生命的起源
从古至今人们都希望了解地球上的生命是从哪里来的?生命究竟是怎样产生的?这不仅是科学家感兴趣的问题,也是普通人们所感兴趣的问题,它已困扰了人类几千年。由于生命现象的复杂性质,直到上世纪初,生命起源的研究才成为科学研究中的一个重要领域。远古的时候,人类的智力还很低下,认识能力也很有限,对世界上千姿万态、繁茂复杂的生物,特别是对人类自身是从哪里来的,充满了困惑和神秘感。因此,人们把这个大千世界中未知的神秘现象,编成了各种各样的神话和传说。我国古代就有女娲造人的神话故事。也有“白羊化石”、“腐草化茧”、“腐肉生蛆”的说法。
由于受到研究手段的限制,人类对于生命起源的研究只是到了近代才形成了科学的认识和方法,并确认了生命活动是物质运动的形式之一,它的物质基础是碳、氢、氧、氮,此外还有少量的硫、钙、磷和其它20几种微量元素,以及由这些元素在地球环境中自发产生的蛋白质、核酸、糖类、脂类、水和无机盐等。其中,蛋白质与核酸是生物体最重要的组成部分,也是区别生命和非生命的基本依据。蛋白质的分子量很大,由几千个或百万个氨基酸分子构成,具有十分复杂的化学结构和空间结构,是一切生命的基础。在生命活动中,蛋白质起着极为重要的作用,如构成生物体的骨架,催化生物化学过程,调节生长、发育、生殖等生理机能。核酸同蛋白质一样,也是生物大分子化合物,基本单元是核苷酸,由磷酸和核糖分子联成长链。核酸有两大类,一种是脱氧核糖核酸,简称DNA,是遗传基因的化学实体,存在于细胞核中,具有特殊的双螺旋结构。另一种叫核糖核酸,简称RNA,存在于细胞质中。因此,生命科学家们力求通过深入了解生命体的分子结构和组成。
现代科学认为,生命的诞生是物质不断运动变化的结果。这一变化分为两个阶段,一是在生命系统诞生之前的“化学进化”阶段,为生命的诞生准备有机材料。二是生命诞生之后,由低级到高级、由简单到复杂的漫长“生物进化”过程。在地球形成之初,原本没有生命,只存在无机物。通过长时间的地球演化,含有甲烷、氨、氢等小分子无机物气体在紫外光、电离辐射、雷电等能量的作用下,逐步生成了有机小分子物质,如核苷酸、氨基酸,使原始的海洋成为一种“原始生命汤”。这个过程,是生命形成漫长历史的第一步,今天已经被科学家用放电实验室重现出来。
此后,“原始生命汤”中的这些有机小分子,历经长期的相互作用,在有硫、磷、金属等土壤的适当条件下进行缩合或聚合反应,逐步形成有机高分子物质,如蛋白质、核酸等分子。这是生命诞生历程的第二步。随着海洋中的蛋白质、核酸分子越积越多,浓度增加,在某种情况下,又被分离、凝聚成小滴,并脱离原来的海洋环境,构成可与外界进行简单物质交换的多分子体系。由多分子体系逐步演变,特别是由于蛋白质和核酸的相互作用,最终出现了有原始新陈代谢功能,并且可以进行自我复制的原始微生物——细菌。这一阶段是生命形成过程中最关键、最复杂的一个环节,但是至今科学家们尚未通过科学实验获得验证。遗传基因的生物学原理,发现生命起源之谜
在我们生活的这个物质世界中,由各种元素和分子构成的物质实体都具有相对的稳定性,其原因就在于原子内部正、负电荷的相互作用力,总是趋向于保持平衡和相对稳定的状态。这是地球上一切宏观物体可以长久保持稳定状态的物理条件。根据爱因斯坦的质能关系,虽然所有的稳定元素都可以转化为巨大的能量,但是它们都不会“主动”释放出内部的能量。天然核能的释放只存在于少量的带放射性的重元素当中,核物理学研究对此已经做出了充分的证明。
