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科学美国人:生命是如何产生的--用科学理论来建造强健的生命观

科学美国人:生命是如何产生的--用科学理论来建造强健的生命观

作者: 望月从良 | 来源:发表于2018-10-04 12:16 被阅读1次

衰老的标志并不仅仅是年龄的增大,而是意识中出现了对死亡的感知。同理,年轻并不仅仅在于年纪小,只要人的意识中,从未体会到死亡辐射出的寒意与冰冷,精神中始终保持着天真无邪,始终相信夜晚的过后太阳依旧正常升起,那么无论他年纪多大,我都觉得他是年轻的。

以此标准而言,我早步入了衰老。我记得某一天,天气明媚,炙热的阳光倾撒大地,整个时空处于一股热浪翻滚的灼热中,走在路上的行人脸面通红,汗流浃背,就连平日调皮好动的狗也完全失去了精力,趴在树荫下无精打采的吐着大舌头,同时艰辛而又大口的喘气。我汗如雨下,步履有如挂了铅块,每迈出一步都得使出吃奶的劲儿,我甚至能闻到空气被阳光炙烤后,发出焦灼的味道。突然间我似乎感觉到一股莫名其妙的寒意,从一个遥远而又深邃的可怕的时空,用比光速还要快的速度穿越几百亿光年的时光隧道,然后,如同一条从空中狠狠甩下的鞭子,出其不意的啪的一声,打到我的后背。就像一颗石块丢入湖面掀起层层涟漪,这股冰冷迅速从后背向全身扩散,我感觉自己就像走在热的要烧出火来的撒哈拉沙漠,穿越了时空的虫洞,一下子跌入了天寒地冻,寒风刺骨的北极圈。豆大的汗珠不断的从额头渗出,我用手一摸,那是一股冷汗。在那一刻,我感觉自己好像在一个无尽的虚空中跌落,这股下坠永不停止,在我周围没有光,只有无尽的黑暗,冰冷,空虚和寂寞,好在没多久我便从这股怪异的体验中恢复过来。

从那以后,我突然觉得,很可能在某个黑夜之后,太阳将不再升起。现在我明白了,在那一刻我突然萌生出死亡意识,在此之前,我从未想过,在生命中不断循环的日日夜夜居然也会有戛然而止的时刻。那是一刻分水岭,我从年轻一步跨入衰老。年幼的时候,爷爷奶奶,外公外婆,叔父叔伯围着我,他们形成一个包围圈,把我保护在里面,防止我被死神射出的子弹所击中。随着我慢慢长大,保护我的包围圈越来越稀薄,先是外公外婆消失了,然后是爷爷奶奶,接着是叔父叔伯,那些原本熟悉的亲人在洪流中慢慢消失,直到有一天我看到满鬓斑白的父母,我终于意识到再也没人站在我前面替我挡住死神的子弹,很快我将直面死神的狰狞,显然我也将中弹倒下,任何人都逃不了这必然的结局。

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很多人诉诸于宗教的慰藉来驱散死亡的冰冷。我倒是较为坦然,我更愿意以客观科学的角度来看待生命的终结,我并不相信宗教所论述的轮回,天堂,地狱,而是接纳尘归尘,土归土,那些组合成我的基本粒子将重现分解,然后组合成其他物质,可能是另外一个人,也可能是阿猫阿狗,也可能是躺在某个角落里,不为人所注意的一块石头。最近在《科学美国人》杂志上发表了一篇文章《How Did Life Begin》,详细讲解了生命如何在地球上出现,读过这篇文章后,我更确信一个流程的终结,只不过是另一个流程的开始。

