自然科学对宇宙、生命起源和进化的探索和认识

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破解遗传密码 探索生命起源
— “化学生物学”专场简介
未来化学生物科技与信息科技的整合,以及纳米技术的研发将成为科技发展的主流。
——美国前斯坦福大学校长威廉米勒
你渴望破解遗传密码规律和探索生命的起源吗?你想从事药物设计,攻克 AIDS( 艾滋 ) 、 SARS( 非典 ) 等疾病的难题吗?土豆和虾壳可以转化为医药和化工原料,工程菌可以降解废气废液,这是天方夜谭吗?生物芯片实验室和纳米机器人到底是什么样的?这些疑问我们都可以在化学生物学这个新兴学科中找到答案。
化学生物学是自90年代中期以来的新兴研究领域,是研究生命过程中化学基础的科学 ,当今化学界皇冠上的宝石。它是由化学、生物和医学全面交叉结合的新兴学科,还融合了物理学、信息科学等多个相关学科的理论、技术和研究方法,是一个最有活力、最有应用前景的领域。它也是一个利用化学,特别是有机化学知识来探索和调控生命及其过程,利用生物学技术促进化学自身发展,衍生新理论、新反应和新技术的新兴研究领域。
化学生物学是探索生物医学问题的前沿科学。它整合了天然产物化学、生物有机化学、生物无机化学、生物化学、药物化学、晶体化学、波谱学和计算化学等学科的部分研究方法,大大拓宽了其研究领域。在化学生物学研究领域,通过对生理过程有调控作用的蛋白质、核酸和糖等生物大分子与化学小分子的作用机理的研究,为开发新颖药物、临床诊断和治疗提供新的途径。设计、合成及从天然产物提纯的生物活性物质将作为创制新颖药物或农药的先导化合物,为医药、农业和环境等方面高新技术的发展提供资源。疾病的发生发展是致病因子对生命过程的干扰和破坏;药物的防治是对病理过程的干预。化学生物学研究则 通过用化学的理论和方法研究生命现象、生命过程的化学基础,通过探索干预和调整疾病发生发展的途径和机理,为新药发现中提供必不可少的理论依据。随着人类基因组草图的绘制完成,二十一世纪的生命科学研究已经进入后基因组时代。对基因组信息和功能的研究,将使人类在分子水平上了解及控制生命的梦想成为可能,将会对人类产生极其深远的影响。而在这一研究领域中,化学生物学作为一门新兴的前沿学科,已经成为人类深入了解基因组的功能以及生物调控机理,在分子水平上了解生命过程,并改善人类健康状况的必由之路。
本专场邀请专家简介
1 .张礼和院士 1958 年毕业于北京医学院药学系 , 1967 年北京医学院药学系研究生毕业, 1981 年至 1983 年在美国弗吉尼亚大学化学系做访问学者, 1990 年被日 本星药科大学授予名誉博士学位, 1993 年被美国密苏里 - 堪萨斯大学授予第十二届埃德加 - 斯诺教授称号, 1995 年当选为中国科学院院士。 1989 年至 1999 年曾任北京医科大学药学院院长,现任北京大学医学部药学院教授,博士研究生导师,天然药物及仿生药物国家重点实验室主任。主要兼职: 1997 年至现在任中国药学会副理事长, 1998 年至现在兼任国家自然科学基金委员会化学学部主任。国务院学位委员会学科评议组药学学科召集人。《药物化学杂志》主编,《高等学校化学学报》副主编,国际刊物 “ Organic & Biomolecular Chemistry ” 和 “ Current Topics of Medicinal Chemistry ” 编委。亚洲药物化学会主席( 1998-1999 ), IUPAC, Organic & Biomolecular Chemistry 委员会委员,中科院上海有机所生命有机国家重点实验室学术委员会副主任,兰州大学应用有机国家重点实验室学术委员会主任等。
长期从事核酸化学及抗肿瘤抗病毒药物研究。 60 年代 -80 年代初,在核酸化学和杂环化学领域开展研究工作,发现了 1,2,4 三嗪类化合物的羟基不正常对甲苯磺酰化反应,为这类杂环上引入取代基开辟了新途径。在美国工作期间,参与并完成了博莱霉素 A2 的全合成及其断裂 DNA 的机理研究。 1985 年至今,在核酸化学和以核酸为靶药物研究领域做了系统研究,近年的工作集中在以下方面:
( 1 )系统研究了细胞内环核苷酸类( c-AMP 和 c-ADPR )的信使分子的构效关系,发现了一个结构稳定并有 cADPR 诱导钙释放活性,能穿透细胞膜的小分子,为研究这一新的钙释放机制提供了探针。发现 8- 氯腺苷是模拟 cAMP 活性作用于信号传导系统,毒性低、能诱导分化肿瘤细胞的新抗癌剂。已获中国专利,并进入临床试验阶段。
( 2 )对酶性核酸断裂 RNA 机理以及寡核苷酸的结构修饰对核酸序列识别、稳定性和酶诱导活性进行了研究。提出了酶性核酸断裂 RNA 的双金属催化机理。发现异核苷掺入的寡核苷酸对各种酶有很好的稳定性,能与正常 DNA 或 RNA 序列识别。发现寡聚异鸟嘌呤核苷酸有形成平行的四链结构的性质。发现信号肽与反义寡核苷酸缀合后可以引导反义寡核苷酸进入细胞。为反义药物研究提供了新的策略。
张礼和院士共发表论文 200 多篇。获中国专利 2 项,另有两项专利正在受理中。新药临床批件 1 项。先后获 1988 年日 本大谷科研奖、 1993 年国际药联( FIP ) Colorcon 奖、 1994 年吴阶平 - 保罗杨森医药奖、 1996 年国家教委科技进步二等奖、 1998 年国家教委科技进步一等奖、 1999 年何梁何利科技进步奖、 2000 年国际药联( FIP )千禧年药学家奖、 2002 年国家教委科技进步二等奖、 2004 年国家自然科学奖二等奖。
2 .林文翰 理学博士,现为北京大学药物化学教授, 1985 年至 1990 年在中国科学院上海药物研究所攻读硕士和博士, 1990-1992 年北京医科大学做博士后工作。 1993-1995 年先后在巴西里约联邦大学、圣堡罗大学和日 本东邦大学做客座研究员, 1996 年在北京大学天然药物及仿生药物国家重点实验室组建海洋生物实验室。现任中国药学会海洋生物专业委员会副主任委员,中国海洋学会理事,中国海洋生物工程委员会副主任委员,国家药品监督局新药评审委员,“中国海洋药物”编委,德国 Jena 大学, Duesseldorf 大学,浙江大学客座教授。林教授主要从事中国传统中药进行系统的活性研究,先后从药用植物中分离并确定了 300 多种化合物。近年来对海洋生物毒素的离子通道阻断、镇痛及其活性进行了研究。在国内外一级刊物上发表论文 80 余篇, 1994 年获得中国青年化学奖, 2004 年获得国家卫生部保罗 - 杨森药学研究奖。目前正在主持国家科技部“ 863 ”重点项目 1 项,国家自然科学基金 2 项以及中德科技合作等 3 个项目。
3 .杨震教授 1978 - 1982 :沈阳药学院,学士学位; 1983 - 1986 :沈阳药学院,硕士学位; 1989 - 1992 :香港中文大学,博士学位; 1992 - 1995 : The Scripps Research Institute, USA 博士后,从事天然产物分子全合成工作; 1995 - 1998: The Scripps Research Institute , assistant professor ; 1998 -2001 : Harvard Institute of Chemistry and Cell Biology, Harvard University Institute Fellow ; 2001 - 2004 :北京大学化学院,长江特聘教授。现在主要从事天然活性分子的全合成和天然产物类似物的组合化学合成研究。
生命起源理论探索
生命是如何起源的,生命的开始,进化和生命现象的本质,乃是生物化学整个理论结构的基石,亦是科学与哲学研究的重大问题。从古到今,人们对于生命起源进行了反复繁杂的研究,大大丰富了人们对于这方面的知识,但至今尚未加以完善的解决。现在我们试就关于生命起源的几个比较重要假说,诸如特创论、自然发生说、生源说、宇宙生命说和化学进化说等等,进行叙述与评价,从中获取有益的启示,便于深入地探索生命起源。
一、生命特创说(Creation Theory)
这种说法认为,生命是神或上帝创造的。基督教义上说上帝创造了亚当和夏娃,亚当和夏娃结合,繁衍了人类。该说法是守教迷信的产物,出现于科学产生之前,是先前巫师毫无事实根据的猜测,是愚昧无知的表现。它根本没有解决什么问题,仅仅把生命的起源推到了一个不可知的所谓全能的上帝身上。从现代生物学的成就来看,这种假说毫无科学价值。但是,随着时间的推移,生命特创说又可能以新的形式出现。西方有一本《关于生命本性各种理论》的书,它是在科学发达的今天出现的,它将生物体的结构和生命过程归根于物质的动因,但在指导思想上把生命存在发达都屈从于一个予定的创造计划,而这个计划是上帝放到物质中去的 [15],这是一种用科学作伪装的生命特创说。与宗教归于一流,企图继续愚弄人们的科学觉悟。
二、自然发生说(Spontaneous Geveration Theory)
从前有不少人相信此说,即生命的物质可以从非生命的物质中自然发生。而且是可以随时随地的自然发生的。古希腊哲圣亚里士多德,中世纪欧洲著名经院哲学家阿奎那(Thamas Aquinas),著名科学家哈维和牛顿,都是该学说的积极倡导者。原因很简单,这种看法可以很直接地从实际事实中观察得到。如腐肉生蛆,腐草化为萤,青蛙出自土中。范·海尔孟(Van He1mont,1577-1644)甚至说,如果在坛子里放进小麦粒和一件汗湿的衬衫,就可以生出一只小老鼠。
但是,假说毕竟是假说,它是否合理,要由实验事实来验证。在西方,第一个验证这个似乎坚不可催的信念的人。乃意大利医生吕地(Francesa Redi)。1668年,他用科学实验证明了肉本身并不能生蛆。蛆是苍蝇产在肉上的极小的卵生出的。吕地的实验结果震惊了大家,重复这个实验的结果也得到了与吕地相同的结论。于是,这种自然发生说就衰亡下去了。但过此不久,人们在显微镜下发现了微生物(细菌),是在腐烂的物质中产生的,即使这种物质与外界隔离开来。于是人们又开始相信微生物可以自然发生。1765年,另一个意大利人斯帕兰扎尼(Spallanzani),又用实验初步否定了微生物自然说,限于当时的实验水平,其结果并不能完全使人信服,直至一个世纪后巴斯德的杰出实验才完全否定了这个错误的假说。
三、生源说(Vilality Theory)
巴斯德(Pasteur,1822-1895)是一位位大的微生物学家,他做了大量的实验研究,证明微生物在有机体内是不能自然发生的。1862年,他做了一个“鹅形瓶”,瓶内装有肉汤,煮沸,以杀死其中的细菌,瓶颈没有堵死,但瓶颈的弯曲低部充满了水液。空气可以进去,而灰尘和微生物不能通过曲颈的水液进入瓶中。内月之后,肉汤保持无菌,作为对照,在无曲颈的烧瓶内,肉汤很快就长满了细菌。这一实验事实使人认识到:肉汁并不能自然发生腐败。而是由有生命的微生物的活动而引起的。假若未被环境中的微生物的感染,肉汤就不能自然生出任何有生命的物质(细菌)。①巴斯德根据实验事实。提出了一种新的学说——“生源说”。即生命的东西来源于有生命的东西,生命不能自发发生。这种假说在一定程度上是合理的,有它自已的实验事实作依据,但它在归纳成理论的过程中犯了片面夸大的错误。有人指出:“实际上巴斯德的实验只证明了细菌不可能自然发生。也许他证明了生命的自然发生在目前条件下是不可能的,他并没有真正证明生命不可能由非生物物质起源。”②。
“生源说”否认了由无生命的物质可以产生有生命的物质,即说无机物不能向有机物转化。这种假说实际上受了当时生物学和有机化学说流行的“生命力说”的深刻影响。作者在有机物和无机物之间划下了一道似乎不可愈越的鸿沟。无机物就不能合成有机物及至生命物质吗?德国青年化学家维勒(Friedrech wohler,1800-1882)用事实作出了响亮的回答。他用无机物氨盐和氰酸盐合成了有机物尿素。随后,化学家又用无机物先后合成了醋酸、葡萄酸、柠檬酸、琥珀酸、苹果酸等一系列的有机酸和油脂类物质,突破了无机与有机的界限,彻底动摇了“生源说”的根基,开创了研究生命起源的新起点。1965年,我国生化学家首次人工合成了具有生物活性的蛋白质——胰岛素,又突破了简单有机物和生物高分子的界限,开创了人工合成生命物质的新时代。对于研究生命起源具有重大的意义。③
