在我们居住的这个美丽的浅蓝色星球上,繁衍生息着十几万种微生物,30多万种植物和100多万种动物,那么人们不禁要问,如此丰富多样的生物最初是从哪里来的呢?
科学家研究发现,今天我们地球上的生物,无论大小,都是由细胞组成的,细胞里与生命活动有关的主要是一些结构复杂的生物分子,这些生物分子是怎样起源的呢?故事得从地球的诞生讲起。
那是在大约50亿年前,宇宙中一团弥漫的缓缓转动的气体尘埃云形成了原始太阳系。到了47亿年前,原始太阳系里一些气体尘埃云又凝聚形成了最初的地球。刚刚诞生的地球十分寒冷、荒凉,没有结构复杂的物质,当然也不会有生命。生命是随着原始大气的诞生开始孕育的。
在早期太阳系里,一些处于原始状态的天体频繁和幼小的地球相撞,这一方面增大了地球体积,另一方面运动的能量转化为热能贮存在了地球内部。撞击不断地发生,地球内部蓄积了大量热能。地球的平均温度高达摄氏几千度,内部的金属和矿物变成了融融的炽热岩浆。岩浆在地球内部剧烈运动着,不时冲出地球表面形成火山爆发。在原始地球上,火山爆发十分频繁。随着火山爆发,地球内 部一些气体被源源不断地释放出来,形成了原始大气。不过,这时的地球上仍然没有生物分子。
在以后的岁月里,由于日积月累,原始大气中的水蒸气越来越多,地球表面温度开始降低。当降低到水的沸点以下时,水蒸气就化作倾盆大雨降落到了地面上。倾盆大雨不分昼夜地下着,形成了最初的海洋,这为生命的诞生准备了摇篮。
那时地球表面的温度仍然很高,到了大约36亿年前,海水的温度已降为80℃左右,然而在此之前,原始生命就已悄悄孕育了。
生命的诞生与原始大气十分有缘。据推测,原始大气的主要成份是一氧化碳、二氧化碳、甲烷、水蒸气、氨气。这些简单的气体分子要想成为生物分子,就必须变得足够复杂。合成复杂物质是需要消耗能量的。
值得庆幸的是,在原始地球上有各种形式的能量可供利用。首先,原始大气没有臭氧层,阳光中的紫外线可以毫无顾忌地进入大气,这为地球带来了能量。其次,原始大气中会出现闪电,闪电是一种能量释放现象。再次,原始地球上火山活动频繁,火山喷发可以释放大量热量。
简单的气体分子在吸收了能量之后,它们会变得异常地活泼,进而产生化学反应,形成复杂的(生命)物质。美国的科学家米勒是第一位模拟原始地球的大气的条件,成功地合成出复杂(生命)物质的科学家。
第二集 生命怎样诞生
米勒设计了一套玻璃仪器装置。球形的玻璃容器里模拟的是原始地球的大气,主要有氢气、甲烷和氨气。在实验过程中,需要把烧瓶里的水煮沸,这模拟的是原始海洋里的蒸发现象。球形的电火花室里外接有高频线圈,使电极可以连续火花放电,这模拟的是原始地球大气中的放电现象。放电进行了一周,让米勒惊喜的是,实验中产生了多种氨基酸。
氨基酸和核苷酸是动植物体内普遍存在和最最重要的两种生物小分子,它们是建造生命大厦的砖块和石头。
由不是生物体基本结构单元的无机小分子演变为生物小分子,这无疑是生命进化过程中至关重要的一步,但是呢,由于生物小分子毕竟过于简单,只有它们演变成更为复杂的生物大分子之后,才能导致生命的诞生。
在原始地球上,自然合成的氨基酸和核苷酸随雨水汇集到湖泊海洋里。矿物粘土把这些生物小分子吸附到自己周围,在铜、锌、钠、镁等金属离子催化下,许多氨基酸分子通过脱去水分子而连接在一起,形成更为复杂的分子,也就是蛋白质分子。同样,许多核苷酸分子可以通过脱去水分子而连接在一起,形成更为复杂的分子,也就是核酸分子。
核酸是生物的遗传物质,生物体生长、繁殖、行为和新陈代谢的信息就包含在核酸分子里核苷酸的排列顺序中,可以说,每一种核苷酸排列顺序都是一篇记录着生命信息的文章,书写的文字就是核苷酸。核酸是生命的信息分子,对于生命是绝对重要的。然而核酸的功能却是通过蛋白质来实现的,就连核酸本身的复制都需要蛋白质参与。
