E、生命物质

E、生命物质

要考虑生命的起源,首先想到的是:组成生命的物质是从哪里来的?

十九世纪的化学界盛传有机物的”活力论”,认为有机和无机是两个截然不同的两个世界,有机物只能通过生命的形式得到,无机物不能合成有机物。

德国青年化学家维勒(Friedrech`Wohler)首先做出有力的回答。1824年维勒在研究合成氰酸铵的时候,偶然的发现,在氰酸中加入氨水后蒸干后得到的白色晶体并不是铵盐。到1828年他才证明这个实验的产物是尿素,尿素就是一种有机物。维勒找到了用无机物合成有机物的一条道路。他的研究结果公诸于世之后,有机物醋酸、葡萄酸、柠檬酸、苹果酸、琥珀酸等一系列有机酸和油脂类的物质都被用无机物合成出来。

1953年美国生化研究生米勒(S•L •Millen)做了一个实验,他把一个容器首先抽成真空,然后他模拟原始地球的气候条件和原始大气的主要成分,将甲烷、氢、氨、水蒸气等气体泵入这个密闭的装置,对容器中的物质进行长时间的火花放电,并让反应气体在试验装置里循环,一周后,居然得到了一些较为复杂的有机物,其中,有十种氨基酸,四种是合成蛋白质的氨基酸。

美国生物化学家艾里尔贝(P•H•Abelsom)研究了米勒的实验以后,指出地球的原始大气中除了甲烷、氢、氨、水蒸气等气体外,还应该有一氧化碳、二氧化碳、氮气和氧气。他在米勒的实验基础上又增加了上述四种气体,重复米勒试验,结果生成的所有有机物中都含有氨基酸。

正如米勒所说:

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物质,都有共同的合成途径……所以有关原始地球环境下重要生物物质合成的知识,都可能有助于说明生命的演化。

——美国S•L米勒;L•E奥吉尔《地球生命的起源》科学出版社1981年版,第1-2页

1965年我国首次人工合成具有生物活性的蛋白质——胰岛素。为生命的化学进化理论增添了重要的佐证

另一种意见认为,生命的物质来自太空。

1969年科学家在澳大利亚得到一块陨石,立即回收,在无污染情况下用气相色谱检测出了氨基酸光学异构体。1983年在彗星里甚至发现了某些典型的细菌:1984年天文学家霍伊尔(Fred•Hoyle)发表“生命源自宇宙”。1986年又在哈雷彗星的核和尾部都发现了碳氢化合物,羟基分子、氰分子。

总之,科学家的研究表明,有机物、氨基酸、甚至蛋白质,这些生命的基本物质无论天上、地下到处都有,因为实践已经证明,无机物在一定的自然条件下可以合成有机物。接下来的问题是,有了生命的物质,怎样才能构成生命系统?

F、耗散结构

热力学第二定律告诉我们,一个孤立系统总是自发地朝着热平衡状态方向演化,这是一个不可逆的热力变化过程。

物理学上吧它归结为一句话:“在一个封闭的系统里,熵总是增加的。”

熵增加就意味着系统从冷热不均的有序状态,走向冷热均匀的无序状态,走向热平衡状态。

“熵增原理”实质上是反应了时间的一序性,所以,它不仅适用于热力学系统,它适用于任何有时间因素的孤立系统,它是自然界最基本的规则之一。

下面,我们通过两个实例来理解系统的熵增加的过程。

在盛有清水的透明的水杯里滴入一滴墨水,刚开始的时候,清水和墨水还没有立刻融合,我们看到墨水在清水中丝丝缕缕,这时候水和墨水处于有序状态,我们把它叫做非平衡态,或者说是远离平衡态,这时候,系统处于低熵状态。

随着时间的流驰,我们再看不到丝丝缕缕的墨水,只看到一杯均匀带色的水,这时候水和墨水进入了无序状态,我们把它叫平衡态,这时候系统的熵增加了。

自然界随处都是这种现象。再比如,冬天,我们在一间密闭的屋子里,点燃一个火炉,火炉燃烧的时候,火炉是热的,周围空气是冷的,火炉向周围空气不断传递热量,系统处于有序状态,非平衡状态,低熵状态;如果火炉熄灭,随着时间的流驰和空气的流动,周围空气慢慢热起来,炉子却慢慢凉下来,最后系统达到了热平衡,即炉子和空气温度一样,变成无序状态,系统的就熵增加了。

