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暗物质与宇宙模型:9. 宇宙生命起源

已有 161 次阅读 2022-9-20 07:58 |个人分类:暗物质|系统分类:论文交流

9. 宇宙生命起源

9.1 引言

宇宙生命起源是现代自然科学尚未完全解决的重大问题,也是人们关注和争论的焦点。历史上对这个问题存在着多种臆测和假说,并有很多争议。地球生命体系是已知的宇宙中唯一的生命体系,也是已知的宇宙中最复杂的分子体系,更是自然演化出的最完美的分子体系。在地球上生命起源的过程十分复杂,也十分偶然,有人做过一个形象的比喻:如果一只猴子在打字机的键盘上随机跳动能打印出大英博物馆的所有图书,那么在地球上出现生命的几率仍比这还小。为解决生命起源问题,无数自然学家前仆后继,怀着极大的热情投身于这一伟大的探索事业中,并提出许多许多假说来试图解决这一自然科学未解之谜。

9.2生命起源学说

9.2.1 神创论

神创论将生命起源归因于超自然力量的干预,现在绝大部分天主教、基督教及自然神学家都承认进化的基本事实,但对生命的起源依旧围绕自然神学的中心教义一一设计实例。神创论起源于人类对大自然的无限敬畏,这种敬畏使人类在自然的改造与共存中,对自然的理解蒙上一层奇异的色彩。古犹太人将各种自然力赋予神的色彩,并认为神与自然是一致的。但随着时间的推移一批犹太人摒弃了这种信仰,认为存在一个至高无上的神凌驾于自然之上。在中世纪,犹太人、基督徒和穆斯林都相信圣经所记载的历史。不同类型神创论因为不同的理论依据争论而著名,因此出现了宗教神创论,哲学神创论和科学神创论。实际上,这些不同类型的神创论存在某种程度的重复。1801年,法国博物学家拉马克第一次系统地提出生物进化学说,在此以后的一百多年里,曾经展开过三次著名的大辩论。进化论与神创论的斗争虽然没因为三次大辩论而结束,但进化论已经被广泛接受,相信神创论的人越来越少。

9.2.2 自然发生论

自然发生论认为不洁的衣物会滋生蚤虱,污秽的死水会自生蚊,肮脏的垃圾会自生虫蚁,粪便和腐臭的尸体会滋生蝇蛆。总之,生物可以从所在的物质元素中自然发生,而不是通过上代此类生物繁衍产生。自然发生论并不科学,它被近代自然科学的实验所驳斥。第一个对自然发生论提出怀疑的是17世纪意大利医生雷第。他对腐肉生蛆现象所作的实验证明,蛆虫不是从腐肉中直接产生,腐肉生蛆是蝇卵在肉上孵化和培育的结果。法国生物学家、微生物学创始人巴斯德于1860年的鹅颈烧瓶实验表明,只要烧瓶内的液体保持清洁,不受外界物质污染,微生物不会从液体内自生。

9.2.3 生生论

生生论认为生物只能源于生物,非生命物质绝对不能随时自发地产生新生命。巴斯德完成鹅颈烧瓶实验后,认为细菌不是自然产生的,而是由原来已经存在的细菌产生的,由此提出生物只能源于生物,非生命物质绝对不能随时自发地产生新生命。但生生论只说明地球上有了生命体之后生物的来源问题,却不能真正解释宇宙生命的起源。

9.2.4 宇宙生命论

宇宙生命论认为地球生命不是在地球上生成的,而是来自地外空间。据现代科学研究和发现,似乎生命早在地球诞生之前就已存在。20世纪60年代初,美国学者乔治·克劳斯等在达斯马尼亚陨石中发现了和真菌相似的纤维包体,而此陨石却与太阳同龄。然而,宇宙生命论只能解释生命从一个星球移到另一个星球,仍不能回答出宇宙生命起源的真正原因。