四、宇宙生命说或称泛生论(Cosmozoa Theory)
这一假说认为地球上的生命来自宇宙,是从天外飞来的。十九世纪后期,由于科学的发展。出现了大量的新发现和新事实使得旧的假说如自然发生说和生源说无法自圆其说,因而相继遭到否定的情况下,迫使人们不得不从更广的范围去深入思考生命的起源问题。维勒的老师李比希(J Von Liebig 1803-1873)最早提出了宇宙生命说的设想。并受到了当时一些科学家的赞同。著名的瑞典化学家阿伦尼乌斯(S. A. Arrhenirius. 1859-1927)1907年专门写了一本名著《宇宙的形式》,认为宇宙一直有生命的微粒——孢子,它可以逸出某一存在生命的行星。在星际空间里靠光辐射的压力而到处游动,不断在新的行星上定居起来。如果哪个行星的条件可以,孢子就能发育成活跃的生命。④
这种假说颇具有吸引力。的确,它引用了不少科学道理和一些实验事实。当时,天文学的发达,使人们对宇宙充满了幻想。光压也是存在的,俄国物理学家列别捷夫(Peter Nicolaevich lebedev)已用实验加以证实。但其最为可靠的证据。乃是在来自太空的陨石中多次发现了氨基酸及其他有机物。值得提及的是1969年陨落在澳大利亚的碳质陨石(Murchison),它被迅速回收,并在无污染的条件下进行研究,用气相色谱法进行分析和测定,最终发现了氨基酸光学异构体。但是,此学说并没有从根本上解决问题,只是把生命起源之谜推到了遥远的太空中的某个星球,而那个星球生命是如何起源的。同样没有加以阐明。到1910这种理论由于不能解释新的科学事实而破产了。因为当时科学家发现紫外线可以杀死细菌的孢子。孢子即使存在于宇宙,亦难以活着进入地球,因为在大气层中它就可能被烧焚。而在宇宙条件下的强辐射,高温差等,对于生命都是严峻的考验。
但是,问题并不是那么简单,一个假说,如果它有某些科学事实作依据,就有一定合理的科学成分。那么,它即使遭到了否定,仍可能具有吸引力。一旦出现于它有利的新的科学事实,它又将起死回生。“宇宙生命说”正是如此。著名的天文学家霍伊尔(Fred Hoyle)于1984年发表了一篇题为“生命源于宇宙”的文章⑤,不仅重温了上述关于“宇宙生命论”的看法,而且提出了新的证据。他认为,宇宙中间分布的大量极小的粒子“可能就是生命之源”。1983年,在慧星发现了某些典型的细菌,可能给地球带来大量的有机物质。至于细菌之类的有机物质如何进入地球,则是因为它很小,在大气层撞击速度不太高。细菌本身也可以经受200℃高温,故在下降时难以烧死,至于在宇宙空间威胁微生物生存的主要因素如X射线辐射,亦并不是杀死所有的细菌。总之,霍伊尔说法有一定的科学事实,但包含了不少猜测的成分。如把空间的宇宙尘埃等同于细菌,本身就是缺乏严格的考虑。这个假说仍值得深入的商讨。
1986年,科学家们在哈雷慧星的核和尾部中发现了碳氢化合物、羟基分子和氰分子。观察结果还证实,慧核是不规则形状的大冰块、在阳光的照射下逐渐散布于太空,有人认为,这对于研究生命起源有着重要意义。
五、化学进化说(Chemical Evolution Theory)
该说法是以地球的原始环境为基础,单纯化学物质可以通过化学反应的途径自然进化产生了生命。十九世纪初德国科学家奥肯(Oken,1779-1851)猜测初始的生命是一种原始生物化学物质——“原始粘液”,所有的有机物都源自这种粘液,而此种粘液又是从无机物演化而来的。到本世纪三、四十年代。这种学说又在新的科学背景下引起广泛的注意,逐渐积累了大量的科学根据。人们采用模拟原始地球化学演化的方法,地质古生物学方法和人工合成生命物质的方法,对生命起源问题进行了大量的研究,至今已经基本上确立了这种科学理论。
设想原始地球上有广阔而又温暖的海洋,海洋溶有各种盐类。空中充满了由氢、甲烷、氨和二氧化碳等组成的还原性原始大气。太阳的紫外线照射,雷电和火花放电,大量的有机化合物通过这些还原性气体相互化学作用而开始生成。包括氨基酸、核苷酸、糖嘌呤、嘧啶等等。由氨基酸和核苷酸等物质经过复杂的过程而生成蛋白质和核酸,再经漫长的过程形成原始生命。
1953年,美国生化研究生米勒(S.L.Miller)根据以上的想法,研制了一套模拟原始地球环境的实验装置,他用氢100mmHg、甲烷20mmHg、HH 20mmHg和水汽混合成一种与原始地球大气基本相似的“奥巴林——尤里大气”,在此封闭装置中进行连续放电。反应气体在实验范围里面循环,一道被放电处理,一周之后,居然得到了一些较为复杂的有机物,其中十余种氨基酸和其他有机物质,有四种是构成蛋白质的氨基酸。实验过程中,先生成HCN和醛,RCHO,两者与氨发生反应生成氨基酸脂,再经水解得到氨基酸。
NH2
NH2
放电
H2O
R——CHO+NH      R—CH—CN      R—CH—COOH
米勒认为上述实验是符合斯特累克尔机制。⑥米勒采用模拟法对原始大气层的闪电情形进行实验研究⑦,结果获取了巨大的成功,美国生化学家艾里尔贝(P、H、Abelson)紧接着又对这个实验方法进行了深入研究。认为原始大气中除有CH4、HH、H2及H2O外,还可能有CO、CO2、N2和O2等,采用米勒的实验方法进行放电,结果在所有生成的有机化合物中,均含有氨基酸。艾里尔贝的工作不仅验证了米勒的实验结果,而且进行了有意义的发现。他的科学成就“对整个学术界是一个很大的冲击。”⑧
米勒的生命起源模拟实验具有划时代的意义。他开创了用科学实验的方法研究生命起源的新天地,许多科学家如海恩斯(1957年),巴甫洛夫斯卡娅,巴辛斯基(1959年),马修斯,莫泽(1966年)石上(1969年)等人沿着米勒开创的航路进行大量的工作,使化学进化说日益完善,成为当今生命起源研究的主导。大量的科学事实,完全证明了革命导师恩格斯的英明论断:“生命的起源必然是通过化学途径实现的。”⑨
除模拟原始地球法外,确定化学进化说的还有地质古生物调查方法。即通过对古老岩石的研究,发现其中残存的生命痕迹,经查在34-35亿年前的几种沉积岩石中,确有微生物化石的存在,面对40亿年前是否有生物出现,学术界一直是有争论的。近年来对陨石和先寒武纪古生代沉积岩中L-氨基酸,D-糖类等生物痕迹的化学研究确定地球上生命起源早在39亿年前,从而结束了这一长期的争议。⑧
化学进化说开始仅仅是一种假说。但它有很强的科学性,得到了模拟实验、生物合成实验和古生物学等多方面科学事实的证实。在坚实的科学基础之上,发展成科学理论。它深刻地说明生命是通过化学演化而形成与发达的。米勒本人说:“我们清楚确定,生命是在地球上发生的,所有生物都具有共同的基本成分和性质,都有共同的生命合成的途径,这些我们都已了解得相当深入。……所以有关在原始地球环境下重要生化物质合成的知识,都可能有助于说明生命的演化。”(10)化学进化说无疑在阐述生命起源方面起着重要的指导作用和无法替代的认识作用,但就整个生命的演化史而言,它仍然缺乏足够的解释。由简单的氨基酸、核苷酸如何演化成为现代极为复杂的生命体,从发展线索到具体细节。都是扑朔迷离的,难以认识的。奥巴林(A.U.Onapuh)和福克斯(S.W.Fox)等人在这方面作了卓有成效的工作,他们研究大分子如何生成。如何进一步组织起来,向前细胞生命体以至细胞演化,如从氨基酸、核苷酸合成蛋白质、核酸。这种途径较能直接说明生命在地球上起源的真正途径。(16)但对于复杂的生命现象而言,仍然是浅显的,故化学进化说在研究生命起源的较高阶段方面,仍只能看作是一种科学的假说,内容远未充实,亦不够成熟,不少学者对此提出了各自不同的意见,下面略列三种代表性的看法,并加以适当的评价,以供进一步研究。
1)对生命起源的研究持悲观态度。著名生化学家卢里亚(S.E.Luria)认为,“地球上的生命谱系是仅从生命存在前的混浊情况中一次产生的,还是复杂组成由许多种事件会聚起来产生的这些问题可能永远无法弄清楚。”(11)由于生命演化的过程的极为复杂性,可能使人们难以一一弄清。卢里亚的观点比较消沉,带有不可知论的色彩。卢里亚是诺贝尔奖金获得者之一,他的话有一定的代表性。
2)对化学进化说持否定的态度。霍伊尔认为米勒实验虽然证明了“组成蛋白质的物质氨基酸能通过自然方式产生。”但是,“由各个孤立的氨基酸自发组成整个氨基酸链,这是一个飞跃,在地球上不存在这种飞跃的可能。”⑤他把化学进化说看作是“生命偶然起源说”,而这种学说是“靠不住的,其可能性太小,甚至可以完全加以排除。”⑤他不仅否定了化学进化论,而且否定了化学进化说赖以存在的科学事实,显然是不合情理的,与此相反,有人认为,认识生命起源过程所需要的经验知识、链条,已经通过模拟实验沟通了。(12)霍伊尔片面强调宇宙生命说,却又不能说明宇宙的生命从何而来,还是不能解决根本问题。生命的出现,决不仅仅看作是偶然性的产物,而应看作是自然选择的结果,有它内在的必然性,这种必然性正是需要我们去探索的目的。
3)新自生说。它认为生命是在合适的条件下在长期的宇宙进化中,经过自然选择而发生的。即在原始地球环境下,生命起源经过四个阶段:①无机小分子物质生成有机小分子物质,②有机小分子物质形成重要生物大分子、蛋白质和核酸;③生物大分子组成多分子体系;④由多分子体系进化成原始生命。这种说法基本上属于化学进化论。因而得到了科学界广泛的赞同。(17)这种说法虽是近年来提出的,但其思想萌芽可以近朔到中国古代思想家的著作中。汉代学者王充《论衡》自然篇中:“天地合气,万物自生。……天地动行也,施气也,体动气乃出,物乃生矣。”(13)我们要注意区别它与我们前面评论过的自然发生说,后者可说是对生命起源问题简单化的幼稚的说法。新自生说虽然也主张生命是由非生命物质产生的,但是它有一定的条件,是在与宇宙进化相联系的条件下产生的。②在地球上,具备了生命起源的必要条件,生命也就自然发生了。关于这一点,英国著名的科学家罗斯(Steven Rose)指出:“如果我们要探索具有生命特征的复合物,经过了极其漫长的发展和进化,才形成了地球上的生命。”
参考资料:
①李难主编,《生物进化论》,高等教育出版社,1982年版 第35-53页
②张宗炳,《遗传与进化》,人民教育出版社, 1981年版 , 第133-150页。
③《化学发展简史》编写组,《化学发展简史》,科学出版社,  1980版 , 第166-168页。
④[美]I阿西莫夫,《生命的起源》,科学出版社,  1979年版  第183-203页。
⑤[英]F、Hoyle,《生命源于宇宙》,原载 Paris Match ,1984年3期,邹建华译,《世界科学》,1985年第1期,第22-25页。
⑥(日)原田馨《生命起源的化学基础》,上海科学技术出版社,  1978年版,第65-87页。
⑦《自然辩证法讲义》编写组,《自然辩证法讲义》(初稿),人民教育出版社,1979年版,第254页。
⑧(日)大岛泰郎等,《生物的起源与分析化学》,余国泰编译,《世界科学》,1985年第8期,第22-23页。
⑨(德)恩格斯,《反杜林论》 ,人民出版社,  1971年版,第70页
(10)[美]S·L米勒; LE奥吉尔,《地球上生命的起源》 , 科学出版社  ,1981年版  ,第1-2页。
(11)[美]S·E·Luria,《生命——一项未完成的实验》   科学出版社, 1985年版,  第95页。
(12)关士续,“米勒怎样解开了生命起源之谜?”,《中国青年报》  1985年,10月26日。
(13)[汉]王充《论衡》,见《中国历代哲学文选》(两汉-隋唐篇) , 中华书局  ,1963年版, 第188页。
(14)[英]SRose,《生命的化学》,科学出版社,  1983年版  ,第24页。
(15)东北师大,《自然科学辩证法》,科学出版社  ,1984年版,  第97页。
(16)中国科技情报所,《国外自然科学发展动向》,1972年, 第160页。
(17)余自强,《浅该生命起源研究中的几个问题》,《生物学通报》  1986年3期  第16页。
从“死”到“活”——生命起源的探索
上个世纪,在生物学上已有两项最伟大的发现:“细胞学说”和“进化论”。前 者揭示了所有生物都是由细胞组成;后者则指出地球上的生命由简单的生物缓慢地发 展为复杂的生物。它告诉人们:所有的生物都来自另外的生物,所有的细胞都来源于 其他的细胞。换句话说,新的生命仅仅从旧的生命形成。那么,人类又面临这样一个 新的问题:在地球早期的历史中,肯定有地球上没有生命这样一个时期,生命又是怎 样来的呢?
