地球生命的诞生

 地球形成后经过十几亿年的变化,做好了迎接生命诞生的准备。无论是来自遥远的太空还是源于地球本身,第一颗生命的种子开始发芽、繁殖、演化。从第一个生物体的诞生直到人类的生生死死,这段千回百转、扑朔迷离的生命发展历程长达30亿年的时间。

 

  地球生命源于陆地还是海洋,抑或由小行星从宇宙某个遥远的地方携带而来?至今,有关地球生命的起源问题仍然是令科学家费尽心思的不解之谜。他们常常各持己见,莫衷一是。我们居住的行星大约形成于46亿年前,从某种程度上说,在一个无法确定的时间,一定是发生了什么情况,因为这颗毫无生气的天体开始接纳与岩石和水迥然不同的某些东西。氮和碳分子进化为DNA,一种微生物在宇宙星际间四处旅行……不容置疑的事实是,这种微小的分子出现数百万年之后,原始的单细胞体诞生了,后来慢慢又出现了越来越复杂的水生生物,它们最终登陆陆地,从此各种生物在地球上大规模地繁衍并蔓延开来。
  今天,地球上大约存在200万种不同种类的生物。但所有种类的生物都发端于同一种物质——一种到某种程度时能启动生命历程的物质。这是一种什么物质呢?本文将阐述有关地球生命的最新理论和最新研究成果。 在太空中游弋的一些天体的碎片犹如宇宙中的一伙“强盗”,迟早要冲撞某个天体。但是与地球发生碰撞的一些彗星和小行星,也许因此而成为地球生命的创造者。很有可能是一颗彗星(由岩石和冰构成的天体)把大量的水带到地球,假若没有水,地球可能永远是一颗干燥的行星。
  意大利从事外空生物学研究的27个科研小组的协调员克里斯蒂亚诺·科斯莫维奇认为:“无论是生命的诞生还是进化,彗星和小行星肯定发挥了至关重要的作用。最近在小行星中发现了有机分子,也就是构成生物的分子。这些最新发现使人不得不再次重新考虑阿恒尼斯于1907年提出的胚种假说,这种假说认为,正是彗星和小行星这样的天体在地球上播撒下生命的种子,这些天体有点像公共汽车,把有机物质,有时甚至是很复杂的物质,从太阳系的一颗行星运送到另一颗行星上,而且有人认为它们同时还带来了细菌。”
  但是,这位外空生物学家补充说,巨大无比的陨星也造成了真正的自然灾难,真是祸从天降。“一方面,这些现象导致许多生物物种比如恐龙的灭绝,但恰恰也因此同时促进了生命形态的发展,例如恐龙的灭绝使哺乳动物繁衍得更快,然后是人类的兴盛。”

RNA和DNA:生命的链条
  有的生物,除了维持自身的存在之外,还能繁衍几乎和自己一样的后代。这种既保存自身又能复制自身的能力,构成生命和物质的本质区别。然而,生命只不过是由像碳和氮这样普普通通的原子构成的,如此平常的元素怎能肩负起创造千姿百态的生物的重任呢?
  意大利帕多瓦大学生物学家、研究细胞起源的学者马蒂诺·里佐蒂说:“事实上,最大的疑问是要搞清有机分子如何变成由蛋白质、脂肪或类脂化合物、糖和核酸(RNA和DNA)构成的完整细胞,细胞的各组成部分完美结合,相互之间又能够发生适当的作用,目前有三种理论可以解释这一进程。理论之一是建立在类脂化合物具有结合能力上。事实上,这些分子在有水的环境中能自发形成不断成长的小球体,当这些小球体的大小达到一定规模后,可能发生分化,从而产生两个更小的球体。如果其他分子同类脂化合物相结合,那么这个进程就可以解释一些与细胞类似的结构的成因。第二种理论则以核酸(特别是RNA)对一些化学反应具有促进作用为依托,时至今日,一些化学反应仍然是生命进程的关键。第三种理论的出发点是蛋白质,其基本成分氨基酸在温热的原始海洋中很容易形成,然后聚合起来,形成一些被称为显微球的复合物,它们呈现出细胞的典型特点。”
  但是,澳大利亚阿德莱德大学的物理学家、著有多部有关生命和宇宙起源畅销书的作者保罗·戴维斯则认为,上述解释难以令人信服。他指出:“问题的关键不是细胞的所有组成部分是如何形成的,而是它们如何结合成一体。我们距离揭开生命之谜还差得很远。”

