生命来自非生命

天文科普
20年10月7日
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我是好人

生命来自非生命
回顾近代生命概念的发展，我们不需要追溯到亚当和夏娃，只要回到 19 世纪中叶就足够了。19 世纪科学的不解之谜显示了，牛顿物理学的机械宇宙与达尔文的生命进化世界之间的冲突是多么深刻。物理宇宙被认为是时间可逆的机械，并遵守少数几个普遍定律，而生命世界被认为以不可逆的方式在进化。这样一来，科学的实体概念就被撕为两半：如果达尔文是正确的，即生命系统是从物理系统进化而来的，那么物理世界一定渗透着一些超物理原则，就像柏格森的“生命之流”之类的东西。
与经典力学完全不同的经典热力学证实而不是否定了时间的不可逆性，它的著名的第二定律声称，在一个工作的封闭系统内，无序和偶然性只能增加。无论其公式是多么著名和精确，但这一定律对弥合牛顿物理学和达尔文生物学之间的罅隙没有什么帮助，因为热力学第二定律显示，可观察到的世界的发条将是在放松，而不是在上紧。然而，生命似乎依赖于后者：从细胞和由细胞的集合体构成的简单藻类和海绵生物开始，沿着复杂性的阶梯向上爬，直到动物王国的顶端——似乎是人类。这说明，在生物进化的过程中，生物体变得越来越复杂，而不是越来越简单。而热力学第二定律并没有解释这种现象是如何出现的。
科学家一直等到 20 世纪下半叶才有了一个可以接受的解决这一矛盾的答案，这就是所谓的“非平衡态热力学”。这一新学科表明，生物有机体并不是那种必定会衰败下去的系统，因为它们不是封闭系统。生命系统实质上是开放系统，它们不断地补充自由能贮量，因此就可以像不断补充燃料的机器能保持运转那样使自己保持在远离热力学平衡态的状态。
根据这些新概念我们可以推知，尽管生命远不是一个想象中的物理系统，但它可以被看成是物理宇宙中发生的过程的一种逻辑延伸。宇宙的进化导致产生了星系团，在星系团中又有恒星，有些恒星还有自己的行星。有些行星处在轨道上，在那儿来自母恒星（mother sun）的能量流允许它们表面上已经很复杂的化学汤进一步结构化。来自区域恒星的能量的恒常辐射使化学汤更加充满活力，并创造了开放系统（通过其边界有能量出入），这些系统进一步向远离化学惰性和热平衡状态移动。在适宜的行星表面（像我们的地球的表面），生命就在远离平衡态的环境下发展起来了，而并不需要借助像生命力和非物质的灵魂这样的超物理原则的帮助。
根据标准的大爆炸理论，当生命在我们这个行星上（或许也在其他行星上）出现之前，宇宙必定有至少 100 亿岁了。围绕太阳的原初行星的气体似乎在 45.6 亿年前开始固化，显然，地球上的生命的进化是在此之后不久开始的。现在已经确证，具有高级化学进化痕迹的化石可追溯到 35 亿年前；原始的生物有机体被证明至少在 28 亿年前就已存在，而具有现代酶结构的原核细胞的生物化学活动的证据已经在化石中被发现，这种化石据今约有 23 亿年。
生命进化所需的化学成分在生命进化产生之前就在地球的化学汤中存在，组成已知宇宙 98%的六种化学元素（氢、氦、碳、氮、氧、氖）和合成第一批自养细胞所必需的更复杂的分子已经在宇宙中合成起来，甚至氨基酸和核酸已经在宇宙中创生，人们在陨石中发现了它们。因此，很可能生命在其他行星上也以某种形式发展起来了：在我们的银河系中有数百亿个行星，在宇宙中有数百亿个银河系。
我们这个行星上的热环境和化学环境非常适合于作为生命成分的复杂分子的合成。像糖、氨基酸、嘌呤、嘧啶这样的单体和由这些单位（如蛋白质、核酸和其他大分子）构成的线性复合体可能在来自太阳的恒定能量流中合成起来。在某个时候，作为更高生命形式的先导的原核细胞诞生了，并成了这一星球上正在出现的生物圈中的主要要素。
除病毒和细菌这两个特例外，今天分布在地球上的生物物种都是从早期的原核细胞演化而来的，整个物种家族在标志成功的进化时代的突创中出现。约在 6 亿年前的寒武纪大爆炸在相当短的几百万年之间产生了绝大多数的无脊椎动物。
在物种的不可逆进化中，那些有能力在更广的环境条件（如各种气候，地势，雨水，捕食者和被捕食者等）下存在的物种比那些只能在范围狭窄的环境中才能存活的物种活的时间更长。特殊物种在普通物种能够适应和存活的许多环境下发生突变或消失。结果，生命的进化树不再与经典的达尔文理论的连续 Y 型枝节相似。现在这一进化树是根据突然的变化画出的，从已经灭绝的占统治地位的物种直到今天在环境中占统治地位的物种，特殊物种只有短暂的生命线（它们灭绝了，或被变异体取代了），而普通物种则具有相当长的生命周期。
自从有机生命在浅水中和温暖的原始海洋中诞生之后，它们就依靠来自太阳的自由能量流维持生命。植物以光合作用形式利用太阳，把水和二氧化碳转化为碳水化合物；动物吃其他的动物和植物，而人类处在食物链的顶端，既吃植物也吃动物。如果太阳表面和地球表面几乎没有能量差别的话，那么不仅生命，而且地球上的所有热力学过程都将很快结束，贮存在地球大气层中的热量将在几个月内耗尽，而贮存在海洋中的热量将在几个星期内消散。只有海底的蠕虫和蚌类能存活一段时间。然而，只要来自太阳的能量流在地球表面上持续不断（估计要持续几十亿年），生命系统就将会把一些自由能转化成维持其存活的生物能。它们不仅维持它们的结构，而且还进化出新的、不同的结构和一些比先前存在的更复杂和更精巧的结构。