什么是生命？

42臺巨大的射電天文望遠(yuǎn)鏡聳立在加利福尼亞北部灌木叢生的山區(qū)，它們組成了松散的“艾倫”望遠(yuǎn)鏡陣列：掃視天空，全神貫注，夜以繼日。白色的碟狀天線如同一張張沒有表情的臉，全體凝視著天外遙不可及的某一點(diǎn)，就像一群渴望回家的外星入侵者在此集結(jié)。望遠(yuǎn)鏡陣列屬于“搜尋地外文明計(jì)劃”（SETI）。半個(gè)世紀(jì)以來，該組織一直致力于掃描太空，尋找地外智慧生命的蹤跡，至今仍一無所獲。這樣的技術(shù)，被用來證明一個(gè)近乎天真的夢想：我們在宇宙中并不孤獨(dú)。

即使SETI的望遠(yuǎn)鏡永遠(yuǎn)找不到地外生命，它的努力仍然很有價(jià)值。我們到底在尋找什么？宇宙中其他的智慧生命應(yīng)該和我們一樣使用電磁波嗎？它們一定是碳基生命嗎？它們是否依賴水和氧氣？這些問題，其實(shí)不是在思考可能存在的外星生命，而是在思考地球上已知的生命：為什么地球上的生命會是這樣？

并非科學(xué)家不夠努力。一大批諾貝爾獎(jiǎng)得主和生物學(xué)巨匠都活躍在這個(gè)領(lǐng)域，然而以他們的學(xué)識和智慧，甚至也遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)成共識。40年前分子生物學(xué)發(fā)端之時(shí)，法國生物學(xué)家雅克·莫諾在他的名作《偶然性和必然性》中悲嘆，生命在地球上的起源是一次異乎尋常的偶然事件，人類在空蕩蕩的宇宙中絕對孤立。

也有人提出對立的觀點(diǎn)：生命是宇宙化學(xué)的必然產(chǎn)物。在每顆條件適宜的行星上，生命都會迅速產(chǎn)生。那么，一旦行星上有了生命，接下去又會如何演化呢？科學(xué)家們再一次無法達(dá)成共識。生命可能受制于有限的系統(tǒng)工程方案，無論始于哪里，演化的路徑最終都將匯聚到有限且相似的形式。因?yàn)橛兄亓Φ南拗?，飛行動(dòng)物的體重應(yīng)該較輕，而且都會有類似翅膀的器官。生物應(yīng)該都由類似細(xì)胞的部件組成，依靠這些微小的單元把自身內(nèi)部環(huán)境與外部世界隔離。如果此類約束條件主導(dǎo)著生命的發(fā)展，那么，外星生命很可能十分類似于地球生命。另一方面，生命的演化也可能由偶發(fā)事件決定。生命是什么樣子，可能純屬隨機(jī)結(jié)果，由全球性災(zāi)難事件的偶然幸存者決定，比如地球生命史上導(dǎo)致恐龍滅絕的小行星撞擊事件。假設(shè)我們把時(shí)鐘撥轉(zhuǎn)到5億多年前的寒武紀(jì)，也就是化石記錄中的“生命大爆炸”剛剛發(fā)生之時(shí)，然后重新開始——那個(gè)平行世界會與我們的世界相似嗎？也許是巨型章魚滿山亂爬呢。

用望遠(yuǎn)鏡搜索太空的計(jì)劃，還承擔(dān)著一個(gè)重要的理論目的。在行星生命研究中，我們的地球只是一個(gè)孤零零的樣本。純粹從統(tǒng)計(jì)角度來看，由于樣本空間為1，我們根本無法得出結(jié)論，無法確定到底是什么約束著生命的演化。然而，物理學(xué)的基本定律適用于整個(gè)宇宙，元素的性質(zhì)和豐度也由此決定，也決定了化學(xué)的普適性。

某種意義上，造成這個(gè)困局的罪魁是DNA。現(xiàn)代分子生物學(xué)，以及隨之而來的各種DNA技術(shù)，肇因于物理學(xué)家薛定諤1944年的著作《生命是什么》。薛定諤在書中提出了兩個(gè)核心論點(diǎn)：首先，生命以某種方式抵抗著宇宙萬物趨于崩壞的趨勢，在局部抑制熵增（混亂），以此對抗熱力學(xué)第二定律；其次，生命能在局部逃避熵增的訣竅隱藏在基因中。他猜測基因物質(zhì)是某種“非周期性”的晶體，其晶格結(jié)構(gòu)不做精確重復(fù)，因此可以作為“代碼腳本”——這是該術(shù)語首次應(yīng)用在生物學(xué)語境中。薛定諤和同時(shí)代的大多數(shù)生物學(xué)家，都以為這種奇特的“類晶體”是某種蛋白質(zhì)。此后，分子生物學(xué)研究突飛猛進(jìn)，不到十年時(shí)間，克里克和沃森就推導(dǎo)出了DNA的晶體結(jié)構(gòu)。1953年，他們在《自然》雜志上發(fā)表了第二篇論文，宣布：“……因此，我們有相當(dāng)?shù)陌盐照J(rèn)為，精確的堿基序列就是承載基因信息的代碼?！边@句話分量千鈞，一舉成為現(xiàn)代生物學(xué)的基石。當(dāng)代生物學(xué)就是信息的科學(xué)，主流研究方法是在電子芯片中分析基因組序列，信息轉(zhuǎn)移的概念賦予了生命新的定義。