物质转化为能量,需要具备一定的条件,在太阳的演化运动中就会将一部分物质质量转化为能量。参与强相互作用的氢核,在太阳的核聚变反应中转变为氦核,消耗一定的质量并释放出巨大的能量。在地球的物理条件下,并不存在自然的核聚变反应能力,作为行星的演化运动,只包含引力作用力、电磁作用力和促使重元素产生放射性衰变的弱作用力。由于构成地球的物质大部分是稳定的元素,因此,引力作用力和电磁作用力,在地球范围内起着主导作用。在我们生活的环境中,原子或分子之间的电磁作用关系总是趋向于保持相对平衡和相对稳定的状态。如果没有外加能量作用,地球表面的各种客体物质不会持续的产生化学反应。按照相同的原理,由于构成生物分子的各种物质都来自于地球表面,它们的生化反应与其它客体物质在微观或宏观上的电磁作用关系也自然具有统一的物理和化学性质。因此在任何生物体内的正、负电荷都必须保持平衡关系,否则这个生物就无法存活。
地球上一切宏观物体都是由各种各样的元素构成的,使质子、中子结合为原子核的作用力是强核力,各种原子一旦形成就非常稳定很难被破坏。由原子结合成各类分子或固体物质的作用力是电磁力,电磁力虽然比强核力要小得多,但是分子或固体也是十分稳定的。同样的原理,生物分子的结合力也是电磁力。由于原子内部的电磁作用关系具有天然的相对稳定性,所以维持生命的运动就需要有能量的持续输入,而地球上生物活动的能量来源,主要是太阳对地球表面持续不断的光辐射和少量的地热能。植物通过光合作用吸收了太阳辐射的能量,将其转化为机体内分子间的动能,使生物体始终保持活力进行生长和繁殖。动物将植物作为食物获得生长和生存所需的养分,并且通过吸收氧气在体内进行化学反应获得生命运动所需的能量。
生命产生时的这种自然状况,给我们提供了这样一个信息,地球表面的热运动是生命现象产生的必要条件。火山喷发出的大量灰烬在高温的海水中被反复搅拌,空气与水反复融合将地球表面的各种物质反复混合交融在一起,从而使构成生物分子的二十多种元素得以形成必要的联系。虽然我们现在还不能深入地了解在这种条件下的自组织过程是怎样进行的,但是热运动与生命产生的必然联系是非常明确的。让生活在今天的人类难以想象的是,如此有序的生命现象居然产生于自然的混沌之中。自然界的神奇就在于,从表面的无序中自发地蕴藏着有序。
虽然地球形成于大约46亿年前,可地壳内依然是不断滚动着的炽热岩浆,地震、火山喷发等地质构造运动,仍然在持续的进行当中。然而与地球不同的是,水星、金星、火星等其它类地行星,都是早在38~40亿年前,就都完成了地质的演化构造运动,固体核表面的地质状况,数十亿年来也没有多大的改变。
根据行星演化的一般原理,在地球演化的初期,较重的元素在构成原始行星气团中心的引力作用下向内收缩,由重元素放射性衰变产生的能量将气团加热,地球开始进入化合物的产生阶段,并形成高温的液态岩浆。其它一些较轻的元素在高温环境中被逐渐分离出来,它们主要是碳、氢、氧、氮等元素,这些被分离出来的元素在高温高压环境下又很快结合成一些气体化合物,生成气态水、甲烷、二氧化碳、氨等,此后这些气体构成了原始地球大气圈的主要成分。因此,当地球的温度逐步下降以后由于地表的自然冷却岩石地壳开始形成,在经历一段时间的地质构造运动之后,地球的表面物质运动就会相对稳定下来。但地壳下面仍然是滚动的岩浆,地震和火山喷发还在频繁发生。因此有理由认为,在地球演化的初期就产生了一种抑制地球正常演化的作用力,使地球放缓了演化的进程。那么这种作用力又从何而来呢?它是来自于地球本身还是来自于地球的外部呢?
