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适者降临：自然如何创新 [:1700254199]
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适者降临：自然如何创新
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适者降临：自然如何创新 有 一个你在家里就可以尝试的实验。找一个容器，往里面装一些小麦，拿旧的内衣裤封住容器口，然后等上大概20多天，你就会发现容器里出现了老鼠，有新生的幼鼠，也有长大的成鼠。这个现象是由17世纪的医生及化学家扬·巴普蒂斯塔·范·海尔蒙特（Jan Baptista van Helmont）首先发现的。他还发现，在阳光照射下，两块砖之间的罗勒叶能够生出蝎子来。
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范·海尔蒙特并不是“自然发生说”的首创者，这个学说的起源至少可以追溯到亚里士多德，然而他的确是这个学说最后的拥护者之一。时至今日，任何声称小麦和旧内衣裤相互作用之后能够产生生物的科学家都会被打上“妄想狂”的烙印，但是在范·海尔蒙特的时代，他粗糙的实验和结论却没有为他招来坏名声，相反，范·海尔蒙特于1644年在人们的敬仰中逝世。在“自然发生说”被广泛接受的年代，人们认为范·海尔蒙特的实验只不过是证明了一个显而易见的事实罢了。
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范·海尔蒙特逝世数年之后，一名来自意大利的医生弗朗切斯科·雷迪（Francesco Redi）才向世人展示了这个实验的正确做法。在广口瓶里放上肉块，不消一会儿肉上就会爬满蛆虫，但这些蛆不是由肉块自发产生的：雷迪用一块棉布盖住广口瓶之后，由于苍蝇不能在肉块上产卵，蛆也就没有再出现。
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雷迪的工作加速了“自然发生说”的消亡。在这方面同样功不可没的还有17世纪的荷兰纺织品商人兼镜片打磨师安东尼·范·列文虎克（Antonie van Leeuwenhoek），他发明的显微镜打开了通向微生物世界的大门。曾几何时，由于超出肉眼可见的范围，未知的微生物世界成为“自然发生说”拥护者最后的庇护所。直到18世纪中期，依旧有人认为腐烂的有机质可以产生微生物，这种观点的拥护者不乏像苏格兰牧师约翰·尼达姆（John Needham）这样的社会名流。一个世纪之后，路易斯·巴斯德才证实尼达姆本末倒置了：是微生物引起了有机质的腐烂，而不是腐烂的有机质孕育了微生物。巴斯德通过对肉汤以及肉汤附近的空气进行灭菌处理而使其免于腐烂，给“自然发生说”的棺材钉上了下葬前的最后一颗钉子。
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虽然巴斯德证明了生命的自然发生并不存在，但他以及同时代的其他人都不知道生命究竟起源于何处。在当时，生命起源的问题属于化学研究的范畴，而不是生物学。而19世纪的化学家与那些在20世纪初苦苦思索变异来源的孟德尔主义者，都面临着一个同样的问题：他们生得太早了。那是一个德米特里·伊万诺维奇（Dmitri Mendeleev）还没有发明出化学元素周期表的时代，对生命的化学元素展开研究更是一片大大的空白。由于起源于声名狼藉的炼金术，现代化学经历了漫长的岁月才成为一门受人尊敬的科学。即便如此，哪怕已经进入20世纪，当诺贝尔奖获得者、著名量子物理学家沃尔夫冈·泡利（Wolfgang Pauli）的妻子与一名化学家私奔之后，泡利在一封给朋友的信中仍写道：“她哪怕和一名斗牛士私奔也好啊，可是她却偏偏选择了一个平凡的化学家……”
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在过去的一个世纪里，我们知道了生命体复杂多样的表现型正是“自然发生说”面临的最大困境。如果一个拥有特定氨基酸序列的蛋白质分子都不能自发形成，那一个包含了数百万种蛋白质和其他复杂分子的大肠杆菌又怎么可能凭空出现呢？现代生物化学使得我们能够估算一个大肠杆菌自然发生的概率，在此前提下，复杂生命体自然发生的概率几乎为零。
