恐怕并不贴
)H:T L
v2s1p2_Y
切。毕竟。晶体也能够成长——它能产生规则的结构，复制出;y W!a-kR-A o@
与细胞形态极为相似的单元。毫无生命的水或其他液体能够流
E5h9XT/X*^ bB8l:t O
动，或者说运动，这显然不足以用来定义生命。 vF(c q/P'X
也许稍加思索后，你会说：所有的生命都消耗能量。然而，x {P
U:f~6qL)k
从除草机到计算机，从汽车到宇宙飞船，所有这些机器也都消$YA R
C/B t)P!g;{-T-l
耗能量。比较确切的定义或许是：生命拥有控制能量的能力。 q+I R l,` ^
不过一些高级的机器，特别是近几年来运用模糊逻辑设计的某-]C6x3I
t,S]
些先进的机器也具有这样的能力。
(eZ} ZC,D
我们通过一个有趣的例子来看看要对“生命”下定义是何;K"b2L"]0c2[
等的困难。请想象一下，如果外星观察者们发现了因特网，假
?2}8[/m-Xd)d$Z
如他们还没有注意到使用网络的是人类，他们会做出什么样的&uyxSby-E3Oc
判断呢？控制论专家沃里克（Kevin Warwick）描述了外星种族
vg$\BXi`:q
面对因特网时会提出的一系列问题： WGI'i0mg
以下７条关于生命的测试中，它真正能通过的有几
)P gf,z(m o ~8@%o r
条呢？
iPeQ7f*tF
它成长吗？当然：事实上在过去几年中，这种网络
6V%E*hunX
成长的速度相当惊人。它具有行动能力吗？绝对有：例L/{,Q
m]&Uz%Y+\$R
如网络中的那些开关路由。对外界有没有反应呢？对外(a:C6m?Q&Y*J
界刺激的响应原本就是网络的基本职责。需要营养吗？
&}F?!e
ynK
确实需要：信息（一种或另一种形式的能量）不断输入
s la&Qg3G~%ZX
网络中。具有排泄功能吗？有啊：信息最终是要送出网
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络的。是否呼吸呢？这稍微有些难理解，不过如果考虑
z4ZBq6n
一下电脉冲在网络中的传播，这也是正确的。最后是繁
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t,A1T/UH
殖，这也是最难说明的一点。也许我们可以从最初的网
-s%zD.iXq$Z |T
络又在其他地方衍生出新的网络这样一个过程中作出推 SPvgU
论。[1]
"``"^m+j w5P+e9r
另一种对于“生命”的理解是：只有生命处理和存储信息。9[{7O'n-Un,d
但这不就是计算机特有的用途吗？虽然关于将来是否可能利用
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复杂的计算机来发展人工智能的争论十分激烈（我们将在第三
@ XF|O `(mq {3B
章里讨论），至少目前的计算机还不能被看成有生命的东西（
IASW8@ q~
尽管它也处理信息）。那么，我们要如何来清楚明白地抓住要
j0?;u.c3R;t
点，把有生命的东西与无生命的物体区分开来呢？h8p\O2|
t
传统教科书上有这样一条定义：所有生命都呈现出3个“f”
8s ?"quD#X
的特性：攻击（fight）、移动（flight）和繁殖（frolic）。它也同)Os.rlK p,L Lh D6@
样使我们陷入逻辑上的麻烦。繁殖事实上是“复制”的委婉语，
c.a2mPmX!C \
而且是迅捷的“复制”，有如无机的晶体在溶液中生长。对于 hC-i5y X2Da ^8c
生命，也许我们得出的最准确的说法是：所有的生命，从最简
*I4w2T&q1l,O
单的细菌到人类，都进行复制并把它们的基因物质或遗传特征
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dT1q'kV,s
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传递给后代。这些物质在传递过程中经历变异。换句话说，它
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们经历了自然选择的进化过程，而不是简单地产生与自身完全
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相同的拷贝①。1ON*y-W-W#{
在萨根意外地辞世之前不久，他把生命定义为“任何具有
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复制、变异和变异之复制能力的系统”。这意思是说，生命是
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由具有下述特征的实体来表征的：这种实体通过自然选择的进
T:ldq'm
化机制，允许代与代之间产生变异，它能把自己的特征通过繁_n'D N$r;ig G[
殖而重组，使下一代的特征与自身并不完全一模一样。
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B%hmkf5B.R
在下一章，我们会回到进化问题上进行详细的讨论，现在 h?.x,|P7F
则必须先对“生命”的定义进行更深入的分析（这与其说是科
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学问题，不如说是语义问题更恰当）。在这里，一个尤为重要
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的问题是：生命是如何在地球——一颗生机勃勃的行星上产生#K b
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的？ O%A5vu2q
为了探究这个问题，我们有必要了解一下在诸如“生命如
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何在早期地球上产生？在宇宙历史的不同时期这样的过程在其
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他地方又会如何发生？”之类的疑问背后的几个基本概念。
冰幽宁 2004-10-16 09:56 PM
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所有的物质都由原子组成。自然界总共有100 多种不同的
x;Fk6ya g @;@ J
原子，有些是非常普遍的，如氧，氮，铁和铅等；也有一些有
g N.i%TMs
着奇怪名字的不太常见的物质，如铷、锿和硒等。在关于生命
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v:\&whY |"K V ] v3t$E
的讨论中，最重要的原子是碳。在许多方面，碳原子有着和其 Q2e1[ng1duA
他原子一样的特性：它很稳定，能与其他原子或其他碳原子产
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生键，从而形成小到仅有几个原子，大到含有成百万个原子的
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分子。但是，它也有一个与众不同的重要特性。只有碳原子能
g!ueD3} A @&nMo
够成为大分子（有机分子）甚至更大的聚合物（生化物质）的4J7u YZ3n
中坚。已故作家、化学家莱维（Primo Levi）在他的一部著作中 [Kb9v lb.B }ioi
这样描述碳原子的多样性以及它与生命之间密不可分的关系：
A^-r#T L o8n
我们的主角已经和３个氧原子、１个钙原子一起以J/u)_\[!E-R
石灰岩的形式静静地沉寂了数十亿年……十字镐的敲击
(|2mg$x]9e4S
将它分离下来，送入石灰窑，进入这变化的世界…它被:]'W8qY&@Y0al
风抓住，直落地面，又复飞上10千米的高空。一只鹰把
^-n0[I z3^Q!e
它吸入体内……在海水中溶解了３次后……它又被排了aKX:Z w3n!Oq Q
出来……然后，它再次被捕获并由此开始了有机之旅… @r+T{^ ?
它幸运地从一片叶子上擦过并钻了进去，一缕阳光将它
(UD+p c.l$K2RO } I9D5?
牢牢锁住……眨眼间就好像被蜘蛛捕获的昆虫一样，碳
5s%ie{9eP
^/}f {
原子和氧原子分离了开来，最终和氢一同进入了生命的
;cF"b]*P O
长链……它进入了血液，不断地迁徙。叩响每一个神经,@[0|(Z2FB
N+X&E0G`U
细胞的大门后进入其中，碳原子被排挤了出去。这个细 A{ K5h Z
胞是一个大脑的一部分。其实正是我的大脑……这个细
w%vj9V t&gG/D4z
胞和细胞中的原子在一个从未有人描述过的伟大而微小
&yU6e!t8f G,b_/D7N
的运动中控制着我的书写。它……引导着我的手在纸上j4oTl b)Eg;qK'{
画上一点，对，就是这里，句子后面的这个标点。[2]
#Y&C6I3N(R p6b
碳具有可形成与其他原子相连的长链或环的几乎独一无二&C4Rw(R4n
的能力。我说“几乎”是因为还有其他一些原子也能形成类似:e!|
Q~Vc7z7s:E5X5G_ q
的链或环，但远不如由碳基产生的分子来得多样化。“硅”是
)C%w?}{t
一个最接近的例子。它有些特征与碳颇为相似，但由于硅原子
iw vM&gGp ? {_
之间的键比碳键要弱许多，所以它只能组成长度仅为５到６个 i _ t&S#]6H,s$l
原子的稳定链。
2h'q6O-wE"_c
此外，硅也没有碳的另一种惊人的特殊属性。碳能和其他
5H8P!n"d-?;g!d%dsT
碳原子或合适的原子组成多重键。这大大加强了它的多样性，
EESwD/\
使之能形成大量不同类型的分子，其中有些分子相当大，含有*b/\*@8Bo+d
OMU
数百万个原子。相对而言，硅却不能与同类型原子组成多重键，XWH7?
