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[转载]地外文明探秘——寻觅人类的太空之友

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发表于 2005-7-6 11:19 | 显示全部楼层 |阅读模式
[英]迈克尔·怀特  著
                      黄群  许小鹏  译

              哲人石丛书/上海科技教育出版社   1999.12


    序 言
    第一章 火星上的生命
    第二章  什么是生命?
    第三章 凸眼怪物和小绿人
    第四章  机会有多大?
    第五章  来自远方的信号
    第六章 伟大的行星寻猎
    第七章  追 求
    第八章  我们会抵达恒星吗?
    第九章 外星人的“名片”
    第十章 独立日
    注  释
 楼主| 发表于 2005-7-6 11:20 | 显示全部楼层
    序  言


  宇宙是如何创生的?我们为什么会存在?到底有没有上帝?
我们人类在茫茫宇宙中是独一无二的吗?

  这些都是极其重大的问题,是始终萦绕在我们心头难以忘
怀的大事,是我们茶余酒后高谈阔论的话题。然而严酷的现实
是,真正有希望有朝一日得到答案的问题恐怕只有那最后一个。

  令人遗憾的是,假如说事物发展的缘由自有其显现的时机,
那么关于我们在宇宙中是否独一无二这一谜团的解答却只会姗
姗来迟。但是,如果人类能发扬那种勇于求索的精神,坚持不
懈地进行科学探索,那么运气好的话,我们或许会有那么一天
——也许就在我们的有生之年——找到真正的答案。

  在本书中,我将介绍与“地外生命”相关的种种不解之谜。
我会陈述事实,罗列证据,讨论由此而引发的一大堆敏感问题。
例如,火星上有生命吗?如果答案是肯定的话,现在是否还有
可能在那儿找到它们?地球上的生命是如何产生的?决定其他
星球上是否有生命的因素又是什么?我们是不是很特殊?

  然后,我想更进一步地探讨一些更为广泛的问题,比方说,
其他星球上是否真会存在生命,我们能不能到那里去一探究竟?
假如宇宙中有许许多多的文明,它们在远古时代是否曾经来访,
并对我们的发展产生过影响?最后,还有一个(由于种种复杂
的原因)当我们临近20世纪末时变得颇为时髦的问题:外星生
物是否正在探访我们?如果是的话,为什么要访问我们?以什
么样的方式访问我们?对我们有什么影响?假如我们有一天早
晨醒来,突然发现那些阴谋论者所说的竟然是对的,我们将会
有什么样的感觉?

  1996年,我根据《X档案》—— 一部风靡全球的超常现象
电视系列剧——写了一本名叫《X档案的科学》的书。 在书中
我针对许多超常现象进行了大量的讨论。本书就那本书中的几
个相关章节进行了更深入的探讨,我想正在阅读本书的以及所
有那些真正明智的读者一定也会感兴趣。当然,这会更加触怒
那些批评《X档案的科学》 的人以及我那些在科普写作方面的
同行,他们认为我作为一名科学家,这么做有失身份,或者说
“让人失望”,尽管我只是试图以科学的手段来解释某些“超
自然的”现象。他们这样的态度正体现了现在科学界的一种令
人失望的通病——狭隘的思维方式。它不是合乎常理地以公正
的眼光评判事实,而是扼杀了所有尝试澄清或者拓宽公众对于
所谓“超常现象”思路的努力。

  典型的例子是费米(Enrico Fermi,氢弹研制中的关键人物
之一)的一番评论。费米是位声望卓著的伟大科学家,1934年,
他在一群试图使他相信宇宙中很可能存在其他智慧生命的朋友
面前评论道:如果宇宙中真的充满了生命,那么它们在哪儿啊?

  而今,这一与中世纪的教皇浮夸相差无几的狂妄话语,最
终因其自身的傲慢和无知而被戏称为“费米原理”或“费米假
设”。

  难道费米先生没有仔细考虑过人类在整个物质世界中的位
置吗?他有没有意识到从哥白尼打破“地球是宇宙中心”这一
自以为是的“真理”开始,到量子力学揭开事物的随机本质,
在这400年间人类在宇宙中的地位一直在不断缩小呢? 莫非他
忽略了达尔文物竞天择的进化论?进化论证明了个体的渺小,
并把我们从万能的上帝统治的世界带回现实之中。更糟糕的是,
费米先生根本没有认真考虑我们的宇宙是何等古老,星系际的
空间是何等广袤,我们称之为家的这块小小岩石又是何等微不
足道?他应该先慎重思考一下,然后再发表议论。

  我希望这本书能为您提供一种公正的观点并给出让您——
我亲爱的读者自己来得出结论的事实。有关其他行星上的生命
的胡言乱语如今已是太多太多,由此引发的争论也不计其数,
有倾向性地出示材料(来自鼓吹者和怀疑论者)更比比皆是,
以至于让我觉得这本书确实写得太晚了。

  我希望能在尽力包容与“地外生命”相关的各种论题的同
时,没有轻率地忽略当中的任何一个章节,并真诚地期望能对
各位读者有所帮助。这是一本也许是独一无二地融合了人类心
理学、狭义和广义相对论、量子力学、遗传学、宇宙学、空间
工程和达尔文进化论的书。如果说我的书并未给您带来太大的
帮助,但倘若它能给“地外文明”的讨论注入更多的活力,促
使读者支持正在这一领域中进行的研究,支持这项虽然代价高
昂却团结了全人类的伟大探索,实现人类的梦想,那么我同样
会感到非常欣慰。毕竟,我们生活在一个被种种因素所分隔的
世界,如果我们在宇宙中真是独一无二的,那么寻找地外生命
也许将会促使我们更加珍视自己的这片空间,以及我们彼此之
间的关爱。

           1998年1月于格洛斯特郡
 楼主| 发表于 2005-7-6 11:23 | 显示全部楼层
第一章 火星上的生命


  火星下面有着小偷和强盗……夜贼和吵吵闹闹的胆小鬼。
自吹自擂者、嘲笑和讥讽别人的家伙。这些火星人引发了斗
殴、凶杀和战争。它们会乐意地成为铁匠或铁矿工人……拜
倒在你的面前,宣誓效忠于你。

              ——《桫椤谬斯合集》


  那是1984年的一个夏日,天气晴朗,气温在0℃以下。地
质学家斯科尔(Roberta Score)遇到一件事。 说不定它不久将
被证明是人类与外星生命的首次接触。斯科尔结束了一天的工
作后,与她的一帮同事一起离开了工作室。当她开着雪地摩托
车在艾伦山他们的南极工作基地附近闲逛时,发现冰雪中有一
块黑色的岩石。她把车子停在一旁,上前看个究竟。

  这块石头就是12年后, 在1996年8月出现在全世界各报刊
头版的火星岩石。这块被命名为“艾伦山84001”(ALH84001)
的陨石据称是第一块来自其他世界的生物化石样本。

  斯科尔博士参加的探险活动由美国国家科学基金会的“南
极陨石”计划资助,这一计划旨在寻找坠落在南极的陨石。也
许会让你有些惊讶,在南极有着大量的陨石,其中有许多都来
自很遥远的空间。据估计,每年仅从火星飞来落在冰层上的地
外物质就有大约100吨。

  由于辨认不出这是一块什么样的岩石,斯科尔博士按照惯
例将它包了起来,送到位于德克萨斯州休斯顿的约翰逊空间中
心的陨石处理实验室。它被放在一间充满氮气的实验室中保存
了8年。 这间实验室最初是为保存“阿波罗号”字航员带回的
月球岩石样本而建立的。

  1993年,对一小片艾伦山84001陨石切片进行的检测表明,
该陨石中所含的气体与(根据1976年“海盗号”探测火星得出
的)火星大气中的气体成分相吻合。然后又过了一年,一支由
麦凯(David S. McKay)领导的, 在约翰逊空间中心为美国国
家航天局(NASA)工作的科研小组又取下一部分来进行研究。
他们的具体任务是在火星陨石中搜寻生物化石。

  英国化学家克莱梅特(Simon Clemett)是最先收到该工作
组送来的小块试验样本的人之一。他当时正在加利福尼亚州斯
坦福大学攻读博士学位。这块岩石样本被装在密封罐中,由联
邦速递用一个看起来不怎么吉利的棕色封套包装着送到了他的
实验室。在所附的信件中,约翰逊空间中心的联系人要求他对
样品进行分析,并报告他的发现,却只字未提样本的出处。

  克菜梅特博士把它作为自己学位工作的一部分或又一项日
常工作对待,做完测试送出结果后就把这一切抛到脑后去了。

  2年过去了,克菜梅特博士已经回到英格兰。1996年8月的
一个清晨,他过去在斯坦福大学的指导教授突然打电话给他,
要他立刻坐第一班飞机飞往华盛顿,并建议他找一份当天的报
纸看一下头版新闻。