文章说,对生命起源的审视要从两个极端角度进行。一是从及其微小到DNA层次,一是宏大到无限宇宙的层次。一个横躺在人类面前的疑问是,生命在地球上出现,到底是一件概率极小及其偶然的事件还是自然法则演化下的必然结果?如果答案是后者,那么在其他星球上是否能够容易的形成新的生命形态?如果是前者,那么生命其实是一系列不可能事件相互交织后所产生的一种不可思议的结果。随着天文学,行星研究,以及化学方面的快速发展,原本人们只能在哲学层面对生命本质的思索,很快将由科学理论和实验进行解答。有一种假设是,在宇宙诞生后的138亿年里,银河系曾经多次出现过生命形态,如果这个假设是真的,那么科学家就能从宇宙中提炼生命形成之路的线索。同时生命本质上是有机物通过一系列生物化学反应形成的结果,如果这个过程不复杂的话,那么在宇宙其他地方很可能也出现了生命。

随着技术的发展,我们观测到了一系列系地外行星,这在科学界激起了生命起源的探索热。令人意外的是,最近发现的其他太阳系与我们地球所在的太阳系区别很大,这引发一个可能就是,只有我们这个太阳系才有可能演化出生命。我们想检测遥远行星上是否存在生命形态及其困难,但最近迅猛发展的“生化签名”技术能让人类通过宇宙中及其微妙的蛛丝马迹就能监测到生命形态的存在,如果外太空真的存在生命的话,我们可以在十几二十年内发现他们。

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要想明白某个星球能否有生命,我们必须搞清楚星球的物质成分。科学家设置在智利阿塔卡玛沙漠里的新一代射电望远镜,观测到了宇宙深处的圆形星盘,通过望眼镜得到的清晰图片,科学家可以分析组成星球的物质成分,所谓的原行星盘如下图:

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中间最亮的核心是一颗形成不久的星球,而外层一圈圈的东西,由密度很高的尘埃和气体构成,通过这些信息,科学家可以研究出内核中的星球如何由外围星盘中的气体和尘埃构成。回到我们的太阳系,一个叫罗塞塔的科研团队正试图发射一个飞行器登陆到一颗卫星上,然后从上面采集会样本,并从中分析出,形成地球的物质如何在宇宙中形成。通过在天文学,生物,化学,物理等多个领域的研究,科学家基本上形成了一系列较为可信的生命起源模型。

当前最可信的生命起源模型涉及到一个星球表面的地理化学过程。其基本发展流程如下,在宇宙诞生时,空旷无边的空间中充斥着由星尘和气体混合而成的分子云,当他们被重力压缩后形成被圆形星盘包围着的原恒星:

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圆盘中央的恒星演化成太阳。圆盘中飞速旋转的尘埃与混合着冰块的硝酸盐矿物质结合形成一种大颗粒,这些大颗粒不断的凝聚最后形成了我们的地球:

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由于地球与太阳的距离刚刚好,这使得它既不是很冷,也不是很热,于是液态水能够出现在地球表面。地球刚形成时,被海洋所覆盖,仅存的陆地是活火山,它们喷发的火山灰在洋面上形成岛弧:

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降雨在这些岛弧上形成了湖泊,这些湖泊成为生命起源的初始环境。那时地球没有氧气,大气层主要由氮气,二氧化碳,以及少量的氢气,水和沼气组成。闪电,小行星撞击,太阳发射过来的紫外线等共同作用在大气层上产生了一种叫氢氰酸的物质:

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下雨时,雨水把氢氰酸带入到火山口形成的深水湖,在岩石中流动的水又把石头中的铁原子带出来与氢氰酸产生化学反应,产生了一种叫氰化铁的物质,这种物质长年累月的积攒在一起,形成了一种活性化学物质:

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生命的产生需要由RNA来指挥蛋白质组合成有机体,有些科学家认为RNA就是由前面所说的活性化学物质在当时环境的各种作用力的推动下演化出来的。这些活性化学物质在与当时环境各种因素复杂的相互作用下,慢慢形成了核苷酸,他们聚集在一起就形成RNA链条,这个过程大概是这样的:

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如上图,在炎热的环境下,强力紫外线促使氰化物衍生物逐渐转换为单糖。然后在水中的硝酸盐催化作用下,氰化物衍生物和单糖发生化学反应,两种分子以特定结构组合在一起。在紫外线和硝酸盐的作用下这种结合持续进行,最后形成了RNA核苷酸,而RNA是衍生一切生命形态的种子,其过程如下图:

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最后脂肪酸在偶然的情况下组合隔膜,并把RNA链条装在里面。随着隔膜吸收越来越多的脂肪酸达到一定程度后,就会产生分裂,同时隔膜内的RNA在化学作用下,自我复制,新复制的RNA会装入到新分裂出来的隔膜中,这种分裂不断进行,于是有机体的生命形态就慢慢演化出来:

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由此科学家就猜想,如果其他星球向地球一样,既不是很冷,又不是很热,那么它会不会也能产生相应的化学反应最终促使生命形态的出现呢?1950年科学家做了一个极为经典的米勒实验,他用水混合一些非常简单的化学物质,并在试管中压入有甲烷,氨气,以及氢气混合成的气体,用于模拟地球早期的大气环境,并时不时往试管中加入电脉冲,用于模拟闪电,结果过了不久,用于构造蛋白质的基本材料氨基酸就生成了。然而构成生命的其他重要分子结构,科学家还无法在实验室中直接合成,但该实验还是极大的改变了科学家原来对生命起源的认知,既然构造RNA所需要的有机物并不难出现,那么揭开生命形态形成的秘密,就取决于了解RNA在生命形成过程中到底发生了怎样的重要作用。

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RNA作为一种长分子结构,在现有的生命形式中发挥了关键作用。它不仅仅是一种生化酶,它还能存储和传递生命体的信息。最重要的是,合成所有生命体的蛋白质是在RNA核糖体的催化作用下形成的,细胞接收RNA发送过来的指令,然后在内部按照指示去构建蛋白质分子。

如今科学家搞不懂的是,在地球生成早期是如何通过一系列化学反应使得RNA得以出现的。有些科学家猜测,生命最早期时是以简单分子形态存在的,后来才慢慢演化出RNA,而一部分科学家则聚焦于研究生成RNA的化学流程,一旦这个流程解开了,生命起源的问题就会得到重大进展。现代科学倾向于认为,RNA的起源来自于火山口或陨石坑产生的地质’化学反应,在这些区域发生了复杂的有机化学反应,然后形成了多种RNA出现前的,中间形态的有机物,这些有机物长时间堆积在一起,当环境发生变化,在某种机缘巧合的刺激下,他们组合成了生命体。即使能够揭开RNA的形成之谜,科学家还得搞清楚RNA如何在原始细胞中实现自我复制,现在科学家正在查找RNA自我复制所需要的能量来自哪里,当这些关键问题解决之后,科学家就能在实验室中构造出基于RNA,能够自我复制并且进化的细胞,进而把生命演化的全路径在试管中重现。

上面所描述的基本上是冰冷冷的科学,与我们在思考生死时所引发的复杂情感完全不同,科学基于客观事实以及毫无情感温度的数据,它不像宗教或信仰,能给我们人文关怀或心灵慰藉,它不能在我们感觉到最柔弱时给你安慰,给你一个温暖的怀抱,反而他会无情的把你推开,并告诉你,你只不过是一些列蛋白质的合成而已。但就如鲁迅所说,真的勇士,敢于直面血淋淋的事实。我们既然是由蛋白质组合而成,那么生命完结后也会分解成一堆蛋白质,最终消弭在大自然中。但倘若我们能充分的意识到,我们出现在这个世界上,是由一系列不可思议的生化流程导致的,那么我们有理由对自身的出现感到倍加珍惜,也能更加谦卑,因为我们与花草树木,阿猫阿狗并无太大区别,如果人能在宗教设计的超时空轨道里轮回,那么那些阿猫阿狗为何就不能如此呢。

我们在活着的时候,好好过好每一天,当生命终结之后,就交给这个宇宙来处理吧,毕竟我们是由他创造的,自然也只能由他来回收。

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