GLm,h
也很少能和其他原子以多键的形态存在。
!kX,{1H2vG3y-xr
因此，尽管有些科幻作家在描写基于硅的生命形态方面做B n5d_+zy0@
了不少出色的尝试，但事实上这几乎是不可能的。原因非常简
Cj6miv;} g
单，以我们目前的化学知识来看，硅无法形成那么复杂的分子。
~#b0Q xGt H z
碳是这个宇宙中能形成生命砌块的独一无二的原子。u2qz-~?o$n:}
也许你会想，这是不是过于盲目自信了呢？事实上，我根t5q n-] U)_
本没有离开过地球，人类也仅仅到达过月球，对我们这个小小
&[%RPE n
太阳系中其他行星的探索也不过处在用简单机器探测的起步阶$vc3v ^V'I {E'S
段而已。究竟为什么我敢下此断言呢？ v5nF9q
h
这个问题的答案对于理解如何用科学的方法推测其他行星
Nn$c
\*F:e
上的生命至关重要。科学理论中极为基本的一条就是“普适性
'Oj1le u:B
原理”，它说明了宇宙的同一性——或者换一种说法，“这里
_-s)L:i-@(Lo
发生什么，那里也会发生”。举个例子，我们不可能莫名其妙
$j-g JU3k JDy:S
地错过了与碳相似的另一种原子，因为这样一种原子不可能填)X#Q k-f+s U
e@
进元素周期表——以某种精确的模式列出宇宙中所有不同元素"Wb7L j(Ut z
的精确位置与相互关系的分类方案②。
7o0r&U"Bq6J!R
图 2 碳基分子和硅基分子的比较
9?e,I.n[h%iuAA
元素周期表是一个世纪以前由俄国化学家门捷列夫（Dmitry
K;ge{l6`9w
Ivanovich Mendeleyev）依据元素特性创制的。 他把各种元素按t,nU(S g
它们的特性置入相互关联性的模式中——这个网格状的系统被
7n.D+qHB8W
称为“族”和“周期”。随着原子量的变化，原子的大小也不%u*V]w.y
同，表中并没有给任何特异的元素（也许这样的元素只有在猎c*Zp)~g|)K-I
户座里才会发现）留下“空位”。”此后几十年里，表格中的
%T F.o'n.Tu ]
空缺逐渐被填补了上去，科学家还扩展了表的长度，但他们始S+|-M#t0KPl8N)t
终没有发现过应插入表的中部的未知元素③。d:X(e?.b X ~
冰幽宁 2004-10-16 10:07 PM
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这样迂回一番是为了要说明，只有碳原子才能形成“生命
K9S!BE$o2P2q
分子”这样的大分子，例如，像DNA（脱氧核糖核酸）和RNAbkn/Yeq^
（核糖核酸）这样巨大的分子结构，或者甚至较小一些的分子，SU1~+~$hS2c#X7E:r^
如组成前两者的核苷酸等）除此之外，还有蛋白质、酶及其他P7n'O)NcF#J']
维持细胞运作的生化物质。由于宇宙具有的同一性，这样的情*^ D1X^6mU Y
况在“这里”和“那里”都是一样的。
4P6Y3K,k'M y bj'V
那么这些生化物质又有什么用呢？它们究竟又有什么特别
/ih:G kC~7V]e
之处呢？
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这些生化物质有着极为广泛的功能，从提供所有生物的每
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个细胞运作所需的能量，到完成生命不可或缺的部分——繁殖。
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在经历了漫长的进化过程以后，数以千计的这类生化物质均能
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以惊人的高效完成各自特定的任务。其中最复杂的任务可能是
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由一组特定的大型生化物质通过一系列精密的步骤将遗传信息
U-jTs%Z Q?p
从上一代传至下一代。
7N;O y*r'w8C
正如我在本章开头所说的那样，具有复制能力、能在复制 p|1|G+P
过程中将遗传信息（它还具有变异能力）传递给后代，也许是
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我们定义生命的最清晰的方式。在这个过程中需要许多大型有!]
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@%V4|
机分子和生化物质。基于这一原因，很难想象某种生命形式，
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特别是某种高级的智慧生命，能以碳元素以外的任何其他元素
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为其化学构架的基础④。
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好了，既然我们已经明确“生命”的核心在于一代代地复
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制和变异，认识到那些生化物质在这一机制中起到了关键作用。
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那么，它们又是如何具体参与其事的呢？D I/W5gUa&L#j
其实很简单：所有的生物都是通过印在每个细胞中的遗传
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蓝图将特征信息传给下一代的。每个个体的模板全都不尽相同。,Bb9C ~&_"\
正是它区分了猴子和青蛙，区分了斯瓦辛格（Arnold Schwarzenegger）
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和布莱尔（Tony Blair）。这种蓝图被称为遗传密码，它由一系!`,{*D!P9Z
列微小的基因组成，而这些基因又由一种非常大的生化物质—— w8L9Ys3BPSj
DNA（脱氧核糖核酸）的片段组成。
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遗传学的历史由来已久。19世纪中期，奥地利修道士孟德
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尔（Gregor Mendel）认识到代与代之间是通过他称为 “离散因'f Z9ev8v5_)k
子”的东西——今天我们称之为基因——而遗传其特征的。他c8A)~#d6p#a
发现每个个体从上一代那里继承两套完整的基因，分别来自父b*r6~ r-gO
母双方，在生物学上叫做“等位基因”。它们在复制过程中并$[
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不发生任何变化，原封不动地从上一代传到下一代。使每个个vQHJS#fa7x"o
体不同的真正原因在于：每一个后代都从双亲两方各自的等位
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基因中取一条，也就是说选中任一条的概率为50％，这样一来
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就会产生4种组合，任何一种组合出现的概率为25％。 这种基 t:aG!fC7l
因的重组产生了多种多样的特征结果，如：肤色、体型、对疾r5u'm
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病的抵抗力，甚至酗酒的倾向性。!n!q+Y M+} Y3`4f.s.b
尽管孟德尔有了遗传物质的概念，但他并不清楚这个过程 uR_w+[F ao
在化学上是如何实现的。在孟德尔死后，大约过了70年，这个(Z9Ud:`u\zn^
谜终于被解开了。 在剑桥工作的沃森（James Watson）和克里
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T^3P*Rn4p7@ }Y
克（Francis Crick）发现基因由两股复杂的分子组成，这就是现9Bpa e X&J
已广为人知的DNA双螺旋。
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现已发现所有生物的每一个细胞中全都含有DNA。虽然它,yO!ka;PY
是非常大的有机分子，但令人惊奇的是，构成DNA的基本化学OTh|}^ O
单位只有4种。它们分别是：A（腺嘌呤，adenine）、T（胸腺 KR l} h9s e] F rK
嘧啶，thymine）、G（鸟嘌呤，guanine）、C（胞嘧啶，cytosine）。/Q5`M-U*{ z{
它们数以亿计地散处于DNA分子结构中。这4种物质中的3种便;jml v(i#i y
可以构成一个特定的代码或“词”， 这些由“3个字母”组成
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的代码使单个的氨基酸能够按照指定的顺序组合成蛋白质。蛋
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白质不单单是组成人体器官的必要物质，所有的生命都要依靠(V/p3@+Z?"Z t0S
蛋白质来提供自身所需的复杂化学物质。
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使这一过程形象化的最佳办法，莫过于将一个细胞想象成
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一大套百科全书。每一册书就是细胞中的一条染色体。人类的
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每个细胞中都含有23对染色体，它们由极长并紧密盘绕的DNA
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构成。人类身上的这套“百科全书”共有46册，每一册都有数
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十亿的词汇量。
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就像大百科全书的每一册都讨论大量不同的问题一样，每
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一条染色体都控制着生物种种不同的物理特征。打个比方说，X ^[1S!h j V
眼睛的颜色就好比是“文艺复兴时期的经济理论”；毛发的类[6}lz[oU}
型就是“第一次世界大战时期伦敦的双层公交车”，身高相当Y\@.X]2W%z(Ij
于“鸭嘴兽的交配习性”。这本百科全书中的每一个条目就是;U,p a}*qD
单个的基因。当然，每个条目都是由段落、单词和字母组成的。7A:b*Y+r t%W
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依据我们的类比，段落就是基因中大段的DNA，而单词是DNA}z;_k0a
中由3个“字母”组成的“词”（它为氨基酸编码）， 其中的
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字母就是基本单元：A、T、C和G。
