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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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1700903285 在化学上，脱氧核糖核酸（DNA）和它的近亲核糖核酸（RNA）都是由糖构成的。两者的基本构件都是一种糖分子，叫做核糖，它由4个碳原子和1个氧原子连接在一起构成五边形环。4个碳原子中每一个都有两个自由的化学键，连接到其他原子或化学元素组。在核糖和脱氧核糖中，在氧原子的一侧，一个碳连接到一个氢原子和另一个碳原子，它们这本身又连接到CH2OH原子团。在核糖中，原子环的另外3个碳原子都连接到氢原子和羟自由基。但是，在脱氧核糖中，碳原子不是与OH羟自由基连接，而是只有一个连接到H。脱氧核糖比核糖少一个氧原子，它也因此而得名。

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1700903287 核酸中的这些基本单位都有些许的调整。在DNA和RNA中，CH2OH基团中最后的一个氢原子被一种键取代，它连接到一种化学名为磷酸基团的物质，这种物质的核心有一个磷原子。磷酸基团的另一边连接到另一个糖环，连接处是一个羟基基团中的一个氢原子。每一个磷酸基团都为两个糖环提供了连接，因此，核酸的核心是由“糖磷酸糖磷酸糖磷酸”这样的链构成的。就其本身而言，这种结构除了当支撑以外，确实很单调，也没什么用。但是，事情却并非这么简单。核酸链除了向上和向下与磷酸基团联系之外，每个糖环还与称作化学基的5个单元中的一个联系，从核酸链旁边伸出来。当然，化学基的数量大大超过5个，就像氨基酸的数量远远超过20种一样；但核酸只用到了五种。所有这5个化学基都是沿着六边形环建立，其中包括4个碳原子和2个氮原子。它们通过把连接到糖环上的一个碳原子的一个OH基团替换为连接到化学基上的其中一个氮原子的连接，而键接到核酸链上的糖环。这五个化学基称为尿嘧啶（uracil），胸腺嘧啶（thymine），胞嘧啶（cytosine），腺嘌呤（adenine）和鸟嘌呤（guanine），而且通常提到它们的时候，只用其首字母。每一个核酸只出现五个化学基中的四个。DNA包含G，A，C和T；RNA包含G，A，C，和U。不过，最重要的是，这些化学基可以在分子中以任何顺序出现。一条DNA链中，其化学特性根本“不在乎”G是靠近A、C还是T。这意味着，每一个核酸所包含的不仅仅是重复同样的糖和磷酸基团，或是同样不包含任何信息的GACTGACTGACT这样的重复。核酸包含有信息。它们所携带的“信息”用四个字母的字母表写在其基干上。这就是基因信息。

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1700903289 只要字符串足够长，就能用四个字母的字母表（或代码）写出任何讯息。其实，只要两个字母，就能写出任何讯息。比如电脑就是使用二进制代码，即一连串的1和0，描述所有的信息。此前，我们打过一个比方，拿26个字母所写的《宇宙传记》这本书，和蛋白质用21种氨基酸字母所写的信息作过对比；我们或许也同样可以说，本书是用二进制代码写的，因为这就是撰写本书的时候所用的计算机实际使用的代码。既然用一连串的0和1就可以传达一本书所有的信息，甚至比书中更多的信息，因此用一连串的G、A、C、T和U也能做到这一点（这里传递的是遗传密码）。

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1700903291 对于细胞迷人的细节——比如细胞内的分子机制，生命信息如何储存在DNA的基因编码中，如何借助RNA转录，制造氨基酸，然后再由氨基酸组装成蛋白质等——此处尚不是探讨这些的时候。73但是了解了DNA的确能够携带遗传密码这一点就足够了，可以让我们知道，要是想寻找可能是生命的先兆的分子，我们不应仅仅去寻找氨基酸和氨基酸的基本构成物质，还应该去寻找核糖以及构成核糖的物质。射电天文学家确实一直在寻找这样的生命基石，而且在进入21世纪后的最初几年中，他们已经发现了这样的物质。

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1700903293 具体来说，他们发现人马座的星际云的无线电频谱具有这些物质的痕迹，其光谱对应的是一种称作羟乙醛（CH2OHCHO）的糖。这些星际云距离地球2.6万光年。74在这些星际云的温暖地区以及寒冷地区（温度低到8K），都检测到存在有大量的这种糖。它之所以能形成，可能是在新的恒星形成时的震荡波穿越这些星际云，提供了所需的能量，使得相应的化学反应得以发生。很显然，那些化学反应还并不止于此，因为观测还揭示出，同一星际云中还存在乙二醇。乙二醇是一种由10个原子组成的分子，是在羟乙醛的基础上增加了两个氢原子，比cyanoPentacetylene更有趣。这是在宇宙空间已经发现的最大的分子，是最常见的防冻剂中的活性成分。

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1700903295 发现羟乙醛也具有双重意义。从总体上看，这为我们提供了另一个例子，说明现在在太空中发现的分子，与实验里专门设计用来合成前生物分子的试验中所获得的，是一样的分子；尤其是，尽管羟乙醛是围绕两个碳原子构成的核心构建的，但是众所周知，它随时可以与三碳糖反应，形成核糖。迄今所有的证据都表明，银河系里各处的巨分子云中发生的化学反应都是相同的，正是这些化学反应，导致产生了包括氨基酸和核酸在内的复杂生物分子。剩下的两个问题是：

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1700903297 巨分子云中的复杂性演化能走多远？

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1700903299 以及

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