这种作用力来自地球内部,来自水分子的物理运动与各种有机分子化合运动且对地表的降温起到了促进作用,使地球在早期的演化运动中就形成了相对稳定的地壳。同时也奠定了生命运动的物质基础,形成了生命运动与地球整体之间的作用关系。
随着地壳的逐步稳定、隔热能力的增强、地表温度的下降、地表水圈的形成,悬浮在大气中的各种有机固体物质和尘埃在降雨作用下,纷纷沉降到地球表面与海水融合在一起。一个生命的摇篮,就在各种物质有序与无序的相互作用中被自发的创造出来。地球表面的这种物理和化学状况,不仅延缓了地球的地质构造运动,同时也为生命运动的产生创造了必要的条件。
几十亿年来,地球的地质构造运动、太阳的光辐射和生物活动三者之间复杂的作用关系形成了地球特殊的演化进程,而生命运动始终是地球演化运动的积极推动者,生物活动不仅持续地改造着地质、地貌和大气环境,同时也推动了自身的演化和进化,创建起一个又一个生机勃勃绚丽多彩的大千世界。人类的出现是生命运动最杰出的创造,是无数生物前赴后继的结果。发生在地球上的全部故事,都是由许多复杂条件和偶然性因素构成的,因此善待地球这个唯一的家园也是人类必须要肩负的责任。
纵观生命的起源,生命的发站是一个伟大的工程,是一个惊奇的过程。在生命的起源中,每个元素都是不可缺少的一部分,每个元素都发挥着着各自的作用,缺少了任何一种,地球也不会发展到现在的形态。在这些元素中,地球的地质构造运动、太阳的光辐射和生物活动又是各种元素中最关键的、重要的部分。在生命的运动和发展中起到了关键的作用。生命从开的无机物到合成有机物,再到形成简单的生物,逐渐的由低级到高级的演变。经历漫长的演变过程,地球上的生物逐渐开始丰富起来才有了这绚丽的现代世界。
生命起源是一个亘古未解之谜,地球上的生命产生于何时何地?是怎样产生的?千百年来,人们在破解这一谜底之时,遇到了不少陷井,同时也见到了前所未有的光明。生命起源之说,第一个谜是生命起源的时间问题。第二个是生命起源的方式问题,生命是怎样起源的?它在什么地方起源的?
从古至今,有很多说法来解释生命起源的问题。如西方的创世说,中国的盘古开天地说等。但直到十九世纪,伴随着达尔文《物种起源》一书的问世,生物科学发生了前所未有的大变革,同时也为人类揭示生命起源这一千古之谜带来了一丝曙光,这就是现代的化学进化论。生命起源的化学进化论首先在1953年首先得到了一位美国的学者米勒的证实,米勒描述的生命起源的事件应该是什么样子的呢?那就是在早期,地球上因为它含有大量的还原性的原始大气圈,比如说甲烷、氨气、水、氢气,还有原始的海洋,当早期地球上闪电作用把这些气体聚合成多种氨基酸,而这多种氨基酸,在常温常压下,它可能在局部浓缩,再进一步演化成蛋白质和其他的多糖类、以及高分子脂类,在一定的时候有可能孕发成生命,这就是米勒描述的生命进化的过程。
地球上的生命也许就产生在距今38亿年到40亿年之间,但是我们应该清醒的明白,我们距离揭开生命起源这一亘古之谜,还有一段遥远的科学历程。从无机物到有机物,到有机化合物到有机生命体的演化,同时还具有很多的偶然性,并不是有这种环境,有这种形成条件,它就能产生生命。有人曾经比喻说,这些无机物好像一个垃圾堆里面什么都有,塑料、塑料瓶子、铁,废弃金属、油,而生命,一个单细胞,就像一辆精美的奔驰车,在一阵台风过后,这些垃圾组装成了一个奔驰车。因此我们可以想像,这个生命起源的过程是非常非常地艰难。因此,也许我们在这个蓝色的星球,是生命的惟一的乐园,因此请保护我们的地球,珍惜地球上的生命,我们不能奢望地球上第二次的生命起源。