  克莱梅特一出门,立即就被一大群记者围住。当这些记者
的好奇心得不到满足时,他们便紧随克莱梅特来到了机场。不
幸的是,飞往华盛顿的飞机在跑道上出了一些故障,飞机上的
乘客不得不下飞机等候。在机场的休息室里,克莱梅特又重新
陷入了记者的重重包围中。几小时后,就在克林顿(Clinton)
总统登上讲台向全世界宣布国家航天局的这一重大发现前一刻,
克莱梅特终于在一间坐满了来自世界各地的记者、闪光灯闪烁
不断的房间中召开了一个临时记者招待会。

  由于消息的泄漏, 关于火星岩石艾伦山84001的新闻很快
充斥了各个报亭。第一则相关的报道刊在一本名为《空间新闻》
的专业杂志上。该报道暗示在南极的废墟中发现了某些不同寻
常的东西。这篇报导很快被某一全国性报纸的两位机敏的新闻
记者注意到,关于国家航天局的这项发现立刻就以燎原之势散
播开来,这一切着实给研究人员来了个措手不及。他们原本计
划在8月16日的《科学》杂志上发表这则声明, 但面对外界对
他们这项研究意味着什么的强烈关注,他们不得不立即召开了
一个记者招待会,并把研究成果呈报了总统。

  在华盛顿的记者招待会上,克林顿总统称这一发现为伟大
的发现,并宣布将在11月召开一个高层会议来讨论和评价美国
的太空计划。他更进一步地强调在这个大会上各位代表将研讨
美国该如何“ 寻求艾伦山84001带来的许多科学问题的解答。
这块岩石经历数十亿年的时间,跨越数千万千米的距离来向我
们传递信息。它说的是存在生命的机遇”。

  克林顿讲完后,国家航天局的代表作了慷慨激昂的发言。
首席行政官丹·戈尔丁(Dan Goldin)的一番话使会场气氛空前
热烈。他说:“我们正站在通往天界的大门口,这是一个多么
令人振奋的时刻啊!在过去的一年里,我们在邻近的恒星旁发
现了行星,我们探索宇宙的深处以查明星系的诞生和形成。而
今,我们又行将证实是否只有地球上才有生命……我们也许将
发现在我们这颗小小的行星——太阳附近的第三块巨石之外存
在生命的第一项证据。”

  紧接着,他又谨慎地补充说:“我希望各位明白,我们现
在并不是在讨论什么小绿人。目前并没有任何迹象表明火星上
存在任何高等形式的生命。”

  这确实令那些支持国家航天局的人们感到欢欣鼓舞。华盛
顿大学的行星际尘埃专家布朗利(Donald Brownlee)说: “我
想他们已经找到了一些可能是微化石的东西,这可能是史无前
例的。假如这是真的,那可是科学上最重大的发现。外星生物
学是非常有趣的,但是倘若没有任何资料的话,那就只能进行
一些推测猜想。我想,现在是有一些资料了。[1]

  卡尔·萨根(Carl Sagan)这位几十年来始终热心支持寻找
地球以外生命,并以此为题出过多本著作的作家如是说:“一
旦这些结果被证实,它将是人类历史上的一个转折点。它表明
生命不仅局限于我们这个微不足道的太阳系里的两颗行星上,
而是遍及浩瀚无际的整个宇宙。[2]

  与此同时,在总部设在加里福尼亚州芒廷维尤的寻找地外
智慧生命(the Search for Extraterrestrial Intelligence,简称SETI)
的总部,该组织的主席弗兰克·德雷克(Frank Drake)及其研
究人员正围在电视机旁为每一位走上讲台的发言者欢呼。德雷
克后来说:“这一切证实了我们始终深信不疑的一件事,那就
是只要条件适宜就会有生命存在,我们只不过是茫茫宇宙之沧
海一粟罢了。[3]

  国家航天局当然充分预见到了紧接着如潮水般涌来的或支
持或怀疑的反应。他们甚至极其谨慎地在电台及电视节目中与
加利福尼亚大学洛杉矶分校的古生物学家舍普夫(William Schopf)
通了话。舍普夫是一位声名显赫的科学家。早在官方发布消息
之前,他就已经知悉了这一研究的情况,但他一直持有怀疑态
度。舍普夫不以为然他说:“我是个乐观的怀疑论者或是个持
怀疑论的乐观者。这是一项细致的研究工作,而且绝对不是一
门简单容易的学问。这是一门兼容并蓄的交叉学科。我认为有
关火星上过去或现在存在生命的声明都是不同凡响的。我想,
应该有不同凡响的证据来支持这些断言。”

  在评述了化石的结构以及陨石的化学和生物化学特征后,
他得出了如下的结论:“这种生物学的解释似乎并不合理。”
其他一些非国家航天局的研究人员也赞同这一观点。伦敦自然
历史博物馆的陨石管理员莫妮卡·格雷迪(Monica Grady) 在
一个专门研究火星陨石的小组中工作了十余年。她的评论是:
“我想这的确是非常有价值的研究。但这个结果却不能令人信
服。事实上它完全可以用无机物反应来解释。”

  莫妮卡是在暗示美国国家航天局声称的那块含有原始生命
迹象的岩石不过是非生命(在这里是无机的)系统的产物罢了。
尽管有种种争执和少量的反对意见,这一重大发现及其潜在含
意最初着实给人带来不少兴奋和惊讶。

  人们如此激动的理由是完全可以理解的。自从我们人类有
闲暇思考及探索以来,我们就一直在观测星空并幻想在某个遥
远的星球上可能有生命存在。自从19世纪凡尔纳(Jules Verne)
的时代以来,大量的科幻作品都以地外生命作为题材。许多科
幻小说作家把他们的注意力放在了太阳系中的第四颗行星——
火星上。

  在西方国家,火星以罗马神话中的战神马尔斯(Mars)的
名字命名。这部分是因为它在夜空中呈现血一般的颜色。在17
世纪,一位名叫卡西尼(Giovanni Cassini)的天文学家用一架早
期的望远镜首次观测到火星表面的白色极冠。大约一个半世纪
以后,在19世纪30年代,贝尔(Wilhelm Beer)和梅德勒(Johann
von Madler)注意到火星极冠的大小和表面颜色会有周期性的变
化。他们推测火星上也许生长有季节性变化的植物,就好像地
球上植物的叶片枯萎凋零后长出鲜嫩的新芽一般——这两位天
文学家称其为“黯[淡之]波”。

  然而,真正令人兴奋的消息却是1877年斯基帕雷利(Giovanni
Schiaparelli)观测到火星的红色表面上有着线状的纹理。他把这
种现象叫作“canali”,意思是“水道”。但这个词却被错误地
从意大利语英译成了“canal”,意为“运河”。

  美国业余天文学家洛厄尔(Percival Lowell)依据火星运河
的想法精心设想了一个寒冷干旱、濒临灭亡的世界。富有智慧
的火星人建造了巨大的运河将水从一处输送至另一处以灌溉农
田。他宣称这就是引起火星表面色泽变化及造成那些线状印记
的原因,井进一步说:“我并不清楚火星生命是什么样子的,
但那里一定有某种形式的生命存在。”
 楼主| 发表于 2005-7-6 11:24 | 显示全部楼层
  令人遗憾的是,这些都只是过于活跃的幻想而已,完全没
有事实根据。不过洛厄尔的想法倒是为一系列关于火星的科幻
小说提供了素材。从威尔斯(H.G.Wells)那部关于邪恶的火星
人在英国登陆的《世界间的战争》(1898),到伯勒斯(Edgar
Rice Burroughs)的一系列古怪而有影响力的小说(《巴松丛书》,
始于1912年)。鲁宾逊(Kim Stanley Robinson)的现代经典《红
火星》(1992),《绿火星》(1993),和《蓝火星)(1996)
则更是登峰造极。

  然而,这些科幻小说家们的梦想与平凡单调的现实相去甚
远。20世纪60年代到70年代,苏联和美国都向火星发射了不少
精密的探测器。这些探测器送回的图象表明火星是个不毛之地,
丝毫没有生命的迹象。这一系列探测行动始于1964年的“水手
4号” (它飞近这颗行星并发现火星如月球那样布满了斑斑点
点的环形山),一直到1976年的“海盗号”着陆器。这些从地
球上去的探访者分析了火星土壤样品,发现这颗行星完全没有
生命。由于没有像地球大气那样的保护层,强烈的紫外光照射
使得火星土壤完全不能孕育生命。

  这一系列探测所带回的数据并没有使人们完全失去信心,
因为随着对生命可以在何等严酷的条件下生存的认识的加深,
我们对于在火星上的某处——也许在地下深处可以发现某种非
常简单的生命形式的信心也愈来愈强。更何况,正如我们在后
文中可以看到的那样,由“海盗1号”和“海盗2号”所带来
的证据有许多可争议的地方,同时在这些探测器上做的实验得
出的结果也是模棱两可的。

