宇宙、地球和生命的进化:时间的1000个-第14部分
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5．生态学的生命观
就已知的事实看，在太阳系内，生命活动只见于地球的生物圈内─由高约离地表20公里的大气层（当然不包括航天器中的生命），直至地下离地表十几公里的深处，这一相对说来不厚的空间构成。在生物圈内有的生命体具有叶绿素，可进行光合作用，称为自养生物，大部分植物、蓝藻和部分细菌都属于这类生命体；还有一些生物没有叶绿素，不进行光合作用，必须依靠摄取自养生物或其他生物为食而生存，称为异养生物，真菌、动物（包括人在内），以及大部分细菌属于这类生命体。生物圈中的无机物质，通过自养生物的光合作用进入生物体，以后部分通过自养生物自身的代谢活动而回到无机世界，部分为异养生物所摄取，通过代谢活动（包括呼吸、排泄等）又回到无机世界；而大部分植物秸秆和动物尸体最后都经腐生生物（异养生物）的降解作用而返回无机世界。这样就形成了生物圈内的物质运动循环。这种循环运动都是单方向进行，不可逆转。在这个循环运动中少了哪一环或哪一环不通畅，都会影响到整个生物界。没有自养生物或自养生物不足，异养生物当然难以生存；但只有自养生物，没有异养生物，大量有机物质积累后不能降解，也会阻塞自养生物继续生存的道路。
第48节：一、生命解说（6）
从物质的简单形式来看，例如在大气中的以二氧化碳形式存在的碳元素，经过自养生物的光合作用，与水化合成糖类进入生命体内，部分经过自养生物自身的呼吸作用，重新成为二氧化碳回到大气中；其他部分又被各种异养生物所利用，通过它们的呼吸作用，回到无机世界。这样就形成了一个碳元素的循环。这个碳元素循环在生命体中还必须与其他很多元素（如氢、氧、氮、磷、硫等）的循环通过化学反应耦合起来，同时也推动了这些元素在空间进行循环运动。在生物圈内，元素的循环运动网络中，有很多交点，这些交点所代表的生物个体的总和就是生物量。这种周而复始的循环运动，不仅在宏观的生物圈中存在，同时在生物体的微观运动中也是存在的。生态学把生命看作是上述生物圈中种种不可逆物质循环过程的中心环节，但它仅描述了生命的外部条件及其所处的地位，却未指明生命本身的质的特点。
6．生物物理学的生命观
生物物理学出现后，对生命的诠释开始着重从物质运动的一般规律上指明生命特征。我们知道，物质和能量是守恒的，地球与外界没有物质交换只有从太阳辐射得到能量，而又反射和辐射到太空之中。太阳辐射到地球上的能量与地球反射和辐射到太空中的能量相等。尽管地球的物质和能量都没有显著变化，但地球上各种元素由于与太阳辐射发生不同反应就可产生不同程度和不同方式的运动，即产生了上述的各种循环运动，这些运动导致了地球上物质的不均匀分布。因太阳辐射所造成的能量流动对地球的影响在一个长时期内是稳定的、有节奏的和有规律的，所以，地球上物质分布的不均匀性也是有节奏的和有规律的，这就产生了地球上物质分布和运动的有序状态。热力学第二定律用一个叫作〃熵〃的函数来衡量一个系统的均匀程度。一个孤立系统，即与外界没有物质和能量交换的系统，运动总使熵增加。当熵达到极大值时，宏观的物质运动就会停止，称为热力学平衡。此时系统处于均匀的、无序状态。地球不是一个孤立系统，而是一个闭系，即与外界只有能量交换而无物质交换的系统，它接受太阳辐射的能量，同时它又向太空反射和辐射能量。太阳辐射出来的能量使太阳表面呈高温状态（约5800℃），根据熵的定义，它处于相对的低熵形式。而地球向太空辐射的能量，由于地球表面温度远低于太阳，故处于相对的高熵形式。活的生命体是个开放系统，它与外界不仅有能量变换，而且有物质交换。所以，站在生物物理学的角度上来看，生命体实际上是从环境中取得以食物形式存在的低熵状态的物质和能量，把它们转化为高熵状态并把废物排出体外，从而保持自身的熵处于比环境更低的水平，也就是维持着自身的有序状态。
第49节：一、生命解说（7）
生命体的有序性从分子水平看就很明显。它们的大分子如核酸、蛋白质在各种细胞中都有一定的排列顺序，以至一个生态系统都有一定的空间结构。有序性不但表现在空间的分布上，也表现在生命体活动的规律上。它们都有一定的特性：生长、发育、生殖、衰老、死亡以及对外界刺激做出有规律的反应等。因此，用有序性来诠释生命的概念，似乎是比较完全的了。
但是，我们仍然有一个地方没有弄清楚。从热力学的观点来看，生命的有序性现象都出自太阳辐射的推动，但是太阳辐射仅仅是生命现象出现的外部条件，因为太阳系还有其他行星，它们都具备这个条件，但却只有地球上有生命活动，生命的出现必然还有它自身的因素。
7．对称性破缺导致的生命现象