载着生命种子的天体碎片:一个十分引人入胜的假设是,是袭击地球的一颗 小行星把原始的生命形态带到了地球。

两个“巨大的”分子:RNA是一种分子,它由一个核糖和一个磷酸分子交替形成的单元构成,这些单元通过基质相互连接形成一个长链。DNA有两条螺旋链,每条螺旋链类似于RNA。RNA的糖组成元素是核糖,DNA的糖组成元素则是脱氧核糖。

漆黑一片的深海中的秘密
  世纪70年代末以来,海洋学者乘坐潜水器考察了大洋中脊和裂谷,他们在太平洋的海底山脉附近和加拉帕戈斯海岭发现了一片广阔的区域,从那里的洋底涌出的沸水,温度高达380℃。海洋的冷水由地壳裂隙渗入洋脊内部,变成热海水,它与玄武岩发生强烈的化学反应,将岩中的金属离子比如锰、锌、铜和铁淋滤出来。这种海下温泉还散逸出大量的气体,其中包括甲烷、硫化氢、氢气。温泉口周围细菌大量繁殖,它们通过使硫化氢氧化来获取生命所必需的能量,进行化学合成,形成初级生命物。细菌同其他像“管状蠕虫”、带贝壳的软体动物、螃蟹和虾这样一些更为复杂的生物在此共生着。

    经过实验室验证,这是一个广泛的生态系统,它所处的环境漆黑一片,与以光合作用为基础的陆地环境截然不同。最近有人假设,正是由于这些深海环境导致了地球上生命的诞生。

海洋底生命可能就是这样形成的:氨基酸在蛋白质中聚集,而蛋白质又造就了RNA,接着DNA和原始细胞形成。

  这种假说的可能性已通过在实验室里进行的模拟同样环境的实验得到了证实。当把含有氨基酸(甘氨酸、丙氨酸、天冬酰胺)水溶液的试管在134个大气压、250℃条件下加热6小时后,人们发现,它们形成了一些具有膜质结构的微小球体,直径在1.5‰~2.5‰毫米。科学家由此推断:最初的细胞可能就是产生于这些球体。

30亿年的成长历程
  随着时间的推移,生命在不断地进化,其形态也越来越复杂。在生命发展史上发生的第二次剧变就是核膜,或者称包裹细胞核的膜的出现。细胞是生物体整个“生物系统”的砖石。在核膜内包含有DNA,即含有维持生命和自我繁殖所必需的所有信息的物质。这种保护形态能够使DNA免受外界环境侵扰,使细胞得以生存,并且经受得住环境变化的考验。生命发展史上的第三大剧变就是多细胞生物的出现。

温度达350℃的海底温泉:海洋的冷水渗入地壳的缝隙,当同炽热的岩浆接触时,海水温度升高,当海水再次上升时,同覆盖在火山喷射通道内表面的玄武岩发生反应,这时海水内注入了金属离子。

生命开始出现差异
  细胞慢慢地不断聚集,产生了具备越来越专业化功能的生物体。事实上,这些生物体的细胞在形态上开始出现差异,每一细胞都承担维持生命和自我繁殖所必需的各种功能。有天壤之别的生命形态可能就是这样充斥地球的。然而,如果说生命形态千差万别,那么生物系统的基础却是一样的,每一生物体都有一个传送遗传信息的元素和一个根据这种信息使生命得以维持和传宗接代的系统。如图所示,从左到右,大约35亿~40亿年前在地球上出现的原始生物是单细胞体,它们没有核膜,也就是说“赤裸裸的”,DNA在外界环境下暴露无遗。
  大约26亿年前,生物史上发生了一次革命性的事件。一些类型的叠层石(由既捕获沉积物又沉淀钙质的藻丛所形成的一种层状或穹状钙质沉积物)借助一个原始的光合作用系统开始制造氧气,就像今天在植物中发生的情况一样。但是直到那时,氧气对于生物来说仍然是一种有毒气体。随着氧气浓度的逐步增加,经过一次自然选择,只有那些经受住了氧气存在这一考验的生命形态才得以幸存。16亿年前,地球上终于产生了具备真正核膜的细胞生物,然后,多细胞生物接踵而至。
  在7亿年前,经过30亿年漫长的进化之后,生命形态长到足以用肉眼可以观察到的大小。