從宇宙看地球和生命

生命是怎樣誕生和進(jìn)化的呢？地球外的宇宙存在嗎？對(duì)于這些問題，人類至今還不清楚。美國(guó)航空航天局主導(dǎo)開創(chuàng)了“宇宙生物學(xué)”學(xué)科，在一個(gè)廣闊的范圍內(nèi)對(duì)生命起源與進(jìn)化進(jìn)行研究。

什么是宇宙生物學(xué)

20世紀(jì)，有關(guān)宇宙或地球的起源等研究飛速推進(jìn)。距今約150億年前，宇宙從超高溫、高密度的大爆炸中開始，其后在一邊膨脹、一邊冷卻的過程中制造了群星。在銀河系的一角，大約46億年前原始太陽放出光芒，圍著它的氣體及塵埃誕生出無數(shù)微行星。微行星通過反復(fù)碰撞與合并，不久地球誕生了。

大約40億年前，最早的生命誕生了。但是，有關(guān)最初的生命是什么東西以及怎樣誕生還不清楚。即與宇宙或地球的起源相比，對(duì)生命起源的闡釋可以說最難進(jìn)行，這是由于宇宙隨著時(shí)間的推移一起分化，系統(tǒng)變得復(fù)雜的緣故。

構(gòu)成生命的細(xì)胞誕生之前，制造蛋白質(zhì)或核酸等生命材料物質(zhì)的階段稱為化學(xué)進(jìn)化?，F(xiàn)在，對(duì)生命起源的闡釋還停留在化學(xué)進(jìn)化階段如何進(jìn)行上面。至于生物進(jìn)化，比較清楚的是出現(xiàn)在距今6億年前后、肉眼可見大小的生物或具有堅(jiān)硬骨骼的生物，但在那之前的30余億年間，很多還不清楚。

最有發(fā)展前景的是以美國(guó)航空航天局為主導(dǎo)的宇宙生物學(xué)。所謂宇宙生物學(xué)，是從基因水平到銀河系規(guī)模綜合地研究生命起源或進(jìn)化以及生命在宇宙的分布。其目的在于闡明化學(xué)進(jìn)化或生命的誕生空間是在地球還是在宇宙中發(fā)生的，地球上的生物圈是怎樣與地球一起進(jìn)化的，以及地球外的天體是否存在生命等有關(guān)生命的眾多的謎。換句話說，科學(xué)家正認(rèn)真地開始回答自有人類以來便一直存在的“人從哪里來到哪里去，是孤獨(dú)的存在嗎”的疑問。

充滿生命材料的宇宙

地球誕生生命的材料物質(zhì)原先存在于哪里？通過近年來的研究，我們知道在宇宙中大量存在能夠構(gòu)成生命的有機(jī)物質(zhì)材料，它們被包裹在隕石或彗星中，運(yùn)到地球上來的。

有機(jī)物在分子云中形成。所謂分子云，是由氫或氦等氣體與塵埃微粒子構(gòu)成的高密度區(qū)域。如果這個(gè)區(qū)域中進(jìn)入硅酸鹽等礦物粒子的塵埃，則因-260℃的極低溫使塵埃結(jié)冰，并在外面形成包含一氧化碳、甲烷、氨分子的非晶冰。當(dāng)

其受到紫外線照射時(shí)，非晶冰中的分子變成離子或基。如果那個(gè)塵埃出現(xiàn)在溫度稍高的低密度云（-190℃），離子或基結(jié)合變成甲醇或甲醛，非晶冰蒸發(fā)，形成由碳、氫、氧、氮構(gòu)成的復(fù)雜有機(jī)物。模擬實(shí)驗(yàn)確認(rèn)，形成物中包含了氨基酸及核酸鹽基等對(duì)生命而言重要的分子。這時(shí)，裹有有機(jī)物的部分塵?？赡茉俅伪凰突胤肿釉苾鼋Y(jié)起來，即構(gòu)成具有礦物粒子、有機(jī)物、非晶冰三重結(jié)構(gòu)的塵埃。

