生命现象的偶然与必然幻灯片

生命现象的偶然与必然从宇宙大爆炸到生命出现，需要“过五关斩六将”。只要有一步情形不同，生命也无从产生。从这个意义上讲，生命在我们这个宇宙中的出现是偶然的。

生命要在地球上产生，需要经过许多阶段。组成我们身体的化学元素是从哪里来的？我们宇宙的组成暗能量暗物质“常规”物质中微子大爆炸后最初形成的元素只有氢和氦。如果宇宙就停留在这个状态，生命就无从产生。生命需要更重的元素。氢氦

宇宙背景微波辐射这个宇宙中物质的分布不是均匀的。这种不均匀导致星系和星球的诞生。我们的银河系位于室女座星系集团（Virgocluster）中我们的银河系当恒星的内部的温度和压力达到一定强度时，原子核之间足够靠近，强作用力开始发挥作用，轻元素的原子核之间可以聚合，形成更重的元素。能够进行到什么程度要看星球的质量有多大。原子核越大，正电荷越多，相互靠近就越困难，就需要更高的温度和压力。太阳中的核聚变反应，只能生成氦，反应到此停止。所以太阳只能给我们提供光和热，在生成新元素上毫无贡献。组成我们身体的化学元素是过去更大的星球所产生的。是我们真正的“祖宗”。星球的质量大于3个太阳质量时，核聚变反应可以继续进行，每次加一个a粒子。氦（4）可以继续“燃烧”，生成铍（8）和碳（12）。星球的质量大于8个太阳质量时，碳可以继续“燃烧”，生成氧（16）、氖（20）、镁（24）、硅（28）。星球的质量大于11个太阳质量时，硅还可以“燃烧”，生成硫（32）、氩（36）、钙（40）、钛（44）、铬（48）、铁（52）、镍（56）。所有这些反应都是释能反应，所以恒星能够发光发热。但是要形成比镍重的元素，就需要吸收能量，所以重元素的裂变能够释放能量。超新星爆发时的剧烈条件可以形成各种重元素。大质量的星球就是太上老君的“炼丹炉”，在那里生产各种化学元素。组成我们身体的化学元素很可能是由过去质量极大的星球形成的。它现在可能已经变成了黑洞。大质量的恒星是太上老君的“炼丹炉”超新星爆发比镍重的元素要在超新星爆发时的剧烈条件下才能生成。所以组成我们身体的元素来自已经死亡的巨型星球。喷洒出来的物质主要还是氢，又可以形成新的星球。我们的太阳就是第二代或第三代星球。原子中电子围绕原子核转动类似于人造卫星围绕地球转动。但是如果电子只能围绕自己的原子核转动，原子之间互不相干，这个世界就只由原子组成，没有分子，更不会有生命。

幸运的是，电子轨道不像人造卫星那样是连续可调的，而是有固定能级的轨道。不同原子的外层电子轨道之间可以相互重叠，电子可以围绕两个原子核转动，或者从一个原子转移到另一个原子，形成分子。光有原子还不行氢原子的发射和吸收光谱不是连续的，而是分成许多谱线。这些谱线对应电子在不同能级的轨道之间跃迁时吸收或放出的能量。氢原子的电子轨道甲烷的分子结构水的分子结构不同原子之间外层电子的轨道可以重叠，形成分子。没有分子就没有生命。

氧元素形成并且被喷洒到太空以后，由于氢是最丰富的元素，自然会形成大量的水。氮和氢会生成氨。碳和氢会生成甲烷。木卫二土卫六

生命活动需要液态的介质。水就是最好的介质，也为地球上的生命所必需。火星上也曾经有大量的水彗星也含有大量的水

星际尘埃有巨大的表面积，上面吸附有水、氢、氨、甲烷等分子。在高能射线的照射下，再加上矿物表面的催化作用，可以形成各种有机物。为生命所需要的有机分子可以在太空中形成这是美国的“星际尘埃使命”所收集到的星际尘埃，里面含有“芳香化合物”（由碳原子和氢原子组成的环状化合物）和脂肪类化合物（由碳原子连成的长链，上面再连上氢原子），以及甲基和羰基这样的含碳功能基团。这颗陨石总重超过100公斤，上面含有15种氨基酸，包括组成蛋白质的甘氨酸、丙氨酸、谷氨酸。在从陨石中取样时最容易被污染的丝氨酸和苏氨酸反而没有被测出，说明那15种氨基酸的确来自太空。而且这些氨基酸是“消旋”（没有旋光性）的，即两种镜面对称的分子都有，说明它们是非生物来源的，很可能是碳、氢、氧、氮等元素的化合物被高能射线照射，发生化学反应而形成的。除氨基酸以外，墨其森陨石还含有嘌呤和嘧啶，即地球上生物的遗传物质脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）的组成部分。该陨石还含有大量芳香型（环状）碳氢化合物、直链型碳氢化合物、醇类化合物、羧酸（含有“羧基”的碳氢化合物）