   尽管正在研究艾伦山84001的科学家们不敢想象在火星的
极区或地下深处的某个角落仍有生命存在,更不会在没有任何
决定性的证据之前做出什么暗示,但人们对于在火星上发现生
命的希望始终萦系于心且日益增长。加的夫威尔士大学的物理
学家维克拉马辛( Chandra Wickramasinghe )说这样的可能性
“当然不能排除”。他说,“事实上,我相信‘火星生命’仍
然存在,过去数载的微生物研究告诉我们生命能在我们从未想
象到的某些条件下生存。”反对的意见来自伦敦大学学院的克
劳福德(Ian Crawford)。他引用了洛夫罗克(James Lovelock)
的“盖亚”假说。他说,在“洛夫罗克的模式”中,“生命要
么适应环境而后繁盛起来,否则就会逐渐消亡。如果火星上曾
有生命,它就应该遍布这颗行星——而不应停滞不前。”

  火星并不是离地球最近的行星——最近的是金星。但火星
直至现在仍被认为是太阳系中除地球外生命最有可能繁盛过并
生存至今的地方。金星的表面灼热异常,足有500℃。 它的大
气层主要由二氧化碳组成,含有大量腐蚀性有毒气体。这些气
体产生的强烈温室效应在很大程度上决定了金星表面的高温状
况。

  水星与太阳的平均距离只有3600万英里(5800万千米)左
右(略大于地球到太阳距离的1/3)。 水星上几乎不可能有任
何形式的生命。它的表面温度只比金星略低一些,而且由于太
靠近太阳,太阳释放的各种各样的射线不时地轰击它的表面。
的确很难想象会有生命落脚在那样的地方。

  比火星更远一些的是气体巨行星:木星和土星。它们的大
气层由有毒气体组成并受强大磁场的剧烈扰动,不停地翻腾着。
据我们目前所知,在那儿有生命存在的可能性极小。太阳系中
最大的两颗卫星——土卫六和木卫三倒是可能更有希望。土卫
六环绕土星转动,木卫三则是木星最大的卫星。业已从土卫六
近旁越过的“旅行者号”探测器在这颗卫星的表面发现了据信
是有机分子的东西(参见第三章)。

  在太阳系更外围的地方是天王星、海王星和冥王星:它们
或是温度过低,大气有毒,或是如天王星的情况,整个行星就
是一个被火山煮沸的覆盖着有毒气体的海洋。这些行星不会适
宜于科学家所说的“以碳为基础”的生命形式。

   艾伦山84001当时所处的那种可能存有微生物的火星环境
(距今约36亿至40亿年前)与地球当时的情形很相似。如果我
们能够接受生命存在于地球之外的可能性,那么火星就(像地
球一样)是极有可能孕育着生命的地方。

  纵观近百年来人类对于火星的巨大兴趣,以及现代科学认
定它是近邻星球中最有可能存有生命的地方(尽管可能性仍很
小)这一事实, 由于艾伦山84001中可能存有微生物化石这一
新闻而引起巨大震撼也就不足为奇了。事实上,不论文化信仰
有何不同,人们都不会相信我们在无限宇宙中是唯一的。这的
确是一个令人有些心寒的想法。对于那些不可知论者来说,这
也许就是人类创造“神”这一概念的最好解释——这样我们才
有了一个伴。

  但是,如果我们撇开对休斯顿约翰逊空间中心的研究者们
之发现的种种期望和情绪因素,那么这一发现的实质究竟如何
呢?在这之前几十亿年,这块火星岩石标本上曾经有生命居住
的证据究竟有多少分量呢?

  历史上也曾出现过虚假的科学声明。一些较为偏激的人因
为“辟尔唐人”①之类让科学界蒙羞的事件,而把他们看到的一
切都当成科学家的骗局,并对一些基本的科学观点表示怀疑。
另一个这样的例子是1989年所谓的“冷核聚变”。当时一群科
学家声称他们能产生一种几乎用之不竭的能源——试管中的核
聚变。

  在外空生物学(研究地球外的生命)领域至少也已出现过
一则关于发现地外化石的假声明。1961年,一位叫纳吉(Batholomew
Nagy)的科学家从1864年坠落在法国的一块岩石上发现了火星
古化石,这块岩石后来被谑称为“纳吉陨石”。

  纳吉的研究与今天美国国家航天局对艾伦山84001 样品所
做的研究几乎相同,但分析技术要粗糙许多,最终发现纳吉的
火星化石只是些地球上的细菌化石而已,所以他的结论很成问
题。

  在艾伦山84001工作小组发布消息后一周内, 世界各地的
科学家及科学评论家相继提出了质疑,(有些人认为并不恰当
地)把它和纳吉的发现相提并论。[4]

        图 1 艾伦山84001是如何到达地球的

  在艾伦山84001 上发现的微生物化石与1961年在纳吉陨石
上的发现是明显不同的。即便忽略20世纪60年代和90年代探测
和分析设备上的差距, 艾伦山84001上的发现相对说来仍要可
靠得多。

  艾伦山84001是一块重约1.75千克,大小似土豆般的陨石。
除了包含着化石外,这块岩石毫不起眼。一般相信它和火星上
的其他岩石一样,是在40亿至45亿年前形成的。在那段时间里,
拥有固态核的行星凝聚并逐步演化成今天这样密度较高的状态
——主要由铁和其他矿物质组成(如石英和其他硅化合物)的
天体。

  然后,在距今约36亿至40亿年时,水以液态的形式渗入岩
石的间隙中。据信当时火星上很可能有大量的水,这些水饱含
着大气层中的二氧化碳,正因为这样,水能够在岩石中借助碳
酸盐的形式残留下来。

  据信,是微生物(也许曾生活在那些水中)促成了这些碳
酸盐的产生。微生物死后就在岩石中变成了化石,就像地球上
的石灰岩中保存了不同地质时期的大量生物化石一样。

  这块岩石也许在某个地方逗留了数十亿年。或许它是某个
悬崖的一部分,或者是暴露于地面上的一块巨岩的一部分。大
约1600万年前的一天,一颗巨大的彗星或小行星与火星相撞,
我们的这块岩石被猛烈撞击后与火星地表分离,进入了宇宙空
间。

  随后这1600万年中, 艾伦山84001几乎都在星际空间中漂
浮,在这段时间里,地球上一种看上去无足轻重的哺乳动物渐
渐进化出灵长目。随后经过几百万年,又分化为几支,其中的
一支就是智人。

  这之后又过了很久,当早期的人类社会发展农业时,也就
是建造巨石阵和金字塔之前大约7000~8000年时,艾伦山84001
进入地球引力影响范围, 在大约13000年前落在南极冰冻的荒
原上。

  它一直静静地呆在那里,直至1984年的那个下午,斯科尔
博士为命运所安排发现了它。

  在艾伦山84001中发现的, 据信是非常微小、几乎看不见
的类似于原始细菌的生物体化石。这些化石非常小,最大者尺
度也只有人的头发丝宽度的1/100,而且大多数都只及最大者的
1/10大小。也就是说,如果把1000个这样的生物体排成一串,
才有这句句子后的那个句号的宽度那么长。

  有些化石呈卵形,有些呈管状,但令人惊奇的是,它们同
地球上的一些细菌及其他微生物化石非常相似。事实上它们与
地球上的细菌在外观上是如此相似,以至于它们第一次出现时
真被当成细菌了。在它们被发现的那一天,来自约翰逊空间中
心的那个国家航天局工作小组的一名工作人员吉布森(Everett
Gibson)把这种微生物的第一批照片拿回家放在厨房的桌上时,
他那位生物学家的妻子立刻问道:“这些是什么细菌?”

  那么,究竟有哪些证据可以用来支持这些几乎看不见的“
小点”是我们人类第一次遭遇的地外生命这一论断呢?

  第一项有利的证据是:这块岩石确确实实来自火星。科学
家对这一点相当肯定。因为在陨石结构中捕获的气体成分与20
年前“海盗号”探测器测定的火星大气成分相符。该混合气体
中最主要的成分是二氧化碳(CO2)。一位英国研究者在消息
发布后不久研究了陨石样本,他说“‘明显的相似之处’让人
相信它确实是从火星上来的。我们认出了火星大气的特征,它
的主要成分是二氧化碳。如果陨石中没有高浓度的二氧化碳,
它就不是火星陨石。”

  现在,我们已经清楚了陨石从何而来,那么又凭什么说这
些生物化石和地球物理结构也源于地外呢?一条重要的证据是
岩石表面保存在碳酸盐沉积物中、形似单细胞生物的化石。碳
酸盐本身就是以碳为基础的化合物,它们往往是有机结构,但
不一定具有生物学的起源。那些细胞似的结构实在太小了,即
便用当今最先进的显微镜来观察也看不清它的细胞壁。它们被
称为“纳(米级)细菌”(由“纳”这个前缀得名,表示其后
所跟的物体尺度为十亿分之一米,即10-9米)。

  第三项证据是沉积物中的无机化合物——含铁的晶体。主
要是氧化铁和硫化铁。地球上的细菌可以制造出这样的化合物。
但是, 在艾伦山84001上发现的这些沉积物却着实令科学家们
困惑不解。在地球上,有些较为罕见的细菌制造以磁铁矿(恰
如其名称所示,这种物质具有磁性)的形式存在的氧化铁。据
猜测,它们依靠这种磁性来调整自身相对于地球天然磁场的取
向,并以此帮助引导行动方向。但是,火星上的微生物也制造
这种磁性物质就显得有些不同寻常了。既然火星的磁场不超过
地球磁场的0.2%(即1/50),岩石上的这些微生物为什么还要
生产“磁铁矿”呢?