有漏洞的假说
生命的起源引起了科学家的种种猜测。1908年,瑞典科学家阿瑞尼乌斯出版了一 本《塑造中的世界》,对此进行了大胆的猜测。他认为,光实际上对它所照射的任何 物质都有一种很微弱的推力,如果光很强而物体很小,光的推力就会比重力大,就会使物体朝远离太阳的方向移动。
阿瑞尼乌斯认为:如果有生命的细胞被吹进远离地球表面的稀薄的大气层,它们 将会被阳光的推力捕获,从而推离地球。此时,某些细菌细胞也许可以进入一种“假 死”状态。在这种状态下,由于缺乏食物和水分,这些细菌细胞就可能形成一层厚厚 的壁,把自己包围起来。在厚壁之内,它们能够耐得住冰冻与沸煮。阿瑞尼乌斯将这 种处于“假死”状态、并带有厚壁的细胞称为“孢子”。
在光的推力作用下,孢子能够在太空飘游许多年,甚至可以飘游几百万年而不死,有朝一日,这些孢子会落在一些小行星或者某个没有空气和水的寒冷星球,这样,孢 子将被迫永久地保持孢子状态,直到它很耐久的生命火花熄灭为止,或者,它可以落 在一个非常热的星球上,使之被烧焦致死。
但是,如果孢子落在一个温暖、有适宜的大气和由水构成的海洋的星球上,那么,孢子的壁就会自行裂开,细菌细胞便开始再度活跃起来,将一次又一次地分裂,形成 许多同它自己一样的细胞。再经过一个漫长的时期,这些细胞将变得更为复杂,它们 将进化成多细胞生物,最后,整个行星就会拥有数百万种生物。
阿瑞尼乌斯猜想,地球上的生命就是这样起源的:在几十亿年以前,一个来自遥 远行星的孢子进入了地球的大气层,它落到了地球的海洋中并开始生长,经过不断的 进化,成为今天这样的世界。
这确是一种很有吸引力的假说!许多科学家都满意这种说法,但是,人类随后的 科研成果证明,这种假说存在着两大漏洞。
第一,细菌孢子虽然可以在外层空间的各种条件下存活,但并不是所有的地方都 可以。天文学家逐渐发现,太阳不仅可以发出可见光,而且还能发射出各种各样的与 可见光相类似的辐射:红外线、无线电波、紫外线和 X射线等等。这些辐射有的能量 弱于可见光,有的则强于可见光。红外线、无线电波的能量弱于可见光,紫外线和 X 射线的能量却比可见光强得多。能量越是高的辐射,对生命越有危害。
在外层空间,紫外线和 X射线很强,很容易穿透孢子壁,杀死里面的生命之芽。 如果孢子从其他星球向我们太阳系飘移过来,它们可能落在最外围的那些行星上而不 致受到
伤害,但是,若飘落在冥王星或海王星上,它们将遇到极寒冷的气候而不能发 育。随着它们渐渐地漂向地球,它们就会进入到阳光很强的区域,在它们真正能够抵 达我们的地球之前,阳光中的高能辐射早就把它们杀死了。因此,使地球上出现所具 有的生命孢子,不可能是从遥远的行星来到的。
第二,阿瑞尼乌斯的假说并没有完全回答生命是怎样开始的。他只是把整个问题 在时间上往前推,说明生命不是在地球上产生的,而是很久以前在一些很遥远的行星 上形成的,并且,又从其他行星上来到地球。但是,在其他行星上生命又是怎样开始 的呢?
必须承认,无论是在哪里,有生命的物质最初一定是由无生命的物质形成的,这 才是问题的症结所在。如果生命是在某个地方由无生命物质产生的,那么,在地球上, 同样也可以照此由无生命物质形成有生命物质。
通向生命之路
要研究生命的起源,只要从十分渺小的生命开始就可以了。在生命形成之前,应 该先出现单个的细胞——小得只有在显微镜下才能看见的生命。科学家们已经知道: 细胞也是十分复杂的,它由膜包住,膜的里面是大量具有某种精巧组织结构的有机物, 它们与无机物的区别在于:无机物分子所含的原子数目较少,而有机物分子所含的原 子数目比较多。科学家在研究有机化合物怎么由无机化合物形成的时候,实际上也就 是在探讨:小的、简单的分子是怎样形成大的、复杂的分子的。
到本世纪40年代,科学家们已经发现:所有的细胞,不管是植物的、动物的,还 是细菌的,毫无例外,都是由两种比其他物质更重要的物质构成,这两种物质就是蛋 白质和
核酸。蛋白质和核酸都是由非常大的分子形成的。蛋白质是由氨基酸组成的, 大多数蛋白质只有20种不同的氨基酸,它们可以有许多不同的组合方式,每一种组合 方式构成一种略有区别的分子。核酸分子是由更小的化合物——核苷酸组成的长链, 每一个核苷酸都由几十个原子组成,其中包括碳、氢、氧和磷。每一个核苷酸分子由 3 部分组成:第一部分是由碳原子和氮原子构成的嘧啶或嘌呤,第二部分是核糖或脱 氧核糖,第三部分是含有一个磷原子的磷酸盐基。
科学家在探索生命的起源中,开始研究由无机物变成氨基酸和核苷酸的途径。由 于两者含有碳、氢、氧、氮元素,所以,必须寻找地球早期可能存在的元素。
与此同时,天文学家逐渐地得出了结论:宇宙间最普遍的原子是最简单的两种: 氢和氦。一般地说,宇宙间所有元素中90%是氢,9%是氦,其他全部元素只占 1%,而 且,这些其他元素中,大部分又是碳、氮、氧、硫、磷、氖、氩、硅和铁。
氦原子不与别的任何原子结合,但氢原子却不同,它的存在量很大。因此,凡能 与它化合的任何一种原子都会与氢化合。这样,1个碳原子与4个氢原子结合可以形成 甲烷,1个氮原子与3个氢原子结合可以形成氨,1个硫原子与2个氢原子结合可以形成 硫化氢,1个氧原子与2个氢原子结合可以形成水。这些含氢的化合物都是气体,或者 是容易变成气体的液体,所以,它们都能在原始的大气中和海洋中找到。这种含有甲 烷、氨、水和硫化氢的大气被称为Ⅰ型大气。
1932年,科学家发现:在又大又冷的行星——木星上,主要大气是氢和氦,另外 还含有大量的氨和甲烷,这为研究生命起源的假设条件提供了证据。由于地球的引力 不会像木星那样大,所以,不能吸住非常小、非常轻的氦原子和氢原子,因此,科学 家们推断:在很早以前,地球的大气层中主要包含着氨、甲烷、硫化氢和水蒸汽,大 部分的水用来构成海洋,海洋中的水溶解着硫化氢和氨,也少量溶解着甲烷。但是, 氢和氦是构成原始大气的主要成分,而与生命息息相关的重要元素氧却十分稀少。
1929年,英国生物学家约翰·霍尔丹提出一种大胆的设想:氧并非从一开始就存 在于地球大气层中。他认为:植物在由无机物形成有机物时,总是要用掉二氧化碳, 产生氧气,所以,他认为现在地球中大气层中的所有氧气都是植物作用而产生的。在 有生命之前,大气层中以氮、二氧化碳和水蒸汽为主,并有一个溶有大量二氧化碳的 海洋,这种大气称为Ⅱ型大气。由于地球离太阳太近,大量的紫外线照射到地球的大 气中,这些紫外线有很强的能量,足以使高层大气的水蒸汽分子分解成氢和氧,氢飘 出了大气层,而氧由于较重而留了下来。氧可以与甲烷中的碳原子和氢原子结合,形 成二氧化碳和水,也可以与氨中的氢结合形成水,剩下的氮组成氮分子。由于越来越 多的水被紫外线分解,大气中的甲烷和氨逐渐地全部转化成了氮和二氧化碳,直到游 离的氧在光能的作用下,在15英里左右的高度上形成了能吸收太阳紫外线的臭氧,这 样,紫外线被遮住,水分子不再分解,不等氧气真正充满大气时,整个反应过程就停 止了,一直到植物出现并利用叶绿素开发能够穿过臭氧层的可见光能时,这一过程才 重新开始,大气中才充满了氧气。
霍尔丹认为生命起源于Ⅱ型大气中,但是,俄国生物学家亚历山大·奥巴林却有 不同的想法。1936年,奥巴林出版了《生命的起源》一书,他认为生命起源于第Ⅰ型 大气。甲烷、氨、水和硫化氢都是各自包含3~5个原子的甲烷、氨、水和硫化氢小分 子,其中有碳、氢、氮和硫原子,它们都可以结合成为更大的氨基酸分子。
哪一种意见正确呢?当时还无法证明。直到1950年,美国加利福尼亚大学的卡尔 温,才开始动手进行这方面的试验。
1950年,他开始研究Ⅱ型大气的一个部分——二氧化碳和水蒸汽。他有意不把氮 放在一起研究,想看看到底能生成什么物质。
卡尔温也知道,在早期地球上,紫外线是最可能存在的能源,但是,他不喜欢这 样做,他选中了某些总是在爆炸的原子中释放出来的能量。他认为:地球上的放射性 元素缓慢地分裂着,以至于这些原子每年都略有减少,那么,在数十亿年以前,地壳 中的放射性元素一定要比现在多一倍以上,放射性的能量对于形成生命也许曾是很重 要的。
于是,他用放射性原子爆炸放出的高速粒子去撞击气体混合物,然后,再测定这 些混合物,发现除了二氧化碳和水以外,在溶液中还有一些非常简单的有机分子,比 如甲醛和甲酸,这说明在原始地球条件下,分子可以由简单变得更复杂,而新形成的 复杂分子由于比原来的分子的含氧量少,所以氧就会越来越多。
从无机物到有机物
美国芝加哥大学的哈罗德·尤里同奥巴林一样,也是认为生命是在Ⅰ型大气条件 下开始的。他对地球原始时期的化学现象和原始生命形态产生了特殊的兴趣,一直试 图推测地球的大气情况。一天,他突然想道:
“存在于地球原始时期的现象是否可以在实验室里进行模拟?”
1953年,尤里建议他的学生斯坦利·米勒进行一项试验:在Ⅰ型大气的样品中加 入能量,看看能出现什么情况。
米勒在这方面也有研究。为了确保所制成的复杂化合物一定不是活细胞形成的, 米勒确保使用的一切仪器是完全无菌的,在水或气体中没有细菌或其他细胞。他谨慎 地将氨、甲烷和氢混合装进一个大玻璃容器中,在另一个玻璃容器中将水煮沸,以确 保水里不含任何生物。然后,在水中加入氢、氨、甲烷,这样,他就制造了一种混合 气体,与早期的大气层很相像。
形成的蒸气通过一根玻璃管进入装有气体混合物的容器,气体混合物被蒸汽所推 动,经过另一根玻璃管回到沸腾的水中。这第二根玻璃管保持冷却状态。因此,蒸汽 在尚未滴回原容器中之前就转变成了水。结果,这种氨、甲烷、氢和水蒸气的混合物, 在沸水的带动下,在容器和管道系统中循环不已。
尤里和米勒认为,最初生命的形成,能量有两种可能的来源,一是来自太阳的紫 外线,二是来自闪电的电火花,因为在地球的早期阶段,可能有很多雷雨交加的情况。 这两种能源中,紫外线容易被玻璃吸收,所以,问题在于怎样才能穿过玻璃使内部的 化学物质得到足够的能量。
米勒决定首先尝试使用犹如小型闪电似的电火花作为外加能量。他在形成的混合 气体中通入连续的电火花。
果然,米勒感到发生了变化:水和空气开始时是无色的,几天后却变成了粉红色。 一个星期后,水的颜色越来越深,最后竟变成了深红色。
“储水容器中究竟生成了什么物质?”米勒准备搞清楚。
混合物中当然没有生命,但是,里面出现了新的分子,而且这些分子比他着手进 行实验时要复杂得多。
为了搞清新物质的成分,米勒使用了一种分离和鉴定微量化学物质的新技术—— “滤纸色层分析法”。结果,与卡尔温一样,他发现里面的主要产物是甲酸,除此之 外,他还发现形成了与甲酸类似,但比甲酸更复杂的化合物:醋酸、羟基乙酸和乳酸, 而这些物质都与生命有着密切的关系。
米勒十分高兴,他又加入了氨重新进行了试验。结果,他得到了一些不仅含碳、 氢、氧,而且含氮的物质。例如:他得到了一些由 1个碳原子、1个氢原子、1个氮原 子构成的氰化氢。他还得到了尿素,尿素分子(NH2CONH2)由2个氮原子、4个氢原 子、1个碳原子和1个氧原子构成。
不仅如此,最重要的是:米勒还在他的产品中发现了甘氨酸和丙氨酸,这是所有 氨基酸中最简单的,也是在各种蛋白质中最常见的。
看来,米勒从这个简单的实验中获得了极大的成功。他开始时所用的是甲烷,竟 有六分之一形成了更复杂的有机化合物。他只实验了一个星期,仅用了很少量的气体, 就得到了如此的结果。米勒想:在早期的地球上,在温暖的充满着氨的海洋,有甲烷 的风吹过海面,所有这一切都被太阳射出的紫外线烘烤着,被巨大的闪电冲击着,历 时达10亿年之久,那么,肯定会有数以百万吨计的这类复杂化合物生成。
米勒将试验结果公布后,许多生物学家便也开始进行同样的实验,他们都证实了 米勒的实验。华盛顿卡内基学院工作的菲利普·阿贝尔逊,用不同的气体,以不同的 组合又进行了各种各样的实验,结果证明:只要在一开始使用某些在其结构中含有碳、 氢、氧和氮原子的分子,在生成物中就一定能找到氨基酸,而且,总是那种可作为蛋 白质构造成分的氨基酸。
此外,米勒所采用的火花放电并不是唯一有效的能源。1959年,德国科学家格罗 特、魏森霍夫,试用紫外线作为能量,也得到了氨基酸。到1968年,蛋白质结构中的 每一种重要的氨基酸,都用这样的实验制成了。根据宾夕法尼亚州立大学和加拿大蒙 特利尔乔治·威廉大学的报告,最后还制成了一些含硫的氨基酸。
也许其他重要的化合物也一定会生成,或许它们会自然地碰到一起,形成重要的 活组织大分子。如果是这样,那么,在宇宙中,生命可能是很普遍的。当然,在与地 球大不相同的行星上,例如又大又冷的木星,或又小又热的水星,不可能形成和我们 地球上这样的生命。另一方面,则有可能形成基于其他化学类型的其他种类的生命。
从简单到复杂
米勒的实验中出现了氰化氢,于是,有些科学家便以此为开端,继续进行研究。
1961年,休斯顿大学的美籍西班牙生物化学家胡安·奥罗,进行了这方面的实验。他发现:一旦将氰化氢加入最初的混合物,就不仅是只生成氨基酸,并且单个的氨基 酸还能勾连在一起而形成短链,其勾连方式也恰如蛋白质中氨基酸勾连的方式。更为有趣的是,还生成了嘌呤。他得到的是一种特殊的嘌呤,称为“腺嘌呤”。它不仅存 在于核酸中,还存在于其他与生命有关的重要的化合物中。
1962年,奥罗发现:如果先将甲醛溶在水中,再用紫外线照射,就会生成各种糖 分子,其中有核糖和脱氨核糖。
1963年,锡兰出生的生物化学家波南帕鲁玛,在加利福尼亚莫菲特菲尔德的艾德 斯研究中心做了进一步的实验。作为实验的开始,他合成了各种嘌呤,有的含氰化氢, 有的不含氰化氢。在合成这些嘌呤时,他利用的是电子束的能量和紫外线波。之后, 他与马里纳和萨根合作,继续进行实验。
他们用紫外线照射腺嘌呤和核糖的溶液,结果发现:腺嘌呤与核糖串接在一起, 其方式与它们在核苷酸中的连接完全一样。波南帕鲁玛想:“如果实验开始时也在混合物中放入磷酸盐,是否能形成完全的核苷酸呢?”