約46億年前，這樣的塵埃分子云因自身的重力坍縮，誕生了中心是原始太陽、周圍是圓盤狀的原始太陽系星云。這時(shí)靠近原始太陽處的塵埃全被蒸發(fā)，但是在距太陽較遠(yuǎn)的小行星帶或木星附近，只有冰被蒸發(fā)，裹著有機(jī)物的礦物塵埃卻幸存下來。其后，原始太陽系星云開始冷卻，在木星附近的塵埃外面變成凝縮冰的結(jié)晶。距太陽十分遙遠(yuǎn)處，因溫度幾乎沒有上升，所以分子云中的塵埃幸存下來，成為彗星的原料。

不久，塵埃經(jīng)附著、合并變成微行星，微行星不斷碰撞、合并，最終成長(zhǎng)為行星。在最遠(yuǎn)處構(gòu)成的微行星（彗星的核）由于木星或土星等大行星的重力作用，被吹到更遠(yuǎn)的奧爾特云附近。同時(shí)，作為生命材料的有機(jī)物被運(yùn)送到原始地球上。

沖撞蒸汽云中進(jìn)行化學(xué)進(jìn)化

另一方面，在不斷碰撞的過程中，地球上的化學(xué)進(jìn)化開始了，生命也就隨之誕生。

地球誕生后6億年左右，即大約40億年前便是所謂的“巨大隕石的重疊爆炸期”，這是指直徑達(dá)100千米的微行星按1000萬年一次的比例發(fā)生碰撞。如果微行星以每秒幾十千米的速度沖 撞地球，物質(zhì)便會(huì)被蒸發(fā)、熔化或刮跑。在沖撞地點(diǎn)形成直徑約1000千米的隕石坑，周圍的海完全干涸。這時(shí)，蒸發(fā)氣體向周圍噴出的部分被稱為沖撞蒸汽云。

沖撞蒸汽云不斷擴(kuò)大，不久地球表面裹上了一層厚厚的大氣。超過500℃的大氣中包含甲烷等還原成分，通過自然放電能量，構(gòu)成氨基酸或核酸鹽基等低分子的有機(jī)物。大氣漸漸冷卻，在沖撞后1000年左右，變成雨落到地上。

雨積存在隕石坑內(nèi)，構(gòu)成淺海。因這時(shí)地球內(nèi)部的巖漿還在地下淺處，隕石坑底是熱的，整體構(gòu)成像溫泉那樣的狀態(tài)。在淺的高溫的海中開始進(jìn)行材料物質(zhì)的濃縮，相繼把低分子的有機(jī)物連接起來，生成蛋白質(zhì)或核酸等高分子的有機(jī)物，并且高分子的有機(jī)物一邊相互作用，一邊向具有復(fù)制能力的原始細(xì)胞發(fā)展。

這樣的天體沖撞可以說為生命的誕生創(chuàng)造了最合適的條件，但反過來也是破壞之前已存在的生命的過程。因此，在地球誕生后大約6億年間，生命的誕生和滅絕不斷反復(fù)，而且在巨大隕石的重疊爆炸期結(jié)束后不久，誕生了被視為現(xiàn)代生命之祖的最初生命。

30億年來為何藍(lán)藻沒有滅絕

藍(lán)藻是生物進(jìn)化上扮演重要作用的生物之一，在30億～27億年前出現(xiàn)。當(dāng)時(shí)的地球大氣以氮為主要成分，氧幾乎不存在。由于藍(lán)藻的光合作用，大大改變了地球的大氣環(huán)境，形成了可以屏蔽紫外線的臭氧層，使動(dòng)植物進(jìn)入陸地成為可能。

從出現(xiàn)到距今7億年前左右，藍(lán)藻在地球上取得了優(yōu)勢(shì)，廣泛分布于自寒帶到熱帶的湖泊及海洋，之后逐漸侵入陸地，所以，那個(gè)時(shí)代理所當(dāng)然地成為藍(lán)藻時(shí)代。不久由于肉食動(dòng)物的出現(xiàn)，藍(lán)藻失去優(yōu)勢(shì)地位，但是沒有滅絕，至今還幸存著。在這段時(shí)期，藍(lán)藻頂住了幾次生物大滅絕事件，不愧是“最終的活化石”。

那么，何以藍(lán)藻沒有滅絕呢？這是因?yàn)樗{(lán)藻在各種環(huán)境條件下都能生存。藍(lán)藻具備了完全獨(dú)立營(yíng)養(yǎng)生物的特征，只要有光、水及空氣，就能利用光制造有機(jī)物。再者，部分藍(lán)藻攝取氮?dú)庵圃斓鞍踪|(zhì)（固氮），即便沒有肥料都能生存。另外，藍(lán)藻還可以為適應(yīng)環(huán)境變化而靈活地進(jìn)行基因重組，所以能夠幸存至今。