  另外还有最后一条证据,也许是最有力支持该陨石中的化
石源自地外的证据。科学家们在这块陨石里发现了在其他火星
陨石中从未见过的大有机分子。这些分子的名称是“多环芳香
烃”(或简称为PAH)——一类在煤和萘(是樟脑丸的主要成
分)之类的普通物质中可以见到的油性化合物。PAH可以由地
球上细菌的尸体转化而成, 这使人很容易想到艾伦山84001中
的这些分子可能是在南极受地面污染而沾上的。然而,研究的
结果表明,陨石内部的PAH浓度要比表面高。 艾伦山84001化
学分析小组的负责人扎雷(Richard Zare)教授对这一发现给予
这样的评价:“不管怎样说,这是人类第一次发现与火星相关
的有机分子。”
 楼主| 发表于 2005-7-6 11:25 | 显示全部楼层
  但是,反对者们仍不相信这个结论,并指出其中一系列不
正常的分析结果。首先,他们指出(化石或其他形式的)PAH
往往可以从毫无生命迹象的陨石——包括不时地从全无生命的
小行星飞来坠落在地球上的岩石中找到。地球物理学家克莱顿
(Robert Clayton)说道: “PAH是小行星上非常普遍的一种化
合物,这并不是什么生命的征兆。” 他还说艾伦山84001中的
PAH浓度还不及地球化石中浓度的1/1000。[5]

  不过,他最后的这句补充似乎反而加强了这些微生物来自
地球以外的可能性。我们很难说清在火星上形成的微生物与地
球上它们的表兄妹究竟有什么不同。 况且,艾伦山84001中的
那些分子完全有可能系形成该岩石和培育生命的环境与地球截
然不同,同时也说明它确实没有被污染。从某种意义上来说,
很有限的PAH品种范围恰好反映了这些微生物形成时火星生命
的局限性。

  麦凯和他的小组竭尽全力保护艾伦山84001, 使之免受污
染,以防产生任何有关火星生命的假象。他们首先确认在第一
次分析岩石时没有任何活的生命,随后又证实岩石确实来自火
星。但岩石内部PAH浓度高于外部的事实仍不能让某些批评家
信服。他们认为一些像这块陨石那样的黑色物体也会吸收热量,
使周围的积雪融化,这样水就会渗入岩石内部并将导致PAH的
沉积。不但如此,由于紫外线可使PAH分解,所以近于表面的
PAH更易受南极强烈的光照影响,一位美国科学家甚至说麦凯
之所述“过于简单,经不起推敲。风化作用是一个相当缓慢的
过程。有些东西悄悄地渗了进去,又慢慢散去,这并不是一种
明显的变化”。[6]

  此后,在1998年1月, 加利福尼亚州斯克里普斯海洋学研
究院的巴达(Jeff Bada)领导的小组发布了一个广为流传的声
明。这个声明对于国家航大局研究小组的结果是个致命打击。
巴达的研究结果表明艾伦山84001中的有机物质源自地球。 巴
达说,“这项研究表明该陨石中的大量有机碳源自地球,我要
说这些化合物是地球的。看来它已经被污染了。”然而,即使
这份声明中,他随后的一些引起争议的提醒话也在一定程度上
削弱了先前讲的话:“我们要向大家证明的,就是目前我们还
没有取得任何证据可以绝对他说陨石上的化合物与火星有任何
联系……不过那上面可能有一些我们目前还不十分清楚的微小
的神秘成分。”

  尽管斯克里普斯研究组率先发布了消息并成为新闻焦点,
但他们的研究结果也受到了强烈的驳斥。反对意见来自英国的
开放大学。皮林格(Colin Pillinger) 教授的科研组认为巴达的
分析结果是“完全错误的”, 而且“另一颗陨石的4个样品提
供了丝毫未受污染的强有力的证据表明那颗红色的行星上确实
存在有机物质。这是不容忽视的。”[7]

  即便如此,仍有许多针对麦凯及其小组的非难。其中最为
棘手的是关于微生物大小的疑问。

  生物学家们相信生物个体的尺度有一个下限。这是因为需
要空间来存放遗传物质以供其机体生长、运动和繁衍。在地球
上,大多数细菌的长度在0.5至20微米之间(一微米是百万分
之一米,即10-6米)。在火星样品中发现的这些物体的大小
则在20至100纳米之间(一纳米是十亿分之一米)。 换言之,
即便是其中个头最大的也要比地球上最小的普通细菌小几百倍。

  直到最近有研究者在地球上发现了与那些火星物体大小相
近的微生物之前,科学家一直抱着这样的观点。微生物学家史
蒂文斯(Todd Stevens)在美国华盛顿州里士满的太平洋西北实
验室工作。他声称发现了大小仅两倍于火星样品中的最大个体
的细菌。这些古怪的生物生长在华盛顿州哥伦比亚河河底深处
的岩缝中。它们没有有机食物来源,也没有阳光的照射,它们
靠水和岩石之间的某种化学反应来产生能量,制造氢气,随后
利用氢气将二氧化碳转化成甲烷——一种获取能量的化学过程。
有趣的是,所有这些原材料在40亿年前这类微生物形成的时期,
火星上全都存在。

  另一位研究人员福克(Robert Folk)在意大利的热泉中也
发现了大小与前述火星化石相仿的细菌化石。他估计这些化石
有20亿年的年龄, 但其大小与与艾伦山84001中发现的一些最
大的个体大小相同。

  还有一条反对意见涉及嵌有那些化石的碳酸盐化合物的性
质。麦凯及他的组员认为这是某种生物学活动引起的——火星
生物的排泄产物。另一些人则认为当这块岩石从火星上分离飞
入太空时也会产生类似的化合物。

  甚至在陨石和微生物的实际年龄这一问题上也存在着分歧。
国家航天局科研小组称这些微生物距今有36亿~40亿年之久,
但根据芝加哥菲尔德博物馆的沃德瓦(Meenakshi Wadhwa)博
士的实验结果,岩石中的碳酸盐和生命物质可能只有13.9亿
年,误差在1亿年左右。

  如果这是真的话,那么对于这块陨石和在它上面发现的微
生物的地球化学及生物学分析就将完全不同。不过,这并不意
味着那些印记一定不是某种非常简单的古老火星生命的化石。
我们对于生命如何在其他星球上起源和演化知之甚少,而且根
据福克的研究,在这两个相距极远的时期里(他那些生物估计
是20亿年前的,国家航天局的前述结果是36亿~40亿年,而沃
德瓦博士的估计则为13.9亿年),地球上也已存在着类似的与
世隔绝的生物。

  面对一系列的质疑,麦凯及其小组目前正在进行更深入的
实验。有些成员认为这是一些在首次发布消息前早该进行的试
验。化学组的扎雷教授正在分析样本、希望借以证明岩石中的
PAHs来自火星,而非地球上的污染所致。看起来这确实是最有
说服力的方法,只是成功实施的困难极大。

  该研究小组的下一个目标是找到氨基酸,或找到他们宣称
在这块岩石上发现的细胞的内部结构。氨基酸是生命的基本构
件,所有生命中都有这种物质、它们形成更大的分子群——蛋
白质,并在脱氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA)等生物
化学物质的形成过程中起着重要作用,这些都是生命物质的标
记(关于这些化合物之间的相互关系请参见下一章)。问题在
于麦凯他们所发现的细胞状物体如此微小,以至于从中发现其
内部结构或成分已非当今光学技术力所能及。看来要证实其发
现的最佳途径就是发明更先进的观测仪器来一探这些微小结构
的究竟。

  支持国家航天局结论的另一条途径是在更多的火星陨石上
发现微生物化石。截至本书撰写之时,只有一个英国研究小组
有一些模棱两可的发现。具有讽刺意味的是,他们首先考虑到
艾伦山84001中的微生物, 却被美国人的声明抢尽风头。

  1994年向全世界各地的研究人员发送陨石艾伦山84001 的
小样品时, 有一份正是送到开放大学皮林格教授的办公桌上
(就是那位1998年时驳斥对这块南极陨石来源置疑的教授)。
他与一对现在伦敦自然博物馆任职的夫妻搭挡赖特(Ian Wright)
博士和格雷迪博士一起对样品进行了分析。他们什么也没有发
现。但是他们与火星陨石的缘份还未就此结束。

