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1700903235 单是哈勃太空望远镜就已经发现了数以百计的原行星盘。这里我们仅举几例，以说明在太阳系年轻的时候，存在过怎样的条件。总体而言，仍然拥有这种原行星盘的恒星的年龄范围在几千万年到几亿年之间，此外，光谱研究表明，它们的物质构成和太阳类似（除了氢和氦以及“金属”元素的富集现象）。来自原行星盘的辐射的其他性质表明，它们不是星际云那种类似“香烟烟雾”的尘埃，而是在某种程度上已经经过了处理，大概是形成了小行星体，后又经过相互的碰撞形成了“第二代”的尘埃。从一些恒星星系发出的红外辐射[包括维加星——即天琴座（Lyrae）的α星，在中国被称为织女星，它是天琴座最亮的恒星]显示，这种尘埃颗粒的典型尺寸约为10微米（千万分之一米）。灰尘本身的质量当然远远低于整个星盘的质量，因为有大量的氢气不断流失到宇宙空间。对于绘架座β星来说，其周围星盘中灰尘的质量似乎相当于地球质量的100倍。

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1700903237 对原行星盘所作的观测中，最激动人心的发现是表面星盘中似乎存在行星。我们已经提到，一些星盘的扭曲方式就好像是存在行星一样，另外一些星盘内部则存在空隙，区域大小与太阳系相仿。这类星系中最便于我们研究的是年轻的恒星北落师门周围的星盘。该恒星的年龄大约是两亿年左右，质量是太阳的两倍。相对于从地球上看过去的视线，该星盘是倾斜的，这使得我们能够直接研究其中心恒星的运行方式，我们发现该恒星并不是位于星系中心，而是偏向星盘的一边，表明它受到几个大行星重力的影响。北落师门距离地球只有7.7秒差距（25光年），因此利用哈勃太空望远镜这样的仪器比较易于观测研究。在整个尘埃星盘中，拥有一个非常清晰的带，或称作环，宽度为25个天文单位（地球到太阳距离的25倍）。依据其清晰的内缘测量，该环的直径为266个天文单位。这是太阳系最外围行星海王星轨道直径的9倍。圆环的中心距离北落师门星实际的位置有15个天文单位——偏离了22.5亿千米，相当于海王星轨道半径的一半。这一效应绝对不算小了。圆环偏离的值如此之大，而且其内缘非常清晰，表明恒星附近有行星运行，吸走了星盘内部的物质。圆环本身可能代表了北落师门星系形成的早期阶段，相当于太阳系的柯伊伯带。柯伊伯带是太阳系形成过程中遗留的冰块等物质构成的。

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1700903239 证明有行星存在的另一个线索是星盘中所有的尘埃似乎温度都很低。星盘中的摩擦必然会使一些尘埃颗粒向内漂移，靠近中心的恒星，在那里它们会被加热，并产生相应的辐射。而观测并没有发现这种热的尘埃，意味着在某些情况下（如在织女星周围）这些向内漂移的尘埃被某种物体吸收了。而所谓的“某种物体”，除了是行星，很难是别的什么东西。

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1700903241 绘架座β星可以看作这种系统的一个原型，如果距离中心恒星1到20个天文单位有一个物体绕它运行，质量在6到6000个地球质量之间，就可以解释星盘的变形。此外，这一星盘的厚度表明，里面一定有一个固体物体，直径至少有1000千米，在里面运行并搅拌它，否则它一定会变得像土星环一样薄。哈勃太空望远镜的继任者[有时也称为“下一代太空望远镜”（theNext Generation SPaceTelescoPe，缩写NGST），但其正式的名称是“詹姆斯·韦伯太空望远镜”，定于2011年发射]应该能够观测像木星这样的行星所造成的星盘中的空白区域。但是，这真的只能是意外的惊喜，因为我们已经知道“木星”存在，而且我们也知道原行星盘存在。我们还知道在这些尘埃盘内有小行星体，因为尘埃颗粒的光谱性质表明它们是第二代的微粒。很容易看出来，一团冰冷的石头可以由引力聚集在一起，形成像地球这样的行星。所以，地球这样的行星如何形成这一问题就可以归结为在星际云中像香烟烟雾一样的灰尘颗粒如何能结合在一起形成小行星体。

