为什么说细胞是地球上最基本的生命系ǻ
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发布时间：2024-09-15 09:11
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时间：2024-10-05 12:09
地球，大约在四十六亿年前形成。过去二、三十年来，对于地球上生命起源的说法，一直在变，刚开始只是小幅度的改变，现在却有较大胆的狂野想法。
过去的主流想法以“化学演化”来说明地球生命的起源。早期认为，地球生命开始于小分子、大分子到聚合物；从组成细胞、复制遗传基因至细胞繁殖，生命就开始了。但此场景究竟发生在什么时候？产生了什么样的细胞？其实仍有很大的争论。
其中一种想法是，生命可能来自于冰团。当海洋表面结成冰时，在冰晶缝隙里，有机小分子聚成了大分子，生命于是开始。另一种想法是，受到月亮牵引潮汐的影响，海水蒸发，浓缩有机分子，岩石表面催化小分子的聚合，生命就这样开始。最晚出现，大约一九七八年提出的想法认为，生命应从热锅开始：海底裂缝冒出的滚烫海水，最高超过摄氏300度，海水中夹杂很多特异的化学分子，这些化学成分和岩石作用后，不仅产生了海水里的重要成分，生命也有可能从那里开始。
生命迹象出现在各个角落
化学演化说在过去几年开始松动，大家不再那么信心满满。七年前的夏天，美国太空总署对外宣称，在一块火星陨石上发现生命迹象。原来，一位美国女科学家于一九八四年在南极冰层上捡到一块石头，经分析确定，它是来自火星的第 12 块被检验出来的陨石。见到石头上微小的形体，太空总署有了些想法，这些想法，其实在过去 20 年里已有许多生物学家提出。
究竟是什么呢？在北投、在黄石公园、在一些可以把蛋煮熟的热泉里，竟然住着能行光合作用的细菌，它们不只耐热还嗜热。此外，若向地下钻个三千公尺，那里见不到阳光，得不到有机物滋养，却也住了很多细菌，它们吃、睡、繁殖都在那儿，是一群会利用自然界化学分子与氧化还原反应取得能量的细菌。
另有些细菌，在琥珀里睡了二千万年后还能被叫醒。这样的场景，在地球上很多地方都找得到。例如美国加州大学洛杉矶分校沈育培教授，她在中国东北的黑土底下找到许多古莲子，用碳-14 定年后发现，这些莲子是依照唐、宋、元、明、清的顺序躺在地下，其中最老的一颗，经鉴定已有 1,288 年历史。若拿锉刀锉皮，让莲子吸水，再放入水里三天，它不但萌芽，还能长出新的莲苗来。
所以说，不只是细菌的生命坚毅，其他生物的生命也很坚毅。如果在高压、高热、高酸等极恶劣环境下生命仍可以存活，那么，有什么理由认为，这些生命不可以在星际间旅行呢？有什么理由认为，它们不可以从一个星球散布到另外一个星球呢？
生命始于三十九亿年前
这些坚毅的生命是从什么时候开始的？科学界的说法不停地在修正，最近一次的说法是三十九亿年前，那时候，天外流星仍不停地、猛烈地轰炸地球，在那扰攘不安的时代，生命已经开始。这个依据来自一些有机碳化合物的分子。
在寒冷的格陵兰岛上，某些磷酸钙小砂砾里包含着一些黑色的有机物质。虽然有机物质可以从自然界产生，也可以由生物合成，但是，分析当中的碳-12、碳-13比例后可知，这些黑色物质是由生物合成的。因为，只有生命可以扰动碳-12、碳-13 的比例。若这个定义正确，那么，在三十九亿年前磷酸钙形成的时候，那些小砂砾已经包住了细菌的分子。如果生命曾出现在三十九亿年前，也有可能不只出现一次。地球上的生命曾遭遇多次浩劫，人类则是灾难幸存者的后代。
共生——演化中的重要策略