  在美国的小组开始研究艾伦山84001之前5年,赖特和格雷
迪一直在分析另一块类似的陨石。这块代号为EETA79001的石
头是1979年在南极发现的,这时距艾伦山84001的出现尚有5年。

  在认真分析了EETA79001之后,这个英国研究小组在具有
相当影响的科学期刊《自然》上公布了他们的发现。他们的结
论是,这块陨石的有机物质浓度相当高,其中有包括与后来在
艾伦山84001化石四周发现的碳酸盐相似的分子。岩石内部PAHs
的含量明显比外表高。但关健的是,他们考虑到陨石受地球物
质污染的因素而不能断定这是不是火星生命的化石。

  他们的另一个疑惑是EETA79001要比艾伦山84001年轻许多。
按他们的估计只有1.8亿年(大约是艾伦山84001年龄的1/20),
而且是最近60万年才脱离火星的(大约是直立人漫游非洲平原
的时候)。

  这一截然不同的时间框架意味着:如果他们真的发现了火
星上的生物化石,那么,大约在60万年到1.8亿年以前火星上
是有生命的。大多数科学家都鉴于现代火星的环境如此恶劣而
认为几乎不存在这种可能。由于这些疑惑,皮林格及其同事在
《自然》杂志上发表的论文中低调他说,这一发现具有“显而
易见的内涵”。

  当全世界在国家航天局的发现面前觉醒的时候,皮林格等
人也为之激动,公开了他们的研究并进行了一些补充。现在,
国家航天局也承认皮林格等人作出了“非常重要的贡献”。国
家航天局的一位研究人员说:“我们今天之所以完成了对艾伦
山84001的许多研究, 在很大程度上是受这些英国人及其他人
早先对火星陨石的研究的鼓舞。”。[8]

 公正他说来,英国人的发现并没有美国科学家对艾伦山84001
的研究那样具有决定意义。不过,看来英国人的保守确实使开
放大学和英国自然博物馆的研究者们失去了发现可能是本世纪
(如果不是空前绝后的)最重要发现的机会。

  那么,我们从这些或支持或反对的声明中,从那些或证实
或反驳艾伦山84001含有原始化石的证据中能得到什么结论呢?
似乎各派评论家和科学家的不同呼声中只有一点是肯定的:在
我们能确认南极艾伦山这块火星陨石的不同寻常之处确实来自
另一个世界的生物化石之前,我们还有太多太多的研究工作要
做。

  上面已经提过, 目前的证据开始越来越倾向艾伦山84001
上的生物是地球微生物这一说法。但对于冷静客观的观察者来
说,在该陨石上发现的那些化石的不寻常的性质仍然是一个难
解的神秘疑团。

  显然,几乎所有听说这个发现的人,更不用说那些对结果
(无论出于什么动机)抱有极大兴趣的人了,都希望该陨石碎
片中那些长形、圆形的印记会是某种生命的残余。当然,即使
有一天找到确凿的证据证明陨石艾伦山84001起源于地球, 这
也不能解释英国人对EETA79001做出的发现,也不能否决火星
上也许曾经存在过生命的想法。

  有趣的是,自从这次的发现后,出版商希尔(William Hill)
已将在火星上发现智慧生命的赌注赔率从500比1缩小到了25比
1。 当然,希望不等于事实。威廉·斯考夫说得好:非凡的结
论需要不同寻常的证据。


__________
①辟尔唐人:这是科学史上最著名的骗局之一。“辟尔唐人”学
名Eoanthropus dawsoni,是1912年在英国辟尔唐发现的”人类头
骨”,1953年被证实是蓄意伪造人与猿之间失落的一环。
 楼主| 发表于 2005-7-6 11:28 | 显示全部楼层
   第二章  什么是生命?


    “谁说我们不会是火星人?”
                ——理查德·扎雷


  什么是生命?乍一看,答案似乎很显然,但事实上要完整
而合乎逻辑地回答这一问题却相当困难。

  如果说生命就是能够成长,能够运动的东西,恐怕并不贴
切。毕竟。晶体也能够成长——它能产生规则的结构,复制出
与细胞形态极为相似的单元。毫无生命的水或其他液体能够流
动,或者说运动,这显然不足以用来定义生命。

  也许稍加思索后,你会说:所有的生命都消耗能量。然而,
从除草机到计算机,从汽车到宇宙飞船,所有这些机器也都消
耗能量。比较确切的定义或许是:生命拥有控制能量的能力。
不过一些高级的机器,特别是近几年来运用模糊逻辑设计的某
些先进的机器也具有这样的能力。

  我们通过一个有趣的例子来看看要对“生命”下定义是何
等的困难。请想象一下,如果外星观察者们发现了因特网,假
如他们还没有注意到使用网络的是人类,他们会做出什么样的
判断呢?控制论专家沃里克(Kevin Warwick)描述了外星种族
面对因特网时会提出的一系列问题:

    以下7条关于生命的测试中,它真正能通过的有几
  条呢?

    它成长吗?当然:事实上在过去几年中,这种网络
  成长的速度相当惊人。它具有行动能力吗?绝对有:例
  如网络中的那些开关路由。对外界有没有反应呢?对外
  界刺激的响应原本就是网络的基本职责。需要营养吗?
  确实需要:信息(一种或另一种形式的能量)不断输入
  网络中。具有排泄功能吗?有啊:信息最终是要送出网
  络的。是否呼吸呢?这稍微有些难理解,不过如果考虑
  一下电脉冲在网络中的传播,这也是正确的。最后是繁
  殖,这也是最难说明的一点。也许我们可以从最初的网
  络又在其他地方衍生出新的网络这样一个过程中作出推
  论。[1]

  另一种对于“生命”的理解是:只有生命处理和存储信息。
但这不就是计算机特有的用途吗?虽然关于将来是否可能利用
复杂的计算机来发展人工智能的争论十分激烈(我们将在第三
章里讨论),至少目前的计算机还不能被看成有生命的东西(
尽管它也处理信息)。那么,我们要如何来清楚明白地抓住要
点,把有生命的东西与无生命的物体区分开来呢?

  传统教科书上有这样一条定义:所有生命都呈现出3个“f”
的特性:攻击(fight)、移动(flight)和繁殖(frolic)。它也同
样使我们陷入逻辑上的麻烦。繁殖事实上是“复制”的委婉语,
而且是迅捷的“复制”,有如无机的晶体在溶液中生长。对于
生命,也许我们得出的最准确的说法是:所有的生命,从最简
单的细菌到人类,都进行复制并把它们的基因物质或遗传特征
传递给后代。这些物质在传递过程中经历变异。换句话说,它
们经历了自然选择的进化过程,而不是简单地产生与自身完全
相同的拷贝①。

  在萨根意外地辞世之前不久,他把生命定义为“任何具有
复制、变异和变异之复制能力的系统”。这意思是说,生命是
由具有下述特征的实体来表征的:这种实体通过自然选择的进
化机制,允许代与代之间产生变异,它能把自己的特征通过繁
殖而重组,使下一代的特征与自身并不完全一模一样。

  在下一章,我们会回到进化问题上进行详细的讨论,现在
则必须先对“生命”的定义进行更深入的分析(这与其说是科
学问题,不如说是语义问题更恰当)。在这里,一个尤为重要
的问题是:生命是如何在地球——一颗生机勃勃的行星上产生
的?