7億年前整個(gè)地球結(jié)冰

生命誕生以來，地球與生物可以說相互影響、一起進(jìn)化，科學(xué)界將此稱為“共進(jìn)化”。關(guān)于共進(jìn)化，我們將介紹“冰雪地球假說”。

距今7億年前，整個(gè)地球被冰河覆蓋，全球結(jié)冰。其最主要的證據(jù)便是，當(dāng)時(shí)赤道附近的地層蘊(yùn)含冰河堆積成雜巖的巨大巖石。

另一方面，在全球結(jié)冰前，微生物在海洋大量繁殖。原來當(dāng)時(shí)恰逢造山運(yùn)動(dòng)活躍時(shí)期，大陸或是分離或是合并。在其影響下，巖石斷面因風(fēng)化掉下的元素流入大海，則海洋中的營(yíng)養(yǎng)成分（磷等）增加，藍(lán)藻等光合成微生物大量繁殖，增加的光合成微生物大量消耗了大氣中的二氧化碳。通常，積存在海底的生物尸骸被分解時(shí)，再次產(chǎn)生二氧化碳返回大氣中。但在約7億年前的時(shí)代，微生物的尸骸被從大陸流入的巖石覆蓋，能夠返回大氣的二氧化碳銳減，當(dāng)然氣溫就大幅度降低。

即使海洋表面全被冰封住，地球內(nèi)部的活動(dòng)照常進(jìn)行，通過海底的中央海脊或陸上的火山活動(dòng)放出的熱或二氧化碳，漸漸地蓄積起來。當(dāng)超過一定界限時(shí)，溫室就開始起作用。隨著冰的融化，之后全球氣溫一下子上升到50℃左右，與全球結(jié)冰時(shí)的溫度差了近100℃！這樣的結(jié)冰與融化在短時(shí)間內(nèi)反復(fù)了幾次。

考慮到全球結(jié)冰發(fā)生前，地球上已存在微生物或水母的同類等，從冰融化后的地層中發(fā)現(xiàn)了最古老的貝類化石及沙蠶之類的化石。不久之后，大約6.5億年前，一種叫做浮游生物的大型動(dòng)物出現(xiàn)。

地底微生物給外星生命提供線索

迄今為止，生物的主要棲息地還是陸地和海洋。但近幾年的研究發(fā)現(xiàn)，原以為沒有生物的地下深處的巖盤中，也存在大量的微生物。

眾所周知，地下的溫度隨著深度增大而不斷上升?？茖W(xué)家認(rèn)為，微生物最高能耐受約120℃的高溫，由此推斷地下5000米左右是微生物能夠生存的環(huán)境。根據(jù)計(jì)算，在地下有大量的生命存在，大大超過陸地上和整個(gè)海洋的生物量。地下生物圈可稱是地球最大的生物圈。

它們生活在地下巖石等的縫隙里，那里是太陽光完全照不到的地方，也沒有氧氣存在。在那里，陸地或海洋生物都不能進(jìn)行光合作用及呼吸。那么，地下生物是怎樣生息的呢？

科學(xué)家說，它們可以進(jìn)行利用二氧化碳氧化氫的二氧化碳呼吸，或用硫酸氧化甲烷的硫酸呼吸，或用硝酸氧化硫化氫的硝酸呼吸等，來代替氧呼吸。利用這種不需要氧的呼吸得到的化學(xué)能量，某些微生物可以從無機(jī)物中（二氧化碳）制造有機(jī)物，從而獲取進(jìn)行其他生命活動(dòng)的能量。這種方法被稱為在地底進(jìn)行的“黑暗的光合成”。

生活在地下生物圈里的微生物，在沒有陽光的情況也能生存。通過研究這樣的微生物，我們能夠知道地球上有多種其他生活方式的生物，以及可能存在生命的環(huán)境界限，同時(shí)也為探討外星生命的可能性提供了線索。

尋找火星曾存在海的證據(jù)

