有机物质研究生命起源与演化论文

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。

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