  为了探究这个问题,我们有必要了解一下在诸如“生命如
何在早期地球上产生?在宇宙历史的不同时期这样的过程在其
他地方又会如何发生?”之类的疑问背后的几个基本概念。

  所有的物质都由原子组成。自然界总共有100 多种不同的
原子,有些是非常普遍的,如氧,氮,铁和铅等;也有一些有
着奇怪名字的不太常见的物质,如铷、锿和硒等。在关于生命
的讨论中,最重要的原子是碳。在许多方面,碳原子有着和其
他原子一样的特性:它很稳定,能与其他原子或其他碳原子产
生键,从而形成小到仅有几个原子,大到含有成百万个原子的
分子。但是,它也有一个与众不同的重要特性。只有碳原子能
够成为大分子(有机分子)甚至更大的聚合物(生化物质)的
中坚。已故作家、化学家莱维(Primo Levi)在他的一部著作中
这样描述碳原子的多样性以及它与生命之间密不可分的关系:

    我们的主角已经和3个氧原子、1个钙原子一起以
  石灰岩的形式静静地沉寂了数十亿年……十字镐的敲击
  将它分离下来,送入石灰窑,进入这变化的世界…它被
  风抓住,直落地面,又复飞上10千米的高空。一只鹰把
  它吸入体内……在海水中溶解了3次后……它又被排了
  出来……然后,它再次被捕获并由此开始了有机之旅…
  它幸运地从一片叶子上擦过并钻了进去,一缕阳光将它
  牢牢锁住……眨眼间就好像被蜘蛛捕获的昆虫一样,碳
  原子和氧原子分离了开来,最终和氢一同进入了生命的
  长链……它进入了血液,不断地迁徙。叩响每一个神经
  细胞的大门后进入其中,碳原子被排挤了出去。这个细
  胞是一个大脑的一部分。其实正是我的大脑……这个细
  胞和细胞中的原子在一个从未有人描述过的伟大而微小
  的运动中控制着我的书写。它……引导着我的手在纸上
  画上一点,对,就是这里,句子后面的这个标点。[2]

  碳具有可形成与其他原子相连的长链或环的几乎独一无二
的能力。我说“几乎”是因为还有其他一些原子也能形成类似
的链或环,但远不如由碳基产生的分子来得多样化。“硅”是
一个最接近的例子。它有些特征与碳颇为相似,但由于硅原子
之间的键比碳键要弱许多,所以它只能组成长度仅为5到6个
原子的稳定链。

  此外,硅也没有碳的另一种惊人的特殊属性。碳能和其他
碳原子或合适的原子组成多重键。这大大加强了它的多样性,
使之能形成大量不同类型的分子,其中有些分子相当大,含有
数百万个原子。相对而言,硅却不能与同类型原子组成多重键,
也很少能和其他原子以多键的形态存在。

  因此,尽管有些科幻作家在描写基于硅的生命形态方面做
了不少出色的尝试,但事实上这几乎是不可能的。原因非常简
单,以我们目前的化学知识来看,硅无法形成那么复杂的分子。
碳是这个宇宙中能形成生命砌块的独一无二的原子。

  也许你会想,这是不是过于盲目自信了呢?事实上,我根
本没有离开过地球,人类也仅仅到达过月球,对我们这个小小
太阳系中其他行星的探索也不过处在用简单机器探测的起步阶
段而已。究竟为什么我敢下此断言呢?

  这个问题的答案对于理解如何用科学的方法推测其他行星
上的生命至关重要。科学理论中极为基本的一条就是“普适性
原理”,它说明了宇宙的同一性——或者换一种说法,“这里
发生什么,那里也会发生”。举个例子,我们不可能莫名其妙
地错过了与碳相似的另一种原子,因为这样一种原子不可能填
进元素周期表——以某种精确的模式列出宇宙中所有不同元素
的精确位置与相互关系的分类方案②。

         图 2 碳基分子和硅基分子的比较

  元素周期表是一个世纪以前由俄国化学家门捷列夫(Dmitry
Ivanovich Mendeleyev)依据元素特性创制的。 他把各种元素按
它们的特性置入相互关联性的模式中——这个网格状的系统被
称为“族”和“周期”。随着原子量的变化,原子的大小也不
同,表中并没有给任何特异的元素(也许这样的元素只有在猎
户座里才会发现)留下“空位”。”此后几十年里,表格中的
空缺逐渐被填补了上去,科学家还扩展了表的长度,但他们始
终没有发现过应插入表的中部的未知元素③。

  这样迂回一番是为了要说明,只有碳原子才能形成“生命
分子”这样的大分子,例如,像DNA(脱氧核糖核酸)和RNA
(核糖核酸)这样巨大的分子结构,或者甚至较小一些的分子,
如组成前两者的核苷酸等)除此之外,还有蛋白质、酶及其他
维持细胞运作的生化物质。由于宇宙具有的同一性,这样的情
况在“这里”和“那里”都是一样的。

  那么这些生化物质又有什么用呢?它们究竟又有什么特别
之处呢?

  这些生化物质有着极为广泛的功能,从提供所有生物的每
个细胞运作所需的能量,到完成生命不可或缺的部分——繁殖。
在经历了漫长的进化过程以后,数以千计的这类生化物质均能
以惊人的高效完成各自特定的任务。其中最复杂的任务可能是
由一组特定的大型生化物质通过一系列精密的步骤将遗传信息
从上一代传至下一代。

  正如我在本章开头所说的那样,具有复制能力、能在复制
过程中将遗传信息(它还具有变异能力)传递给后代,也许是
我们定义生命的最清晰的方式。在这个过程中需要许多大型有
机分子和生化物质。基于这一原因,很难想象某种生命形式,
特别是某种高级的智慧生命,能以碳元素以外的任何其他元素
为其化学构架的基础④。

  好了,既然我们已经明确“生命”的核心在于一代代地复
制和变异,认识到那些生化物质在这一机制中起到了关键作用。
那么,它们又是如何具体参与其事的呢?

  其实很简单:所有的生物都是通过印在每个细胞中的遗传
蓝图将特征信息传给下一代的。每个个体的模板全都不尽相同。
正是它区分了猴子和青蛙,区分了斯瓦辛格(Arnold Schwarzenegger)
和布莱尔(Tony Blair)。这种蓝图被称为遗传密码,它由一系
列微小的基因组成,而这些基因又由一种非常大的生化物质——
DNA(脱氧核糖核酸)的片段组成。

  遗传学的历史由来已久。19世纪中期,奥地利修道士孟德
尔(Gregor Mendel)认识到代与代之间是通过他称为 “离散因
子”的东西——今天我们称之为基因——而遗传其特征的。他
发现每个个体从上一代那里继承两套完整的基因,分别来自父
母双方,在生物学上叫做“等位基因”。它们在复制过程中并
不发生任何变化,原封不动地从上一代传到下一代。使每个个
体不同的真正原因在于:每一个后代都从双亲两方各自的等位
基因中取一条,也就是说选中任一条的概率为50%,这样一来
就会产生4种组合,任何一种组合出现的概率为25%。 这种基
因的重组产生了多种多样的特征结果,如:肤色、体型、对疾
病的抵抗力,甚至酗酒的倾向性。

  尽管孟德尔有了遗传物质的概念,但他并不清楚这个过程
在化学上是如何实现的。在孟德尔死后,大约过了70年,这个
谜终于被解开了。 在剑桥工作的沃森(James Watson)和克里
克(Francis Crick)发现基因由两股复杂的分子组成,这就是现
已广为人知的DNA双螺旋。

  现已发现所有生物的每一个细胞中全都含有DNA。虽然它
是非常大的有机分子,但令人惊奇的是,构成DNA的基本化学
单位只有4种。它们分别是:A(腺嘌呤,adenine)、T(胸腺
嘧啶,thymine)、G(鸟嘌呤,guanine)、C(胞嘧啶,cytosine)。
它们数以亿计地散处于DNA分子结构中。这4种物质中的3种便
可以构成一个特定的代码或“词”, 这些由“3个字母”组成
的代码使单个的氨基酸能够按照指定的顺序组合成蛋白质。蛋
白质不单单是组成人体器官的必要物质,所有的生命都要依靠
蛋白质来提供自身所需的复杂化学物质。

  使这一过程形象化的最佳办法,莫过于将一个细胞想象成
一大套百科全书。每一册书就是细胞中的一条染色体。人类的
每个细胞中都含有23对染色体,它们由极长并紧密盘绕的DNA
构成。人类身上的这套“百科全书”共有46册,每一册都有数
十亿的词汇量。

  就像大百科全书的每一册都讨论大量不同的问题一样,每
一条染色体都控制着生物种种不同的物理特征。打个比方说,
眼睛的颜色就好比是“文艺复兴时期的经济理论”;毛发的类
型就是“第一次世界大战时期伦敦的双层公交车”,身高相当
于“鸭嘴兽的交配习性”。这本百科全书中的每一个条目就是
单个的基因。当然,每个条目都是由段落、单词和字母组成的。
依据我们的类比,段落就是基因中大段的DNA,而单词是DNA
中由3个“字母”组成的“词”(它为氨基酸编码), 其中的
字母就是基本单元:A、T、C和G。

     图 3  遗传密码与单词、书和图书馆的类比
 楼主| 发表于 2005-7-6 11:36 | 显示全部楼层
  除提供组成基因的必要物质外,通过在细胞中复制自身,
DNA同样也是生长过程中的重要媒介物。它就像是一块模板那
样产生自身新的拷贝。我们的这本“大百科全书”似乎可以无
限地复印和分送;你只要拆开它就能一份一份地复印出相同的
拷贝。但是正像复印一样,在这一过程中总有些小误差。这些
“小误差”被称为“变异”,它们可能是有益的,但也有可能
会产生不良后果。

  在克里克和沃森对DNA结构具有独创性和开拓性的发现之
后15年,科学家们对于“大百科”中的“单词”的形成有了充
分的认识。他们发现在A、T、C和G这4种基本物质中,每次只
要3种即可正确定位氨基酸以形成蛋白质。这样一来,用4个不
同的字母,我们就可以得到64个不同的单词(长度为3)。 举
例来说, “G-A-T”就决定了一种特定的氨基酸——“天冬氨
酸。