9.2.5 化学进化论

化学进化论主张从物质的运动变化规律来研究生命的起源,认为在原始地球的条件下,无机物可以转变为有机物,有机物可以发展为生物大分子和多分子体系,直到最后出现原始的生命体。1924年,苏联学者奥巴林首先提出了这种看法;1929年,英国学者霍尔丹也发表类似观点,他们都认为地球上的生命是由非生命物质经过长期演化而产生的,以区别于生物体产生后的生物进化。1953年,美国芝加哥大学研究生米勒模拟在原始地球还原性大气中的雷鸣闪电产生有机物,以论证生命起源,实验成功通过与生命无关的自然化学反应能够产生被称为生命原材料的氨基酸。

生命是由非生命物质产生的,生命的诞生是物质不断运动变化的结果,共包括两个阶段: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的生物进化过程。1936年奥巴林出版《地球上生命的起源》,认为原始地球上无游离氧的还原性大气在短波紫外线等能源作用下能生成简单的有机物,简单有机物可生成复杂有机物并在原始海洋中形成多分子体系的团聚体,后者经过长期的演变和自然选择,最后出现了原始生命。之后,支持化学进化论的实验证据越来越多,现已被绝大多数科学家所接受。

化学进化显然不限于原始地球,在宇宙和其他天体上也会发生。星际分子和陨石中的有机物发现证实了这一点。19699月坠落在澳大利亚东南部默奇森镇的陨石中被发现含有多种氨基酸,其种类与含量同米勒放电实验生成的相当一致。这就表明,原始大气由无机物生成生物小分子不但是可能的,而且这种过程在宇宙间仍在发生。迄今为止,科学家在星云中已发现180多种星际分子。星际分子中有大量的甲醛和氰化氢,与米勒放电实验中最初的中间产物相同,当它们与氨反应再经水解就能生成氨基酸。早期地球上发生的化学和物理过程的结果产生了氨基酸、核苷酸、类脂化合物等分子。然后,这些分子通过化学和物理作用进一步组织起来,成为可以通过自然选择而进化的最早的生物。

9.3地球生命起源

生命生存条件是生命产生的首要条件。生命产生后需要长期维系,需要生命成长与繁殖的必要条件。如果具有生存条件的星球都无法产生生命,不具有生命生存条件的星球更无法产生生命。

9.3.1 生命生存条件

生命生存需要必须的内部条件与外部条件,内部条件包括适宜大气条件、存在液态水、适宜温度条件和必要营养元素等,而外部条件包括安全宇宙环境和稳定光照条件等。

①适宜大气条件

稳定、适合的大气压以及提供生命呼吸的空气是生命生存的必要条件。没有大气层或大气压很大的星体,生命无法生存。目前,已知的生命均为碳基生物,碳基生物需要呼吸氧气和二氧化碳。

②存在液态水

水在适宜的温度下以液体状态存在,水是生物体绝对不可缺少的组成成分,同时也是生命活动的重要介质,生物所需的某些矿物质是从水中而来的。所有生物全都含有大量水分,没有水就没有生命。

③适宜温度条件

生命生存不仅需要适宜的温度条件,而且温度也影响着水的三态变化。生命体内均含有水,温度过低或过高,都会影响生命生存。另外,蛋白质是生命的必要条件,在较高温度下,蛋白质会变性破坏。

④必要营养元素

生命的产生、生长和繁殖需要碳,氢,氧,氮等生命元素。另外有机物的产生为生命奠定了直接的物质基础。

⑤安全宇宙环境

强烈的宇宙辐射能够杀死一切生命,因此生命不能长期裸露在宇宙辐射下。

稳定光照条件

能量是生命诞生与维持的必需条件。虽然有各种形式的能量可供利用,但是只有稳定的光照才能为生命提供赖以生存的稳定能量条件。

9.3.2 生命转移条件

无论是地外生命来到地球,还是地球生命移居其他星球,出发地和目的地均需具有生命生存条件。另外,转移载体也必须具有生命生存条件。最近的比邻星距离地球4.2光年,可能没有适合生命生存条件的星球,另外,高级生命的星际旅行到比邻星至少数千年,需要强大的生命维持系统、长时间的密闭空间、低重力下的人体病变、致命的宇宙辐射,以及星际旅行的能量、维持生命的营养物质与能量。低级生命在宇宙中漫无目的星际旅行,可能会历经数十亿年,也无法抵达具有生命生存条件的星球,而且更没有生存条件的星际旅行载体,以及没有任何干预的着陆方式,都扼杀了低级生命的星际旅行。