生命起源之说,第一个谜是生命的时间,起源的时间问题。在中世纪的西方,人们对《圣经》的上帝造人的故事是深信不疑的,在1650年,一位爱尔兰大主教根据圣经上所描述的,计算出上帝创世的确切时间是公元前4004年,而另一位牧师甚至把创世时间更加精确地计算到公元前4004年10月23号上午九点钟。也就是说,生命起源距今的话,是六千年前,这当然不是真的,而真的是什么呢?真的就是用科学的回答,科学是怎么回答这个生命起源的时间呢?那就是说用化石,是保存在岩石中的化石来回答。我们知道,生物死亡后,它们的遗迹在适当的条件下,就保存在岩石之中,我们把它们称作化石。地质历史中形成的岩层,就像一部编年史书,地球生物的演化历史,就深深埋藏在这些岩石之中,年代越久远的生物化石,就保存在岩层的最底层。
迄今为止,我们发现了最古老的生物化石是来自澳大利亚西部,距今约三十五亿年前的岩石,这些化石类似于现在的蓝藻,它是一些原始的生命,是肉眼看不见的。它的大小只有几个微米,到几十个微米,因此我们可以说,生命起源它不晚于三十五亿年。同时我们知道地球的形成年龄大约在46亿年前,有这两个数据我们就可以看到生命起源的年龄,大致可以界定在46亿年到35亿年之间。今天,随着科学的发展,地质学家认为,在地球形成的早期,地球受到了大量的小行星和陨石的撞击,它是不适合生命的生存。与其说当时地球上有生命,还不如说它在毁灭生命,因此地球上生命起源的时间,它不早于40亿年。另外,在格陵兰的38.5亿年的岩石中发现了碳,这个碳的话,我们知道,碳分两种,一个无机碳,一个有机碳。另外,这个碳的话,它有重碳和轻碳之分,因此我们可以根据这个碳之中的轻碳和重碳之比,就来可以推测这些碳的来源。科学家根据碳的同位素分析,推测这些碳它是有机碳,是来源于生物体。也就是说,这样我们把生命起源的时间大大缩短了,也就是在距今40亿年到38亿年之间,自从地球上生命起源之后,一直到现在45亿年,就是生生不息的生命演化史。
二十世纪四十年代以来,人类用天体物理的手段,在地球之外探测了近百种有机分子,像甲醛,氨基酸等等。其中两种天体可以与地球上的生命有关,它可能给地球带来生命或者有机分子,一个是彗星,一个是陨石。我们知道这两颗天体里边它含有大量的有机分子,比如我们把一些彗星称为脏雪球。它们不仅含有固态的水,还有氨基酸,铁类,乙醇、嘌呤、嘧啶等有机化合物,生命有可能在彗星上产生而带到地球上。或者在彗星和陨石撞击地球时,由这些有机分子经过一系列的合成而产生新的生命。当然这种胚种论也存在着不同的观念,它有两种致命的弱点,一个是生命是否能在宇宙中进行长期的迁移?还能不能够存活?我们知道天体之间的距离是以光年为计算的,天体之间交流可能需要成千上万年,从一个星球到了另外一个星球。那在这种真空里面,暴露在这种大量的宇宙射线之中,活的生命它是不是在千万年中还能够继续萌发呢?这是一个最大的问题,第二个从无机分子到有机化合物的过程,这种过程,比如说彗星上我们看到有机小分子形成,在地球上也能够形成,这是不用置疑的。
1859年,伴随着达尔文《物种起源》一书的问世,生物科学发生了前所未有的大变革,同时也为人类揭示生命起源这一千古之谜带来了一丝曙光,这就是现代的化学进化论。生命起源的化学进化论首先在1953年首先得到了一位美国的学者米勒的证实,既然你说地球早期温度都是比较高,又充满了很多还原性气体,还有水,那么我就把这些气体,把水放在一个瓶子里面,看看它是不能产生生命,或者产生有机化合物。米勒在1953年把氨气、氢气,还有水、一氧化碳放在一个密封的瓶子里面,在瓶子里面两头插上金属棒,完了通上电源,通过这个类似于闪电的作用,确实在几天之后产生了大量的氨基酸。那么就是说在地球上面,在闪电下,在常温下,也能成为无机分子,合成有机分子。我们知道,你氨基酸的话,是组成蛋白质的最重要的物质,可以说,组成生命起源最重要的物质。因此,米勒描述的生命起源的事件应该是什么样子的呢?那就是在早期,地球上因为它含有大量的还原性的原始大气圈,比如说甲烷、氨气、有水、有氢气,还有原始的海洋,当早期地球上闪电作用把这些气体聚合成多种氨基酸,而这多种氨基酸,在常温常压下,它可能在局部浓缩,再进一步演化成蛋白质,蛋白质和其他的多糖类,以及高分子脂类,在一定的时候有可能孕发成生命,这就是米勒描述的生命进化的过程。