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不过这并不意味着自然发生在生命出现的早期阶段没有出现过。事实上，早期生命的出现甚至需要自然发生的帮助，只是其产物的复杂程度远远比不上现代的细胞及蛋白质。打个比方，地球上最早的生命就好比牛车上的一个轮子。这个轮子也是经由步步打磨而成，并非一蹴而就。虽然漫漫历史的泥潭已然抹去了这些步骤的痕迹，不过化学家还是觅得了些许蛛丝马迹，这也正是我们本章的主题。化学家不仅说明了早期生命出现的过程，还证实了一个更重要的假说：今天自然界所有生化反应所遵循的原则，与生命出现之前的无异。无论古今，新性状和最适者的出现都需要新的化学反应过程和分子作为前提。
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冥古宙（Hadean Eon），指40多亿年前的地球，也是地质历史的开端。冥古宙的名字取自古希腊神话中的地底世界，早期的地球也的确是一个地狱般的地方。地球诞生之初表面覆盖着炽热的岩浆，大气里弥漫着炙热的浪潮。即便后来表面的岩浆冷却，凝结成坚硬的地壳，地球也不是什么生机勃勃的地方。如果有天外来客拜访过冥古宙时期的地球，它们将看到地球表面遍布无数坑坑洼洼的火山，还有滚烫的蒸汽雨落进原始海洋里。如果不是巨大的大气压（当时大气的密度远远大于现代大气），地球上的海洋早就蒸发干了。
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无须多说，人的身体根本无法承受在这样的大气里呼吸的压力，更别提大气里有致死剂量的二氧化碳和氢气。另外，抱头找掩体也是个好主意，因为在一个叫晚期重轰炸期（Late Heavy Bombardment）的阶段，许多巨大的小行星不间断地撞击着原始的地球。如今，地球上大部分小行星的撞击痕迹已经被地质运动抹平，但你依然可以在夜空的月亮上看见巨大、阴森的环形山。通过岩石中含有的化学时钟，即随着时间推移稳定衰减的放射性元素，比如铀元素，我们就可以推算出这些小行星，乃至地球的年龄。
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地球早期历史中最惊人的莫过于最恶劣的时期过去之后，生命出现的速度，这开始于大约38亿年前。在之后的大约4亿年间，地球上出现了迄今为止发现的化石证据中最古老的微生物。西格陵兰岛（West Greenland）岩层中的碳氢同位素指示出，在38亿年前左右，最古老的新陈代谢反应已经出现。这意味着生命是利用时间的一把好手，在应当登场的时候毫无延误地出现在了地球上。这样看来，生命以及生命背后驱动新性状出现的动力似乎并不是多么神秘莫测的东西。驱使进化发生的动力本身和生命一样古老。
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地球上生命的起源需要用化学理论来解释，其中最早的理论被称为“原始汤”假说，人们通常认为这个理论的提出者是亚历山大·奥帕林（Alexander Oparin）以及霍尔丹，正是那个在20世纪20年代提出现代综合进化论的霍尔丹。值得一提的是，富有洞见力的达尔文早在他们之前半个世纪就有过类似的想法。在1871年写给朋友约瑟夫·道尔顿·胡克（Joseph Dalton Hooker）的信中，达尔文推测说：“如果有这样一个温暖的小池子（这个如果是多么异想天开啊），里面有各种氨磷盐，另外还有光源、热源和电等，这里的蛋白质能够自动形成继而参与到更复杂的后续反应中。”与此同时，达尔文也告诉了我们为什么如今找不到这种“温暖的小池子”：以如今生物的代谢速度，池子里的成分会立马被现今的生物体吸收以至吞噬殆尽。