没有外在因素的干扰,一个封闭系统的自然过程都是熵增加的过程。总是从有序走向无序的过程,从非平衡态走向平衡态,这是一个退化的过程。与此相反,生命的过程却是从无序走向有序的过程,是一个进化的过程。

孤立地看,我们地球每时每刻都在退化,时过境迁,物非人非!但是,另一方面,地球又不是一个孤立系统,太阳源源不断地把光和热传导到地球上来,为地球孕育了生命,使生命不断地进化。

比利时物理学家普利高津进行了20年的研究探索,总结了远离平衡态系统保持有序状态、阻止系统熵增加的自然规律,1967年他建立了“耗散结构理论”,即非平衡系统的自组织理论。

普利高津发现,在一个远离平衡态的系统里,如果系统达到一定的阈值,系统就突然从无序走向有序。并且保持一种动态的稳定,动态的平衡。

我们可以做这样简单的实验:两块水平平板中间隔着一层水,对上下隔板加热,上板加热温度小于下板加热温度,如果容器透明,当温度达到一定值(这个值叫临界值或者叫阈值)的时候,我们将看到液层突然作有规律的整体运动,液体呈现出一串串的水花结构,这就是本纳德水花。这时候,系统达到了一种热对流的动态平衡。

让我们再来看一个化学实验:在常温下将硫酸鈰、丙二酸、溴酸钾溶于硫酸钠。由于有显色物质(3价鈰离子显红色;4价鈰离子显蓝色),我们可以用肉眼观察反应情况。反应物长时间滞留在反应器内,系统就会达到平衡状态,没有色泽变化。如果我们不断地泵入和泵出反应物质,当反应物在反应器中驻留时间达到一定域值的时候,我们将看到出人意料的情况:突然间,蓝色出现了,(4价鈰离子过量) 大约过一分钟,蓝色又被红色所替代(3价鈰离子过量)。这个过程不断重复,蓝色、红色、蓝色、红色。。。。。。像一个幽灵在有节奏地跳着彩色的舞蹈。

这一现象称为化学振荡反应。

从以上的实例可以理解,要保持系统的有序状态,系统必须不断地与外界交换能量和物质。系统正是在吸取能量和物质流的过程中获得负熵流,以抵消自身的熵增加。这种需要耗散环境提供的能量和物质流的适当的有序结构,普利高津把它称为“耗散结构”。

耗散结构理论是对非平衡的自组织系统自然规律的深刻揭示,它具有极普遍的意义。从简单的物理学的非平衡系统,化学的BZ类动态反应系统,复杂到的一个细胞,一个生命:小到一个企业,大到一个国家,都是耗散结构系统。所以耗散结构理论所揭示的自然规律具有普遍的意义,为此,普利高津教授获得了1977年的诺贝尔化学奖。

耗散结构理论为达尔文的进化论提供了物理学的理论依据。

根据耗散结构理论,可以理解,如果一些构成生命的物质在一定的条件下聚集在一起,构成一个系统,也许一开始处于混乱状态,但是,它由于受到环境的能量和物质的供给,当系统和外界的能量和物质交换达到一定的阈值的时候,它会突然达到一种有序状态,实现自组织,远离平衡态,形成一个耗散结构。

达尔文在他的个人书信中曾经猜想,生命起源于“富含氨和磷的有机盐、光、热、电等相关物质的小池塘中。”

据2006年出版的《新科学家》杂志报道,圣克鲁斯加利福尼亚大学的研究人员认为,生命起源的第一步是:能自我复制的化学物质(后来发展为DNA)被一种叫作泡的薄膜围绕。研究人员查尔斯•阿佩尔与他的同事合作,已经能够使用早期地球的物质成分在淡水的条件下制造出这种泡,而在咸水的环境下却不能得到相同的结果。他们说:“尽管已知的最古老生物化石是海洋生物的,但生命实际上起源于淡水池塘。”这和达尔文猜测,生命起源于“小池塘”是一致的。

不管是天上也好,地上也好;不管是淡水也好,咸水也好,我们已经证明了:即使从无机界开始,无机物可以在一定条件下产生有机物、氨基酸、甚至是蛋白质,这些生命物质聚在一起,能被一个叫做泡的薄膜所包裹,外界能透过这个泡和泡内的化学物质进行物质和能量的交换,经过涨落达到一个阈值的时候,系统突然走向自组织有序状态成为一个耗散结构,。生命就是这样的一个开放系统,它和外界进行物质和能量的交换就是新陈代谢,而且,这个泡就是原始的细胞壁,泡内能自我复制的化学物质就是原始DNA,有了泡、有了新陈代谢和自我复制,一个单细胞原始生命就诞生了。