我們知道，火星緊挨著地球外側(cè)的軌道旋轉(zhuǎn)，在太陽系中可稱是與地球表層環(huán)境最相似的行星。為此，很久以前科學(xué)家就在考慮“火星上曾經(jīng)存在生命，或許現(xiàn)在還存在著”這一問題?；鹦侵睆郊s是地球的1/2，并裹上薄薄一層以二氧化碳為主要成分的大氣，地表處在平均-50℃以下的低溫狀態(tài)。

生命的誕生必須依賴液體水?！叭蚩碧秸摺迸臄z的照片顯示，火星北極冠有冰存在，這表明現(xiàn)在火星上還存在豐富的水，火星過去或許不像現(xiàn)在那樣寒冷、干燥，處在更溫暖、濕潤(rùn)的氣候狀態(tài)下，那時(shí)地表或許還存在過海。事實(shí)上，2004年美國(guó)“勇氣”號(hào)與“機(jī)遇”號(hào)火星車發(fā)回的照片也顯示，埃爾·卡皮壩地區(qū)曾經(jīng)是海。如果是這樣，誕生生命的可能性很高。

日本東京大學(xué)的松井教授試圖“從火星的天體碰撞的現(xiàn)象來尋找證據(jù)”，即如果巨大隕石沖撞海洋，則肯定引起巨大海嘯，在海邊或淺海底的巨石被海嘯卷起拋到海岸線上。在地球上，由于地震引發(fā)的海嘯拋起的海嘯石殘存在世界各地，大的達(dá)到10米。因此松井教授建議，“在今后的火星探測(cè)中，應(yīng)致力于尋找海岸線上到處扔著巨石那樣的地形”。

事實(shí)上，最近在火星北半球有可能存在海的一些地方發(fā)現(xiàn)了直徑約20千米的隕石坑，從隕石坑的大小推測(cè)，沖撞隕石的直徑在幾千米。松井教授期待，“如果海的存在期間有1000萬年以上，則這么大的隕石沖撞肯定會(huì)引起海嘯。通過詳細(xì)調(diào)查海岸沿線地形，或許能夠發(fā)現(xiàn)海存在的證據(jù)。”

“卡西尼”探測(cè)器在泰坦上發(fā)現(xiàn)生命了嗎？

考慮在太陽系內(nèi)與火星相比存在生命可能性更高的是木星的衛(wèi)星歐羅巴（木衛(wèi)二）和土星的衛(wèi)星泰坦（土衛(wèi)六）。最近由“伽利略”探測(cè)器發(fā)回的照片顯示，木衛(wèi)二的冰層大約有97千米厚，而真正以固態(tài)形式存在的只有表面的8千米～16千米，冰層之下是一片汪洋，蘊(yùn)含的水量可能是地球上的3倍，而汪洋中可能存在生命物質(zhì)。如果再考慮木衛(wèi)二受到來自木星的強(qiáng)烈潮汐力作用，內(nèi)部發(fā)熱，所以松井教授推測(cè)，“或許像地球的海底存在活火山口一樣，木衛(wèi)二的海底也會(huì)有活火山?；鹕絿姲l(fā)的熱量足以使某些不需要陽光和空氣的微生物在那里存活”。

另一方面，泰坦是太陽系衛(wèi)星中唯一擁有厚厚大氣層的，其大氣的主要成分是氮，還有百分之幾的甲烷，到上空200千米左右就被厚厚的橘紅色云霧覆蓋，“旅行者”探測(cè)器不可能透過大氣層直接看到地表的模樣。但是，考慮到其表層云霧中包含大量構(gòu)成生命材料的有機(jī)物，松井教授說：“實(shí)際上已在實(shí)驗(yàn)室中查明，如果對(duì)與泰坦大氣成分相同的氣體提供放電等能量，則會(huì)制造出大量高分子的有機(jī)物”。

泰坦表面的大氣壓約是地球的1.5倍，溫度約是-180℃，是極寒冷的世界。或許，在它的地表上存在著由甲烷冰構(gòu)成的大陸以及乙烷海。

泰坦衛(wèi)星是否存在生命，還需要“卡西尼”和“惠更斯”做出回答?！盎莞埂鄙洗钶d的六種探測(cè)器，將詳細(xì)調(diào)查泰坦的大氣結(jié)構(gòu)及成分、大氣運(yùn)動(dòng)、云或氣溶膠粒子的組成等，另外還將獲取地表的溫度、壓力、地形以及海洋等數(shù)據(jù)。讓我們期待泰坦是否存在生命的重要信息。