想要为生命痕迹寻找证据吗？叠层石（stromatolite)是个好帮手。因为，叠层石是一种活石头，在它的表面，有一群活着的细菌在那儿行光合作用。这些细菌，每天晒太阳、分泌胶质、将水里的矿物质胶结住，也主动地把这些矿物质沉积下来。而石头本身，就这么一丁点一丁点地，一层层往上长。可以说，那些制造叠层石的生物，改变了地球空气的组成，也决定了生命演化的方向。
地球就像其他行星一样，在刚形成的时候没什么氧气，只因氧是行光合作用的副产品，当氧气随着行光合作用的生物滋长且快速地增加以后，所做的第一件事，就是把地球给锈了。铁，是地球上的第四大元素，在还原状态时可溶于水，氧化后即沉积为铁矿；现今炼钢厂里的铁矿，大都是二十五亿年前沉积的氧化铁。没错，就在二十五亿年前，叠层石生物产生的氧，把地球上的铁都锈光了，之后，氧气在大气中开始侵害生命。
我们的祖先细胞因此面临抉择：灭绝，或是搬到没有氧气的地方居住。不过，聪明的祖先细胞选择了“与细菌共生方式”存活下来。在此之前，细胞内没有细胞核，所有化学反应都混在细胞质里进行。当祖先细胞吞进原本生活、又能利用氧气的细菌后，开始发展“将不同反应放在不同细胞器官进行”的能力，既解决氧气毒害问题，又强化了代谢协调的效率。细菌进入祖先细胞后，就再也无法和我们分开了，这是共生现象(symbiosis)，是生命演化过程中非常重要的策略。
圆滚滚的动物胚胎
大约六亿年到八亿年前，至少有两次，或者四、五次，地球冻成了冰球，每次冻结，就冻个千把万年。地表上所有的水几乎都成了冰，对生命而言，真是严苛的考验，许多生命因此灭绝。
这现象一直维持到五亿八千万年前，地球回暖，贵州附近变成温暖的浅海。历经两、三亿年后，贵州又逐渐变成陆地。四千万年前，印度板块与欧亚板块碰撞、挤压，拱起了青康藏高原，也隆起了云贵高原，于是，累积在贵州的三、四千公尺的岩石，开始面对几千万年的风化侵蚀，到最后，终于土崩瓦解，露出藏在五亿八千万年前那些温暖浅海里的生物纪录。
在贵州县有个五亿八千万年前的地层，里面发现许多比小米还小的颗粒状构造，圆滚滚的外形，大大小小有好多种。把它们拿出来用放大镜看，就能看到上头的裂缝，一个裂成二个、四个、八个、十六个……，到底是什么呢？动物的卵和胚胎！放在电子显微镜下观察时，可清晰见到每一个细胞的构造；磨成薄片后，还可见到细胞与细胞间的界线，而且，每一个细胞核都在，连蛋黄构造都保存着。
到底是什么动物能在远古的岁月里生下这么多蛋呢？刚开始时，研究人员把石头磨成薄片，或从里面挑出胚胎，然后一个个去辨认；有时候敲开它们，看看内部构造。但对如此精美难得的化石，任何破坏都是一种罪恶，看来，要分析石头里的结构，非得研发更先进的技术不可。
非破坏性分析研究
正巧新竹清华大学隔壁是国家同步辐射研究中心，如果把粒子加很高能量后，可导出平行、高解析度的X光，这就可以为化石拍照，希望能显现化石内部的细微立体构造。后来发现这个办法真不错，于是寻访世界各国的同步辐射中心，看谁可以把这项技术做得更好。
如今这种非破坏性分析的X光显微术研究，已在美国、韩国、瑞士、等的同步加速器中进行。这些研究隐含着一个迷人的期待：十年以后，美国太空船从火星上带回石头，应该只有少数人有机会参与研究，到时候，谁有本事以非破坏性分析技术来看火星岩石里面最细微的构造，谁就有机会争取研究的优先权。
四月天的海底下热闹极了
从化石层一块拳头大的石块里，就可以找到上万个动物胚胎，地球上还有这样的场景吗？其实在我们身边就有。每年四月，月圆过后的第二天晚上，垦丁海底下的珊瑚都会集体产卵，无数的美丽卵泡，瞬间密布海水；不只珊瑚，很多无脊椎动物都在产卵，蚌壳把大量的精卵送出来，海胆、海星都在做这件事，四月天的夜晚，海里头热闹极了！