墨其森陨石（MurchisonMeteorite）1969年9月28日降落于澳大利亚的墨其森。

宇宙中大量存在的甲酰胺（formamide）在矿物质存在时加热，就可以形成组成核酸的四种碱基（腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶、尿嘧啶）。

科学家还在距离地球400光年的原始恒星IRAS16293-2422周围探测到了羟基乙醛（glycolaldehyde）。这是一种糖类物质。它可以在两个缬氨酸组成的二肽的催化下变成四碳糖和五碳糖，例如核糖。羟基乙醛两分子的甲醛1953年，美国科学家米勒在无氧环境中混合甲烷、氨、氢、和水。他先将水烧开，再对这个混合物进行放电，以模拟闪电。一个星期后，水变成了黄绿色。米勒用纸层析的方法，测到有氨基酸形成，例如甘氨酸、丙氨酸、天冬氨酸。

1972年，米勒重复了他1953年的实验，但是用更灵敏的方法（例如离子交换层析、气相层析加质谱分析）来检查实验产物。结果他发现了33种氨基酸，其中10种是生物体所使用的。

StanleyLloydMiller

1930-20071964年，美国科学家福克斯用了和米勒不同的方法来模拟地球早期的情况。他把甲烷和氨的混合物气体穿过加热到1000摄氏度的沙子，以模拟火山熔岩，再把气体吸收在冷冻的液态氨中，结果生成了蛋白质中使用的12种氨基酸，包括甘氨酸、丙氨酸、纈氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、谷氨酸、天冬氨酸、丝氨酸、苏氨酸、脯氨酸、酪氨酸、和苯丙氨酸。

SidneyWalterFox

1912-1998

这些事实说明，为生命所需要的有机分子可以在星际空间自然形成。其中碳元素成为所有这些复杂分子的骨架。在地球上的94种天然元素中，只有碳原子能够彼此相连，形成长链或者环状化合物，而且上面还能够连接氢原子和各种功能基团。所以地球上的生命是以碳为基础的。葡萄糖和果糖脂肪酸赖氨酸辅酶Q血红素生物分子中的碳骨架早期的生命分子可能是多功能的，因为分子之间的配合还没有建立。核糖核酸（RNA）可以自我复制，可以催化氨基酸的连接，生成肽链。它还能把氨基酸连接到RNA分子上，成为转移RNA的前身。所以早期的生命分子可能是以RNA为中心的。多功能的RNA分子能够自我复制的RNA。由RNA片段A和B连成的RNA片段T具有连接酶活性，能够把A和B连成T。其功能相当于连接酶（蛋白质）核酶（ribozym）B6.61能够以核酸为模板，合成新的RNA链，其功能相当于RNA聚合酶（蛋白质）。核糖体的小亚基和大亚基。棕色和黄色为核糖体RNA，蓝色为蛋白质。肽键的形成是被核糖体RNA催化的。核糖体RNA催化的氨基酸和tRNA的连接RNA分子中的核苷酸序列也可以储存信息。例如每三个核苷酸为一个氨基酸编码。这样RNA的核苷酸序列就对应于蛋白质中氨基酸的序列。最早的蛋白质合成过程也许就是全由RNA分子催化的。

RNA分子虽然拥有如此多的功能，但是“一身数任”的情形必然以功能低下为代价。随着蛋白质的出现，RNA的催化功能逐渐被蛋白质取代。蛋白质由于含有20种氨基酸，空间结构和催化功能都远比RNA复杂和强大。例如B6.61的RNA要为新的RNA分子添加20个核苷酸，需要24小时。而大肠杆菌的RNA聚合酶每秒钟可以添加2000个核苷酸，比B6.61快1.8亿倍！RNA聚合酶IIRNA的绝大多数催化功能被蛋白质取代，包括RNA自身的合成。然而，蛋白质却不能够复制自己。这不是因为蛋白质没有催化肽键形成的能力，而是氨基酸之间没有如核苷酸那样的对应关系。谷胱甘肽是一个三肽，由谷氨酸、半胱氨酸、和甘氨酸三个氨基酸组成。它就是被蛋白质合成的。第一步，g-谷氨酰半胱氨酸合成酶把谷氨酸和半胱氨酸连在一起，形成二肽。再由谷胱甘肽合成酶把甘氨酸加到这个二肽上，形成谷胱甘肽。细菌外面包的肽聚糖中的短肽链，免疫抑制剂环孢素，抗菌素如放线菌素，也是酶（蛋白质）合成多肽的例子。但这些都不是蛋白质的自我复制。这个机制也不能用于蛋白质的合成。蛋白质不能复制自己！谷胱甘肽谷胱谷胱二肽合成酶谷胱甘肽合成酶谷胱甘ABABAB合成酶CABC合成酶ABCDABCD合成酶ABCDEABCDE合成酶