9.3.3 地球生命起源于地球

阿列钮斯的宇宙胚种论认为地球上生命的种子来自宇宙,还有人推断同地球碰撞的彗星或陨石带着生命的胚胎,穿过宇宙,将其留在了刚刚诞生的地球之上,从而地球上才有了生命。

首先,彗星或陨石带来某些物质,但那不是决定性的,产生生命所必需的物质在地球上本来就已经存在。

其次,彗星或陨石本身不具有生命生存条件,本身不会产生生命,也不会有生命生存。

另外,彗星或陨石无法达到高级生命或低级生命的转移条件。

最后,生命的转移源头在哪里,这个源头必须是适于生命生存的类地星体,而这个星体不仅存在着一个与地球相同的生命起源问题,也存在着千万年、甚至数十亿年的星际旅行。同样需要生命起源条件和生命转移条件。小型运载工具无法满足生命转移条件。可能有人想到携带地球逃离太阳系,人类无法使月球摆脱地球的吸引,更不要说地球摆脱太阳系了。在地球的稳定寿命内,人类可能发现很多适于生命生存的星球,但无法通过星际旅行到达该星球,至于那些低级生命就更不用说星际旅行了。

总之,地球生命一定起源于地球,即使有人认为可能来自于地外星体,不仅要解决那个星体生命生存问题、生命旅行问题,同样也需要解决那个地外星体的生命起源问题。

9.4 生命起源环境

生命起源一直以来都是最具挑战也是最引人注目的科学难题之一。生命的出现可以追溯到几十亿年前,由于没有办法直接观察生命起源的过程,甚至连生命起源的环境都不能完全确定。生命起源是一个高度跨学科的研究课题,想要解决生命起源的问题不仅需要化学,也需要生物、物理、天文、地球和行星科学等多学科的共同合作。关于生命起源的理论有很多种,但生命是从无机小分子逐渐进化而来的观点已经得到共识。

探索生命起源的实验研究始于20世纪50年代,当时的许多研究人员都认为生命起源于海洋,源自一团被称为原始汤的碳基化学物质。1953年,米勒实验模拟海洋与早期大气环境,通过几天的加热和电击产生20多种有机物,其中11种氨基酸中有4种(即甘氨酸、丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸)是生物的蛋白质所含有的。米勒实验向人们证实,生命起源的第一步,从小分子无机物形成小分子有机物,在原始地球的条件下是完全可以实现的。但有科学家指出,蛋白质、DNARNA这类核酸的连接都很脆弱,水会攻击并最终破坏这些连接。

20世纪70年代末,在东太平洋的加拉帕戈斯群岛附近的几处深海热泉里众多生物被发现,包括管栖蠕虫、蛤类和细菌等兴旺发达的生物群落。这些生物群落生活在一个高温、高压、缺氧、偏酸和无光的环境中。首先,这些化能自养型细菌利用热泉喷出的硫化物所得到的能量去还原CO2而制造有机物。然后,其他动物以这些细菌为食物而维持生活。迄今科学家已发现数十个这样的深海热泉生态系统,它们一般位于地球两个板块结合处形成的水下洋嵴附近。然而不论是深海热泉还是陆地热泉,都缺少从小分子无机物、小分子有机物、多分子团聚体逐渐演变为原始生命的必要条件。

2009年,萨瑟兰德研究团队将磷酸盐和四种简单的碳基化学物质溶解在水里,高度浓缩溶液的关键步骤也需要紫外线辐射。之后,该研究团队利用相同化学物质,只要经过细微的差异化处理,也能产生蛋白质和脂质的前体,并且利用阳光的能量和一些高度浓缩的同类化学物质生成了DNA的构成单元。