果然,在1965年,波南帕鲁玛宣称:他已经合成了一个双核苷酸,即由两个核苷 酸组成的分子,其结合方式与核酸中的恰好一样。
到60年代中期,生物化学家们似乎已经清楚,早期地球上的条件,完全宜于生成 与生命有关的各种物质,这些物质肯定包括能够组成所有重要的蛋白质和核酸的氨基 酸和核苷酸。不仅如此,在早期地球的环境下,这些构造材料勾连在一起形成的链, 正好就是构成蛋白质和核酸的那些链。
至此已经表明:所有这些与生命有关的原料,作为不可缺少的化学物质,在早期 地球上都有,但是,生命不仅是化学物质,必须考虑的因素还有活机体中进行着的各 种化学反应。此外,没有能量的供应,许多这样的变化是不会发生的。就海洋而论, 能量的供应是太阳的紫外线辐射,或者其他方式,然而,海洋中一旦出现了微小的生 物,在其内部又会发生什么事情呢?
某些化学物质在生物体内容易分裂、放出能量,这样的化学物质使得重要的化学 变化得以发生,没有它们,化学变化就不会发生,没有这样的化学物质,无论早期的 海洋中有多少蛋白质和核酸,也不可能出现我们所知的生命。事实证明,这些富含能 量的化合物,也是由太阳光能参与制造的。例如,三磷酸腺苷就可以合成。
60年代中期,波南帕鲁玛试着进行了这个试验,他将腺嘌呤、核糖和磷酸根置于 紫外线的照射之下,结果,它们开始连在一起形成含有一个磷酸根苷酸。将磷酸根的 比例加大,随着照射时间的延长,结果它们勾连在一起,形成有 3个磷酸根的三磷酸 腺苷。
1967年,波南帕鲁玛又以简单的物质合成了一种属于“卟啉”类的分子,而绿色 植物中极重要的叶绿素分子也属于卟啉类,这就说明,植物也可以由其他无机物慢慢 生成。
至此,人们已经不怀疑在早期地球的海洋中,生命所必需的所有化学物质,都可 以在紫外线的照射下通过化学反应被制造出来。确实,最初形成的生命或许太简单, 以至于我们还无法称其为生命,或许它刚刚是为数很少的几种化学物质集合在一起, 它们能导致某些变化,使得这种集合免于分裂;也许它能设法形成另一些与它相似的 集合体。
“死”“活”不明
虽然在实验室里制成了许多种重要的化合物,但是,关于细胞是如何生成的这个 问题,仍旧没有解决。
没有哪类化合物完全靠它自身便成了活的,所有在我们看来活的东西,都是各种 物质的混合物,这些物质靠一层薄膜保持紧密的联系,并以一种非常复杂的形式互相 反应。比如一些病毒,它只是由单个核酸分子外包一层蛋白质壳组成。
用现代方法研究生命起源问题的霍尔丹,也考虑着细胞是怎样形成的。他指出: 油滴入水中时,油的薄膜有时会生成泡泡,泡泡中又包着小水滴。某些由紫外线能合 成的化合物是油质的,与水并不相混,假如油质形成的小气泡恰好包住了蛋白质、核 酸及其他物质的适当混合物,会发生什么情况呢?今天见到的细胞膜,可能就是由这 种早期的油质薄膜发展而成的。
俄国生物化学家奥巴林做了进一步的深入研究,他证明:在溶液中的蛋白质有时 会聚集成小滴,并在小滴的外围形成一种像皮肤似的东西。
迈阿密大学的西德尼·福克斯认为:早期的地球一定是一个很热的行星,火山使 干燥的土地保持一种蒸汽腾腾的状态,并使海洋近于沸腾。也许仅仅是热能,就足以 使简单化合物形成复杂的化合物。
为了验证他的这种假说,福克斯和考鲁·哈拉达开始以一种类似Ⅰ型大气的气体 混合物,使之通过一根热的管子。果如所料,至少形成了10多种氨基酸,它们恰恰全 都是构成蛋白质的那些氨基酸,没有一种氨基酸是在蛋白质中找不到的。
福克斯又惊又喜,做了进一步的实验。1958年,他以在蛋白质中发现的各种氨基 酸为初始物,每种取一点儿,混在一起并加热。结果他发现:这些混合在一起的氨基 酸,竟杂乱无章地聚成条条长链,很像蛋白质分子中的长链,福克斯称这些长链为“ 类蛋白质”,意为像蛋白质那样的东西。它们确实非常类似,胃液可以消化普通蛋白 质,也可以消化类蛋白质;细菌可以在普通蛋白质中滋养生长,也能在类蛋白质中滋 养生长。
当福克斯将类蛋白质溶在热水中,然后使溶液冷却,他发现这些类蛋白质聚在一 起,呈小球状,其大小与小的细菌相仿。福克斯感到十分吃惊,他称它们是“微球”。
这些“微球”并不是活的,但是它们的行为有些地方却很像细胞,它们也被一种 膜包围着。福克斯在溶液中加入一定的化学物质,就能使“微球”涨大或缩小,好似 普通的细胞一样。“微球”也能萌芽,有时这些芽好像长大了、破裂了。微球可以一 分为二,也能粘连成链。
福克斯最后得出一个结论:由氨基酸形成的蛋白质装配成“微球”体,从而导致 在原始环境中产生原始细胞,这些细胞又导致后来的核酸进化,最终产生自我维持的 细胞。在类蛋白质存在可激发化学过程,进而导致这些微分子必需物的进化。他相信, 类蛋白质从本质上来说可能是激发生命化学发展的活化剂。
福克斯的研究得到了多数科学家的认同,波南帕鲁玛认为:
“福克斯的工作是非常重要而有趣的,尤其是他那经加热而创造的具有生命力的 微球体。……这种现象对于生命起源的研究具有重要意义,特别对偶然发生者容易获 得。”波南帕鲁玛继续了福克斯的实验,又有新的进展,他说:
“球体验证从外到内转移同位素的膜的特征,第一个细胞模型可能就是微球体。”
1994年,南伊利诺斯大学的生物学家阿利斯托特尔·佩皮利斯经过实验也认为: 福克斯的理论似乎是可能的。类蛋白质形成原始细胞膜,这些膜都具有生命细胞类脂 膜的许多特征,这些初步的细胞壁包围着初生的原生质,它本身就是一种类蛋白质的 原生质结构丛状物。这些膜能使小分子渗透,但不能使大分子渗透。在原始细胞表面, 有时残留蛋白质将原始细胞连在一起,形成纤维状网状物。他断言:
“这些类似细胞的早期单元物质是原始细胞,它们是原始生命的最小单元。”
古老的“化学化石”
自从霍尔丹以来,虽然上述对生命起源的猜想目前还有争议,但却都得到了实验 室中小规模的实验和缜密推理的支持。如果向地壳的深处寻觅,也能寻出早期地球上 确切情形的遗迹。
科学家通过研究地壳中的化石,来探讨普遍的进化过程,这些化石是古生物的残 留物,是它们的骨头和甲壳钙化而形成的石头。但是直到此时为止,科学家在深层岩 石中找到的化石,最多不超过 6亿年,再早一些还没有找到。也许在此之前,形成的 生命过于简单,根本无法留下清晰的印记。
阿尔贝逊认为:活的骨骼和甲壳含有蛋白质。一旦这些骨骼和甲壳被埋在地壳深 处,经历数百万年,就变成了石头,可能会有一些蛋白质嵌入矿物薄层之间而留下来, 或者,至少是分解成为氨基酸或氨基酸的短链而存留下来。果然不出阿尔贝逊所料, 在60年代,科学家在年龄超过20亿年的岩石中,发现了微小单细胞生物的遗迹。哈佛 大学的巴洪推测:在30亿年以前的早期地球上已有简单的生命形式。
阿尔贝逊认真地溶解这些古代的残骸,并分析提取出来其中的有机物质,结果发 现有氨基酸,而且这些氨基酸与存在于生物蛋白质中的一样,他甚至在一只可能达 3 亿岁高龄的化石鱼中找到了一些氨基酸。
在阿尔贝逊进行研究取得上述成果的同时,卡尔温也正在寻找“化学化石”。卡 尔温深知:在真正古老的岩石中,有机化合物原封不动地保存下来是不太可能的,比 较软的部分会剥蚀掉,那些经久而蚀的可能是碳原子的链和环,其上连有氢原子。19 61年,卡尔温从30亿岁高龄的古老岩石中分离出碳氢化合物,这些化合物分子结构复 杂,很可能源于活植物体中的化学物质。
哈佛大学的绍普夫也取得了成果,他在30亿年以上的岩石中探测出了22种氨基酸 的痕迹,这些氨基酸可能就是原始生命的遗迹。
看来,地球上出现生命并非怪事,只要有最初形态的化学物质和能源,它们便会 自然地朝着生命的方向运动,因此,我们可以推论:生命也可能在任何星球上存在, 只要那里有允许使生命存在的环境。如果是这样,在另外的星球上就可能存在着生命。 虽然目前人类所到达的星球都没有生命,因为那里与地球不同,比如月亮上没有空气 和水,水星和金星几乎是炽热的,火星以外的星球则是一片严寒,那里的化学物质与 地球上的全然不同,但是,这并不能证明在遥远的星球上也不存在着生命。
1968年,人类通过射电望远镜,在银河系各部分星星之间存在的尘埃云中,测出 了水和氨的无线电波。第二年,又测出第一种含碳化合物——甲醛,以后,更多、更 复杂的化合物被陆续测了出来,它们几乎都含有碳。英国天文学家弗雷德·霍伊尔指 出:
“在这种云层中,还可能形成小量的蛋白质和核酸,它们实在太小了,以至难以 探测出来,但它们可以代表生命。”
另外,从外层空间落到地球的陨石,有时也含有少量的碳水化合物。1969年,一 块重达几吨的陨石碎片坠落在澳大利亚,波南帕鲁玛等著名科学家仔细地研究了这些 碎片,
他们发现陨石的物质组织包含有18种不同的氨基酸,其中 6种是存在于生物蛋 白质中的。虽然这并不意味着陨石中含有任何生物,但它表明:即使在没有生命的地 方,通往生命之路的这些生物也是可以形成的。(阿美工作室)
生命的起源和进化
根据用放射性同位素方法测定,地球的年龄约有46亿年,而目前已知的最早的生命痕迹大约生存在距今34亿年前,由此可见,原始生命的诞生应在地球形成后的12亿年之间。在初期的地球缓慢的演化过程中存在某些机能,它既能保护自己不受太阳辐射的破坏,又能利用太阳能维持生物的生命。在过去无数亿万年中,普照在地球上的全部太阳辐射能,其威力足以毁灭一切生命。但是这个无生命的地球随着时间的推移逐渐地产生了防护和调节作用,创造了有助于有生命物质诞生的周围环境。苏联物理学家弗拉基米尔·伊凡诺维奇·维尔纳德斯基对此称之为生态圈,指包括人类在内的一切生物所赖以生存的地球表层,包括大气圈、水圈和岩石圈的生物学环境。
生命最初的保护是依靠水的作用。由于熔融的地球的热量,使水化为蒸汽,变成包围地球的、辐射线不易穿透的云层。在云层之下,地球的温度开始急速地下降,虽然地球中心仍是熔融状态,但地壳表面逐渐冷却凝固、挤压、褶皱和断裂,从而形成深谷和高峰。随着地球的继续冷却,云中的蒸汽变成水就开始降雨。大雨连续下了几千年。雨水填满了所有裂缝和鸿沟,淹没了洼地,而且也漫到山区,几乎覆盖了全部南半球。于是诞生了生命的起源地海洋。