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图 3 遗传密码与单词、书和图书馆的类比m Q-pe/J7AE
这样迂回一番是为了要说明，只有碳原子才能形成“生命 ju1\;MC$v
分子”这样的大分子，例如，像DNA（脱氧核糖核酸）和RNA
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（核糖核酸）这样巨大的分子结构，或者甚至较小一些的分子，#kGP Yfu IB\3X;|
如组成前两者的核苷酸等）除此之外，还有蛋白质、酶及其他
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那么这些生化物质又有什么用呢？它们究竟又有什么特别g/?)c5W Q d3_x d [ k
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这些生化物质有着极为广泛的功能，从提供所有生物的每 z8~Bm"X2s
个细胞运作所需的能量，到完成生命不可或缺的部分——繁殖。
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在经历了漫长的进化过程以后，数以千计的这类生化物质均能
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以惊人的高效完成各自特定的任务。其中最复杂的任务可能是 J cz%wc z4z#qn
由一组特定的大型生化物质通过一系列精密的步骤将遗传信息
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从上一代传至下一代。
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正如我在本章开头所说的那样，具有复制能力、能在复制cC"g,jzjL4c.i/I
过程中将遗传信息（它还具有变异能力）传递给后代，也许是
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我们定义生命的最清晰的方式。在这个过程中需要许多大型有
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机分子和生化物质。基于这一原因，很难想象某种生命形式，
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特别是某种高级的智慧生命，能以碳元素以外的任何其他元素e'o x)DUU }at
为其化学构架的基础④。
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那么，它们又是如何具体参与其事的呢？
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其实很简单：所有的生物都是通过印在每个细胞中的遗传
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蓝图将特征信息传给下一代的。每个个体的模板全都不尽相同。
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和布莱尔（Tony Blair）。这种蓝图被称为遗传密码，它由一系9{7r2uGp0\o7P
列微小的基因组成，而这些基因又由一种非常大的生化物质——
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DNA（脱氧核糖核酸）的片段组成。"vN/e/zoZ(|
遗传学的历史由来已久。19世纪中期，奥地利修道士孟德3seL,j.gd;Q9c
尔（Gregor Mendel）认识到代与代之间是通过他称为 “离散因
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子”的东西——今天我们称之为基因——而遗传其特征的。他(p-K3O G$[6?:Up
发现每个个体从上一代那里继承两套完整的基因，分别来自父Z!E e6K7[:kb3N9T t G4P&_ \
母双方，在生物学上叫做“等位基因”。它们在复制过程中并Z@,k.o F,D.q
不发生任何变化，原封不动地从上一代传到下一代。使每个个
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体不同的真正原因在于：每一个后代都从双亲两方各自的等位
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基因中取一条，也就是说选中任一条的概率为50％，这样一来
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就会产生4种组合，任何一种组合出现的概率为25％。 这种基
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因的重组产生了多种多样的特征结果，如：肤色、体型、对疾
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病的抵抗力，甚至酗酒的倾向性。 m/G ^'}8x.u I G,P
尽管孟德尔有了遗传物质的概念，但他并不清楚这个过程7~!Su@'i2C6E
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谜终于被解开了。 在剑桥工作的沃森（James Watson）和克里
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已广为人知的DNA双螺旋。I6I j$J)q
现已发现所有生物的每一个细胞中全都含有DNA。虽然它
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是非常大的有机分子，但令人惊奇的是，构成DNA的基本化学
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单位只有4种。它们分别是：A（腺嘌呤，adenine）、T（胸腺
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嘧啶，thymine）、G（鸟嘌呤，guanine）、C（胞嘧啶，cytosine）。
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它们数以亿计地散处于DNA分子结构中。这4种物质中的3种便
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可以构成一个特定的代码或“词”， 这些由“3个字母”组成
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的代码使单个的氨基酸能够按照指定的顺序组合成蛋白质。蛋
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使这一过程形象化的最佳办法，莫过于将一个细胞想象成
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一大套百科全书。每一册书就是细胞中的一条染色体。人类的
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每个细胞中都含有23对染色体，它们由极长并紧密盘绕的DNAy W;Ps j
构成。人类身上的这套“百科全书”共有46册，每一册都有数 ^4ad${,y WY*p
十亿的词汇量。
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就像大百科全书的每一册都讨论大量不同的问题一样，每
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一条染色体都控制着生物种种不同的物理特征。打个比方说，~
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眼睛的颜色就好比是“文艺复兴时期的经济理论”；毛发的类R;C/i S [D5r
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型就是“第一次世界大战时期伦敦的双层公交车”，身高相当
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于“鸭嘴兽的交配习性”。这本百科全书中的每一个条目就是
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单个的基因。当然，每个条目都是由段落、单词和字母组成的。O&h(M(B%BG
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中由3个“字母”组成的“词”（它为氨基酸编码）， 其中的&K jV+_6U ?E
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（核糖核酸）这样巨大的分子结构，或者甚至较小一些的分子，,@e#q,qj6|!Dc
如组成前两者的核苷酸等）除此之外，还有蛋白质、酶及其他
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维持细胞运作的生化物质。由于宇宙具有的同一性，这样的情
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况在“这里”和“那里”都是一样的。
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那么这些生化物质又有什么用呢？它们究竟又有什么特别;MJ3mn%w5?&\;}_
之处呢？
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个细胞运作所需的能量，到完成生命不可或缺的部分——繁殖。
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在经历了漫长的进化过程以后，数以千计的这类生化物质均能
r:@ V
wO/J
q
以惊人的高效完成各自特定的任务。其中最复杂的任务可能是
jz!Y:HM
由一组特定的大型生化物质通过一系列精密的步骤将遗传信息7yDo A|&F-b m(x0?
从上一代传至下一代。
a5] ^/f(l0?x
正如我在本章开头所说的那样，具有复制能力、能在复制,\&{(E;W v7k H"g
过程中将遗传信息（它还具有变异能力）传递给后代，也许是
"aE3Lk,ht$x
我们定义生命的最清晰的方式。在这个过程中需要许多大型有8I/}9WI nM Cv
机分子和生化物质。基于这一原因，很难想象某种生命形式，
i,[N
I!W*Wh C!p
特别是某种高级的智慧生命，能以碳元素以外的任何其他元素 zo C0C0l/_ Ki
为其化学构架的基础④。
c8Z? d R(B H {
冰幽宁 2004-10-16 10:21 PM
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好了，既然我们已经明确“生命”的核心在于一代代地复J1S6W2g5B F z y&}8b
制和变异，认识到那些生化物质在这一机制中起到了关键作用。!ApqL5b?