1)生命的起源
一、米勒的实验:
米勒在他的实验中假设在生命起源之初大气层中只有氰气,氨气和水蒸气等物,其中并没有氧气等,当他把这些气体放入模拟的大气层中并通电引爆后,发现其中产生了些蛋白质,而蛋白质是生命存在的形式,因此他认为生命是从无到有的理论将可确立了。证明生命是进化而来的。
但米勒的实验也有很多的疑点,例如所使用的能量大小,不同气体的配合等 虽然都产生了氨基酸、醣类等物质,但仍不能证明这就是生命的起源。因为他所假设的大气层不能证明是原始的大气层,所得的结果就是不确定的。米勒本身也承认他的实验与自然界生命起源相距仍很遥远。并且现代科学发现在火星上有氧气存在却没有生命,那么米勒假设大气层中没有氧气存在故没有生命之说就不成立,因此无法证明生命起源是由单细胞进化而来的。
二、DNA的形成:
在1953年科学家发现了DNA双螺旋结构之后,解开了遗传基因的秘密。因为基因正是DNA中的一环,由DNA转化为RNA再衍变为氨基酸,而蛋白质即由氨基酸所构成,因此知道这DNA的不同组合产生不同的物质。这转换的过程中又需要很多蛋白质的配合,所以我们可以知道若要DNA自己组合形成一个细胞的可能性微乎其微。
生命的基本特性需具有新陈代谢与繁衍的功能,因此更可以确定地说,无机物不可能转变成有机物。一个生命的细胞不可能从无变有。这一定是由神创造而开始的。
三、化石中找不到生命进化的证据:
如果达尔文的进化论是可信的,一切生命是由无机物到有机物,是由单细胞变为多细胞,进而由低等动物进化到高等动物的话,那么在化石中应可以找到证据,但事实却不是这样。
在寒武纪之前也就是大约六亿年之前,地层理根本找不到任何化石,而在寒武纪初期,又发现了很多的化石,这被称为寒武纪生命大爆炸。这一发现是无法以进化论来解释的。因为所有发现的动物化石都没有进化的次序可循。
1984年在中国的澄江渠发现的一批化石群更是证实了在寒武纪之前没有任何生命的迹象,并且这群化石也再次证实了这些生物没有所谓的进化痕迹。
四、地球的生命来自外星球?
一连串的生物化石证明虽然强而有力地证实了达尔文进化论的不确定性,但仍有一群科学家不愿意接受神创造宇宙的信仰,而提出地球的生命是由外星球而来的,可能由陨石带来生命的细胞以致发展到整个地球生命的存在。
1996年美国太空总署发表一篇报告说,他们在南极的一颗陨石上发现了一些迹象,显示这陨石来自火星,并在火星可能有生命存在。但是很多科学家也提出疑问:〔1〕这块陨石落在南极已有一万叁千年之久,这陨石上的生命迹象是直接来自火星,还是在落到地球之后的一万叁千年之中的地球上的生物化石呢?〔2〕以目前的研究发现,火星上没有适合生命生存的生态环境。
并且,目前科学研究也发现在太阳系的行星中只有地球有适合生命生存的环境。因此,说地球生命是由外星球而来的理论,在目前不能被证实。若在将来即使证实了地球的生命来自外星球,那么外星球的生命又从何而来呢?所以,从根本解释,一切的生命都是来自神的创造,这是不可置疑的。
2)宇宙的起源
一、宇宙不是永恒的:
从上一课热力学的第一、第二定律,我们知道了宇宙不是永恒的,它是有始有终的。宇宙不能自己开始,乃要有一个超自然的力量使它开始,那就是自有永有的神。神创造了宇宙。
二、大爆炸理论:
所谓大爆炸理论,简单地说就是宇宙开始的时候是由一个火球爆炸而形成的。近代科学研究发现宇宙不是永恒的,而是在不断的膨胀中。宇宙的不平衡现象最早是由一位德国的医生发现的。他在夜空观查星星时发现,每个星球间的距离并没有因为万有引力的关系而彼此靠近。那么,在星球之间必定存在另一种力量抵消了它们彼此之间的万有引力。他就把这现象假设为宇宙在不断地膨胀。