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1700903243 这里的关键词是“黏结”。在真空（或接近真空）的空间，微小的尘埃颗粒相互碰撞时，往往会反弹开，而不是粘合在一起。直到最近以前，天文学家们一直采用一种一厢情愿的想法，含糊其辞地说尘埃粒子可能在某种方式下，如果一颗粒子从另一颗的身后慢慢接近它，轨道几乎相同，轻轻地撞上另一颗，那么它们就有可能黏结在一起。但还有另一个因素也必须考虑到。在形成行星系统的分子云中，最常见的一种化合物可能是水。绝大部分的元素是氢和氧，不过氧的含量远远低于氢。但氧却是最丰富的“金属”，也是除了氢和氦之外第三种最常见的元素。由于氢和氧急于结合形成水，因此在形成行星的星云中，必然有大量的水蒸气。但是却不会有任何液态水。在接近真空的宇宙空间，以微米计的尘埃颗粒的温度不到几十K，水蒸气会直接凝聚为冰。在地球上的实验室中模拟宇宙空间的环境进行的研究表明，在这种情况下，水分子的一端带有正电荷，另一端带有负电荷，它们会排成一队，使尘埃微粒周围的整个冰都发生极化。这会产生电磁力，将冰冷的尘埃粘在一起，就像磁铁可以把铁质物体粘到一起的效应一样。

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1700903245 此外，这种冰和我们放到饮料中的冰相比，还有一种性质也不一样。因为它是由蒸气状态直接凝结为小颗粒的，因此它的结构更像雪片，而不像冰块。因此，每一个固体微粒（主要是碳和硅化合物）的周围都会包着一层松软的外壳，就像是减震器，能够缓冲微粒彼此撞击的力量。在这种缓冲作用下，撞击产生的反弹力会变弱，而电磁力将足以将粒子粘结在一起。美国太平洋西北国家实验室进行过一系列的实验，表明微型陶瓷球（直径为十六分之一英寸，约为0.16厘米）在落到普通冰块上时，反弹的高度是坠落高度的48%，而同样的球落在由水蒸气用40K的温度凝华成的冰上，反弹的高度只有坠落高度的8%。

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1700903247 在我们现在所观测到的年轻的行星系统周围的寒冷的尘埃盘中，这种“蓬松冰”的缓冲效果特别好。在温度更高的轨道更靠近恒星的区域，如类地行星形成的区域，类似的电效应会发生在硅酸盐颗粒上。无论是哪种方式，一旦最初的微粒发展到适度规模，它们就会通过引力彼此吸引，在大约10万年的时间里，发展成直径超过1千米的物体。正是这些物体（以及更大一些的物体）相互碰撞形成了原行星盘中的第二代尘埃。

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1700903249 在引力作用下，直径1千米或更大的小行星体变成像地球这么大的星球也许只要5000万年，相对于太阳系的年龄而言，这不过是一眨眼的时间。这一过程中有一个很小的秘密，这里暂时没有必要详细说明了。但它确实会引领我们去面对宇宙中的最大奥秘——地球上生命是如何出现的，以及宇宙中其他地方是否有生命？

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1700903254 宇宙传记 [:1700902367]