原始地球的湖泊海洋里出现了核酸和蛋白质以后,也许有人认为生命从此就诞生了,因为自然界中一些病毒就是由核酸和蛋白质组成的,而类病毒就更是简单得可怜,只是一个核酸分子,这个核酸分子能侵入植物细胞并使植物得病,马铃薯纺锤状块茎病就是这种类病毒感染的结果。
病毒和类病毒只能在活细胞内生存繁殖,至于是不是一种生命形式,目前还存在争议。
生物为了适应环境,在进化过程中,它必须从简单到复杂、从低级到高级这样一个过程当中进行演化,而一个简单的分子,在传宗接代过程中是无能为力把其它物质聚集在自己周围的,它必须形成具有一定结构的复杂形态的实体。
在原始海洋里,随着时间推移,自然合成的生物大分子浓度越来越高,最终形成了具有一定形态结构的分子实体,并进一步进化为最原始的生命。
第三集 遗传物质的进化
众所周知,核酸是当今地球上所有生物的遗传物质,它携带着生命信息,又能自我复制。核酸有两种:一种是核糖核酸,又叫RNA,在RNA病毒和类病毒中,RNA携带着全部生命信息;另一种是脱氧核糖核酸,又叫DNA,它是目前绝大多数生物的遗传物质。
种种迹象表明,原始地球上首先出现的复杂分子可能是RNA,为什么这样说呢?
首先,RNA分子比较简单,只有一条链,DNA分子却很复杂,有两条链,按照进化规律,简单的分子总是最先出现。其次,DNA分子自我复制时离不开酶,酶的本质是蛋白质,在原始地球上,在蛋白质没有产生以前,DNA分子是无法完成自我复制的,然而有些RNA分子本身就有酶的活性,在原始地球条件下,即使没有蛋白质,RNA也可以完成自我复制。
在生命起源中,RNA先发生的学说能够被科学界更多的学者所接受,但是要想真正地证明RNA是最早发生的遗传物质,还存在很多的问题,最大的问题是,要想在模拟原始的条件下合成RNA非常困难。
长期以来,人们总以为只有核酸才是遗传物质,近年来生物学家发现,疯牛病、疯羊病的病原体是朊病毒,朊病毒的本质是蛋白质,可以自我复制,这启发人们,蛋白质也可以作为遗传物质。
其实,和核酸一样,蛋白质的分子结构十分规则,而且也有螺旋结构。科学家长期研究后发现,蛋白质完全具备遗传物质的条件,能够贮藏、复制和传递生命信息。
我们知道,蛋白质是由氨基酸组成的,通过氨基酸和氨基酸配对,可以把遗传信息传递给下一代。
通过实验,刘次全研究员提出了氨基酸的配对模型,并且在此基础上,绘出了一张很有特色的遗传密码表。
在原始地球上,最早能够进行自我复制的分子可能是蛋白质,那时的蛋白质既能贮存或传递遗传信息,又能执行特定的生物学功能。
对于原始生命来说,蛋白质的这种性质是十分经济的,后来随着生命进化,蛋白质贮存或传递遗传信息的功能交给了RNA,然而RNA不够稳定,随着生命继续进化,又出现了DNA,DNA是后来才出现的遗传物质。
DNA作为遗传物质的好处是:第一,DNA的某些部位与RNA相比,少了氧原子,氧原子是非常活泼的,这样DNA更加稳定,能够更好地保存生命信息,第二, RNA是单链,如果受到损伤,生命的信息势必丢失,DNA则是双链,一条链发生损伤后,可以根据另一条链进行修复,生命信息不易丢失。
因而,今天地球上的生命选择了DNA作为遗传物质,这也是生物在自然界中长期进化的结果
生命来自于能量:能量→植物、微生物、动物等。生命个体都要经历出生、成长和死亡。生命种群则在一代代个体的更替中,依靠基因的随机变异不断地向现实作趋同演化。宇宙哲学认为生命是自发重演于现在的合律宇宙精神。生命是以繁殖为目的,以自发熵变为具体方式的进化和适应过程。(生命体当然是要降低自身的熵值,但这不总是成功的:有时因为自身稳态被破坏,比如衰老;有时因为无法完全抵抗外界的高熵压力。熵变主要应该是面向代谢及调节代谢的过程:物质的,能量的,信息的)。