那么，它们又是如何具体参与其事的呢？P X&a e+a.B1c
其实很简单：所有的生物都是通过印在每个细胞中的遗传
y Jq FJE h
蓝图将特征信息传给下一代的。每个个体的模板全都不尽相同。
Qp eJ&g
正是它区分了猴子和青蛙，区分了斯瓦辛格（Arnold Schwarzenegger）
k*c"r
YAeY4r
和布莱尔（Tony Blair）。这种蓝图被称为遗传密码，它由一系3w/Ul X l R1|R3R
列微小的基因组成，而这些基因又由一种非常大的生化物质——!k1v-^jjc
DNA（脱氧核糖核酸）的片段组成。X5j\%_"qi
遗传学的历史由来已久。19世纪中期，奥地利修道士孟德@(i
dZ$k2|
尔（Gregor Mendel）认识到代与代之间是通过他称为 “离散因*H T2]6^[b9lV
子”的东西——今天我们称之为基因——而遗传其特征的。他
Q,C
eb+OzZ
发现每个个体从上一代那里继承两套完整的基因，分别来自父
|'{bX^:A'Pm1V
母双方，在生物学上叫做“等位基因”。它们在复制过程中并
J6Zz2^-c2I8}*x-b$d$z
不发生任何变化，原封不动地从上一代传到下一代。使每个个
k2U)`lt
体不同的真正原因在于：每一个后代都从双亲两方各自的等位
AXS`I%U hf8i#k
基因中取一条，也就是说选中任一条的概率为50％，这样一来5B&P^$e_2Akq2s
就会产生4种组合，任何一种组合出现的概率为25％。 这种基cN9c o1x1I lZ
因的重组产生了多种多样的特征结果，如：肤色、体型、对疾
|)R p3ig-^
病的抵抗力，甚至酗酒的倾向性。
2p4S"B"f gO kA
尽管孟德尔有了遗传物质的概念，但他并不清楚这个过程2[u7n.~Nv9Y"X
在化学上是如何实现的。在孟德尔死后，大约过了70年，这个+}J] _7K~2h
谜终于被解开了。 在剑桥工作的沃森（James Watson）和克里#O&Osa1^(eI t*i
克（Francis Crick）发现基因由两股复杂的分子组成，这就是现
C
]6e _` Q+}%k
已广为人知的DNA双螺旋。Q4u"X e!l
现已发现所有生物的每一个细胞中全都含有DNA。虽然它 DAZ1aG7C3]2{
m
是非常大的有机分子，但令人惊奇的是，构成DNA的基本化学
T'DrI F!`s7u
单位只有4种。它们分别是：A（腺嘌呤，adenine）、T（胸腺T6aV0T x I$]b0[
嘧啶，thymine）、G（鸟嘌呤，guanine）、C（胞嘧啶，cytosine）。
M(Y:[!a)ez
它们数以亿计地散处于DNA分子结构中。这4种物质中的3种便D1wz-D^,]*Ae
可以构成一个特定的代码或“词”， 这些由“3个字母”组成
X _ m/}K"A-g
的代码使单个的氨基酸能够按照指定的顺序组合成蛋白质。蛋
h;`:Z}&cV
白质不单单是组成人体器官的必要物质，所有的生命都要依靠
:R&b A#sm,Ht%~i
蛋白质来提供自身所需的复杂化学物质。lY1I9L|
使这一过程形象化的最佳办法，莫过于将一个细胞想象成
&l
c,c y%\6j X
一大套百科全书。每一册书就是细胞中的一条染色体。人类的
+qSz T(v/q
每个细胞中都含有23对染色体，它们由极长并紧密盘绕的DNA
(Kjf;Rk/Z
~
i
构成。人类身上的这套“百科全书”共有46册，每一册都有数5k w o:f1nn5{
十亿的词汇量。
\\4`6Li
冰幽宁 2004-10-16 10:27 PM
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就像大百科全书的每一册都讨论大量不同的问题一样，每
p(U$Ta3a?'u O
一条染色体都控制着生物种种不同的物理特征。打个比方说，
M9_1s-W*h@nSb
眼睛的颜色就好比是“文艺复兴时期的经济理论”；毛发的类m)zt
hw Op}h
型就是“第一次世界大战时期伦敦的双层公交车”，身高相当
T7B IT~\aC
于“鸭嘴兽的交配习性”。这本百科全书中的每一个条目就是
wk6d;W3~
i
单个的基因。当然，每个条目都是由段落、单词和字母组成的。/V rx}E&k pb3^U+]
依据我们的类比，段落就是基因中大段的DNA，而单词是DNA
Q]5KT N%~&kl/?"yW\
中由3个“字母”组成的“词”（它为氨基酸编码）， 其中的
.J)\ T1im6t#\%A e
字母就是基本单元：A、T、C和G。
(w;|+a!x b3AF;T
图 3 遗传密码与单词、书和图书馆的类比
H.i5S2cr1X
除提供组成基因的必要物质外，通过在细胞中复制自身，
/L$_9H)PBw
DNA同样也是生长过程中的重要媒介物。它就像是一块模板那
s&~1F2^'\uq3@Y9O
样产生自身新的拷贝。我们的这本“大百科全书”似乎可以无
h R2s4e]y Z.Xkpn
限地复印和分送；你只要拆开它就能一份一份地复印出相同的
xY4@Y#q
拷贝。但是正像复印一样，在这一过程中总有些小误差。这些
up3]%?E,YX;]2r
“小误差”被称为“变异”，它们可能是有益的，但也有可能)o0i] sC \
会产生不良后果。
)Li \A)^!`l
在克里克和沃森对DNA结构具有独创性和开拓性的发现之
ES+z'K+lG\3O,W
后15年，科学家们对于“大百科”中的“单词”的形成有了充 K#Z(D%PjH(S
分的认识。他们发现在A、T、C和G这4种基本物质中，每次只
4mV4Z y
mZ V f o
要3种即可正确定位氨基酸以形成蛋白质。这样一来，用4个不
0S.Mt$m#?"zU
同的字母，我们就可以得到64个不同的单词（长度为3）。 举}}y%F+A6E n
例来说， “G-A-T”就决定了一种特定的氨基酸——“天冬氨k,I8t"`_'UX
酸。6P"p$CR V am
然而，这并不是故事的全部。DNA并不是遗传机制中唯一
)P8W"`q F S4~
的生化物质。另一种同样重要的化合物叫做RNA（ribonucleic acid k7Zf g'H t
w8C
的缩写，即核糖核酸）。它与DNA的关系相当近。让我们来再
5v*to S"_"?
看一看大百科全书和复印机之间的关系。大百科全书的书页通
$x+b2w
_/D
过复印机复制。复印机扫描书页并用墨将书上的文字和图片在
e#?J} f g
另一张纸上重复展现出来。在生化反应中，将信息从原件传送
#I E5T8Q*k"s1TIE
至复制件的正是RNA分子。这种特殊的分子可以被看成信息传5vBeZ5t(N$qC K-Z
递者——它把DNA编码转送至细胞内另一种叫做“核糖体”（ GMTwn
类似于复印机中的实际复印部件）的生化“装置”中，由后者yC ]!@5T g
来构造蛋白质。
Rw%bx9p-{`1CWN
整个过程也可以看成工厂中的一条生产线。DNA将“引物
^4Ei+X!v w
核苷酸”——一种体内已预先制备好的有机大分子——正确地
;F.RR7_&t
连接起来制造出更多的DNA和RNA。用我们的类比来看，引物)?zA5|J1s
核苷酸就像是机器的许多小部件，这些部件可以在机械车间的/D7Hq'^[ }h4_.{
装配线上拼装在一起。要完成这项工作，DNA还必须使用酶。
i)_ I
j j^UW LP'I
酶是另一种有机分子（蛋白质），它能促成某些化学反应的进X8H@ t%G,G v
行（加快反应的速度，也就是说，它们是生化催化剂）。RNA'r3dlz:mmU
将DNA的设计指令转送到核糖体，核糖体用较为简单一些的化
h2I@%u
R
F2og R8~
合物（氨基酸）来制造蛋白质。利用这些蛋白质又可以制造出 E3D3U;[&Z {.P,aL
更多的DNA、RNA和其他大分子，同时另一部分蛋白质以酶的
%q0l8`!}/^ a{VuU9l
形式共同参与到细胞乃至整个生命体的维持运作中（包括所有
#U&m*o
Q d`+N!^a1Z
以上这些过程）。X
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冰幽宁 2004-10-16 10:28 PM
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这可是一条自给自足的生产线。大脑是公司的总裁，每个'A @D6R2t$iH
细胞的细胞核就是一个生产车间，而这些大分子则是机器，所n7q!R
j+K3z \+@
有的机器和它们的产品是用同样的零件制造出来的。这一切的
#qi T
}V
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一切都由我们吃的食物来提供能量。车间由我们呼吸的空气来
h Ro4ei
O"` ]3`
通风，所有的过程都在水（或一种似水的溶液）中完成⑤。"n b2x `3n'k5x