同样场景，也可能出现在五亿八千万年前的，四月天，月圆后第二个晚上，海洋中的无脊椎动物正大量地释放精卵。但灾难突然来到，发育中的大量胚胎，很快地被杀死，再冲到附近一个有大量磷酸与钙的海域，这些物质，又很快地把胚胎化成不朽的石头。
地质学家习惯把地球的历史切成两段，一段称为前寒武纪，另一段的开端就是古生代的第一纪——寒武纪(Cambrian)。过去一百多年来，寒武纪的开端（五亿四千万年前）被认为是动物出现的时候，然而，出土大量动物胚胎化石的贵州地层，却比寒武纪的开始早了四千万年。显然地，在寒武纪之前，地球上早就出现了很多复杂的动物。
海口虫——演化中的重要生物
昆明东南 50 公里远的澄江县也有个特别地层。五亿两千万年前，那儿是一片温暖浅海，但不知怎么地，大约每隔一百年，附近就有个灾难。只要灾难一来，大量细致的粉沙，会快速地把住在浅海里的生物掩埋下来；在极短时间内，脱水、压扁，许多生物还来不及被细菌腐化，就被压成扁扁的化石，所有的构造细节都留在岩石上。那儿有很大一片区域布满了这种化石，这些化石总称为澄江生物群（Chengjiang Biota）。
在滇池旁有一个叫做海口的小镇，研究人员在一处不到四平方公尺的范围内，找到三百多条小虫子，取名海口虫（Haikouella）。它的肌肉已经分节，有消化道、尾巴、肛门与四对生殖腺，更重要的是，它有一个脊索动物的特征——软的弹性构造。
脊椎动物的特质是脊索，在当时，我们的祖先没有选择坚硬的盔甲，反而长出背部的脊索以便弹性地应付这个世界；又因为舍弃盔甲选择智慧，所以长出个大脑来。脊索与大脑，成为无脊椎动物与有脊椎动物的最大区别，而海口虫兼具这两种构造，它被认为是生物演化过程中一个非常重要的环节，也是无脊椎动物演化成脊椎动物的典型过渡代表。
连续火山爆发古生代结束
古生代（the Paleozoic era）有很多纪，每一纪的结束，代表一次灾难；每一次灾难，都是生物灭绝的时候。到了古生代末期，陆块逐渐聚集，海岸线消失，陆地变成沙漠。所以，地球变得很干，有些生物耐不住干旱而逐渐灭绝。
但是，有一件事澈底改变了这一切。大多数说法认为，现今的西伯利亚地方，在二亿五千万年前发生了连续的火山爆发，这个爆发大到无以描述，在二百五十万平方公里的面积上，累积了四公里厚的岩浆，如果将它摊平到全世界，大概可以摊到七公尺厚。岩浆喷了多久？没人知道，但必定喷出大量火山灰，遮天蔽日；喷出很多氧化硫，折射阳光，使地球冷却；喷出大量毒气；喷上天的氧化硫，遇水变成硫酸，落到地下变成酸雨。可以想像，那是场大浩劫！
结果，陆地上几乎所有生物都死了，陆地上的大型动物超过三分之二消失；海洋里，活下来的生物不到 5％；灾难后的地层里，不再有卷柏、木贼的孢子，取而代之的是腐化这个世界的真菌孢子。你能想像那个悲惨岁月吗？满地毛茸茸的真菌，正快速地腐化死亡的生物遗体。然而，危机也是转机，又有很多新生物开始出现，古生代结束，中生代（the Mesozoic era）开始！
虫鸣鸟叫恐龙是主角
中生代有些什么呢？爬行生物飞上天，变成翼手龙；入了海，变成鱼龙。最后，大到无以伦比，长度可到六、七十公尺，走起路来地都震了的恐龙变成主角。而中国东北的辽西地区，从那儿出土的带羽毛恐龙化石，震惊全世界，使得长达 150 年的“鸟的祖先可能是恐龙”的争论，暂时停火。
回溯一亿两千四百万年前，辽西地区是一片大森林，布满沼泽，花已经演化出来，虫鸣鸟叫，生机盎然。依照人们寻找化石的经验，天上飞的鸟通常不容易保存为化石，但在那儿，却有上百种、几万个鸟化石，有些精美的标本上，每根羽毛都在。当时在那儿必定经常发生火山爆发，每次爆发，就在地层里留下一层层火山灰，有些厚，有些薄，频率相当高。