1.生命的诞生
大约30亿年前,大雨停止后,地球进入了另一个发展阶段。地球的原始大气中含有氨(NH3)、甲烷(CH4)、氰化氢(HCN)、硫化氢(H2S)、二氧化碳(CO2)、氢气(H2)、水(H2O)等成分,但没有游离的氧气,大气中的一些气体和地壳表面的一些可溶性物质溶于水中,在宇宙射线、太阳紫外线、闪电、高温等的作用下而自然合成了一系列的小分子有机化合物,例如氨基酸、核苷酸、单糖、脂肪酸等,汇集在原始海洋中,形成霍尔丹所谓的“原始汤”,从而为生命的诞生准备了必要的条件。其中具有四价键的碳,特别能同其他元素结合而形成多种物质。现在约有2000种以上的有机化合物中都含有碳(现在已知各种有机化合物约200万种)。如果没有碳的存在,也就没有生命的诞生了。近几十年来,科学家曾用射线辐射具有与海洋的原始撎酪簲成分相似的混合物,由此产生了少量的在生命的基础物质中也具有的有机分子。
当氨基酸、核苷酸、单糖、脂肪酸等有机小分子物质形成之后,在适当的条件下,它们可以进一步形成复杂的有机物质。例如蛋白质、核酸、多糖、类脂等大分子物质。其中蛋白质和核酸的形成对于生命现象具有非常重要的作用,对于它们的形成主要有两种观点。(1)陆相起源。他们认为聚合反应是发生在火山的局部高温地区,聚合生成的生物大分子经雨水冲刷汇集到海洋,并在一定的条件作用下,继续发展成为复杂的有机物质。(2)海相起源。认为在原始的海洋中的氨基酸和核苷酸等小分子有机物可以被吸附于粘土一类的物质的活性表面,而在适当缩合剂(如羟胺类化合物)存在时,可以发生聚合反应。
生物大分子并不能独立表现生命现象,只有形成了众多的、乃至成百万的已蛋白质、核酸为基础的多分子体系时,才能表现生命萌芽。而生物大分子在溶液中自动聚集,从而形成各种独立的多分子体系,出现团聚体或微球体。由于多分子体系可以起到有机表面的催化作用,而反过来作用于各类单体的聚合,促使产生更高级的蛋白质和核酸,然后通过有序性逐渐提高的长期过程,其结构、机能便愈益复杂和完善,由此产生出原始生命。
2.生命的进化
正如生命的起源至今还是个谜一样,生命如何向前发展的问题也还是个谜。不过有一点却可以肯定,如果地球上空最初没有出现一种屏蔽物的话,那么生命或许仍然停留在非常原始的阶段。最初是从地球上放出含有氧和臭氧的保护性的大气层,介入水和太阳的致命辐射之间。在这层屏蔽物下面,一种新的生命演进过程,光合作用发生了。光合作用使有生命的细菌和藻类,利用太阳辐射能,创造出许多有机物质并释放出更多的氧气。
光合作用使光能微妙地转变为碳水化合物。它是所有生物必需的食品。在细菌的光合过程中,叶绿素受到太阳光的照射时吸收能量,再运用这种能量,分解水分子,此时产生的氢再与碳及其他化合物化合而成糖。同时又把氧释放到大气中。这个过程比现代石油化学合成物的生产过程要精巧得多。这种合成过程是在大小还不到十亿分之一寸的细胞内进行的。
同时,通过微小的海生植物的呼吸作用,开始吸进氧气,排出二氧化碳,产生了可供生命利用的能量。因此,在光合作用开始时吸进的水和碳,最后又被放了出来;而光合作用放出来的氧,又通过呼吸作用重新吸收回去。地球上全部动植物生命的源泉,就是这两大物质循环:碳的循环和氧的循环,再加上少量的氮、硫及磷的循环。
生物细胞具有惊人的化学转变能力,并不断演变进化,南非发现的约30亿年前的原始细菌化石已经具有了简单分裂作用。更进一步的进化又演变出了十亿年的原始细菌化石,在美国加利福尼亚州东部也曾被发现过。其中类似海藻的生物,已被证明内部含有细胞核。又经过十亿年演化之后,在温暖的有荫蔽的海岸和河流出口处的水中,这些类似海藻的生物,大量繁殖了起来,通过它们的光合作用放出大量的氧气。今天,我们呼吸的氧气总量的四分之一,就是由海洋中的最微小的浮游生物所产生的,而水和空气相接触的海面正好是这些浮游生物的栖居地。
生命的三界划分:真核生物、细菌、古细菌
生物细胞在新的条件下继续进一步演化。在澳大利亚的爱迪阿加拉群山附近新发现的撊浣诔鏀化石,证明7亿年前已有多细胞的生物存在。这是多细胞生物的首次发现。所有复杂的生物都是多细胞生物。我们还不很清楚,更为复杂的生物器官是如何演化而成的。
当时火山和地震还震撼着地球,海啸还冲击着陆地。这种自然界的变动过程,正好为生命跃进到第二个阶段做了准备。有些海生植物被冲到岩石上,并在那里生存了下来。迄今发现的最原始的陆上植物是顶囊蕨的化石,约生存在4.5亿年以前。越来越多的植物在高低不平的地面上生长,随后也跟着出现了动物,鱼类逐渐演变成了两栖动物,鳍像腿一样帮助它们爬过被海水冲刷的湖泊沼泽地。鱼鳃后来也发展成为肺,能呼吸氧气。约在3.5亿年以前,生物大规模地向陆地移居。大量植物覆盖了地球的多石的表面,在整个地球表面上遍布了生有绿叶的新型植物,进行光合作用和呼吸作用。大气中不可缺少的氧气,有四分之三就是经过植物的光合作用产生的,从而供给地球上所有生物呼吸所需的氧气。从此陆地成为生命进化的主战场,多彩的生命世界从此开始。
自然科学对宇宙、生命起源和进化的探索和认识
一、自然科学对宇宙、生命起源和进化的探索和认识
(一)宇宙、太阳和地球、地球和大气:
1、宇宙:
2.太阳和地球:
3.地球和大气:
(二)生命的起源和进化:
1.生命的起源:
2.生物的进化:
3.人类的出现是生物进化的(现时)结果:
二、“道”、“道生万物”、“道法自然”和“万物负阴而抱阳”的进化论意义
写在前面:
  科学是老老实实的学问。科学不是妄说,科学家不是江湖骗子。科学是以事实为根据的,这也正是它的力量所在。否则那就是伪科学、骗子。重温现代自然科学在宇宙和生命的起源和进化上的探索和认识,对进一步理解和验证老子关于“道”“其上不皦,其下不昧,绳绳兮,不可名,复归于无物”,“有生于无”,“道生一,一生二,二生三,三生万物”以及“道法自然”和“万物负阴而抱阳”等学说的真理性,是非常重要的和有意义的。
一、自然科学对宇宙、生命起源和进化的探索和认识
(一)宇宙、太阳和地球、地球和大气:
1、宇宙:
1912年,美国天文学家斯莱弗在观测星系的视向速度时发现,其中的大多数星系都飞离地球而去。到1914年,他得到了15个星系的有关数字,其中有13个是退行,其速度约每秒数百公里。
当天文学家们沿着这条线索继续研究时,情况就变得越来越明朗了:除极个别距地球最近星系外,所有星系都在背离地球飞驰而去。
1929年,威尔逊山的哈勃进一步研究指出:一个星系退离地球的速度同它离地球的距离成正比。这个规律被称之为“哈勃定理”。
此后,哈勃定理不断地得到进一步观察证实。现天文学家借助于大尺寸的望远镜,已经探测到一些离我们地球非常遥远的天体,其退行速度高达240,000公里/秒以上。
根据在宇宙中发现的这个普遍现象,天文学家创立了关于宇宙是膨胀着的学说。现在天文学家已普遍认为宇宙是在膨胀着的。并且还可以利用宇宙的这种膨胀现象来解释爱因斯坦广义相对论中的“场方程”。至于宇宙的膨胀,有一种解释是:膨胀是最初的一次爆炸的结果。1927年,比利时数学家勒默策提出:可能现在宇宙的一切物质最初都是来自于一个超密物质的“宇宙蛋”的爆炸结果。由于这个宇宙蛋的爆炸,才产生了我们这个宇宙。它爆炸后的那些团团物质尘云就形成了宇宙间的各个星系,并且直到现在它们仍然还在向四面八方飞散着。
进一步研究还指出:基本粒子可能就是起源于宇宙蛋的大爆炸的过程中,而化学元素不是在星系世界的进化过程中生成的,它是在恒星进化过程中才生成的。
至于宇宙蛋的来源,有一种假说,认为宇宙蛋是宇宙开始时的极其稀薄的气体物质,在万有引力的作用下逐渐收缩而成。即宇宙在其更早的无限久远之前的某个时期,开始于差不多几乎是绝对虚空的状态。以后经过收缩阶段而形成宇宙蛋,然后爆炸,再经过膨胀阶段,再回到差不多是绝对虚空的某种新状态,而我们现在就刚好生活在宇宙的这两者之间比较丰富多彩的短暂时期内。有些天文学家,如英国的邦诺据此还作了一些估算和推论,认为宇宙已经历了无数次上述“循环”,每次“循环”要经历约数百亿年,即我们的宇宙是一个“振荡的宇宙”。1965年,美国天文学家桑德奇估计,宇宙的每一次振荡周期约820亿年。所有这些学说,都说明我们的宇宙是一个“演化的宇宙”。1980年,美国的古斯在热大爆炸宇宙模型的基础上又进一步提出了暴涨宇宙模型。这一模型可以解释目前已知的大多数重要观测事实。
2.太阳和地球:
在远古时代,就有“宇宙出自混沌”的猜想。十八世纪中期,德国古典哲学的创始人康德采用了这个猜想。并且在哥白尼、牛顿等科学家的有关太阳系结构学说的基础上和当时已有的科学发现,提出了关于太阳系从云团状态向现时天体结构演化机制的设想,从而用历史解释了现存。他认为一切物质间不仅存在着引力,也存在着斥力。引力使云团状态的分散物质不断凝聚,而在小质量物体向大质量物体趋近的过程中,斥力使其产生了旋转运动。他用这一基本原理来阐述太阳系的形成过程,解释太阳系的行星和卫星为何处于同一轨道平面上,以及轨道取向、轨道根数等产生的原因。稍后,法国天文学家、数学家拉普拉斯在1796年也独立地提出了他的假说。按照拉普拉斯的描写,那形成太阳系的巨大的、收缩着的云团物质,从一开始就旋转着。随着云团的收缩,根据角动量守恒原理,转速将越来越高,云团开始从它快速转动着的赤道附近抛出一些物质环来。这样,在形成中的太阳周围就遗留下一系列的轮胎状物质云。而这些物质环慢慢地就凝聚成了太阳系中的各个行星;这些行星本身也可能按上述同样方式抛出了一些小环,就形成了它们各自的卫星。这些假设似乎同太阳系的一些主要特征一致,却有一些与事实不符的致命弱点。例如,1859年,英国数学物理学家麦克斯韦从数学上对土星环进行了分析,他证明,不管什么天体抛出的气体物质环,都只能够凝缩成土星环那样的小粒子集合体,而不会使它形成一个大固体,因为万有引力将把它拆散。另外,据计算,全部行星质量仅有太阳系质量的0.1%,却拥有太阳系总角动量的98%!但在木星和土星各自的系统中,它们却存有其系统的大部分角动量!