整个过程相当清晰。它展现了生命维持自身运作的机理。
-y6O'F-Ci
但是，在这个生命循环的生化过程中是否有些问题呢？想一下;\/P)s T0_ ?M&IT
生命的基本要素：生命的定义是能够复制并将变异的信息一代
/T3^?\1?#F!G
代传下去或通过自然选择而进化的实体。进化是通过复制过程OAF9g Ml$}$L@
中的遗传变异来实现的。遗传密码由DNA携带，DNA是在细胞a(yl p D\w
内利用RNA生产蛋白质的某种生化过程中产生的。不过，我们
Q:i
T-_#X s~*wx-\ ~
陷入了一个左右为难的困境，如果说进化对“生命”乃是必不
!b*U D9['\O r
可少的，而这个过程本身又要求一系列相当复杂的变化，那么
*A X"Z? }v
生命最初是如何产生的呢？从另一个角度来看，所有能够进化 l9\f*N _{
的实体（按我们的定义就是“活的”）都要具有足够复杂的结
7F3y-qA2O0a JO&I
构来运作自身的遗传机制，从而实现进化过程——即便最简单
E
r{'bZij
的细菌也是如此（这就是为什么细菌被认为是有生命的原因）。
4P~!U E$VR'P
但一种实体在没有进化的情况下又是如何变得如此复杂的呢？
0br}5x2C U?8]
它究竟是怎么开始攀上这进化之梯的呢？这是出名的“先有鸡
h%U*l R;I"`C'Tt*[
还是先有蛋”之类令人进退维谷的难题。幸运的是，这个看来
`!|$[ rG!S ~.P%C\
无法解答的谜却是有答案的。ku
P W eX
直至17世纪，所有关于生命起源的思想都深深扎根于宗教K+Mq2}?*]2}"XH
而不是自然哲学（现代科学的先驱）的基础上。神被视为所有$wF;b9l1U }(d7T
生命的缔造者；人类是由神通过一种无法（或是不该）了解的
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W4G `"Gn6l
神圣方法创造出来的。随着时光的推移，先后出现了一些试图
~7W*o3n
~x%AU!F&sB
解释其中奥秘的理论。
W0n pb.Dnc
“自然发生论”是最早的理论之一。从很久以前，人们就
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注意到一些有机物，特别是像奶酪和面包这样的食物，表面常
1V2f1O5n)N_/c,Y/O
常会无缘无故地长出生命来。例如，一块放置了几天的奶酪上,^3{8i [;r.@%Ch [
会长出霉茵来。同样的现象也会发生在面包和熟透了的水果上。4iDfw$H)l
由此就引出了生命会“自然”产生的想法。YVe["C0E/eJ
一直到1860年，这种想法的势头才得以遏制。巴斯德（Louis
'ND!|:{y5j
Pasteur）证明如果将这些东西装入密封容器中， 它们并不会长;@*P:h*lf#\z
出真菌或其他可见的薄膜。即使面对这样的事实，那些“自然 gx ?M P c!V
发生论”的支持者们仍辩称，巴斯德只是证明了面包或奶酪上
'|7R&x q+]
自然产生的生命由于缺少空气而窒息并停止生长罢了。巴斯德
N @0u
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于是又接着说明真菌或细菌的生长是由于空气中不可见的孢子
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或微生物引起的。有机物表面出现的那种生命形式正是细菌或
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真菌的菌落生长到了肉眼可以观察到的地步，而空气、合适的
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湿度和可靠的食物来源也都是促成这一切发生的必要条件。7z%tE0c8J m
几乎就在巴斯德的研究成果发表之际，自然发生论的丧钟
M"}p/AN.s1f(t
敲响了——达尔文（Charles Darwin）和华菜士（Alfred Russel
}5yD;{ ]` \&v(T
Wallace）几乎同时创建了自然选择的进化理论。在他的革命性
'B G*DCh9`Q.S^B7n-q1Sw
著作《物种起源》中，达尔文证明了生物是如何在一个漫长的5Q4Z(yji,}
时期中，从简单进化到复杂，而且尽管奶酪上的生物非常简单，$vF$J3o|bv q\0E&d
它们决不是随意突然地产生的。鉴于当时的宗教敏感性，达尔0oY ] Fd ^ {:GGv
文在《物种起源》中并没有推测生命在地球上产生而不必借助(R3W,@;r,bB&WR7]5}
神的力量。他在书中写道：“造物主”呼出了“一种或几种生B
F+h7e0VJ,K,o,O@
命”。然而，当私下里与他的朋友和同事胡克尔（Joseph Hooker）M;Z"x+]+e [#a"a_
通信时，达尔文表达了自己真实的想法——生命从化学中产生：
8LLT3^eN
“从充满了氨、硫酸盐、光、热、电等等所有这一切的某些温
%v8MWQf&vE n}"T_{
暖的小池塘中诞生。”*o v.f*qx Jc0C
自然哲学家试图依据早期的实验以自然发生论来诠释地球
gR kp Tt L }C w
乃至其他星球的生命起源。但是，所有的生命都必须经历进化
_mz2O7dY;J e5J:rH4g
过程，从定义上来说都要在自然选择法则的支配下运作——它
4Nb)O:~W d|
们要卷入代代相传的遗传变异，并且必须变得复杂到能够参与2IX%f*[3s!]
这种过程。虽然我们面临着“先有鸡还是先有蛋？”的问题，
DmG1P PO!X Z
自然发生论却不是这个问题的答案，它只是一条死胡同。 \w`KlQ_dx
有一种避开了这一起源问题的理论叫做“胚种说”。它主&z
JW7nE B0M
要由瑞典化学家阿雷尼乌斯（Svante August Arrhenius） 之倡导4~"G,a$Ej0[
而在19世纪大为流行。阿雷尼乌斯认为生命是从外层空间以孢
p1b Q [3D5\:m;bz
子的形式传到地球上的，他的这种理论得到当时多位著名科学 xk
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家的支持，其中包括杰出的物理学家亥姆霍兹（Hermann von Helmholtz）
%U `)_*P eP3`,{f(L
和开尔文勋爵（Lord Kelvin）。从详细的模型中可以看到， 胚
)sq|-dz;h0j
种说提出“生命的种子”从一颗行星传至另一颗行星，当某颗/Q\y7jT
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行星演化到适宜于生命时，生命就会开始出现。
^ u8\'P+y$P w
根据胚种说支持者的说法，地球上的生命是在大约35亿至
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J(R~#f
40亿年前，生命种子或孢子来到地球以后开始出现的。当时地
|T1fpT*t'S:x
球上已经形成了适合这些“种子”生长和进化的大气层和地面
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环境。
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J v,Y E P"xN
迄今为止，这种理论仍相当有争议。现代胚种说的积极支
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持者霍伊尔（Fred Hoyle） 和维克拉马辛在过去几十年内一直
|4B4jC#]5_h#@^
不懈地进行着论证，而且事实上也没有任何科学推理可以证明*C)N2_ a(Q/]DB
这是不可能的。 即便艾伦山84001是第一块被发现含有生物化
O NP'R8P/Y%?)M
石的火星岩石，它无论如何也决不是唯一含有有机物质的陨石。
vPD(M6hI |
我们已经从坠落在地球上的岩石中发现过大量不同的复杂有机U@Ap&V2d
分子。这些岩石中有一部分是从太阳系外历经数千万年来到这7L v Q.@ B
里的。就像彗星一样，从其他恒星的行星系统中诞生（虽然不
\]V6sh
常如此），并踏上漫漫旅程前来此地⑥。
td t {0@q
胚种说的一个疑点在于：细菌作为最简单的生命，经受不 f@^I1DrZ2J
住宇宙中以百万年计的漫长旅行。不过，新的证据却使持此疑Ih$c W'?-e0@+s
问的反对者失去了优势。
2@7_#T1e!I] tL;W/j
近几年的研究表明，细菌可以在地球上一些环境非常恶劣
1b THEF7ZYK
的地方生存。10年前，科学家在活火山口附近发现了细菌的生
n+L5q$TyLU?
长。类似的情况也出现在其他地方。在热泉和南北两极的荒漠
xr0['b?