后来科学家们又发现了红移现象,就是远距离星球射向地球的光以红光为多,近距离的则以紫光为主。这说明了星球在远离地球。接着爱因斯坦提出了广义相对论,他提出加速度不等于零的理论,其中即包含了宇宙膨胀的学说。1931年,美国天文学家以先进的天文望远镜发现,在银河系外仍有很多银河系,并且在不断地膨胀,这才使得宇宙膨胀的理论得到证实。
到了40年代,科学家们预测宇宙是由大爆炸产生的,那么它爆炸之后必定会有残馀物质留在太空之中。这遗留的物质就是电子波〔辐射波〕,其所代表的温度约为零下273度。这假设在当时并没被证实。在60年代时,贝尔实验室的科学家为电讯研究架起天线时发现一直听到噪音,而这噪音所代表的温度为零下260度左右。在此同时普林斯顿大学的物理学家们也在凭理论找寻大爆炸后的馀波,后来这两组工作研究联合表示,这天线所收到的噪音即为大爆炸后的馀波,其温度约为零下270度,这一发表证实了大爆炸的理论。
以大爆作为宇宙开始的说法仍需进一步的求证,因为宇宙在大爆炸后如何能维持这么的有次序是没有人能解释的。我们目前只能证实说,宇宙是由创造而来的,不是由进化而来的。宇宙是在不断的膨胀中,其它的学说则仍有待证实。
三、大爆炸理论的超然性质:
由于大爆炸理论可以解释宇宙的膨胀,并且各样研究的数据都与实际情况相符合,因此大爆炸理论为世人所接受。这理论的观点、推理等包含了许多超自然规律的性质,我们列举如下:
1. 宇宙从无变有不符合热力学定律:
科学家认为在大爆炸前宇宙是没有物质、能量、时间、空间的,一切都是从无变有的。这不符合热力学的第一定律,因为第一定律是说物质或能量只能由一种形式转换为另一种形式,它不可能从无变有。
2. 原始火球熵质最高不符合热力学的第二律:
热力学第二定律指出,一个过程的进行在自然情况下是由熵度低的向熵度高的方向发展,即由一个不均衡的状态进入一个均衡的状态,而大爆炸理论是由一个熵度极高的均衡状态发展成不均衡状态,与热力学定律完全相反。
3. 宇宙膨胀的速度应保持均衡:
因为如果膨胀的速度太慢,万有引力等定律就不能成立 若膨胀得太快,则星球不能存在。科学家们计算出宇宙的膨胀速度应保持在(1/10)的56次方之精确度,并且指出膨胀速度是远超过光速的。根据爱因斯坦的相对论,我们知道光速是一个物质的极限。又根据质能互变原理,当一个物体的速度达到跟光速一样时,它的质能则为无穷大,这是一件不可能的事。并且发现在大爆炸的瞬间宇宙温度为10的32次方摄氏度,在这样的温度下,所有的物质都会被熔解,不可能存在,这些都是在自然情况下无法解释的。
4. 大爆炸遗留的微波辐射高度均匀:
1992年,美国的太空卫星收集到遗留的微波,发现它们之间的辐射高度是相当均匀的,那么对大爆炸后所产生的元素、物质甚至整个宇宙的不均匀现象无法解释。
由上四点,我们已能证明出宇宙有一个开始,且是超自然的开始,这一切是进化论模式所无法解释的。但若用创造论模式则很明显易懂:宇宙是由神所创造,他用他的大能、超自然的大能托住整个宇宙。
四、宇宙的起源与科学家的信仰:
1. 爱因斯坦理论的反应:当红移现象最早产生的时候,科学家发现了宇宙膨胀理论。进而爱因斯坦的相对论也证实了宇宙膨胀的理论,但爱因斯坦起初不愿承认,而设立了一个宇宙常数。最后他公开承认了宇宙膨胀理论的失误。
2. 宇宙衡态论:当宇宙膨胀理论被确定之后,仍有一批科学家提出了宇宙衡态论,即认为宇宙膨胀之后,随时有物质加入,如氧气等,以填补宇宙因膨胀产生的空间,使宇宙的密度不变。他们以此解释宇宙没有一个开始,这是科学家们不愿接受宇宙创造论的辩词。
3. 循环论的假说:即一群科学家提出他们接受宇宙膨胀的理论,但他们假设当宇宙膨胀到一个限度时,因万有引力的关系,宇宙又开始收缩,使密度温度升高到原始火球形态,又产生大爆炸,如此不断地重复。因此他们假说宇宙仍是没有开始的。这些假说在热力学中都不能被承认。
综合以上的科学证实,有一群科学家说人类不得不承认有神的存在,并称颂神的作为使宇宙一切都这么有次序地运行着。
3)生命的起源