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“原始汤”理论一直作为一个假说存在了数十年。直到1952年，诺贝尔奖得主哈罗德·尤里（Harold Urey）位于芝加哥大学实验室的研究生斯坦利·米勒（Stanley Miller），为这个假说提供了强有力的证据支持。在合理推测地球早期大气的主要成分之后，米勒把这些气体密封在一个容器内，以电火花模拟原始大气中的闪电，并用冷凝水模拟降雨。几天过后，许多有机分子——那些通常由生命体合成的成分，出现在了米勒的迷你世界里。这个实验的意义非凡，因为它显示在我们居住的这颗行星动荡不安的年轻岁月里，有机质能够从无机质转变而来。米勒的原始海洋里出现的有机质并不是普通的有机质，而是组成现代蛋白质的原料分子：氨基酸，如甘氨酸和丙氨酸。后续的实验中甚至出现了许多其他组成生物体的物质，包括糖类和DNA的组分物质。米勒实验最重要的意义在于，它把有关生命起源的讨论从哲学思考上升到了实验科学的范畴。
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1969年9月，人们在比1952年米勒模拟的原始地球更恶劣的环境里发现了生命物质。那年9月的某一天，默奇森（Murchison）上空突然出现了一个爆炸的火球，这个有着数百号居民、位于墨尔本北部约160公里的小镇上空犹如出现了第二个太阳。在爆炸发生之后，陨石在空中留下一道浓烟后碎裂成大大小小的碎片，最大的一块落在了一座谷仓里，所幸没有造成伤亡。这起陨石坠落发生在人类首次登月两个月之后，当时的科学家对于任何研究天外来石的机会都心痒难耐。
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在默奇森陨石中，当时的科学家发现了不得了的东西。在来到地球之前，默奇森陨石已经在太空里游荡了数十亿年，它的年龄几乎和地球一样。就是在这块陨石里，科学家发现了数种构成蛋白质的氨基酸，以及作为DNA主要成分的嘌呤和嘧啶。在后续研究中，应用21世纪的分光镜技术进行的分析显示，默奇森陨石中含有超过一万种不同的有机成分。
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默奇森陨石并不是自然界的一朵奇葩，我们有必要知道这一点：在无数其他来自宇宙的陨石中也同样发现有有机物质的存在。幸运的是，宇宙中的分子由于结构不同而存在不同的辐射发射与吸收特征，技术发展到今天，借助极度灵敏的射电望远镜，我们已经不需要等到陨石撞击地球，就能根据波长信号区分出遥远星云中数百种有机成分在不同波段的喃喃细语。实际上，应该说它们简直是在“呐喊”。星云物质中3/4的成分是有机物质，其中就包括类似甘氨酸这样组成生命的关键成分。让人意外的是，星云中数量最多的三原子分子是水分子，这不得不让我们重新思考地球是不是真如我们一直以为的那样特殊。
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组成生命的成分在宇宙中十分常见，不禁让人联想到地球上的生命可能来自宇宙。陨石和彗星，尤其是在地球形成之初撞击地球的那些，它们带来的水是现今地球海洋水总量的10倍，带来的气体则是现在大气总量的1 000倍。不仅如此，它们还带来了星云中丰富的有机分子，这些有机分子起到了至关重要的作用。很可能有10万亿吨的有机碳，甚至百倍于此，从外太空进入了地球。那相当于当今在生物圈中流通碳元素总量的10倍。扫过地球公转轨道的彗星尾部尘埃尤为重要，因为不像需要经历着陆时高温爆炸的陨石，其中许多有机成分会遭到破坏，彗星的尘埃会温和而持续地向地球播撒生命的种子，润物无声。倘若如此，也许宇宙尘埃才是我们真正的母亲。
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生命的成分到底是来自外太空还是诞生于地球，也许我们永远都无从得知。不过，从天文观测中我们还是能得到许多简单而重要的启示。首先，只要环境条件合适，组成生命的物质成分是可以自然发生的。其次，所谓合适的环境并不像达尔文描述的“小池子”那样近在咫尺而又得天独厚。它可以远在数光年之外，也可以像星云那样在宇宙里随处可见。
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