地带也都有能够忍受极端温度的细菌的影踪。更有甚者，在核,\Tn!v Sp
反应堆通风口处也有生命在繁茂生长。不过，这些比起1996年
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x[&puV"I
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的一项发现来说却又算不了什么了。一群科学家在美国东海岸-m)x1\-j KQ\6q
的海床上钻了一个深洞后惊奇地发现，在水下11 000英尺（约 J&i2i G
o6J1c
3350米）的沉积物下面2500尺（约760米） 的地方也有细菌存
JFH
R@S#s0N
在。
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很难想象科学家们当时震惊的样子。几乎所有地面上的生
l+J6JUgm%d
物都不能承受海平面以下13 000英尺（约4000米）处的环境。 M,X M:R*`&pP
那里的温度大约是170℃，而且压力约是地面上的400倍。虽然
D2~vW"_T:X
这与星际空间中几乎毫无大气压力、并且处在绝对零度（-273
A?lz ~ o
℃或0Ｋ）边缘的环境不完全相同，但这无疑同样是很严酷的x
k%P,D,O
bH#~\;U
条件。没有理由说，能够在地表以下13 000英尺（约4000米）
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}/|3a6D
处的恶劣条件下生存的细菌，如果在一颗彗星或流星体的中心a2R V5u o0u9X9L
vK
部分静静地处于休眠状态的话，就一定不能忍受太空中的环境。
YfKk ` Y)_&Vj
冰幽宁 2004-10-16 10:31 PM
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然而，完全没有必要在“是否可能”这上点上大费周章。
+}K{3^ \ Z
@"x1MW
在前面的章节里我已说过，DNA和RNA是由一种叫做“引物核 O'D ` ^.n)s
苷酸”的大型有机分子或生化物质产生的，“引物核苷酸”镶Q}Av.V
嵌在一起形成更坚实的单元，它们制造出DNA和RNA的组成部
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分。有些人认为这种较为简单的“生命前”单元（作为生命前
D@A d D
驱的大型有机分子，但其自身并不是“活的”）可以承受星际
Fll wm-S m"h
之旅）将生命之种传播到地球上。
P4Q| z&Z2_YA
这次生命之旅的出发点可能是我们这个太阳系中的某处——x}(x@d+oY$~9N
也许是火星，假如那里确实先于地球有过生命。要不然，它也
qM4`0V6jq5HB
可能是从许多光年以外比我们太阳系先有生命的另一个行星系a0?ZZ$`9t V
统出发，长途跋涉才来到这里。bi[%PV*}:B
尽管恒星之间相距遥远，封闭在彗星或流星体中的有机物
7[Ts{*I9HR
质往往要在太空中漂泊数百万年，但是生命通过这种方式传播
:wY1kfa ]2o
到地球的可能性依然存在。最近的估计表明宇宙的年龄大约是.t:n*m0Y$}"? |2Nw
150亿年，而地球上最早出现生命的时间是35亿～40亿年前。7@3vMSW*A/si
可见， 从大爆炸到地球上首次出现生命之间至少有100亿年的
M vJ TiW4GN
时间。很有可能在银河系或其他星系中有某个行星系统比我们"m:jtO uU
的太阳系形成和冷却得稍早一些，如果生命在那里开始进化，$r"[z Go3Fw;A
哪怕只比这里早了1%，也会给生命之种数千万年的时间飞抵地
(~
}],~I#F0mO
球。`8I,km$^^$j+^
20世纪70年代，一群加拿大和英国科学家在胚种说的基础'H1d&lDzd ^
上提出了一种更精致的思想，称为“生命云”理论。这种理论
V_ N-pu@F
展示了星际尘埃云中含有的有机化学成分如何反应生成核糖体
r(y"~D` }2m
和蛋白质。按照这种理论，当行星穿越这样的云时，生命之种
unC `:H
的传播就完成了，一旦行星上的环境变得适宜，生命就开始繁 n0j { c*h _1_"[
盛起来。他们认为地球很有可能在35亿～40亿年前曾穿越过这 f GL L^4h
样的星云。v%{HO1e| S
基于“胚种说”的种种可能的理论都非常有趣，也没有什)T)g#pt%v a&L
么科学依据可以完全否定地球生命源于某个遥远世界的假设，
-L
e
L*LM2Yb9N4T
但是它同样无法解开生命的起源之谜。这些理论就像移动球门/z(Me.vDI}.l:Q
柱一样，将问题的重心转移了一下而已。就算“胚种说”是正wMsbz,s2H$e5U
确的，它确实解释了地球生命的起源，但老问题仍未解决：生
~4u9jp ? l7Vj%~
命究竟是怎样在它第一次出现的地方产生的呢？o5w6s9v9z6h,w4]
不管某一天“胚种说”会被证实为对或错，如果我们要认2hS h \X ^I
c4g
真地探究生命起源的话，就应该先把它放在一边。取而代之的
l B,tt8y&n.tR0H
Sm
是，让我们暂且假设地球上的生命不是来自其他地方，而是在!d;VT"W O
~ c
当时的环境条件下，通过某种途径自行产生的。那么，它会是 k cT;t/N aj
如何产生的呢？ K.i8h"_1^8t"A8H:l[ r
1936年，俄国生物学家奥巴林（Aleksandr Ivanovich）在《
H.S*I0S.?YBl
生命的起源》一书中首次尝试描述含简单化合物的溶液如何通 W6X p5K0V'K
过一系列生物化学反应形成非常复杂的分子结构。在那本书中，S:c$R
cVq
奥巴林提出原始的生物有可能是从已有的有机物中产生的，而e*Ho2E&Wu1f
那些有机物又是由更为简单的化合物自然形成的。这样，他真
5@k6br*kb
正开始将达尔文的进化论放入前生命系统之中。尽管奥巴林可 {+C:I1\]D5J
以在实验室中用精密的实验来证实他的构想，但不足为奇，他2z:y9G6S*{ UJ
在当时受到了全体宗教思想家和科学家的怀疑。不过，他的理
4r}"n&B| aa
论得到了英国大生物学家霍尔丹（John Haldane）的支持。霍尔
v |6J3I'M
Xm?