1905年,美国科学家钱伯林和莫尔顿又提出一种假说,他们把行星解释为另外一颗恒星和我们的太阳很近地相擦而过时从太阳和那颗恒星中拉出来的一些气体物质,而那些留在我们太阳近旁的物质云团后来就凝缩成一些小的“星子”,然后这些“星子”又发展成行星。这就是所谓的“星子假说”。然而实践证明,这个假说也是漏洞百出,而很快被人们放弃。
随着天文学家对宇宙眼界的开阔,使人们不得不去重新认识星系的形成问题。这时星系这一名称所指的气体尘埃云,要比拉普拉斯设想形成太阳系之母的云团要大得多。显然,在这样一些巨大的物质云团中会发生汹涌激荡的湍流,而且在这些湍流中还会出现旋涡,而每一个旋涡就有可能凝缩成一个独立的系统。1944年,德国天文学家韦扎克对这种设想进行了详尽地分析,经过计算后指出:那些最大的旋涡包含有足够形成星系的物质。当这样一个巨大旋涡作湍动收缩时,就会产生出一些子旋涡。每一个子旋涡也很大,足以诞生出一个或多个太阳系来。在太阳旋涡的外缘,又会出现一些亚子旋涡,它们就可能形成行星。当两个亚子旋涡相碰撞,而象两个啮合的齿轮朝相反方向转动时,在它们的接合处,就会形成行星。因为在这些地方,尘埃粒子会因碰撞而结合。这样碰撞的结果,就可能先形成星子,然后再形成行星。此后,瑞典天体物理学家阿尔芬又考虑到太阳的磁场在其生成中对旋转的制动和传递作用,而对韦扎克学说加以改进。结果,使这个学说成为一个看来是迄今说明太阳系起源的较好的理论。
就这样,在浩瀚的宇宙中,出现了我们赖以生存的家:地球;赖以生存的环境:月亮、星空和光辉灿烂的太阳。
由岩石和红移测得的结果,认为现太阳和地球的年龄都是50-60亿年。
3.地球和大气:
天文学家经过长期的研究后知道,在太阳系中的其它行星上没有一个有与我们地球上相似的大气,而使人们推论,地球上的大气是一系列独特过程作用的结果,它是得天独厚的。
因为在宇宙中,氢、氦、碳、氮和氧占了大部分,而其中氢的普遍性又远远地超过其它元素。所以美国化学家尤里认为在氢的数量占绝对优势的原始大气I的情况下,碳很可能会与氢化合成甲烷(CH4),氮与氢化合成氨(NH3),而氧与氢化合成水(H2O)。氦和多余的氢可能克服地球的引力而逃逸出去;水形成海洋;甲烷和氨这类较重的气体会被地球的引力紧紧地保持住,从而成为地球大气的主要成分而形成大气Ⅱ。
而来自太阳的紫外线辐射又会使大气Ⅱ继续发生变化。在外行星上这种变化是极微小的,这是因为:其一,它们所接受的来自遥远太阳的辐射较弱;其二,它们有巨大的大气Ⅱ层能够吸收掉来自太阳的辐射,从而使太阳的紫外线辐射对其大气的作用极微弱,而不致于使其产生显殊的变化。所以外行星大气中至今仍然是氢、氦、氨、甲烷。但这对五个近太阳的星球:火星、地球、月球、金星和水星的情况就不同了。而其中因月球和水星太小、太热或既小又热,不能保持住其周围的大气。只有火星、地球和金星的周围,在开始时具有主要是由氨、甲烷和水组成的薄薄的大气层。当太阳的紫外线辐射照射在地球的大气Ⅱ之上层水分子上,就把它“光致离解”,而使其分解成氢和氧。氢可能逃逸出去,而留下氧。由于氧的化学性质活泼,就会同它附近的甲烷作用而形成二氧化碳(CO2)和水;与氨作用形成氮(N2)和水。从而使大气从甲烷和氨很缓慢,但却是稳定地转化成氮和二氧化碳,而氮与地壳中的矿物质发生缓慢的作用而形成硝酸盐,剩下的二氧化碳则成为大气的主要成分。
同时,一旦二氧化碳成为大气中的主要成分后,太阳的紫外线辐射就不会再通过水分子离解而使大气进一步变化了。因为当氧开始以自由态形式积累起来的时候,在高层大气中就会形成一层薄薄的臭氧层,阻碍紫外线辐射进入低层大气,从而阻止发生进一步光致离解作用。所以,以二氧化碳为主的大气是稳定的。
进而,二氧化碳会产生“温室效应”。如这个以二氧化碳为主的大气层很稀薄,又远离太阳,那么这种效应将很微弱,例如,象火星上的情况,火星上的大气密度只有地球的1%。但如大气密度很大,又靠近太阳,那么它的“温室效应”又将很大,最后使这个行星变的极热,其全部水都将以水蒸汽的形式留在大气中,而把它的表面永远隐藏在不消散的浓云之下。例如,像在金星上的情况那样。
而在地球上的情况既不象火星,也不象金星。在地球的大气中,氮没有被全部吸入地壳中,而留下的二氧化碳又是稀薄微量的,其温室效应既不大又不小,既有保温作用,又没有形成能窒息万物的高温“外壳”。这样,就不仅使地球成为一个“开放系统”,而且是一个具有负熵的耗散结构的自组织系统。这个由太阳、大气、海洋和地球所构成的非线性系统,在远离平衡的条件下,而必定使它其中的物质从无序、热混沌到有序的不断转变和进化,其结果就产生了生命,生命的多样性,以及生命由低级到高级的多层次进化。
进而,在地球的海洋里,生命所产生的化学反应又破坏了氮的化合物,把氮释放出来。这样,在大气中开始产生大量的氮气。此外,细胞发展了借助于不受臭氧层阻挡的可见光把水分子分解为氢和氧的能力。氢与二氧化碳化合,就构成了组成细胞的复杂分子,而氧在释放出来后,则进入大气。这样,地球上的大气Ⅱ,由于有了生命,其组成又从氮和二氧化碳转变成由氮和氧组成的现在大气Ⅲ。随即,温室效应变得更微弱,地球依然是冷的,并能保持它的独一无二的液态水的海洋和其中含有大量自由态氧的大气层。
实际上,含氧大气可能只是地球已存在约50亿年历史的最近几亿年的特征。科学证明,甚至在6亿年以前,其大气中的氧也只有约现在的10%。
我们现在有这样一个含氧丰富的大气层,首是要庆幸于地球在太阳系中的优越位置和它自身的优越条件,从而使它产生了生命;而正是由于生命的产生又使得它的大气中有存在自由态氧的可能性,而自由态氧的存在又反过来使得生命能够得以继续存在和发展下去,而这一切对地球来说又都是必然的。
(二)生命的起源和进化:
   1.生命的起源:
人类真正地能克服宗教的桎梏,而以科学的态度和手段来探索和研究生命的起源和进化的问题,是由二十世纪初才开始的。因为只能瓜熟才能蒂落,水到才能渠成,只有伴随着十九世纪、二十世纪科学技术和经济文化进步之果熟,之水到,关于正确认识生命起源和进化的这个蒂才能落,渠才能成。
大多数人类早期的文化中都有一些关于上帝创造第一个人的神话,有的还涉及到其它生命的创造问题。可是人们却很少把生命的形成完全归功于上帝的万能之手,特别是对于低级生命的产生。上帝是至高无上的,圣洁的,是不肖于对那些低下的、肮脏的东西之一顾的。例如人类很早就认为象昆虫和蛆这样一些低级生物是从腐肉中自生出来,青蛙是从泥里直接产生出来,老鼠可以从霉烂的麦子里产生出来。这种观点似乎人们是依据自己实际观察得到的“想当然”的论断。无论是古希腊的“思想帝王”亚里士多德,还是中世纪的科学巨匠牛顿都对此深信不疑。
人们第一次对生命起源课题的研究和探索,也是首先避开宗教、神灵,而从这个千百年来习以为常的见解开始的。
第一个用实验来检验这个信念的是意大利医生雷地。1668年,他决意要看看蛆到底是不是真的可以从烂肉里生出来。他把一块块肉放在一个个瓶子里,有的瓶口盖上纱布,有的则不盖。苍蝇能自由地飞到那些瓶口不盖纱布的瓶子里,而不能进入那些瓶口盖有纱布的瓶子。结果表明:只有那些瓶口不盖纱布,苍蝇可以自由出入的瓶子里的肉上才生蛆。因此他断定:蛆是由苍蝇产在肉上的极为微小的卵孵化出来的。没有苍蝇的卵,不论肉腐烂多久,也不能生蛆。
可是,在雷地那个时期以后不久,当人们发现微生物的时候,很多科学家又开始相信虽然从死物里不能产生看得见的生命,但微生物却可以从死的东西里变出来。因为既使把放肉的瓶子的瓶口用纱布盖严、封好,其中也会长满了细菌。关于微生物可以产生于死物的观点又盛行了一个世纪,直到1765年,意大利的博物学家斯帕兰扎尼才开始对这个信念产生怀疑。
1765年,斯帕兰扎尼准备了两组瓶子,都装入肉汤。让其中第一组开口,使空气可以自由进出;而把第二组瓶子里的肉汤首先加热煮沸,杀死其中已有的各种微生物,然后封好,不让空气里可能有的微生物进入。结果:第一组瓶子里的肉汤里很快长满了微生物;而第二组瓶子里的肉汤里却没有产生出微生物。这就证明了,就连微生物也不能由无生命的物质里产生出来。他甚至还分离出一个单个的细菌,并且看到它分裂成两个细菌。但这仍然没有让人们心服。还有人坚持煮沸能把空气中的各种“生命力”煮死的说法。为此,在1862年,法国化学家、生物工程的开山鼻祖巴斯德设计并制造了一种瓶子,它有一个既象鹅的脖子又象个横放的S形的长颈。他不把瓶口密封,空气能够进入瓶内,可是空气中的尘埃颗粒和微生物却进不去,因为弯弯的瓶颈象个陷坑,起着类似于在下水道中防止臭气回流的S形管的作用。他在瓶子里放上一些肉汤,安装上S形的瓶颈,把其中的肉汤煮沸,然后等着看发展。结果,肉汤内保持无菌。空气中显然没有什么“生命力”。这样,巴斯德的实验才把“生命力”之说永远地埋葬了。
在上面,科学家首先证明了:无生命的物质不能产生生命;而后,科学家要证明的却是:生命又确实是无生命物质进化来的。而使得这两个相反的命题统一起来是其条件的不同。
但如果生命既不是神创造的,又不是“生命力”创造的,那么是怎么来的呢?  十九世纪末,有些理论家又走到了另一个极端,认为生命历来就有的。其中最流行的观点是瑞典化学家阿伦尼亚斯提出来的。1907年,他出版了一本书,名字叫《宇宙的形成》,其中说宇宙一直就有生命,生命穿过宇宙空间游动,不断地在新的行星上定居下来。他说:生命是以孢子的形式游动的,孢子可因无规则运动而逸出行星的大气,然后靠太阳光的压力被推向宇宙空间各个角落。他认为:孢子在星际空间里被光辐射推动着一直向前运动,直到它死掉或落到某个行星上安家落户,发展成活跃的生命。
但是在1910年,科学家们证明:紫外线能很快杀死细菌的孢子。在星际空间里,即使不算其它破坏性辐射,如宇宙射线、太阳X射线,以及围绕着地球的范艾伦带的那些带电粒子等,只就太阳的紫外线辐射也已经足够强了。而就人类至今所知道的由蛋白质和核酸(DNA)构成的孢子都害怕辐射的照射。
尤里认为,生命是在大气Ⅰ中开始的。1952年,在尤里的实验室工作的研究生米勒(丹麦显微镜学家)让加上氨、甲烷和氢的水循环流经一个模拟太阳紫外线辐射的电弧。一个星期后,他用纸上色层法分析他的溶液,发现除了那些不含氮原子的简单物质以外,还有甘氨酸和丙氨酸,两种最简单的氨基酸,并且似乎还有其它两种比较复杂的氨基酸。
米勒的实验结果非常重要:
第一,这些化合物形成得很快,数量也很多。实验只进行了一个星期,在他所使用的甲烷中,就有1/6与其它物质形成了比较复杂的有机化合物。
第二,他的实验中所形成的有机物恰好都是活的组织所具有的。那些简单分子变成比较复杂的分子的途径,似乎正好直接朝着生命的方向前进。在后来更为精微的实验里,这个朝向生命发展的过程在不断继续着。在任何时候,实验中所大量形成的分子,似乎都是朝向我们所熟悉的生命前进的。这就是自然,自而然之,本质上的意义。
艾贝尔森继续了米勒的工作,他进行了一系列类似的实验,用的是由不同气体以不同组合方式构成的原始材料。他发现,只要开始时所用的分子中有碳、氢、氧、氮等原子,使用的能源不一定利用放电,就都能形成那些在蛋白质中通常所见到的氨基酸。
1959年,两个德国科学家格罗特和维森霍夫设计了一个用紫外线代替放电的实验,他们也得到了氨基酸。紫外线不仅可以杀死生命,也可以制造构成生命的物质。
在二十世纪六十年代后期,科学家们在地球外围空间的气云里也发现了一些代表朝向这个生命方向发展的最初阶段的更为复杂的分子。这一些都有力地说明,简单物质朝向生命发展的路线是在当时地球环境中的必然,是受阻力最小,而概率最大的“自然”之路。
1968年11月,天文学家在星际间发现了水分子和氨分子的射电波“指纹”;
1969年,又探测到甲醛(H2CO);
1970年,又探测到丙炔腈(NCCCN)和甲醇(CH3OH)。
现在人们知道:可能在尘埃云团发育成地球的那个时候,形成复杂分子的最初发展阶段就已经开始了。
地球在最初形成的时候,可能就已经有了氨基酸。1970年,对此出现了有利的证据。锡兰出生的生物化学家波南佩鲁马研究了1969年9月28日在澳大利亚的一块陨石。仔细分析发现,其中有微量的五种氨基酸:甘氨酸、丙氨酸、谷氨酸、缬氨酸和脯氨酸。这些氨基酸都没有光学活性,所以陨石里的这些氨基酸并不是出于球球污染,即不是由生命过程形成的,而是由在米勒的烧瓶里所发生的那种非生命的化学过程形成的。
1961年西班牙血统的美国生物化学家奥罗利用在米勒实验中的一种产品氰化氢作原料加到实验开始时使用的混合物中。结果他得到了很多种氨基酸,甚至还得到了一些短的肽,一些嘌呤和核酸的重要成分腺嘌呤。
1962年,他又用甲醛作为原料之一,制成了核酸的其他成分:核糖和脱氧核糖。
1963年,波南佩鲁马也做了一些同米勒相似的实验。他利用电子束做能源,制成了腺嘌呤。此后他同马里纳和萨根一起,进一步把腺嘌呤加到核糖溶液里,在紫外线的作用下制成了腺嘌呤和核糖分子结合而成的腺嘌呤核苷。假如,这时还有磷酸存在,磷酸根就会挂在上面而形成腺嘌呤核苷酸。事实上,可以加上三个磷酸根而形成三磷酸腺苷(ATP)。而ATP是活组织能量处理机制所必需的成分。1965年,他又把两个核苷酸结合在一起,制成了二核苷酸。假如在研究这个问题的其他实验里所使用的混合物中加上氨基氰(CNNH2)和乙烷(CH3CH3),就能产生其它一些化合物。在地球的原始时期就可能已存在着氨基氰和乙烷。因此,在地球的原始海洋和大气里,正常的化学和物理变化毫无疑问地也会发生这样的作用,从而形成蛋白质和核酸。
在地球还没有生命的时候,所形成的各种化合物都会在海洋里保留下来并且积累起来。因为那时候既没有大大小小的生物消耗它们,也没有游离的氧去使它们氧化或分解。唯一能破坏它们的重要因素是形成它们的紫外线等辐射。可是,海流可以把它们大量地带到海洋中层的安全避难所中,在这里既远离遭受紫外线辐射的海面,也远离放射性活跃的海底。据波南佩鲁及其合作者们估计,原始海洋约有1%完全是由这些新形成的有机化合物构成的,其数量超过一千万亿吨。这样大量的蛋白质和核酸已经足够供应各种自然力去发挥它们的创造作用了。有这样巨大的数量的蛋白质和核酸,即使是最为复杂的物质也必然会在不太长的时间内形成出来,更何况还有数十亿年的时间可供它们来精雕细琢呢!