地球在宇宙中形成以后,开始是没有生命的。经过了一段漫长的化学演化,就是说大气中的有机元素氢、碳、氮、氧、硫、磷等在自然界各种能源(如闪电、紫外线、宇宙线、火山喷发等等)的作用下,合成有机分子(如甲烷、二氧化碳、一氧化碳、水、硫化氢、氨、磷酸等等)。这些有机分子进一步合成,变成生物单体(如氨基酸、糖、腺甙和核甙酸等)。这些生物单体进一步聚合作用变成生物聚合物。如蛋白质、多糖、核酸等。这一段过程叫做化学演化。蛋白质出现后,最简单的生命也随着诞生了。这是发生在距今大约36亿多年前的一件大事。从此,地球上就开始有生命了。生命与非生命物质的最基本区别是:它能从环境中吸收自己生活过程中所需要的物质,排放出自己生活过程中不需要的物质。这种过程叫做新陈代谢,这是第一个区别。第二个区别是能繁殖后代。任何有生命的个体,不管他们的繁殖形式有如何的不同,他们都具有繁殖新个体的本领。第三个区别是有遗传的能力。能把上一代生命个体的特性传递给下一代,使下一代的新个体能够与上一代个体具有相同或者大致相同的特性。这个大致相同的现象最有意义,最值得我们注意。因为这说明它多少有一点与上一代不一样的特点,这种与上一代不一样的特点叫变异。这种变异的特性如果能够适应环境而生存,它就会一代又一代地把这种变异的特性加强并成为新个体所固有的特征。生物体不断地变异,不断地遗传,年长月久,周而复始,具有新特征的新个体也就不断地出现,使生物体不断地由简单变复杂,构成了生物体的系统演化。
地球上早期生命的形态与特性。地球上最早的生命形态很简单,一个细胞就是一个个体,它没有细胞核,我们叫它为原核生物。它是靠细胞表面直接吸收周围环境中的养料来维持生活的,这种生活方式我们叫做异养。当时它们的生活环境是缺乏氧气的,这种喜欢在缺乏氧气的环境中生活的叫做厌氧。因此最早的原核生物是异养厌氧的。它的形态最初是圆球形,后来变成椭圆形、弧形、江米条状的杆形进而变成螺旋状以及细长的丝状,等等。从形态变化的发展方向来看是增加身体与外界接触的表面积和增大自身的体积。现在生活在地球上的细菌和蓝藻都是属于原核生物。蓝藻的发生与发展,加速了地球上氧气含量的增加,从20多亿年前开始,不仅水中氧气含量已经很多,而且大气中氧气的含量也已经不少。细胞核的出现,是生物界演化过程中的重大事件。原核植物经过15亿多年的演变,原来均匀分散在它的细胞里面的核物质相对地集中以后,外面包裹了一层膜,这层膜叫做核膜。细胞的核膜把膜内的核物质与膜外的细胞质分开。细胞里面的细胞核就是这样形成的。有细胞核的生物我们把它称为真核生物。从此以后细胞在繁殖分裂时不再是简单的细胞质一分为二,而且里面的细胞核也要一分为二。真核生物(那时还没有动物,可以说实际上也只是真核植物)大约出现在20亿年前。性别的出现是在生物界演化过程中的又一个重大的事件,因为性别促进了生物的优生,加速生物向更复杂的方向发展。因此真核的单细胞植物出现以后没有几亿年就出现了真核多细胞植物。真核多细胞的植物出现没有多久就出现了植物体的分工,植物体中有一群细胞主要是起着固定植物体的功能,成了固着的器官,也就是现代藻类植物固着器的由来。从此以后开始出现器官分化,不同功能部分其内部细胞的形态也开始分化。由此可见,细胞核和性别出现以后,大大地加速了生物本身形态和功能的发展。
生命的起源
关于生命起源的问题,很早就有各种不同的解释。近几十年来,人们根据现代自然科学的新成 就,对于生命起源的问题进行了综合研究,取得了很大的进展。
根据科学的推算,地球从诞生到现在,大约有46亿年的历史。早期的地球是炽热的,地球上的一切元素都呈气体状态,那时候是绝对不会有生命存在的。最初的生命是在地球温度下降以后,在极其漫长的时间内,由非生命物质经过极其复杂的化学过程,一步一步地演变而成的。目前,这种关于生命起源是通过化学进化过程的说法已经为广大学者所承认,并认为这个化学进化过程可以分为下列四个阶段。