1700903255 宇宙传记 第九章　生命起源自何处？

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1700903257 大家都知道生命是什么，但是词典或教科书中却没有完全令人满意的关于“生命”的定义。对我们当前的目的而言，有一个暂时能用的定义，它强调生命要从周围的环境获得能量，建立复杂的分子，并能够生长繁殖。生命总是要从外部“获取”能量——对于地球表面的生命而言，这一能量的来源当然是太阳。对生命更复杂微妙的定义还强调，生命总是与远非化学平衡的系统有关。例如，由于生命过程的参与，地球大气富含氧气，这是一种具有高度活性的气体。这可算不上是化学平衡。如果地球上没有生命，氧会迅速锁定在稳定的分子中，例如水和二氧化碳。71地球的邻居金星的大气就很稳定（即平衡），富含二氧化碳。这是令人信服的证据，表明该星球上没有生命。直到最近之前，人们一直认为，生命形成过程基本上所有的步骤都发生在地球形成后不久。但是现在有一个事实已经很清楚了，至少生命形成的第一步——从周围的环境获取能量，建立复杂的分子——发生在（而且至今仍在进行）恒星形成的尘埃和气体星云中。就像恒星外层的原子一样，通过光谱也可以分析出宇宙空间的分子是什么。但关键的区别在于，由于这些分子更大，它们发出的不是可见光，而是波长更长的辐射，处在红外和无线电的波长范围内。由于直到20世纪下半叶之前，人们尚未有探测宇宙空间中的这种分子的技术，而且没有人曾想到那样的地方会存在这样的分子，因此也就没有人尝试去寻找。在太空中第一次发现分子，是在20世纪30年代，因为它们易于被发现。但是，它们很难算得上是化合物——它们只是碳和氢简单的结合（甲烷，CH），或是碳和氮的化合物，称为氰自由基（CN）。直到1963年，人们才确定另一种化合物——羟自由基（OH）；但是第一个真正戏剧性的突破是在1968年时作出的。科学家发现在银河系的中心，有氨所释放的物质，一种由4个原子构成的分子（NH3）。正是这一发现，激励更多的天文学家去寻找宇宙空间更复杂的分子。这种激励之所以必要，是因为在大多数情况下，研究者首先要确定寻找什么，然后在地球上的实验室中测量相应分子的光谱，他们才能有机会判明星际云物质发出的无线电频谱中所蕴含的信息。他们很快就发现了水分子（H2O），接下来是真正让这一研究趋势进行下去的有机分子甲醛（H2CO）。

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1700903259 这些发现让生物学家们松了一口气。化石证据表明，生命（单细胞生命）已经在地球上存在了近40亿年，距离地球形成只有不到10亿年。要想让简单的元素，比如二氧化碳和氨，变成像蛋白质或DNA这样的东西，几亿年的时间似乎都不大够。但是，如果在地球温度降低的时候，复杂的有机分子就已经存在了，那么生命出现的速度那么快就不太令人奇怪了。在过去的几年中，天文学家还在其他星系中发现了这类分子，表明它们在星际空间普遍存在，而不是仅限于银河系。

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1700903261 顾名思义，有机化合物和生命密切相关。所有所谓的有机分子都含有通过化学途径结合在一起的碳原子和氢原子，并在大多数情况下，它们还和其他的原子结合。最初，在十九世纪的时候，有人认为，这种化合物只与生命有关，“有机物”因而得名。但是，后来人们弄清楚了许多有机分子可以人工合成，有机化学几乎就与“碳化学”成了同义词。但是，这并不意味着有机化学和生命之间不存在联系；尽管并非所有的“有机”化合物都与生命有关，但所有生命过程都和有机化合物相关。

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1700903263 碳对于生命来说非常重要，原因有两个。首先，每一个碳原子都能够产生4个单独的链接（化学键），同时结合其他原子，包括其他碳原子。除了在几个较为特殊的情况下，任何原子最多也就能拥有的这些数量的化学键，所以碳能够与大量的其他原子键合在一起，而且能作为核心，与许多不同的原子结合成复杂的化合物。72碳之所以如此重要的另一原因在于它比较常见。在宇宙中，重子物质除了氢和氦等占大部分的元素外，最常见的元素是氧，其次是碳，两者都是在核合成过程中形成的。令人惊喜的是，碳原子在键接到其他4个原子的时候，不必用尽所有4个化学键。它们还可以形成双键（甚至是三键），例如，两个碳原子可以各自使用两个键，通过双键相互组合在一起，这样每一个还有两个自由键与其他原子结合。碳原子还可以形成长链，像脊椎一样互相联系起来，其他原子和原子团则黏结在两侧；它们甚至可以构成环（最常见的是6个碳原子“手拉手”连成环），其他化学物质则连接在其周围。因此，碳原子既常见，又“急于”与其他原子形成化学键。这样看，似乎星际空间和恒星周围应该不可避免地有大量的碳化合物——有机化合物，而星光的能量（包括红外和紫外辐射），可驱动产生有趣的化学反应。