蛋白质通常由数百个氨基酸残基组成，用这种方法合成蛋白质显然是不现实的。蛋白质序列的信息只能储存在核苷酸的序列里面。RNA核糖中第2位的羟基为它的催化活性所必需，是核酶的“牙齿”。这个羟基也攻击RNA分子自身的磷酸键，使RNA缓慢分解。这对它作为遗传物质的功能是很不利的。RNA储存信息的功能被DNA取代催化反应中心第2位羟基2位羟基去掉2位的羟基，相当于敲掉了RNA催化能力的“牙齿”。DNA不再有催化活性，双螺旋的稳定结构也适合于信息储存。生物合成脱氧核苷时，也是先合成核苷，再去掉2位的羟基，说明脱氧是后来发生的。DNA自我复制其他催化（肽键、氨基酸-RNA连接、剪接RNA等）RNARNADNA蛋白质合成合成合成转录反转录最初：以RNA为中心后来：相互依赖，谁也不能合成自己。催化各种化学反应地球上所有的生物都来自一个共同的祖先DNA、RNA、蛋白质这个三架马车的模式为地球上所有的生物所采用。地球上所有的生物都来自一个共同的祖先，所以都是或近或远的亲戚。

我们使用同样的四种核苷酸来建造DNA和RNA；使用同样的20种氨基酸来建造蛋白质；使用同样的三联码为蛋白质编码；使用同样的脂肪酸为生物膜的主要建造材料；都以葡萄糖为主要的“燃料”分子；都使用ATP作为主要的供应能量的分子；都使用三羧酸循环作为化学反应的“转盘路”。所有的生物都使用同样的基本分子来建造自己的身体，所以这些分子也能够在不同生物之间通用。所谓“吃饭”，其实就是拆别的生物体的“零件”来建造自己的身体。原则上所有的生物都可以“吃”其他的任何生物，只要实际上办得到，并且能够把有毒的物质除去。我们能够称为“食物”的东西，都来自其他生物地球上所有生物的基本“零件”都可以通用，也可以彼此为食物。动物吃植物植物吃动物植物吃植物动物吃动物微生物吃微生物细菌吃活人李斯特菌在人细胞中地球上的生命虽然看上去多姿多彩，在分子水平上是非常单调的。这是人类一直渴望了解外星生命的原因。虽然地球上已经有70亿人，但是我们仍然感到孤独。因为地球上只有一种生命形式。

我们的银河系有约1000-2000亿颗恒星，据估计其中有约五分之一的恒星含有位于宜居带之内的行星。我们宇宙的可见部分又含有数千亿个星系。从星际空间中有机物质广泛存在，类似地球的星球为数众多的情况来看，生命在其它星球上出现几乎是必然的。部分已经被发现的太阳系外行星宜居带主要是指水能够以液体形式存在的空间带。恒星的亮度越强，宜居代离恒星越远。对于外星生命的一些猜想1，我们的宇宙由同样的化学元素构成元素周期表中原子序数1-112的位置已经全部填满，外星生物也只能由这些元素中的一些组成，也必须受到这些元素性质的限制。

生命需要数千种不同的分子协同作用才能维持。能够生成这么多种分子的元素最有可能还是碳元素。所以外星生命很可能也是以碳为基础的。硼和碳同周期并且位置相邻。但硼烷为笼状化合物，不太可能成为线性大分子的骨架。硅和碳同族，也可以生成类似的长链或环状化合物。但是硅烷在空气中会自燃，在水中会分解，因此以硅为基础的生命必须在无水无氧的环境中才能存在。2，外星生命很可能也是以碳为基础的硼烷硅烷

由于水在太空中广泛存在，水又有许多特殊的物理化学性质适合作为化学反应的介体并且广泛介入这些反应，所以外星生物很可能也是以水为介质的。“宜居带”也主要是依据液体水的存在来定义的。3，外星生命很可能也是以水为介质的生命的首要条件就是把身体的内容物和外部环境分开。所以生命必须以细胞的形式存在。由于分子在液态水中靠扩散进行有效位移的距离很短，所以细胞的尺寸不能太大，应该是微米级的。更大的生物也应该是多细胞的，即走细胞联合和分化这条路，而不是细胞自己变大变复杂