所以,大量的研究和实践已经表明,在一定环境条件下生命是可以自然形成的,无需“智能设计”。

要弄清楚生命全部的进化过程是一个浩大的工程,面对进化了几亿年的生命世界,要清楚每一个进化环节,几乎难以为之。达尔文的进化论创立至今不到短短的200年,许多进化的环节我们还不能给出满意的解释。但是,我们不能因此而抛弃进化的自然原则。

上文提到,“智能设计论”者说,大自然不可能雕刻出四位总统的头像,不可能在海滩上写出单词和词汇。是的,随着时间的流逝,总统们的头像会被自然的风霜雪雨侵蚀、剥落,海滩上写下的词汇会被海水冲刷、夷为平地。这是熵增的规律,是大自然从有序走向无序的规律,大自然还有通过耗散结构的形式从无序走向有序的另一面。前者是退化,后者是进化,不能用大自然退化的规律来否定它进化的规律。不能用前一个规律来否定后一个规律。

说什么生命是由“超级智慧设计”或者至少是“干预”的。那么这种“超级智慧”是从哪里来的?这种说法不如直接将“超级智慧”换成“上帝更恰当些,鼓吹“智能设计论”的发现研究所自己就承认,“智能设计论”本质上是一种上帝的“创世论”。

当今大多数科学家认为人是由古猿进化来的,在这一点上几乎没有异议了。在达尔文诞辰200年来临之际,天主教会发表了一项声明,说教会高层主教想要为19世纪60年代,天主教会在达尔文提出进化论与自然选择学说后对其的诽谤做出弥补。声明中这样说:

“查尔斯•达尔文,在将迎来你诞辰200周年之际,英国国教就误解你并之后鼓励他人也误解你,而欠你一个道歉。我们希望能换回‘信念寻觅理解’的旧时美德,并愿此举能对以往做出补偿。”可见进化论已经深入人心了。

G“露西”、

那么从猿到人是从什么地方,什么时间开始的呢?随着古生物学家挖掘到的古猿和古人类的化石的不断出土,人们的认识也在不断的深化。

最早在1856年,德国采石工人在尼安德特峡谷发现一具古人类化石,科学家把它叫做尼安德特人,经测定距今大约10——20万年。那时候,人们心目中似乎人类起源于欧洲,产生了“欧洲起源论”。

1929年,中国古人类学家裴文中在北京西南的周口店龙骨山发掘出第一颗完整的“北京猿人”头盖骨化石,经测定大约距今50万年左右。

后来又在亚洲发现的古人类化石越来越多,人们又提出人类起源于亚洲,产生了“亚洲起源论”

至于美洲和澳洲发现的古人类化石都没有超过5万年以上的,所以没有人说人类起源于美洲和澳洲。

1871年达尔文在他出版的《人类起源》一书中,明确宣称人是由古猿进化而来,并且说这些古猿应该是来自非洲。达尔文当年还没有任何一块古人类化石,他根据大量物种演化现象推导得出“人是由古猿进化而来的”。并进一步推测:“非洲有可能是和大猩猩、黑猩猩有着密切亲缘关系的类人猿生活过的地方……由于它们是目前最接近于人类祖先的动物,所以我们的远古祖先生活在非洲的可能性要大于其他各洲。”达尔文说,如果你想了解人类进化史就去非洲。

开始,大家对达尔文的提示没有足够重视,因为最早在欧洲、亚洲分别发现了古人类化石,大家热衷于在这些地方继续发掘,认为欧洲或者亚洲才是人类的起源地。

1959年,一个叫玛利•利基的老太太和他丈夫在非洲坦桑尼亚,发现了一个人的头骨和一些石器。经测定是距今175万年。这一发现吸引了更多古人类考古学家到非洲去发掘。

1974年美国著名考古学家唐纳德,C•乔汉森教授等人在埃塞俄比亚境内的东非大裂谷阿瓦什河下游发现了一具比较完整的南方古猿的化石,是一具年轻女性的尸骨化石。经测定,距今300多万年。科学家们把这次发现的化石命名为“露西”。

科学家最先发现的是露西的头骨,从脑量上无法判断她是人还是猿,后来发现了他的腿骨,知道她是两足直立行走的,才肯定她是人,因为人和猿的基本区别就看是不是两足直立行走。过去,我们认为人和动物的根本区别是人会制造和使用工具,所以往往用有没有工具一块出土,来判断是人还是猿。后来人们发现猩猩和黑猩猩都会制造和使用简单的工具。所以不再用原来的判别标准。