2020年,美国NSF–NASA化学演化中心的生物化学家弗伦克尔品特团队研究表明,氨基酸在完全干燥的情况下,会自发连接起来,形成类似蛋白质的链。

9.4.1 局部水域

在多种生命起源的模拟实验中,阳光照射和化学物质高度浓缩汤是形成DNA单元的关键,在广阔的海洋、陆地及流动河流里均无法形成关键的生命浓缩汤。海洋滩涂洼地等局部水域是形成原始生命浓缩汤的理想环境。

9.4.2 干湿交替

形成含有DNA单元的原始生命浓缩汤后,大量的水将分解核酸。氨基酸在完全干燥的情况下,会自发连接起来,形成类似蛋白质的链。尤其在长时间、无限次的干湿交替的过程中,各种类型的DNA单元会不断形成,且万亿种DNA单元的组合方式不断形成,这种大量的试错方式、优胜劣汰的适者生存原则,在生命产生过程之初就开始发挥及其重要的作用。

实验表明,相较于其他的氨基酸,这类反应更容易用现今蛋白质中发现的20多种氨基酸来实现。干湿交替的海洋滩涂洼地等局部水域不仅完美解决了核酸依赖于水但却容易被水分解的悖论,也完美诠释了为何生命在成千上万种可能性中只使用了那几种氨基酸。

9.4.3 水陆边界

地球生命的起源是在水陆边界,海洋滩涂洼地等局部水域是形成原始生命浓缩汤。各种类型的DNA单元会不断形成,在长时间、无限次的干湿交替的过程中,各种类型的DNA单元会自发以各种不同的组合形式连接起来,形成类似蛋白质的链。长期的自然选择作用下,最优质的蛋白质链生存下来,形成地球原始生命。

9.4.4 生命在海洋陆地同时产生

生命起源包括四个阶段。

第一阶段:小分子有机物形成。

一氧化碳、二氧化碳、水、氢气、氨气等在闪电、宇宙射线、紫外线等提供的能量作用下,不断形成氨基酸、嘌呤、嘧啶、核苷酸、高能化合物、肪酸等各种类型的小分子有机物。

第二阶段:大分子有机物形成。

在干湿交替的水陆边界,当在较干燥的环境下,各种类型的小分子有机物自发以各种不同的组合形式连接起来,形成蛋白质、多糖、核酸等大分子有机物。生命的特征之一是自我选择。早起形成了大分子有机物,通过自我选择作用,20多种氨基酸在无数次竞争中胜出而保存下来形成能够形成生命的蛋白质。相较于其他的氨基酸,干湿交替环境下,现今蛋白质中发现的20多种氨基酸更容易自发地形成长链。在大分子有机物形成阶段自我选择已经发挥重要作用。这表明在大分子有机物形成阶段,自我选择的生命特征已经开始出现。

第三阶段:多分子团聚体形成。

在水陆边界,在不断的干湿交替作用下,蛋白质、多肽、核酸和多糖等大分子有机物不断地自动浓缩聚集为各种组合的小型球状液滴,形成多分子团聚体。多分子团聚体开始具有合成、分解、生长、生殖等生命现象。内部的化学特征显著地区别于外部环境水,开始形成一定边界,外面开始出现原始膜。多分子团聚体能从周围吸入某些分子作为反应物,还能在酶的催化作用下发生特定的生化反应,反应的产物也能从团聚体中释放出去。多分子团聚体具有一定的物理、化学结构,这种独立的结构,可以脱离外界环境的影响,不容易被外界条件破坏,在这种体系中有蛋白质和核酸同时存在,核酸不具有酶的催化作用,蛋白质不具有复制性能,二者配合形成完整的调节系统,至于核酸密码的形成,需要长时期的无限次配合及选择。通过原始膜的控制与周围环境发生物质交换,原始膜控制某些物质能否进入,控制环境对生物系统的作用。多分子团聚体的最大特征是能通过它的外面选择性吸收周围的物质,并在其内部发生酶促反应,如团聚体可以完成将磷酸葡萄糖转化为淀粉的代谢反应。在自然选择中,多分子团聚体不断进化,结构、功能不断完善,不断复杂化。