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1700903265 到2005年，研究人员已经在太空中发现了超过130种分子，其中大多数都在恒星（和行星）诞生的巨大分子云中。这些分子包括简单的双原子分子，如一氧化氮（NO）和一氧化碳硅（SiO），还包括3个原子的化合物，如氰化氢（HCN）和二氧化硫（SO2），4个原子的氨和乙炔（Hc2H）和5个原子的蚁酸（HCOOH，蜜蜂蜇伤和荨麻中的活性成分），以及我们这里最感兴趣的较大的有机分子。大小并不代表一切，迄今为止在宇宙中发现的最大的分子，是一个由11个碳原子构成的串，一端是一个氢原子，另一端则是一个氮原子。它被称为cyano Pentacetylene，化学式是HC11N。而论及生命，复杂性和大小一样重要，而且如果找到比HC11N更小的分子，但其中包含更多的原子，它们以更有趣的方式排列，则更有意义，也更令研究者兴奋。我们所谓的“有趣的”分子，当然是那些能被用来作为构成生命的建筑构块的分子；生物化学家把生物分子分开，弄清楚分子的结构，这样就能够确定哪些分子属于此类。

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1700903267 有两种生物大分子是地球上的生命的基础。蛋白质为我们的身体提供结构（包括头发、指甲，以及肌肉等），而另一种称为酶的蛋白质家族，则直接控制人身体内的化学反应。核酸（其中还包括著名的DNA，脱氧核糖核酸）含有编码，能够告诉细胞工厂如何制造不同种类的蛋白质。这两种分子都有一个共同的重要特点——他们都是由长链分子构成的，其中分子的次单位都是由化学键组织在一起形成一种结构，其中包含了大量的信息。而且这里所谓的长也是有根据的——一个碳原子的重量是12个单位，蛋白质的分子量则从几千到几百万单位不等。

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1700903269 在蛋白质中，分子的亚单位是称作“氨基酸”的分子。以同样的尺度测量，氨基酸本身的重量一般很少超过一百个单位，这样我们就能看出要想构成一个蛋白质，需要多少氨基酸。氨基酸对于生命的重要性，从一个事实就可以看出：地球上所有生物材料的总质量中，氨基酸的质量占到一半。使氨基酸具有各自的名字的化学单位，是围绕一个单一的碳原子构成的。碳原子的4个化学键中有一个连接到一个单一的氢原子，一个连接到一组3个相连的原子，称为胺组（NH2），还有一个连接到羧酸组（COOH）——由此得名“氨基酸”。第4个化学键可以自由地与另一个碳原子连接，而那个碳原子则有3个化学键可以与其他的原子连接。

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1700903271 显然，氨基酸可以有大量的形式，而且其中很多形式实际上是在实验室里制造出来的。但是，地球上生物中所发现的所有的蛋白质，只不过是由20种氨基酸的不同组合构成的。我们所了解的万物，竟然是使用相同的20种建筑构建构成，这是一个强大证据，它间接表明，地球上所有的生命应该有一个单一的来源。我们都是某一共同祖先的后裔，虽然我们不能排除地球上很久以前也存在着一些完全不同的生命形式的可能性，然而即使它们存在过，它们也没有留下任何痕迹，或任何后代。蛋白质毫无疑问是生命分子，虽然我们不能说一个孤立的蛋白质分子是“生物”。在周围的世界里，我们找不到非生物化学产生的蛋白质。但是在自然界却可以找到两类氨基酸，一些对于生命无比重要，另一些对生命来说却没有用。从这个意义上讲，氨基酸并非“生命”分子。把非生命物质变成生命（无论是哪种生命形式）的诀窍，似乎是在从氨基酸产生蛋白质的过程中。而且这个小把戏还和蛋白质与氨基酸相比其复杂性大大增加这一事实有关——蛋白质含有大量的信息。

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1700903273 这一点既适用于构成你的头发、肌肉和其他身体结构的长链蛋白质，也适用于蜷缩成小球的蛋白质链，即所谓球状蛋白质酶，它的作用是促进一些对于生命很重要的化学反应，并抑制对于生命有害的其他化学反应。把存储在蛋白质中的信息看作是沿蛋白质链，以氨基酸的顺序编码存储的信息，就特别容易理解，因为生物用来编码的氨基酸的数量是20，很接近英语中26个字母的数量。我们很容易理解用一套26个字母（外加几个标点符号）就能传递大量信息的做法，只需使用一些字母组成的长链，实际上也不用太长就行，只不过这样的链要被切断分开变成纸页上的行。同样，蛋白质可以被看作是用20种氨基酸字母写的信息。正是储存在这样的蛋白质中的信息，使某种蛋白质链适合成为头发的一部分，另一种则适合在血液中携带氧气。不过我们在这里不想不厌其烦地叙述生物分子如何起作用，我们现在感兴趣的是那些生物分子（尤其是第一批这样的分子）是如何产生的。我们现在已经知道，一旦有了氨基酸，离生命就只有一步之遥了。因此，下一个关键的问题是，氨基酸从何而来？