因此,从逻辑上完全可以假定,地球的原始海洋和大气中的简单化合物,随着时间的推移,会越来越多地形成较为复杂的氨基酸和简单的糖类;氨基酸又结合成肽;嘌呤、嘧啶、糖和磷酸则结合成核苷酸;经过若干年代,又逐渐形成蛋白质和核酸。最后,关键的一步必定终会到来:这些物质通过随机结合,由诱发而形成了一个能自我复制的核酸分子。这个时刻就是通常意义上的“生命”的开始。
我们根据自组织理论知道,那时的地球实际上已形成了一个具有负熵的耗散结构系统,它吸收太阳的能量而使自己的简单物质形态逐渐向复杂、更复杂的物质形态发展、进化,不平衡是它的有序之源,“涨落”是激活它的“种子”,而“涨落”又是不可避免的、必然的,对它的偶尔一次骚动、干扰,都可能是投向它的、诱发它产生能自我复制的核酸分子的“种子”。
可见,在生命本身进化之前,有一个“化学演化”的时期。然后,只要有一个“活”的分子,就足以使生命开始发展,而这一切对那时的地球来说都是必然会发生的,从而使地球变成一个朝气蓬勃,充满生命的世界。这正象一个受精的细胞能发展成为一个极其复杂的有机体一样。在那时的由有机“汤”所构成的海洋里,头一个活的分子能在很短的时间内成亿成亿地复制出和它自己一样的分子。而每一偶然的突变又会产生与它稍微不同的分子来,而那些在某些方面效率更高的分子,会牺牲它的邻居而进行繁殖,并且取代旧有的那些分子。如果有一组分子在暖水中效率比较高,另一组在冷水中效率比较高,就会产生两种,其中每一种都局限在它最适应的那个环境里。这样,“有机进化”过程就开始运转了。
即使在最初就独立地出现了好几种活的分子,但是效率最高的那一个也可能会比其它分子繁殖得更快。所以,今天所有的生物很可能都是同一个活的原始分子的后代。实事也证明了这一点:尽管现在的各种生物有那么大的差别,但它们全都有相同的基本性质。它们的细胞都以非常类同的方式进行着代谢。不仅如此,特别有意义的是:所有生物的蛋白质都是由L型氨基酸,而不是由D型氨基酸构成的。也许,后来发展出各种生命的那个原始的核蛋白凑巧是L型氨基酸构成的;由于D型不能和L型形成稳定的链,所以,原来凑巧是L型氨基酸的那一个活的分子就通过自我复制而成为极其普遍的了。这并不是说,在自然界中完全没有D型氨基酸。在某些细菌的细胞壁里和某些抗生化合物里有D型氨基酸,但这是非常罕见的例外。
当然,从活的分子到现在我们所知道的生命还需要跨越非常巨大的一步。除了病毒以外,所有的生物都具有细胞的组织。用人作标准,细胞是太小了,可是从化学结构和相互关系上来看,细胞是极其复杂的。那么,这一切又是怎样开始的呢?
美国生物化学家福克斯的研究说明了细胞的起源问题。他认为,早期的地球是非常热的,单靠热能就足以使简单的化合物形成复杂的化合物。为了证明这一点,他把各种氨基酸的混合物加热,发现它们形成了长链,同蛋白质分子的链很相似。能消化一般蛋白质的酶,也能消化这些“类蛋白”,这种类蛋白可以作为细菌的食物。
最惊人的是,当他把溶解在热水里的类蛋白冷却时,发现类蛋白缩到一起,形成一些“微小的球”,这些微小的球和小的细菌那么大。按一般标准看,这些小球是没有生命的,可是它们至少在某些方面却表现得和细胞那样。例如,它们外面也包着一种膜。他在这种溶液里加上某些化学药品以后,这些小球能象一般细胞那样膨胀起来或萎缩下去。它们能发芽,甚至这些芽有时似乎还能长大,然后脱落下来。小球能分裂,一个分成两个,或彼此连成一串。
大概在生命出现之前,这类不完全有生命物质的聚集物已形成有好多种。有的特别富有DNA,很能自我复制,可是在贮备能量上却不行。但有的却能够很好地处理能量,可是自我复制则不行。后来,这两类不同的聚集物可能在一起进行协作,每一种都补偿了另一种的缺陷,而形成了一个近代的细胞。这个细胞的效率比其形成它的任何一个部件的效率都高得多。近代细胞仍然具有一个富于DNA可自己却不能利用氧的细胞核,和大量能够高效率地利用氧但没有细胞核就不能自我复制的线粒体。线粒体中还有少量DNA,这就表明,它可能一度曾经是独立存在的东西。
在存有大气Ⅰ和大气Ⅱ的时期,原始的生命形态只能靠把复杂的化学物质分解成更简单的物质并贮存起来和以此时释放出的能量来维持其生存。然而这时,太阳的紫外线辐射又会把简单物质再次变成复杂的物质。但是,一旦大气Ⅱ完全形成,臭氧层也已经出现之后,这些生命形态就有了饥饿的危险,因为这时紫外线的供应已被切断了。
可是在这个时候之前,已经形成了一些类似线粒体的聚集物,其中含有叶绿素,也就是现在的叶绿体的始祖。1966年加拿大生物学家霍德森和贝克用吡咯和仲甲醛作为初始物质,这两种东西可以在米勒那类实验里用较简单的物质制造出来,只是微微加热3个小时,就得到了叶绿素的基本结构——卟啉环。
在臭氧层正在形成的过程中,虽然含叶绿素的原始聚集物利用可见光的效率不高,可是比没有叶绿素的聚集物却好得多。可见光很容易穿过臭氧层,它的能量虽然比紫外线小,可是足以使叶绿素系统进行工作。
最早期的叶绿素的生物可能并不比现在的单个叶绿体更复杂。实际上,现在有约两千种能起光合作用的“蓝绿藻”。蓝绿藻是非常简单的单细胞生物,在结构上更象细菌,只是它们含有叶绿素,而细菌没有叶绿素。蓝绿藻可能是原始叶绿体的后裔中最简单的一种,而细菌可能是叶绿体的后裔,它们已经丧失了叶绿素,而且得靠食死的组织和死组织的成分过寄生生活。
当叶绿体在原始的海洋里繁殖时,二氧化碳逐渐消耗着,分子氧就出现了。结果,就形成了现在的地球大气Ⅲ。植物细胞的效率不断提高,每个细胞都含有大量的叶绿体。这个时候,没有叶绿素的精细的细胞就不能再靠原来的基础过活了,因为植物细胞已经把海洋里的食物供应一扫而光,除了在植物细胞里面,再也形不成食物了。可是,没有叶绿素但配备着精细的线粒体的细胞,却能依靠吞食植物细胞和剥夺植物细胞制造出来的分子来生存。因为线粒体能很有效地处理复杂分子,并且把这些分子分解时所释放出来的能量贮存起来。这样,就开始有了现代的动物细胞。后来,生物变得相当复杂,开始留下我们现在看到的动物和植物的化石记录了。
由此可知,生命只不过是在我们地球上这个得天独厚的特殊环境中,简单物质在一系列物理的和化学规律的作用下而生产的必然结果。
2.生物的进化:
十八世纪下半叶和十九世纪早期的博物学家,因受惠于那个时代的生产实践,搜集了他们先辈所未曾有过的大量的、新奇的和详尽的地质和化石资料。人类在挖掘埋藏在地壳深处的铁和煤的活动时,地球昔日的历史也就展示其眼前。被挖掘出来的一件件化石,使人们看到早已在地球上灭绝的生物的概貌。人类发现海底的淤积层原来是古代的内陆,它的坚硬的岩层表面又可能说明它原先是些熔融状态的岩浆。
这些材料说明,地球表面和其上的生物曾经发生过一些巨大的变化,其变化的原因是什么,两者有无关系?
1695年,英国伦敦雷山姆学院医学教授约翰·伍德沃德发表《地球自然历史试探》一文。他认为地球上曾发生规模巨大的洪水,而把大地冲得土崩瓦解,在洪水过后才又形成新的地层。这种早期的灾变论被称之为“水成论”。
1740年,意大利威尼斯的一个修道院院长安登·莫罗提出了一个相反的假说,他认为地质学上的大灾变是一系列的火山爆发造成的,是火山灰和熔岩埋葬了那些地球上原有的生物而形成新的地层。这种灾变论被称之为“火成说”。
进而,从火成说中逐渐地产生出一种“均变论”的学说,它认为地球表面的变化是由于那些现在仍然对其起作用的原因,如:侵蚀作用、泥沙沉积、火山地震等等长期逐渐导致的结果。1795年,被称为“近代地质学之父”的赫顿之名著《地球的理论》问世。他认为地表内部是熔融的岩浆,外部坚固的地壳把它封闭于其中,而火山可以作为地球内部能量的喷泻出口,起着某种保险阀的作用。当熔融岩浆从地下裂逢中迸发出来时,就使压在它上面的岩层发生倾斜,并产生出新的岩层。他的这种“均变论”观点蕴含着这样一种意义:
即现在生物的各种形式是在地质均变作用下古代生物逐渐进化、演变的结果,并非每一种生命形成都是来自于某一独特的生命创造行为。地球的历史,可以在地球的地质史中读到;生物的进化史,也可以在地球的地质史中读到。
此后,又有赖尔继承了他的学说,赖尔在1830年至1833年,相继出版了他详细论述“均变论”的巨著《地质学原理》的一、二、三卷,而这些书的副标题:“以现在还在起作用的原因试释地球表面历史上的变化”,明确地概括了他的这一思想主旨。赖尔的地质学理论不仅正确地解释了地球的地质史,而且还隐含着另一个更重要的发现:既然地球从过去到现在永不停息地变化着,那么,在地球上生存着的生物物种也一定会在逐渐地、不停地变化着,而它们的历史形态可以由大量生物化石告诉我们。因此,地质均变论隐含着生物进化论。
在此我们可以看到一个问题,即灾祸的两重性,它不仅可以给生命造成巨大的苦难,也可能给生命带来向更高层次进化的机会。自然灾祸是必然的,不可避免的,人类所能,并应该做的事情就是怎样控制它的危害,而充分利用它可能给人类带来的利益。
在生物学上,英国博物学家达尔文在广泛地考察后,证明了野生生物确实有历史的进化。远物种之间在结构上的相似性,有力地说明它们有共同的祖先;而两个界线分明的物种之间,时常可以插入一系列物种,而使物种的分类变得十分困难模糊。物种间不存在明确的界限。这又显然说明:现地球上的各物种有一个共同的祖先,而现在的各物种,是同一祖先的生物沿无数不同方向各自不断地进化形成的。
达尔文又证明了物种的变异必须和选择相结合才能产生显著的物种进化。而地球上的现生物就是古生物通过遗传基因变异和自然选择而长期不断进行的改进和遗传的结果。
而关于生物进化的变异和遗传的具体机制问题是由与达尔文同时代的奥地利僧人,后来成了修道院院长的孟德尔解决的。他进行了一系列的豌豆杂交实验,并且提出了一种有深远影响的理论,正确地解释了这些实验结果的意义。
孟德尔把生物遗传的性状首先分解成一个个不可再分解的基本单元,然后再对某一个或几个遗传单元进行研究,这使他获得了很大的成功。他称这种单元为“遗传因子”。他先采用了具有相反遗传因子的两株豌豆作父本和母本,一株高,一株矮。如果让它们各自自花传粉,各自只会产生高的或矮的后代。这说明它们是纯种。孟德尔禁止它们自传花粉,而是使其杂交。他发现,这样产生的第一代全是高的,说明高因子T是显性的,而矮因子t是隐性的,它含有两个因子Tt。孟德尔又令第一代的Tt自花传粉或互传花粉,在产生的第二代中,高矮植株之比为3∶1。孟德尔认为这是第一代的因子Tt相互分离后又重新排列TT、Tt、tT和tt的结果。其中TT、Tt、tT是高茎,而tt是矮茎。孟德尔又用第二代继续繁殖,发现其后代的高矮比例与上述对基因的排列分析完全一致。当然,孟德尔发现了物种的遗传因子,以及通过改变这些遗传因子的可能组合,而实现物种的某些性状方面的改变,但只这些还不能达到物种的进化。孟德尔只是发现了基因不变的遗传,而没有发现基因在遗传过程中还会发生变异。人们现在知道,基因是染色体中遗传物质脱氧核糖核酸(DNA)沿着双螺旋排列而成的。在遗传过程中,当其排列顺序发生错位,基因也就改变了。正是因为这种基因的变异,而不是生物表现性状的变异,才给生物进化提供了可能。
3.人类的出现是生物进化的(现时)结果:
十九世纪胚胎发育学的发展,给人们提供了一个惊异的线索,使人们能亲自亲睹目地球上生物亿万年来进化历史的大致路线。
1759年11月,德国青年医生卡斯帕尔·弗里德里希·沃尔弗在他的博士论文《发育论》中说:他经过一系列详细观察后,发现鸡蛋卵黄上面白色胚盘是由相叠的四层组成的。在胚胎发育过程中,这四层不断地产生出新的构造,而逐渐形成了四大生理系统:最上层是神经系统,其次是肌肉系统,再其次是心血管系统,底层是肠道系统。他断言:胚胎发育并非是已经形成的器官的展开和长大,而是一系列新构造的产生过程。这种胚胎学理论称为“渐成论”。
1811年,德国自然哲学家、进化论者迈克尔提出“生源说”,认为高等动物的胚胎发育过程在解剖结构上和生理上正好重复物种进化过程,而把胚胎发育学和物种进化这两个过程直接联系起来。
1838年,德国近代生物学之父约翰内斯·弥勒的学生德国人罗伯特·雷马克和瑞士人阿尔贝特·寇力克发现:卵子和精子原来只是简单的细胞,而胚胎发育过程原来正是由细胞不断分裂而构成的,是新的细胞、组织、器官不断形成的过程。
1875年,奥斯卡·赫特维希发现了卵和精子相互结合的过程。他看到几百万个带鞭毛的海胆精子包围一个卵细胞,而其中只有一个进入到卵的原生质体中去。这时两个细胞核相互吸引而融合为一个细胞核,形成“种细胞”。正是由这个种细胞的不断分裂而发育成其胎儿。
德国进化论者、生物学家海克尔则广泛地对鸡、海胆、海绵、水母、猿猴和人的胚胎发育过程进行了详尽的研究后,指出:整个动物界分成单细胞原生动物和多细胞的后生动物两大类,两者的繁殖方式完全不同。原生动物的繁殖即简单的细胞分裂,是无性繁殖,而后生动物进行的是有性繁殖。种细胞要经过一系列阶段才能发展成动物的幼儿。一切后生动物首先都要生成两个原始的胚层,其状如肠。这是一切后生动物的共同祖先所具有的构造,他把自己的理论称作“原肠祖论”。在胚胎进一步发育过程中,每个个体都重演其种系的进化历史过程。他将不同物种的个体胚胎发育史加以比较,指出它们既有开始,初期的某些共同阶段,这显示它们有共同的祖先;同时它们此后又开始彼此分化开来,逐渐形成它们彼此相异的特征,这显示它们从共同祖先中分化成不同种类。个体发生就是种系发生的短暂而迅速的重演。这就是海克尔的生物发生律,简称“重演律”。当今世界各个物种的胚胎发育过程相互比较而形成的整体图景,正好重演、展示了整个生物世界的树状进化历史。
他的“重演律”向人们生动地展现了到现在之前我们地球上生物进化的整个历史过程。
此外,他在进行大量研究后,指出人类和类人猿,如黑腥腥,在胚胎发育过程中也有开始的、初期的共同阶段和以后的分化点,论证了人猿同祖。他说:“每一个科学家,只要他睁大眼睛深入到幽暗而极有趣的人类胚胎史的迷宫,并把人类胚胎史和其它哺乳动物的胚胎史进行批判地比较,那么他就可以在这迷宫中发现意义重大的、能照亮我们人类种系发生的灯塔。”这种比较“完全肯定地证明了人类和灵长类有着相近的种系血缘关系。”(《宇宙之迷》)
人类的出现是生物进化的现在结果。
从十九世纪末叶,海克尔的重演律和物种进化系谱树已被大多数科学家作为人类的光辉科学发现而接受下来。
地球已存在45亿年。这个说法是相当可靠的。在格陵兰岛就有已存在了38亿年的古老岩石。目前已有充分的证据证明,至少在28亿年以前地球上就已有微生物存在。这是一个比较保守的估计。多数专家说,目前已有相当多的证据表明,在35亿年以前,地球上已有生命存在;少数专家则认为,地球上生命出现的时间要比这还要早,可追溯至38亿年以前,甚至40亿年以前。据报道,现在科学家已发现,甚至在深海海底热流出口处,水温高于沸点、有毒化学物浓度极高、含氧量极低的环境,仍然是生命蓬勃滋生的世界。
生命是环境的产物。
随着人类的探索,一定会有新的发现和相应的新学说出现,从而补充、修正,甚至改写上面的论述。但在上面的论述中,最重要的一点是确定无疑的:我们这个宇宙是过去宇宙进化的结果,未来的宇宙是今天宇宙进化的结果。生命是自然进化的产物。“进化”是生物学中的一个基本概念。无论报界等媒体对有关“进化”概念引起的争论如何报导,其实,生物学家对进化概念本身并没有疑意,只是对进化如何发生以及其进程时间等问题还有争论。目前地球上形形色色的生物都是从一个共同的祖先进化而来。这种观点的可靠性,并不是由单一论证所确定的,而是由生物学家的日常经验所证明。生物学家做了无数次细致的和一般的观察,所得结果皆与其相符。生命是物质进化的产物,其特点和形态与所处环境有关。
如果生命确实是上面所分析的那些物质的物理和化学过程的结果,那么,在任何类似地球的行星上都可能会发展出生命来。据美国宇宙空间科学家多尔在1964年出版的《人能居住的行星》一书中的推导,仅在银河系中,就约有170亿个类似太阳系的恒星系,其中有6亿个可供人居住的行星,它们现在都可能已经有了某种形态的生命。
二、“道”、“道生万物”、“道法自然”和“万物负阴而抱阳”的进化论意义
由上述关于科学对宇宙、地球和生命的进化史的发现可知:
  1.首先是近乎呈绝对虚无状态的宇宙之物,在引力的作用下凝聚成一个超密物质的“宇宙蛋”;然后是这个宇宙蛋,爆炸形成一些巨大的气体尘埃云团。在这些巨大的气体尘埃云团中,不仅有汹涌激荡的湍流,还有一个个巨大的旋涡,这些巨大的旋涡物质以后就发育成个个星系。而这些巨大的旋涡物质在湍动收缩发育成星系的过程中,又会在其中产生一些子旋涡,每个子旋涡也很大,足以发育成一个或数个太阳。而在这些子旋涡湍动收缩发育成太阳过程中,又会在其外缘产生一些亚子旋涡。而这些亚子旋涡最后就发育成了行星和卫星。其中有一团巨大的气体尘埃云就发育成了我们的银星河系和其中的太阳系、地球和月球。
在地球形成后,其地壳仍然通过地震和火山等运动不断地在变化和发育着,又由于它的得天独厚的条件,如有足够大的质量和离太阳适宜的距离等,而使它上面的大气层由原始的以甲烷和氨为主逐渐发育成由氮和二氧化碳为主,而其中的二氧化碳含量很低恰到好处,既不产生严重的温室效应,又能使地球有一个巨大的液态水的海洋和让自由态氧逐渐开始在大气中积累起来。而当氧开始以自由态的形式在大气中积累起来的时候,在高层大气中就形成了一层薄薄的臭氧层。臭氧层的存在就防止了太阳的紫外线辐射进入低层大气而破坏和杀伤可能已在地球上形成的生命。
这样就在地球上形成了一个能使物质继续从低序向高序,由简单形式向复杂结构、组织不断发展进化的环境。
2.相应于宇宙、太阳、地球、大气的产生和发育的同时,构成生命的物质也在逐渐地形成和发育着。在宇宙蛋爆炸过程中,形成了基本粒子。在恒星的发育中,这些基本粒子又构成了简单的元素,宇宙中到处都有氢、氦、碳、氮和氧的踪迹。在地球的发育中,这些元素又经化合而构成了氨、甲烷的大气和水的海洋。此后,地球原始大气和海洋中的简单元素和它们的简单化合物,利用太阳的辐射能越来越多地结合成较复杂的氨基酸和简单的糖类;氨基酸又结合成肽;嘌呤、嘧啶、糖和磷酸则结合成核苷酸;它们的结合进而形成蛋白质和核酸,再进一步由诱发而从其中产生出第一个能自我复制的核酸分子。这就是生命的开始。只要有了这第一个“活”的核酸分子,地球上的“有机进化”的过程就开始了,从而使地球成为一个生命的海洋。
这些最低级的生命利用周围的能量,一方面不断地从简单到复杂和由低级到高级进化;另一方面又通过遗传基因不断地传宗接代和通过遗传基因变异和自然选择不断地向各个方向演变。人类的出现是生物长期进化和演变的结果。地球经过数十亿年的发育,就形成了我们这个由单细胞到多细胞,由植物到动物,由草履虫到人类的朝气蓬勃,繁荣昌盛的生命世界!
老子说:“道生一,一生二,二生三,三生万物。”而“道”是:“大道汜兮,其可左右。”“其上不皦,其下不昧,绳绳兮,不可名,复归于无物,是谓无状之状,无物之象,是谓惚恍。迎之不见其首,随之不见其后”和“归根曰静,是曰复命。”
据此看来,对老子的“道”和“道生一,一生二,二生三,三生万物。”我们可作这样一种对应的解释:
“有(宇宙蛋)生于无(道)”—— “道生一(宇宙蛋)”;“一生二”——宇宙蛋生天地;“二生三”——“天地”生第一个可以自我复制的“活分子”;“ 三生万物”—— “活分子”进化成“万物”。“一”,就是“宇宙蛋”;而“道”,就是生成它的那个虚无状态的宇宙之物。“道生一”,就是那个“其上不皦,其下不昧,绳绳兮,不可名,复归于无物”的虚无状态的宇宙之物凝聚成一个超密物质的宇宙蛋。“二”,就是“天”和“地”,“天”意指地球之外的星空,其中主要是指我们天空上的太阳,此外还包括月亮和星辰,而“地”,就是我们的地球。“一生二”,就是“宇宙蛋”的爆炸,生成了由太阳,月亮和星辰组成的“天”和地球的“地”。“三”,是天、地和由它们孕育出来的第一个能自我复制的核酸分子。“二生三”,就是天地孕育出了第一个生命分子。“万物”,就是地球上的所有生命形式,但其中不包括人类。“三生万物”,就是第一个生命分子在天地这个环境中通过遗传、进化和演变而形成现在地球上的所有生命形态,今天的万物都是那第一个活分子数十亿年衍生的后裔。而人类是万物经过亿万年进化和演变的现在结果,因此人是万物之灵。
由此可见:在天地的形成,生命的诞生,万物的生成,人类的出现的过程中,物质形态的每一层次的产生和由每一低层次向高一层次的发展,都纯属在其各个特定环境中,相应物质的一些物理、化学等规律的作用结果。它是必然的,这其中绝对没有谁的执着或有意而为等等的存在。而且每向高一层次的进化总是以低一层次的进化结果为基础。这就是老子所说的“自然”和“人法地,地法天,天法道,道法自然”的深刻的科学意义。
在这样一种认识层次上,那么“道”应是生成“宇宙蛋”之前的那个虚无状态的宇宙之物,而不是发育成天地的气体尘埃云状的物质团。老子所说的“道”的“大曰逝,逝曰远,远曰反”的科学含意,则应该是:随着宇宙的膨胀,增大,星系的逝离,“道”将再次在某种新层次上返回到它那虚无之状态。然后,再由它的虚无状态又逐渐“收缩”而重新“凝聚”。进而,再……。
在这其中,最最关键、最最重大的一步是“二生三”。“道生一,一生二”,都是由物理的到化学的,由无机物到有机物的过程;“三生万物”,是生命随着环境的变化的进化过程;而“二生三”却是由有机物向生命体、无生命体向有生命体的飞跃过程!如果把“道生一,一生二”、“三生万物”,看成是量的积累,那么“二生三”就可以看作是质的飞跃!而“人”的出现,可以看作是“三生万物”生命进化中的一次飞跃!而“人”将来也会有超越其自身的飞跃!
此外,我们还可以看到:在由基本粒子构成原子,由原子构成分子,由分子构成化合物,……直至生物、人类,物质的形态由简单到复杂,由低级到高级,由低序到高序,由低能到高能,由无生命到有生命的每一层次发展中,其具体的各个个体都总是形成于两种性质相反物质的结合,带正电荷的质子和带负电荷的电子结合成原子,呈金属性和非金属性的相异性质的原子结合成化合物分子,……生物的雌性的卵子和雄性的精子结合而孕育出新的生命,……。而正、金属、雄就是阳;负、非金属、雌就是阴。这是老子所说的“万物负阴而抱阳,冲气以为和”在自然科学中的真正含意。