另外一个生命特征是自我复制,生物细胞均通过RNA转录DNA信息而进行世代间传递信息,一些RNA病毒能靠RNA完成自我复制传递信息。而这些多分子团聚体已经开始显示原始生命特征。另外,生命的特征是不断与环境进行物质和能量交换,而多分子团聚体通过外模选择性吸收周围物质,并在内部发生酶促反应。这表明,在大分子有机物形成多分子团聚体阶段,自我选择发挥了重要作用,自我复制的生命特征已经开始出现。

第四阶段:原始细胞诞生。

RNA的产生过程中,会附带产生一种带电镁分子,这种分子会破坏细胞膜。科学家一直未能复原早期地球的RNA细胞膜共存环境。2019年,华盛顿大学的实验表明某种特定的氨基酸,可以让细胞膜保持稳定。实验把包括水、原始蛋白质片段、RNA和脂肪酸片段等放进简化的原始汤中,结果显示,在水中,脂肪酸能够自发组合成细胞膜,形成一种类似于装满水的气球结构。当水中有盐或带电分子,细胞膜很容易瓦解。同时也发现,某种特定的氨基酸,能够和脂肪酸细胞膜粘合在一起。在显微镜下,细胞膜在被这些氨基酸粘合后,会显得更厚、更亮。有时还会形成一种多层结构。在往水中加入盐或镁之后,这些细胞膜依然完好无损。这表明氨基酸让细胞膜保持了稳定。

生命的最重要特征是自我隔离,这种自我隔离结构就是细胞膜。在干湿交替和土壤的共同作用下,多分子团聚体已经出现自我隔离功能,而磷脂在自我选择的作用下不断胜出,不断形成具有自我选择、自我复制、自我隔离的完整生命特征的细胞。

地球的原始生命起源于不断干湿交替的水陆边界,在水陆边界,不断由小分子有机物通过化学作用逐渐形成小分子有机物,小分子有机物在干湿交替作用下形成大分子有机物,大分子有机物在干湿交替和土壤共同作用下形成多分子团聚体,多分子团聚体形成完整的自我隔离系统后形成细胞。最初的细胞诞生在干湿交替的水陆边界,因此适应水陆两种不同的环境,这意味着水生生物和陆生生物同时产生。

9.5 细胞与病毒

9.5.1 病毒先起源

1924年法裔加拿大微生物学家德海莱提出病毒是细胞的祖先。20世纪60年代卢里亚指出病毒是在细胞出现前原始生命汤中的遗骸。这个假说认为,在地球上生命的演化是从无机物到有机物,再到病毒,最后到细胞生物。病毒既具有化学大分子可以结晶的特点,又具有生物以自身为模板复制产生后代的部分特征。研究表明,生物进化通常遵循从简单到复杂的历程。因此,在从非生命物质到生命出现这一漫长的转变过程中,病毒处于非生物与生物的过渡位置。在结构上,衣原体等最简单的细胞比最复杂的病毒更复杂,也就是说病毒刚好填补了从化学大分子到原始细胞之间的空白。然而,没有细胞确出现细胞的寄生者,这个逻辑本身就存在问题。

9.5.2 细胞先起源

由于病毒先出现的逻辑性问题,一些学者坚持认为是先形成细胞然后出现病毒,并提出退行性起源和内源性起源两种源假说。退行性起源假说认为病毒是高级微生物的退行性生命物质,微生物细胞在进化中部分基因丢失,使其逐渐丧失独立的自我繁殖能力,只能进入宿主细胞才能产生后代,并且在进化过程中更为精简自己的基因组,以至于到今天多数病毒只有数个或者两位数字的基因存在。内源性起源假说认为,病毒起源于正常细胞的核酸片段逃逸,因偶然途径从细胞内脱离出来而演化为病毒。质粒属于细胞的一部分,但它可以脱离细胞,并在细胞间传递。病毒与质粒的生物学属性非常相似,可认为都是细胞内寄生、水平传播和垂直遗传等。