稍微想像一下：火山爆发，火山灰，快速侵蚀那个生态世界，鸟、兽受到惊吓，争先恐后地逃出林子，拼命往水边跑。有些鸟，飞到一半，被后头的火山灰、毒气赶上，栽下来，掉到烂泥里，掉到火山灰里。火山灰的粉末极细致，渗入鸟翅膀的每个空间，鸟羽毛被完整地保存下来，细菌都还来不及分解，整只鸟就变成了化石。带羽毛恐龙化石，想必也是如此形成的。
自从一九九六年，第一只带羽毛恐龙化石被发现后，直到现在，这儿又陆续发现十几种带羽毛恐龙。但是，为何世界上其他地方未曾发现呢？除恐龙种类不同外，应是辽西地区特殊的地质条件和埋葬条件，使得羽毛能够清晰地保存下来。
植物开花生命共同演化
地球上有这么丰富的色彩，这么多种类的生物，能够造就这么多样性的世界，都要归功于植物开花。植物开花的目的不在吸引同伴，花蜜和花香是为动物制造的，一旦动物被吸引过来，就可帮忙传播花粉，传播种子。
昆虫，在植物身上留下了蛋，蛋孵出来变成毛虫，毛虫开始啃食叶子；植物不喜欢，为了活下去，就做出毒汁、长出刺；虫子要活下去，又演化新的能力，目的是要分解毒汁，闪躲刺。地球上生命的合作竞争，就这么反覆发生，这就是生物学上所说的共同演化（coevolution）。
在很短时间内，共同演化造就了三十万种以上的开花植物，和一百万种，甚至一千万种的昆虫。在什么时候，什么场景下，哪一种植物在地球上开出第一朵花，是演化生物学家很想知道的答案。只是，花如此脆弱，在植物生命里出现的时间这么短暂，又怎能变成化石呢？因此，找到最古老的开花化石，是科学家极度渴望的事。
一九九八年，中国科学院南京地质古生物研究所孙革等人发现了辽宁古果化石，相关文章在英国《自然》杂志发表，可惜化石上只有果子，没看到花；之后中国地质科学院地质研究所的季强和孙华，在辽西发现保存完整的中华古果化石，相关报导在二○○二年《自然》杂志上刊出。如今国际科学界已承认，古果化石是目前世界上已知最早的被子植物。
终于看到祖先的模样
人类属于“有胎盘哺乳动物”，对于有胎盘哺乳动物的研究，最近几年有惊人的发现。在辽宁凌源市义县一亿两千四百万年前的地层内，季强和美国卡内基自然史博物馆的罗哲西发现真兽类（有胎盘类）哺乳动物化石，并取名攀援始祖兽（Eomaia scansoria）。相关研究报告在二○○二年四月出刊的英国《自然》杂志发表。
在过去，生物学家没看过有胎盘哺乳动物祖先的模样，古生物学家也只能从岩层里筛出细碎的牙齿做研究。这次发现的攀援始祖兽化石，毛在、牙齿在、每根骨头都在；它的身长约八公分，体重约 25 公克，具有可以灵活攀援的肢骨特征，属哺乳纲（Mammalia）真兽类（Eutheria），是世界上已知的，有胎盘哺乳动物中最古老、最原始的物种。所有包括人类在内的现有胎盘哺乳动物，都是真兽类哺乳动物的后裔。
天崩地裂新生代来临
对于中生代的结束，最盛行的说法是：六千五百万年前，一块十公里大的石头，挟持着重量与速度，掉落在墨西哥海边，瞬间，海水蒸发！这个石块继续往下钻，碰撞到的岩石是碳酸钙和硫酸钙，碳酸钙产生二氧化碳，汽化了；硫酸钙产生二氧化硫，出去了。二氧化硫冲上了天，和水结合，变成酸雨落到地面；未结合的，就把阳光反射回去。石块再继续往下钻，更底下是矽酸岩组成的花岗石，花岗石熔化成岩浆，喷到天空，冷却后，变成黑色的黑曜石，在附近洒下一片玻璃雨……。
地球正在天崩地裂之际，海水则猛烈冲击着海岸，变成海啸，更在岸边掀起四千公尺高的滔天巨浪。今天的德州，仍可看到一道三百公里长的石墙，可能是当时随海啸冲过来的石头堆叠起来的。这样的撞击，或许又让位在地球另一边的印度发生地震，引发火山爆发。我们的地球，陷入了什么样的困境呢？有火山灰、毒气体、酸雨、没有光线、植物死亡、动物饿死、超过 80％ 的海洋与陆地生物灭绝、中生代结束！少量幸存的生物，重新开始迎接新生代（the Cenozoic era）的来临！