丹是第一位提出在原始海洋中发现的某些有机化合物或许能合S)e Q
f7b1BBBV
成某种可自我复制的物质形式的科学家。他认为富氢的大气环U d \!XN Xt*Q&P
境会大有帮助，这一系列条件称为“还原性大气”⑥。O,d:b d9Z
20世纪40年代和50年代中，认为生命起源于大气中含氢的cEB:Q+X|
原始地球的想法相当盛行，并且由于1953年两位美国化学家米
;l Z VI'liO+Zv7G[
勒（Stanley Lloyd Miller）和尤里（Harold Clayton Urey） 进行的] d:r4G5q"I/NQ4d
有些传奇色彩的实验而得到了长足的发展。B6a7H
o,O DP
1953年4月， 全世界都为克里克和沃森所揭示的DNA分子
*m2q7Yc
Ne&O A;`
“双螺旋”结构所震惊。一时间，关于生命的话题以及如何利
]|;z*w,i uO4W2D
用科学技术手段来揭开遗传和进化之谜的各种讨论成为新闻的#lKA'UD
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焦点。在这样的环境下，一个月之后，也就是1953年5月， 米/Vy5|9^W3`p M3U
勒和尤里公布了他们的革命性发现。
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按照试验计划，米勒和尤里决定要验证一下奥巴林和霍尔 \.t_Tm
丹的理论。他们在实验室中做了一个假想生命出现时地球环境
k }`o/U-^k
的模拟实验。首先将氢、水、甲烷和氨混合成某种气体（为了
1g6eI]
}
和史前地球大气的成分相吻合），然后模拟闪电，让这些混合Z-{'Z1w%k,v
物经受一星期的放电反应。1@l,E y'D
一周之后，他们得到了令人吃惊的结果。在烧瓶底部的红
w9ib;Iub
褐色沉淀物中发现了大量的有机化合物。其中包括多种有机酸.{ g$p6`,~7}\
（脂肪酸和羟基酸）和尿素，此外还有一系列与糖的结构相似)v wX
I|8RP o3o
的化合物。进一步的研究表明，这种方法可以产生大量生命必+I$l8ojN0V5eN
需的分子。?!B"D$gvI;s
有了第一次的成功之后，这两位科学家又在先前那种混合 nHKPy W
气体中加入火山气体中含有的一种简单分子——氰化氢（HCN）。
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这样，他们最重要的发现诞生了。在沉淀物中出现了氨基酸，!Obs}l
它在生物化学反应中起着重要的作用，是生命起源绝对不可缺
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少的成分。
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冰幽宁 2004-10-16 10:35 PM
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L0[ dq2A;Vd9U
目前有两种试图解释从前生命系统到生物学系统之转变如
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何发生的理论。第一种叫做“RNA世界假说”。这一假说是在
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20世纪60年代后期，由生物化学家沃斯（Carl Woese）、 克里
3Mv,[ W+?F3@C Q
克和奥格尔（Leslie Orgel）首次提出的。 他们和当时的其他研1[;mmZm*Uq U9Di
究者一样，都注意到了这一转变中一个基本的佯谬——制造DNA@(A9T?C
和RNA要有蛋白质，而只有DNA和RNA中具有正确的核苷酸序
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列才能制造出蛋白质。面对这样的情况，我们要么假设蛋白质*SO2Rk_R3i7v
和DNA、RNA在早期地球上是同时产生的，要么找出一种理论
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来解释如果两者之中先出现某一种的话，会如何导致生命创生。
9{S3u&h#jD"g&w
这些科学家的回答是：在整个过程启动的时候，可能有某 l2Sw H&w,?9j%\ a
种尚不清楚的机制少量地产生了某种类型的RNA。他们猜想这
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种RNA具有比今天的RNA更多的功能。它或许可以在不存在蛋
j c e2F6S&c's8O)F
白质（也许是利用自身结构中的蛋白质）的情况下进行复制（
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产生其自身的拷贝），而且还能在产生蛋白质的过程中起到催LVia+Y
化作用。~,[:`"w w s R2d
乍一看，这似乎是不可能的。先前我们已经看到，如今在 rN$]3F;xW0v{
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每个生命的每个细胞中进行的过程是何等复杂，它需要大量各
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式各样的重要有机分子的共同参与。这个运作系统中包括DNAX!bq.O~1ve {0^
和RNA，还有既是原材料又是催化剂的蛋白质（起催化作用的
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蛋白质称为“酶”）。显然，这种理论中所假设的是一种结构
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上近似RNA，但更加复杂、具有更多功能的分子。
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自从30多年前提出这种理论之后，科学家已在这一领域中
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进行了大量的研究工作。1983年，在科罗拉多大学工作的切赫'DE/h}t3e
（Thomas Cech）和耶鲁大学的阿尔特曼（Sidney Altman）独立
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发现了一组他们称之为“核糖酶”的分子——一种RNA催化剂，d?S](G1I%{'b/v:jJ
或者说由RNA形成的酶（核糖酶在英语中称为ribozymes，其中
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ribo-代表核糖核酸（ribonucleic acid）或RNA，-zymes则是酶（enzymes）
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的后半部分）。尽管这一发现大大支持了“RNA世界假说”，
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但是仍没有迹象表明有哪种RNA曾经执行过而如今已不再执行r_#Pm7z)Dd8mG
另一项实质性的任务——自我复制。
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当一部分生物化学家专注地寻找那些特异分子（它们能够
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完成通常由DNA实施的功能）时，另一部分人也努力尝试着从
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其他途径找到问题的答案。其主要思想是：原始地球上的RNA、
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DNA和酶与今天的不同。换句话说，就是希望我们能接受分子
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q9dY%h&[K)y
也在某种意义上进化的观念。o~
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这种观点看起来也不算很牵强附会。一条潜在的原则是，
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原始的DNA需要原始的RNA和简单形式的酶来催化当时的生物
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化学进程。如果事实果真如此，那么有可能早期RNA的部分功O+qtH]UZ0B,I(E
能已渐渐被其他更适合的分子取代了。而且据估计，催化剂（0TM8O:~A
加快反应速度的化学成分）的角色也可能在相同环境下已由某Z)dny x
种无机物质替代了。⑦
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由于没有切实的证据，也没有人成功地制造出能自我复制
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的RNA分子，这种理论迄今仍只是地球生命起源众多可能解释
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中的一种罢了。
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另一些有力的竞争者将非生命物质到生命物质的飞跃建立(PP4`-SH n
在一种完全不同而很有争议的理论上。dj ^p9k*Y E7K q
在克里克、奥格尔和沃斯形成RNA世界假说的同时、另一
4kn+d'eE!M-X_
位生物化学家——格拉斯哥大学的凯恩斯－史密斯（A. Graham
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Cairns-Smith）提出了一种令人耳目一新的革命性观点。他认为 h/c4f.Qj L#T$VF
导致生命形成的有机物最初是从无机物质演化而来的。
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起初，这听起来有些令人咋舌。毕竟，对于我们大多数人
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来说，无机物和有机物之间是存在着巨大差异的。一切生命都
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是有机的，当然包括我们的所有食物在内。遍布全球的森林、t#} g r Y4v6y
动物、植物全都是有机的。而像岩石和组成大气的气体等一般)r K$^2y;q-U!K,ui
视为“无生命”的东西则均是无机物。
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尽管碳具有一些与众不同的特性，但对于化学家而言也只K7GF,y-^
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不过是元素周期表中100多个元素之一员， 况且有机物（常常
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与“有生命的”相联系）与无机物（总是与“无生命的”联系
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着）之间的界限实际上是一个概念问题。!j X:iO y Ok1T R+Oe
冰幽宁 2004-10-16 10:37 PM
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凯恩斯－史密斯指出，就像利用DNA和RNA的生物化学系 g1q
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统一样，复杂的无机系统也可以复制和传递信息——虽然是以
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简单得多的方式。让我们回顾一下现代生物圈的运转过程，DNA
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携带着一整套复杂得令人难以置信的复制蓝图——遗传密码。5O ].m Ua5o
我们已详加讨论的RNA和蛋白质则为此各司其职。现在，凯恩
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d^(Q+T@p
斯－史密斯提出的全新观点却是：40亿年前某种更简单的系统
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在运转，它最初并不需要DNA和RNA，甚至不需要蛋白质。@K St.B7XR
在这个系统中（在有史以来最受欢迎的科学书籍之一——]9N1r]s+HG9V5]e
《生命起源的七条线索》中有很精彩的描写），凯恩斯－史密 ykk
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斯展现了地球生命的两条迥然不同的演化途径。第一步是利用!@"d9_I yoV _#m h
存在于粘土中的晶体结构产生他所称的“低技术”组织，这种t|l g$u6u)N+T
晶体在当时应该（和现在一样）相当普遍。这些粘土在结构上
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虽然远不及DNA分子来得复杂，但却能产生自我复制系统，以C$i._l(P;O%qa