  然而,这并不是故事的全部。DNA并不是遗传机制中唯一
的生化物质。另一种同样重要的化合物叫做RNA(ribonucleic acid
的缩写,即核糖核酸)。它与DNA的关系相当近。让我们来再
看一看大百科全书和复印机之间的关系。大百科全书的书页通
过复印机复制。复印机扫描书页并用墨将书上的文字和图片在
另一张纸上重复展现出来。在生化反应中,将信息从原件传送
至复制件的正是RNA分子。这种特殊的分子可以被看成信息传
递者——它把DNA编码转送至细胞内另一种叫做“核糖体”(
类似于复印机中的实际复印部件)的生化“装置”中,由后者
来构造蛋白质。

  整个过程也可以看成工厂中的一条生产线。DNA将“引物
核苷酸”——一种体内已预先制备好的有机大分子——正确地
连接起来制造出更多的DNA和RNA。用我们的类比来看,引物
核苷酸就像是机器的许多小部件,这些部件可以在机械车间的
装配线上拼装在一起。要完成这项工作,DNA还必须使用酶。
酶是另一种有机分子(蛋白质),它能促成某些化学反应的进
行(加快反应的速度,也就是说,它们是生化催化剂)。RNA
将DNA的设计指令转送到核糖体,核糖体用较为简单一些的化
合物(氨基酸)来制造蛋白质。利用这些蛋白质又可以制造出
更多的DNA、RNA和其他大分子,同时另一部分蛋白质以酶的
形式共同参与到细胞乃至整个生命体的维持运作中(包括所有
以上这些过程)。

            图 4 DNA如何制造蛋白质

  这可是一条自给自足的生产线。大脑是公司的总裁,每个
细胞的细胞核就是一个生产车间,而这些大分子则是机器,所
有的机器和它们的产品是用同样的零件制造出来的。这一切的
一切都由我们吃的食物来提供能量。车间由我们呼吸的空气来
通风,所有的过程都在水(或一种似水的溶液)中完成⑤。

  整个过程相当清晰。它展现了生命维持自身运作的机理。
但是,在这个生命循环的生化过程中是否有些问题呢?想一下
生命的基本要素:生命的定义是能够复制并将变异的信息一代
代传下去或通过自然选择而进化的实体。进化是通过复制过程
中的遗传变异来实现的。遗传密码由DNA携带,DNA是在细胞
内利用RNA生产蛋白质的某种生化过程中产生的。不过,我们
陷入了一个左右为难的困境,如果说进化对“生命”乃是必不
可少的,而这个过程本身又要求一系列相当复杂的变化,那么
生命最初是如何产生的呢?从另一个角度来看,所有能够进化
的实体(按我们的定义就是“活的”)都要具有足够复杂的结
构来运作自身的遗传机制,从而实现进化过程——即便最简单
的细菌也是如此(这就是为什么细菌被认为是有生命的原因)。
但一种实体在没有进化的情况下又是如何变得如此复杂的呢?
它究竟是怎么开始攀上这进化之梯的呢?这是出名的“先有鸡
还是先有蛋”之类令人进退维谷的难题。幸运的是,这个看来
无法解答的谜却是有答案的。

  直至17世纪,所有关于生命起源的思想都深深扎根于宗教
而不是自然哲学(现代科学的先驱)的基础上。神被视为所有
生命的缔造者;人类是由神通过一种无法(或是不该)了解的
神圣方法创造出来的。随着时光的推移,先后出现了一些试图
解释其中奥秘的理论。

  “自然发生论”是最早的理论之一。从很久以前,人们就
注意到一些有机物,特别是像奶酪和面包这样的食物,表面常
常会无缘无故地长出生命来。例如,一块放置了几天的奶酪上
会长出霉茵来。同样的现象也会发生在面包和熟透了的水果上。
由此就引出了生命会“自然”产生的想法。

  一直到1860年,这种想法的势头才得以遏制。巴斯德(Louis
Pasteur)证明如果将这些东西装入密封容器中, 它们并不会长
出真菌或其他可见的薄膜。即使面对这样的事实,那些“自然
发生论”的支持者们仍辩称,巴斯德只是证明了面包或奶酪上
自然产生的生命由于缺少空气而窒息并停止生长罢了。巴斯德
于是又接着说明真菌或细菌的生长是由于空气中不可见的孢子
或微生物引起的。有机物表面出现的那种生命形式正是细菌或
真菌的菌落生长到了肉眼可以观察到的地步,而空气、合适的
湿度和可靠的食物来源也都是促成这一切发生的必要条件。

  几乎就在巴斯德的研究成果发表之际,自然发生论的丧钟
敲响了——达尔文(Charles Darwin)和华菜士(Alfred Russel
Wallace)几乎同时创建了自然选择的进化理论。在他的革命性
著作《物种起源》中,达尔文证明了生物是如何在一个漫长的
时期中,从简单进化到复杂,而且尽管奶酪上的生物非常简单,
它们决不是随意突然地产生的。鉴于当时的宗教敏感性,达尔
文在《物种起源》中并没有推测生命在地球上产生而不必借助
神的力量。他在书中写道:“造物主”呼出了“一种或几种生
命”。然而,当私下里与他的朋友和同事胡克尔(Joseph Hooker)
通信时,达尔文表达了自己真实的想法——生命从化学中产生:
“从充满了氨、硫酸盐、光、热、电等等所有这一切的某些温
暖的小池塘中诞生。”

  自然哲学家试图依据早期的实验以自然发生论来诠释地球
乃至其他星球的生命起源。但是,所有的生命都必须经历进化
过程,从定义上来说都要在自然选择法则的支配下运作——它
们要卷入代代相传的遗传变异,并且必须变得复杂到能够参与
这种过程。虽然我们面临着“先有鸡还是先有蛋?”的问题,
自然发生论却不是这个问题的答案,它只是一条死胡同。

  有一种避开了这一起源问题的理论叫做“胚种说”。它主
要由瑞典化学家阿雷尼乌斯(Svante August Arrhenius) 之倡导
而在19世纪大为流行。阿雷尼乌斯认为生命是从外层空间以孢
子的形式传到地球上的,他的这种理论得到当时多位著名科学
家的支持,其中包括杰出的物理学家亥姆霍兹(Hermann von Helmholtz)
和开尔文勋爵(Lord Kelvin)。从详细的模型中可以看到, 胚
种说提出“生命的种子”从一颗行星传至另一颗行星,当某颗
行星演化到适宜于生命时,生命就会开始出现。

  根据胚种说支持者的说法,地球上的生命是在大约35亿至
40亿年前,生命种子或孢子来到地球以后开始出现的。当时地
球上已经形成了适合这些“种子”生长和进化的大气层和地面
环境。

  迄今为止,这种理论仍相当有争议。现代胚种说的积极支
持者霍伊尔(Fred Hoyle) 和维克拉马辛在过去几十年内一直
不懈地进行着论证,而且事实上也没有任何科学推理可以证明
这是不可能的。 即便艾伦山84001是第一块被发现含有生物化
石的火星岩石,它无论如何也决不是唯一含有有机物质的陨石。
我们已经从坠落在地球上的岩石中发现过大量不同的复杂有机
分子。这些岩石中有一部分是从太阳系外历经数千万年来到这
里的。就像彗星一样,从其他恒星的行星系统中诞生(虽然不
常如此),并踏上漫漫旅程前来此地⑥。
 楼主| 发表于 2005-7-6 11:36 | 显示全部楼层
  胚种说的一个疑点在于:细菌作为最简单的生命,经受不
住宇宙中以百万年计的漫长旅行。不过,新的证据却使持此疑
问的反对者失去了优势。

  近几年的研究表明,细菌可以在地球上一些环境非常恶劣
的地方生存。10年前,科学家在活火山口附近发现了细菌的生
长。类似的情况也出现在其他地方。在热泉和南北两极的荒漠
地带也都有能够忍受极端温度的细菌的影踪。更有甚者,在核
反应堆通风口处也有生命在繁茂生长。不过,这些比起1996年
的一项发现来说却又算不了什么了。一群科学家在美国东海岸
的海床上钻了一个深洞后惊奇地发现,在水下11 000英尺(约
3350米)的沉积物下面2500尺(约760米) 的地方也有细菌存
在。

  很难想象科学家们当时震惊的样子。几乎所有地面上的生
物都不能承受海平面以下13 000英尺(约4000米)处的环境。
那里的温度大约是170℃,而且压力约是地面上的400倍。虽然
这与星际空间中几乎毫无大气压力、并且处在绝对零度(-273
℃或0K)边缘的环境不完全相同,但这无疑同样是很严酷的
条件。没有理由说,能够在地表以下13 000英尺(约4000米)
处的恶劣条件下生存的细菌,如果在一颗彗星或流星体的中心
部分静静地处于休眠状态的话,就一定不能忍受太空中的环境。