9.5.3 细胞与病毒共同起源

细胞和病毒谁先起源的问题曾经占据主流学术界。随着生命起源研究领域的逐步发展,一些新的与生命产生有关的现象被发现。RNA酶的发现使得更多的学者相信早期生命的核心是RNA而不是DNA。首先,某种由类蛋白质和核苷酸共同催化的“前代谢结构”产生了随机的代谢过程与大分子生长。接着,功能性蛋白质及RNA基因同步起源于推测的“原始tRNA-氨基酸-密码子三聚体”。可能有一种原始tRNA担负早期的翻译任务,这个过程诞生了中心法则中RNA至蛋白质的信息流向。最后,细胞和病毒同步起源于“准代谢脂质体”与“RNA同源复合体”之间的生存竞争和协同作用。多分子团聚体的协同竞争性组织现象演化出原始病毒与原始细胞。

自我选择、自我复制、自我隔离是完整生命体必须具备的生命特征。病毒已经具备了自我选择、自我复制的生命特征,但病毒没有形成自我隔离的完整生命特征,病毒是生命起源的过渡性的、具有不完整生命特征的半生命体。一部分具有自我选择、自我复制的多分子团聚体形成了自我隔离的细胞膜,就诞生了具有完整生命特征的细胞。在生存竞争和协同作用下,病毒形成了对细胞的专一寄生性。这意味着病毒和细胞同时同地起源,唯一的差别是细胞具有自我选择、自我复制、自我隔离等完整生命特征的生命体,而病毒是只具有自我选择、自我复制生命特征,但不具有自我隔离生命特征的半生命体。

9.6 小结

(1) 生命生存条件是生命起源的首要条件。地球生命体系是已知的宇宙中唯一的生命体系,人类可以找到适合生命生存的星体,但将永远找不到一个安全、有效的星际旅行方法来抵达这些宜居星体。地球生命一定起源于地球,即使有人认为可能来自于地外星体,不仅要解决那个星体生命生存问题、生命旅行问题,同样也需要解决那个地外星体的生命起源问题。

(2) 在多种生命起源的模拟实验中,阳光照射和化学物质高度浓缩汤是形成DNA单元的关键,在广阔的海洋、陆地及流动河流里均无法形成关键的生命浓缩汤。水陆边界的局部水域是形成原始生命浓缩汤的理想环境。水陆边界局部水域在长时间、无限次的干湿交替的过程中,各种类型的DNA单元会不断形成,且万亿种DNA单元的组合方式不断形成,这种大量的试错方式、优胜劣汰的适者生存原则,在生命产生之初就开始发挥及其重要的作用。相较于其他的氨基酸,更容易用现今蛋白质中发现的20多种氨基酸来实现自发连接。干湿交替的水陆边界局部水域环境不仅完美解决了核酸依赖于水但却容易被水分解的悖论,也完美诠释了为何生命在成千上万种可能性中只使用了那几种氨基酸。

(3) 生命起源分四个阶段:小分子有机物形成、大分子有机物形成、多分子团聚体形成和原始细胞诞生。在大分子有机物形成阶段,自我选择的生命特征已经开始出现;在多分子团聚体形成阶段,自我选择发挥重要作用,自我复制的生命特征已经开始出现。在干湿交替和土壤的共同作用下,多分子团聚体已经出现自我隔离功能,而磷脂在自我选择的作用下不断胜出,不断形成具有自我选择、自我复制、自我隔离的完整生命特征的细胞。最初的细胞诞生在干湿交替的水陆边界,因此适应水陆两种不同的环境,这意味着水生生物和陆生生物同时产生。

(4) 自我选择、自我复制、自我隔离是完整生命体必须具备的生命特征。病毒已经具备了自我选择、自我复制的生命特征,但病毒没有形成自我隔离的完整生命特征,病毒是生命起源的过渡性的、具有不完整生命特征的半生命体。一部分具有自我选择、自我复制的多分子团聚体形成了自我隔离的细胞膜,就诞生了具有完整生命特征的细胞。在生存竞争和协同作用下,病毒形成了对细胞的专一寄生性。这意味着病毒和细胞同时同地起源,唯一的差别是细胞具有自我选择、自我复制、自我隔离等完整生命特征的生命体,而病毒只具有自我选择、自我复制生命特征,但不具有自我隔离生命特征的半生命体。



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