此将信息从一“层”传到下一“层”。这与DNA的复制过程有
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着异曲同工之妙。
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凯恩斯－史密斯相信，从这种“低技术”开始，渐渐演化
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出了结合成有机分子的更为复杂的系统。它有可能就像米勒、
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尤里和其他人主张的那样，是在早期的地球上产生的，或者也 C6A\ Cmaj
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有可能从另一个已有生命的世界远道而来。这些不甚复杂的结 @8hw!X2F
构经过漫长的时间，进化到今天这种包含了DNA、RNA和蛋白
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质的“高技术”组织，从而促成了目前这样通过自然选择不断cs|/[ Z_@
进化的遗传机制。凯恩斯－史密斯把从“低技术”迈向“高技
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术”的转折点称为“１号基因”诞生。自此之后，地球上生命
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的进一步发展都以其为原始模板。这种理论超越了达尔文的生m%\
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命起源于“温暖的小池塘”的假说，将我们引向一个甚至不是
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有机物的共同祖先。
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凯恩斯－史密斯的想法相当大胆，它处在人们通常接纳的 a1S;M` B@ W
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科学范畴的边缘，但事实上它并不见得比RNA世界假说更令人 _%_ i u4C
惊讶，而且也有相当多的证据支持它。关于通往“生命”之途
D"f*Z&e{^ EJ4t7AC
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的最终思考与这两个过程都有联系。
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化石记录告诉我们，在很久以前地球上就开始出现生命了。p fzK {C-k4P2z
1980年，在澳大利亚的沙漠中发现了一种名叫叠层岩或“活石 Z/v2pw,z M0\
头”的生物化石，这种生物大约生活在35亿年前，在过去16年{1P _ gc:ttr
中它一直被视为地球上最古老的生命形式。然而，在1996年底，
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圣迭戈斯克里普斯海洋学研究院的科学家们又将这一时间往回
9B%nlba+Zg!O:l
推了一些，他们成功地分离出一种碳的同位素的混合物⑧。据称"AF _+u @-v.H'V
这种同位素是由38亿年前的生物产生的。我们知道，地球上的5]/Y e1I'{,K V!p
环境是在大约40亿年前才开始变得适宜生物形成的，所以，这
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样看来，在此之后仅仅过了几亿年时间，最简单的生命就已经"d%K K5z(e/G7I3~ fT:K
出现了。
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当然，所有这些并没有给出在地球外的其他行星上也有生
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命进化的证据，但它至少向我们表明，一旦有合适的条件生命 R9x!T G:P4F8B(x%p
就会出现。卡尔·萨根曾经写道：“现有的证据充分表明，只q3|*A)m,} Qx z
要给出初始条件和10亿年的演化时间，就应该会出现生命。在
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适宜的行星上产生生命似乎构成了宇宙化学的一部分。”他在
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这里所描述的就是自组织原理。
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最近的研究表明，某些物理或化学系统可以自发地从较简io-V3dV.N
单的状态跃变为高度复杂或高度有组织的结构。有些人认为这J!UpF2oe6L
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种组织原理是“反熵”（一种从有序转化为无序的过程之逆过
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程）的一种表现，而且有可能与生命有着某种神秘的联系。 a:} ZR7X[}$oo{
熵是一个系统中的“无序程度”，在自然界中它总是增长
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的——放着的水果会渐渐腐败，它的细胞分解开来，“干净”、
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Z@7E0_
“有组织”的新鲜水果就变成了一堆无组织的物质。据信自组
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织原理是宇宙中熵不断增长这一趋势的逆过程。由此看来，由g+C5@ r;`l
太空中的简单分子或“低技术”无机系统发展出有机分子；尔9R"y(xd Gt
后又由这些有机分子最终形成生命的可能性就大大增加了。
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冰幽宁 2004-10-16 10:38 PM
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由于宾夕法尼亚州立大学的物理学家斯莫林（Lee Smolin）
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教授最近的一项提议，生物学界和物理学界正陷入一场激烈的
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辩论之中。引起这场骚动的具体原由是斯莫林教授提出，宇宙 u!Kz a8V n6U,Ni!H!\9o
也有可能像生命那样通过达尔文的自然选择而演化。他称这项^]7k!d4}B K
原理为“宇宙学选择”。按照这一理论，我们所处的宇宙乃是)gt5f D+lVX7]/@
从时间开端以来一直在演化着的一系列宇宙中年代最近的一个。
+P-wl6jL7z+MCG
更有甚者，我们宇宙中的生命则是黑洞的副产品。在这个达尔}7g+O8f?'P ^/x
文式的系统中，黑洞的创生乃是真正的动力，斯莫林指出这样+A B!S%Kw#Y6~R)m
说的依据是：一个宇宙拥有的黑洞数量越多，这个宇宙就越稳 q.o'H0\)B o
定。
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不过最值得注意的是，该理论表明只有存在碳的宇宙才有[7P U*J.Gv
可能形成黑洞。根据宇宙学选择理论，生命恰巧也依赖于碳纯
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粹只是一种巧合。[3]
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很显然，要找到生命起源——甚至只是找到地球上生命起
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源的确切答案仍有很长一段路要走。假若我们在不久的将来真'Dj!P$c6{k
能有幸研究外星生命，这就能使我们有更多的机会揭开简单生 @^
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命在地球或其他地方发生发展的奥秘。不论最后究竟会是哪一D1RZ-Se:zp v
种理论获胜，也不论最终的解答是本书中已经提及的或是至今
n f(C3T*[`g h6hw
尚未出现的，要解开这个科学史上最大的疑谜之一，找到切实|CM ]&N.v rmK _
的证据把现时尚属臆测的想法变为真实的答案，我们要做的工
E)|2^WGx-V
作还很多很多。;^ B%Y
n:{F3C [$m#F/x
_________
#]
`g)H[Y3z
① 这自然引起了许多伦理上的思考，特别是近期在遗传方面-j)CDO A_0K
关于克隆技术的一些突破。比方说，根据上面的说法，克隆羊d0G*{cQ A
“多利”算不算是有生命的呢？克隆出来的子代和它们的亲代k @ CC t;|
完全相同。这虽然非常有趣，但却不是一个章节的内容可以涵 oh eE'sp(M-I
盖的，如此复杂的、谜一样的问题完全可以写一本书来讨论一
*S c0ss2yI
番。
9m"|3H(m&g x"dn
② 你们中的有些人也许仍然无法相信，并怀疑这不过是我们X/Z H*f-Tl4P L
一厢情愿的想法罢了。要想真正地论证这个复杂的问题恐怕需
bJ'{1w(`"T4T
要整整一个章节才行。不过在这里将给出一个例子，我希望这
0r&A-f O5n(C
已经足够说明问题了。运用一种叫做“光谱分析”的技术，天
-Gh7fz nH t2u7f
文学家可以探恻遥远恒星的光波并分析它们的组成。研究结果'L8X4CF P/RW kk!v
表明，它们的光与我们的太阳光相似（主要区别在于不同颜色 h#l*m)CC'H
成分的比例）。光的差异由组成这些恒星的化学元素所确定，
k.d#v6a ^U5f
这些元素都可以在我们的太阳中或在地球上找到。就像前面提
Lb:cg"[;ef
lf;]
及的莱维所说的那样。从根本上来讲，所有的东西——从高楼
!NQ.C"PW:|j7uG
大厦的砖瓦，到我们眼睛的细胞和这本书的每一张纸——都是
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从恒星而来；而所有恒星的基本组成都是相同的。 bM(a y0IMr_|3k1i'[
③ 根据最近的统计，元素周期表中共有109种元素。 随着对\ YC1j,g7G
核反应的进一步研究，这个数字还在不断增长。这些新增的不
2h t%oM6s Zj(x N ]
稳定元素叫做超铀元素，它们的寿命很短，很快分解成原子量
%b c,T A
~]Q GF
较小的其他元素。最重要的是，它们都是元素周期表尾部的重JyP%b,Z
元素，与那些主要构成元素周期表的稳定元素相比，它们的原
7@q3M4K!C
子序数大，原子量也大。1s mbF)J*] g;Y
W$V${
④ 对有些人来说，这样的断言听起来有些过于主观。这样的
D `6f(_2rf&a7~e I
意见在此时此刻应该说是有一定道理的，毕竟，在浩瀚宇宙中c"nQ0OqI?O$i;U
存在某些以目前我们还不甚了解的机制进化而来的生命形式也
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是有可能的。不过这样的情况不在眼下讨论的范围之内，它将 ~_0nA ak
在第四章中讨论。
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⑤ 最后的这一点正是含水的环境对于生命的出现和维持至为
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重要的原由（参见第三章）。
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⑥ 迄今观测到的大部分彗星都来自太阳系边缘的两个区域，
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A)E\B v {9l
即奥尔特云和柯伊伯云。有理由相信， 在过去的46.5亿年中周
T#Ou3{)Z+xj E L,r
期性地造访地球的某些天体也许来自遥远的、环绕其他恒星运
v"h'H8f-_ z#ZVa'y
行的世界。
/P$~X4c|H[8U7VD
⑦ 有些读者可能会奇怪，为什么科学家选择了RNA而非DNA6e
e `g{%T
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作为最原始的导火索？原因是制造RNA所用的核苷酸要比制造
1Jf"~"TJk3us9v1k
DNA的脱氧核苷酸更加容易合成。而且这样也更容易想象DNA
~TO5Me7E
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如何从RNA演变成今天这样的遗传信息的保卫者和储存者的角j_F/W"L1Ab9u3O,c$dO tt
色。
k#x;Bt9e5_
⑧ 几乎所有的元素都至少有两种同位素形态，它们的质子数F9Y;S GbN1B t*U
相同，但是中子数不同，这就导致了原子量（原子核内中子与R RSl+^"S
质子之和）的不同。`'N'p%U8c3k
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