  然而,完全没有必要在“是否可能”这上点上大费周章。
在前面的章节里我已说过,DNA和RNA是由一种叫做“引物核
苷酸”的大型有机分子或生化物质产生的,“引物核苷酸”镶
嵌在一起形成更坚实的单元,它们制造出DNA和RNA的组成部
分。有些人认为这种较为简单的“生命前”单元(作为生命前
驱的大型有机分子,但其自身并不是“活的”)可以承受星际
之旅)将生命之种传播到地球上。

  这次生命之旅的出发点可能是我们这个太阳系中的某处——
也许是火星,假如那里确实先于地球有过生命。要不然,它也
可能是从许多光年以外比我们太阳系先有生命的另一个行星系
统出发,长途跋涉才来到这里。

  尽管恒星之间相距遥远,封闭在彗星或流星体中的有机物
质往往要在太空中漂泊数百万年,但是生命通过这种方式传播
到地球的可能性依然存在。最近的估计表明宇宙的年龄大约是
150亿年,而地球上最早出现生命的时间是35亿~40亿年前。
可见, 从大爆炸到地球上首次出现生命之间至少有100亿年的
时间。很有可能在银河系或其他星系中有某个行星系统比我们
的太阳系形成和冷却得稍早一些,如果生命在那里开始进化,
哪怕只比这里早了1%,也会给生命之种数千万年的时间飞抵地
球。

  20世纪70年代,一群加拿大和英国科学家在胚种说的基础
上提出了一种更精致的思想,称为“生命云”理论。这种理论
展示了星际尘埃云中含有的有机化学成分如何反应生成核糖体
和蛋白质。按照这种理论,当行星穿越这样的云时,生命之种
的传播就完成了,一旦行星上的环境变得适宜,生命就开始繁
盛起来。他们认为地球很有可能在35亿~40亿年前曾穿越过这
样的星云。

  基于“胚种说”的种种可能的理论都非常有趣,也没有什
么科学依据可以完全否定地球生命源于某个遥远世界的假设,
但是它同样无法解开生命的起源之谜。这些理论就像移动球门
柱一样,将问题的重心转移了一下而已。就算“胚种说”是正
确的,它确实解释了地球生命的起源,但老问题仍未解决:生
命究竟是怎样在它第一次出现的地方产生的呢?

  不管某一天“胚种说”会被证实为对或错,如果我们要认
真地探究生命起源的话,就应该先把它放在一边。取而代之的
是,让我们暂且假设地球上的生命不是来自其他地方,而是在
当时的环境条件下,通过某种途径自行产生的。那么,它会是
如何产生的呢?

  1936年,俄国生物学家奥巴林(Aleksandr Ivanovich)在《
生命的起源》一书中首次尝试描述含简单化合物的溶液如何通
过一系列生物化学反应形成非常复杂的分子结构。在那本书中,
奥巴林提出原始的生物有可能是从已有的有机物中产生的,而
那些有机物又是由更为简单的化合物自然形成的。这样,他真
正开始将达尔文的进化论放入前生命系统之中。尽管奥巴林可
以在实验室中用精密的实验来证实他的构想,但不足为奇,他
在当时受到了全体宗教思想家和科学家的怀疑。不过,他的理
论得到了英国大生物学家霍尔丹(John Haldane)的支持。霍尔
丹是第一位提出在原始海洋中发现的某些有机化合物或许能合
成某种可自我复制的物质形式的科学家。他认为富氢的大气环
境会大有帮助,这一系列条件称为“还原性大气”⑥。

  20世纪40年代和50年代中,认为生命起源于大气中含氢的
原始地球的想法相当盛行,并且由于1953年两位美国化学家米
勒(Stanley Lloyd Miller)和尤里(Harold Clayton Urey) 进行的
有些传奇色彩的实验而得到了长足的发展。

  1953年4月, 全世界都为克里克和沃森所揭示的DNA分子
“双螺旋”结构所震惊。一时间,关于生命的话题以及如何利
用科学技术手段来揭开遗传和进化之谜的各种讨论成为新闻的
焦点。在这样的环境下,一个月之后,也就是1953年5月, 米
勒和尤里公布了他们的革命性发现。

  按照试验计划,米勒和尤里决定要验证一下奥巴林和霍尔
丹的理论。他们在实验室中做了一个假想生命出现时地球环境
的模拟实验。首先将氢、水、甲烷和氨混合成某种气体(为了
和史前地球大气的成分相吻合),然后模拟闪电,让这些混合
物经受一星期的放电反应。

  一周之后,他们得到了令人吃惊的结果。在烧瓶底部的红
褐色沉淀物中发现了大量的有机化合物。其中包括多种有机酸
(脂肪酸和羟基酸)和尿素,此外还有一系列与糖的结构相似
的化合物。进一步的研究表明,这种方法可以产生大量生命必
需的分子。

  有了第一次的成功之后,这两位科学家又在先前那种混合
气体中加入火山气体中含有的一种简单分子——氰化氢(HCN)。
这样,他们最重要的发现诞生了。在沉淀物中出现了氨基酸,
它在生物化学反应中起着重要的作用,是生命起源绝对不可缺
少的成分。

            图 5 米勒和尤里的实验

  自然界中有20种不同的氨基酸,它们能以多种多样的方式
形成蛋自质,其中也包括参与形成(组成DNA和RNA的)核苷
酸的酶。简单他说,氨基酸是生命的基本砌块,是一种在细胞
所有活动中都据关键地位的分子。米勒和尤里在烧瓶中总共发
现了不下8种的氨基酸。

  他们得出的结论是,形成生命的各种分子完全有可能是在
地球大气中孕育而成的。最近,米勒更是声称形成足够复杂的
结构并产生活细胞的过程大约只要1万年。米勒不顾那些宣称
地球生命是宇宙中唯一生命的反对言论,而根据自己的实验结
果非常肯定地认为,如果有适宜的环境条件以及恰当的化学混
合物,任何一颗行星上就都可以产生生命。

  8年后,米勒和尤里的研究结果得到了进一步的支持。1961
年,在休斯顿大学工作的生物化学家奥罗(Juan Oro) 尝试用
更简单的化合物形成氨基酸。他只采用了米勒和尤里当时用的
混合物中的两种成分——氰化氢和氨。结果令他惊奇的是,产
生物中除了大量不同的氨基酸外,还有许多腺嘌呤(DNA和RNA
的4种基本组成成分之一)。 腺嘌呤同时还是在所有生物的所
有细胞活动中提供能量的主要分子腺苷三磷酸(ATP)的组成
部分。

  但是,米勒-尤里模型以及所有相关的后续尝试都存在着
一个缺陷。这种缺陷近来更是引起了对基于这些实验的地球生
命起源解释的怀疑。在实验时有一个默认的假设,即早期地球
大气中含有高浓度的氢和低浓度的氧。现在看来,这种假设是
完全错误的。

  早期地球大气中非但没有米勒-尤里实验(采用富氢混合
物)中所有的分子种类,而且地球大气似乎也从未如此稀薄过。
我们并不能因此就说尤里和其他一些人所描述的机制不可能发
生,不过,它的确给这种早期地球上产生氨基酸的理论敲了警
钟。

  此外,许多陨石中都含有大量与实验结果相同的氨基酸。
这使许多评论家更加相信,这些生命之砖在大约40亿年前来到
地球,并逐渐演变发展到今天的地步。

  就像我先前说过的那样,不论哪种过程是正确的,我们的
问题仍未解开。简单的氨基酸究竟是如何发展成为生物学物质
或简单的生命物质,并进而形成一个自我维持的生态系统——
共同生活在地球上的各种各样的生物呢?其中的难点并不完全
在于氨基酸如何一步步地形成蛋白质,最后产生像RNA那样的
大分子(当然这个转变过程也不应该被忽略);真正的难解之
处在于“无生命的”或前生命的分子(如RNA)是如何发展到
一个具有进化能力的系统(如细菌)的。事实上,这才是吸引
众多生物化学家和进化生物学家的科学前沿,他们希望彻底揭
开生命在地球或其他地方进化发展的奥秘。

  目前有两种试图解释从前生命系统到生物学系统之转变如
何发生的理论。第一种叫做“RNA世界假说”。这一假说是在
20世纪60年代后期,由生物化学家沃斯(Carl Woese)、 克里
克和奥格尔(Leslie Orgel)首次提出的。 他们和当时的其他研
究者一样,都注意到了这一转变中一个基本的佯谬——制造DNA
和RNA要有蛋白质,而只有DNA和RNA中具有正确的核苷酸序
列才能制造出蛋白质。面对这样的情况,我们要么假设蛋白质
和DNA、RNA在早期地球上是同时产生的,要么找出一种理论
来解释如果两者之中先出现某一种的话,会如何导致生命创生。
发表于 2005-8-13 19:33 | 显示全部楼层
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