根据近三十年来物理学、数学以及其他领域的研究进展结果，人们发现过去以牛顿力学为哲学背景建立起来的自然科学的思想基础（包括量子力学在内）都是有一定局限性的，都是以线性叠加原理成立为前题的，但是自然界的各种现象中很多都是非线性的，可以统称为非线性问题。简单地讲就是，一个系统的性质不同于它的组成部分性质的线性叠加，这个系统就是一个非线性系统。在过去，不论从数学还是物理学上都认为这类非线性问题很困难，无法解决。由于近年来计算技术的发展和数学、物理上的突破，出现了一大批研究非线性问题的理论和方法，如〃突变论〃、〃耗散结构〃、〃协同论〃、〃分岔理论〃以及〃混沌现象〃等等，这些理论虽然提法和解决问题的方法都不相同，但是它们都是针对动力系统的非线性问题而产生的。
当一个系统的变化属于非线性问题时，它的控制参数超过了某个临界值，就会出现〃对称性的破缺〃，一个均匀的、对称的系统就变为不均匀的和不对称的系统。物质在空间中出现了不均匀的分布也就意味着出现了结构。这种结构的形成和维持要依靠系统中各个组分及其与外界相互作用的非线性的性质才能实现。一旦各组分及其与外界的相互作用发生变化，它们就可能解体、消失，有人称之为〃耗散结构〃，因为它们的相互作用不断地耗散能量和物质。生命现象是一个典型的非线性动力系统，因此动力系统非线性问题的研究对生命的理解将有重要的贡献。
生命现象是一个不断地对称性破缺的过程。从分子水平上看，所有的核苷酸、绝大部分的氨基酸以及很多脂肪酸和其他分子都是〃光学活性〃分子，即只有手性分子的镜像的一面，它的镜像异构分子在生物体中却不存在。这个特性，从百多年前被巴斯德发现一直到现在，是唯一的有无生命活动的经验判据。这也可能是宇宙不守恒的对称性破缺的结果。这些分子的相互作用构成了一系列的对称性破缺，从而生成了有复制能力的对称性破缺的反应系统，从而导致生命现象的出现。
第50节：二、生命演化（1）
二、生命演化
1．100亿年前…生命物质
以前，人们认为地球在古生代才开始有生命存在，但是现在已经发现远在30亿年前，当地球还在幼年时期，表面受陨石撞击和火山运动而变得沟壑纵横时，地球上就已经有了生命物质。
关于地球上生命诞生的条件问题，我们可以从其他类地行星上不具备什么条件来得到反证。
第一，距离太阳的远近决定着行星表面的温度，例如水星向阳面的温度可以使铅熔化，而天王星表面温度却是零下200℃。无论温度太高还是太低都不能产生生命。看起来地球的位置得天独厚，距离太阳的位置恰好不远不近，这构成了产生生命的第一个条件…温度。
第二，水和大气的存在是必不可少的。大气层的存在抵挡和缓解了外来陨石的撞击能量，我们经常能看到的流星就是陨石在大气层中摩擦发热、发光的产物。如果没有大气层，地球就是30亿年前大气层尚未形成时的状态…陨石坑遍布。大气层保护了地球，为脆弱的生命诞生创造了理想的环境。另外，地球大气层特殊的化学构成也为生命演化提供了物质基础。地球上的生命形式大部分是由碳、氢、氧这几种元素构成的，早期大气层恰好含有丰富的这类元素，这提供了产生生命的第二个条件…生命元素。
生命是一套复杂的系统，要构成生命，首先要能形成巨大的有机分子，这些巨大的分子再在某种条件下形成生命物质最重要的基本结构…氨基酸。这些氨基酸再进一步结合，形成构成生命的基本单元…蛋白质。能够形成蛋白质已经是一项了不起的成就，可是，最简单的生命也比蛋白质复杂得多。
我们不妨设想一下生命基本物质出现时的情形：很多证据表明，最初的地球大气含有丰富的甲烷和氨，由于水的出现，甲烷和氨在水溶液中结合，形成简单的有机分子。这些有机分子在原始海洋的某些部位聚集，并且在原始地球剧变的环境中互相集合，成为越来越复杂的有机大分子。这个时候的地球就像一个巨大的化学实验室，各种各样的化学物质进行着各种各样的化学反应。那些结构稳定的大分子长期存在下来，并且逐渐形成一定的稳定的共生系统，和其他集团独立起来，再经过长期而缓慢的组合，最终形成生命最初的物质。
2．46亿年前…原始大气
自然发生说认为在地球现有的条件下，非生命物质可以在适宜的环境中短时间内一下子出现低等生物，例如水螅、蠕虫之类。而化学进化说讲的是在早期地球没有任何生物的特殊条件下的物质逐渐复杂化，并由此产生最原始的生命，这些生命类型都比现在所知道的任何低级生物简单得多。
第51节：二、生命演化（2）
早期地球的特殊条件至少包括以下的内容：
（1）陆地上和海洋里都还没有生命。
（2）大气含有特殊的化学成分。
（3）地球表面有适宜的温度。
（4）海水里含有多种化学成分，很适宜于物质的复杂化。
很显然，化学进化说虽然跟自然发生说有些相似，但是区别是明显的。第一是条件不同，化学进化是发生在还没有任何生命的时期；第二是所需时间不同，化学进化要求很长很长的时间。
不管地球以什么方式形成，也不管早期地球是低温还是高温，有一点可以相信：当时的地球上没