本文章只代表个人看法,不作为科学依据。
生命需要能量养分来维持生命活动,但是初期的地球真的能够提供生命所需要的能量养分吗?当时除了核辐射之外,几乎什么都没有,所以我推断,地球初期的生命可能是摄取核辐射作为养分能量来维持。
说到补充能量,我们作为高级生命体往往会想到是食物,但是能量的真正形态其实是“电”。因为如果没有电能,细胞就无法让自己生存下去。原因正如同先前所述,一切物质包括细胞都是由原子组成,原子又是由原子核和电子构成。要想让原子维持稳定的状态环境,就必须有足够的电能来牵引住电子。这样物质基本上不会发生变化,所以原子核和电子保持着一种互相平衡的稳定状态。
反过来看看细胞,它是会成长,分裂,繁殖,无时无刻不在变化,因此必须取得电能,让自己保持在最恰当的平衡状态上,使电子稳定下来。假如细胞无法取得适当的电能,电子就会脱离原子核,飞出原子之外,原子被损坏,细胞自然也会遭到破坏。
其实需要电能的原因还不止于此,电还能产生热能作用,能在生物体内促成各式各样的化学反应,其中就包括了制造细胞膜以及产生细胞所需要的物质,,,。
当时的地球是一个巨大的放射性物质,因此,这个时候诞生的生物就是利用放射性物质释放出来的核辐射,来摄入维持生命所需要的电能。可是真的有可能把核辐射当做养分能量吗?
核辐射是指高能量的流动性电子能量,大规模的核分裂和核融合进行时,会释放出大量级别电子四处高速运动,而这些电子就是核辐射。(所以核辐射也叫做电离辐射)
暴露在核辐射中的生物之所以会快速死亡,是因为在稳定的原子核和电子间,闯进来多余的大量电子能,引起过载电流,使得细胞遭受破坏或发生异常增生。细胞若呈现异常增生的状态,例如:癌症,就是表示细胞内的电子能量过多,过载。此时只要进行放电,将多余的电子能排出即可。核辐射本身就是电子能的能量体,或许地球最初的原始生命可以透过核辐射摄取电子能,将其转换为电能,进而消耗在生命活动中,或者在细胞分裂时用来稳定原子。
当生命活动即将终结时,无法再摄取电子能,原子也就会变得无法维持稳定状态而死亡。最终细胞四散,接着又出现了以其为养分的新生命体,我觉得这应该是当时的生命演化。
而现实世界确实存在这种生物,一种名为光合细菌的厌氧性细菌。它会吸附核辐射,并将其清除掉。当年日本广岛被核爆以后,植物学家也证实了当地长出了过去从未有过的植物。也就是说,至今地球仍然存在以核辐射为养分的生物。
以核辐射为养分的细胞生物在原始地球上诞生,在地球上的放射性物质被清除净空前,它们肯定盛极一时,但是随着养分来源核辐射消失后,它们也随之而灭亡了。以其尸体为养分的细胞也因为养分消失,而失去能量来源,此时便出现了另外一种新形态生命体,这种生命靠着二氧化碳和光合作用制造新的能量,它们也是藻类的近亲。植物得到光合作用的能力,也是一种戏剧性的改变,因为光合作用过程中会产生氧气,接下来,依赖植物制造出的氧气为生的生命体也诞生了。于是形成了一种生生不息的绝妙循环,新生命体(也可能是动物)透过呼吸排出二氧化碳,植物在靠着二氧化碳进行光合作用,制造出氧气。
地球这颗行星很可能是通过一连串的生物反应,才从不适合“好氧型”生命生存的环境,慢慢转变成为适合“好氧型”生命生存的环境。所以,生命的出现是为了让地球这个巨大的放射性物体得以净化。
那生命又是依靠什么进行了复杂的进化呢?
待续,,,,,,。
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