从无机小分子物质生成有机小分子物质 根据推测,生命起源的化学进化过程是在原始地球条件下开始进行的。当时,地球表面温度已经降低,但内部温度仍然很高,火山活动极为频繁,从火山内部喷出的气体,形成了原始大气(下图)。一般认为,原始大气的主要成分有甲烷(CH4)、氨 原始地球的想象图
(左)原始大气(右)有机物形成
(NH3)、水蒸气(H2O)、氢(H2),此外还有硫化氢(H2S)和氰化氢(HCN)。这些气体在大自然不断产生的宇宙射线、紫外线、闪电等的作用下,就可能自然合成氨基酸、核苷酸、单糖等一系列比较简单的有机小分子物质。后来,地球的温度进一步降低,这些有机小分子物质又随着雨水,流经湖泊和河流,最后汇集在原始海洋中。
关于这方面的推测,已经得到了科学实验的证实。1935年,美国学者米勒等人,设计了一套密闭装置(下图)。他们将装置内的空气抽出,然后模拟原始地球上的大气成分,通入甲烷、氨、氢、水 米勒实验的装置
蒸气等气体,并模拟原始地球条件下的闪电,连续进行火花放电。最后,在U型管内检验出有氨基酸生成。氨基酸是组成蛋白质的基本单位,因此,探索氨基酸在地球上的产生是有重要意义的。
此外,还有一些学者模拟原始地球的大气成分,在实验室里制成了另一些有机物,如嘌识、嘧啶、核糖,脱氧核糖,脂肪酸等。这些研究表明:在生命的起源中,从无机物合成有机物的化学过程,是完全可能的。
从有机小分子物质形成的有机高分子物质 蛋白质、核酸等有机高分子物质,是怎样在原始地球条件下形成的呢?有些学者认为,在原始海洋中,氨基酸、核苷酸等有机小分子物质,经过长期积累,相互作用,在适当条件下(如吸附在粘土上),通过缩合作用或聚合作用,就形成了原始的蛋白质分子和核酸分子。
现在,已经有人模拟原始地球的条件,制造出了类似蛋白质和核酸的物质。虽然这些物质与现在的蛋白质和核酸相比,还有一定差别 ,并且原始地球上的蛋白质和核酸的形成过程是否如此,还不能肯定,但是,这已经为人们研究生命的起源提供了一些线索;在原始地球条件下,产生这些有机高分子的物质是可能的。
从有机高分子物质组成多分子体系 根据推测,蛋白质和核酸等有机高分子物质,在海洋里越积越多,浓度不断增加,由于种种原因(如水分的蒸发,粘土的吸附作用),这些有机高分子物质经过浓缩而分离出来,它们相互作用,凝聚成小滴。这些小滴漂浮在原始海洋中,外面包有最原始的界膜,与周围的原始海洋环境分隔开,从而构成一个独立的体系,即多分子体系。这种多分子体系已经能够与外界环境进行原始的物质交换活动了。
从多分子体系演变为原始生命 从多分子体系演变为原始生命,过是生命起源过程中最复杂和最有决定意义的阶段,它直接涉及到原始生命的发生。目前,人们还不能在实验室里验证这一过程。不过,我们可以推测,有些多分子体系经过长期不断地演变,特别是由于蛋白质和核酸这两大主要成分的相互作用,终于形成具有原始新陈代谢作用和能够进行繁殖的原始生命。以后,由生命起源的化学进化阶段进入到生命出现之后的生物进化阶段。
关于生命起源的化学进化过程的研究,虽然进行了大量的模拟实验,但是绝大多数实验只是集中在第一阶段,有些阶段还仅仅限于假说和推测。因此,在对于生命起源,问题还必须继续进行研究和探讨。
蛋白质和核酸是生物体内最重要的物质。没有蛋白质和核酸,就没有生命。1965年,我国科学工作者人工合成了结晶牛胰岛素(一种含有51个氨基酸的蛋白质)。1981年,我国科学工作者又用人工的方法合成了酵母丙氨酸转运核糖核酸(核糖核酸的一种)。这些工作反映了我国在探索生命起源问题上的重大成就。
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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,介人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。