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1700903275 构成蛋白质的20种氨基酸自身几乎完全是由氢、碳、氧和氮（这是宇宙中除了不活跃的氦以外4种最常见的元素）原子以不同的方式组合构成的。只有古怪的硫原子会出现在少数几种氨基酸中。因此，在20世纪20年代，英国生物学家霍尔丹（J.B.S.Haldane）和苏联科学家奥裴林（AlexanderOParin）各自独立提出，在地球年轻时，来自地球的热能以及闪电能可能会催化化学反应，导致从水和化合物（如甲烷和氨）形成氨基酸。自20世纪50年代以来，人们进行了许多实验来检验这种想法。在实验中，使用密封的容器，内有各种各样的“大气”，将这种气体置于电荷、紫外线辐射和其他能量的作用之下。如果等待的时间足够长，这样的实验的确可以产生一种黑色的东西，里面含有氨基酸，其中包括能够构成蛋白质的氨基酸。但是，这并不能证明，生命演化的第一步是发生在地球上。事实上，现在在太空中发现了丰富的分子物质，表明原始的地球拥有丰富得多的化学成分，用以开始生命的化学过程。

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1700903277 如果让一个实验化学家合成氨基酸，他不会从一壶水、甲烷、二氧化碳和氨开始，再对其施加电闪雷鸣的作用，并等上好几个月。他会使用像甲醛、甲醇和甲酰胺（HCONH）等，以使合成过程更便捷迅速。这些在实验室中合成氨基酸所需的所有的试剂都已经在巨分子云（GMCs）中发现。至少，这意味着地球形成之后，很快就拥有了这种材料（稍后我们将讨论究竟多快）。此外，巨分子云中很可能也存在有氨基酸。事实上，有人在2003年宣称从巨分子云中探测到了一种最简单的氨基酸甘氨酸。但是，在2005年，对该报告进行了一份详尽的后续研究表明，通过比较实验室重新测量的甘氨酸辐射表明，该结论是错误的。然而甘氨酸（其化学式是NH2CH2COOH）是一种相对简单的分子，如果进一步的搜索发现巨分子云中存在甘氨酸也将毫不奇怪。

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1700903279 最新的进展显示，一些已知少量存在于气体和尘埃星云之中的重要的有机分子，现在已确定在年轻恒星周围的尘埃圆盘中也存在，且密度要高得多。例如，在lRS46星系中，其距离太阳系为约375光年，它包含的氰化氢的浓度就比星云气体中的浓度高1万倍以上，乙炔浓度则相似。这一发现的意义在于，在实验室中把氰化氢、乙炔和水混合在一个容器内，里面如果有合适的表面使分子能够产生，它们就会产生种类繁多的有机化合物，包括氨基酸和一个DNA基腺嘌呤（见下文）。lRS46星系的尘埃圆盘的范围距离中心恒星不超过10个天文单位，相当于太阳系内的土星轨道以内的范围。

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1700903281 我们可能暂时还没有在太空中发现蛋白质的构成材料，但我们已经发现了这些构成材料的构成材料，这比从水、氨和二氧化碳出发前进了一大步。此外，如果我们研究一下生命分子的另一种基本构件核酸，会发现前景同样令人振奋。

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1700903283 像蛋白质一样，核酸也是长链分子，由许多亚单位沿一条线连接构成，就像项链上的珠子一样，其他化学物质则结合在两侧。但是，核酸中的次级化学单位要比氨基酸中的更简单，而且和对生命具有重要意义的20种氨基酸相比，其种类也较少。在很长一段时间内，这一情况骗过了生物化学家，让他们误以为核酸对于细胞的作用不如蛋白质重要——也许只是起到对蛋白质分子的一种支撑作用。但是他们错了。

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