基因組是通往奇跡世界的大門。堆積如山的代碼，單以人類基因組計(jì)數(shù)，就有30億個(gè)字符之多，讀起來像一部后現(xiàn)代小說。人類基因組中只有極少一部分代碼（不到2%）為蛋白質(zhì)編碼，更大一部分是基因調(diào)控區(qū)域。至于剩下的部分是什么，科學(xué)家一直為此爭論不休。真正重要的事實(shí)在于，基因組包含著成千上萬個(gè)基因的代碼，以及更加復(fù)雜的基因調(diào)控區(qū)域。毛蟲破繭化蝶，小孩長大成人，其間需要的一切化學(xué)物質(zhì)和信號都由基因組提供、操縱。我們比較動(dòng)物、植物、真菌和單細(xì)胞的阿米巴原蟲后發(fā)現(xiàn)，其中在發(fā)揮作用的是同樣的生物過程。我們會在大小和類型差異極大的基因組中發(fā)現(xiàn)同一個(gè)基因的不同變體，同樣的調(diào)控因子，同樣的“自私”復(fù)制因子，以及同樣的無意義重復(fù)片段。洋蔥、小麥和阿米巴原蟲比人類擁有更多的DNA和基因。蛙和蠑螈等兩棲動(dòng)物的基因組，大小差異可達(dá)兩個(gè)數(shù)量級：某些蠑螈的基因組比人類的大40倍，某些蛙類的基因組不及人類的1/3。如果必須用一句話概括生物基因組的結(jié)構(gòu)限制，那只能說“怎么都行”。

這點(diǎn)非常關(guān)鍵。如果基因組僅僅等同于信息，而基因組的大小和結(jié)構(gòu)又沒有根本的限制，那么信息也就沒有限制。但這并不意味著基因組完全不受任何限制，有些限制還是很明顯的。作用于基因組的力量包括自然選擇和另一些隨機(jī)因素：基因、染色體，乃至整個(gè)基因組的偶然復(fù)制、倒位、丟失，以及寄生DNA的入侵。所有這些因素加在一起會導(dǎo)致怎樣的結(jié)果呢？這取決于生態(tài)位、物種間的競爭和種群數(shù)量等因素。從我們的立場來看，這些因素都是環(huán)境的一部分，是不可預(yù)測的。如果能夠精確指定環(huán)境，我們也許能預(yù)測某個(gè)物種的基因組大小。但實(shí)際狀況是，無盡多的物種生存在無限多樣的微環(huán)境中：小到其他生物的細(xì)胞內(nèi)部，大到人類都市，深至高壓的大洋之底。與其說“怎么都行”，不如說“什么都有”。在各種各樣的環(huán)境中，有多少環(huán)境因素作用于基因組，基因組就應(yīng)該有多少種變化。基因組不能預(yù)言未來，只能記載過去。它們反映的是環(huán)境歷史的影響。

我們的行星已經(jīng)存在了45億年。地球誕生之初，太陽系也新生不久，創(chuàng)世的喧囂逐漸平息，地球在長達(dá)7億年間都承受著隕石大轟炸。

研究者過去認(rèn)為，最早的大氣大多由火山噴出的氧化物構(gòu)成，大氣成分主要有二氧化碳、水蒸氣、氮?dú)夂投趸颉＿@種混合物的成分與今天的空氣大致相似，不同在于前者缺少氧氣——直到很久以后，光合作用問世，氧氣才豐富起來。偶爾的小行星撞擊可能導(dǎo)致部分海洋蒸發(fā)，但不太可能影響生活在深海中的任何細(xì)菌（如果它們當(dāng)時(shí)已經(jīng)演化出現(xiàn)）。

最早的生命證據(jù)同樣薄弱，其中很多都發(fā)現(xiàn)于格陵蘭島西南部的伊蘇亞和阿基利亞。那里已知最古老的巖石，大約形成于38億年之前（見下圖時(shí)間線）。這些證據(jù)不是以化石或者活細(xì)胞產(chǎn)生的復(fù)雜有機(jī)分子（即所謂“生物標(biāo)記”）形態(tài)存在的，只是石墨中碳原子的某種非隨機(jī)積聚。自然界的碳元素以兩種穩(wěn)定的同位素存在，原子質(zhì)量有細(xì)微的差別。

這條時(shí)間線上列出了早期演化中的重要事件和大致年代。這些年代中有很多不確定性，存在爭議。但絕大部分證據(jù)顯示細(xì)菌和古菌出現(xiàn)于真核生物之前的15億～20億年間。

讓我們快進(jìn)幾億年。這個(gè)地質(zhì)時(shí)代的生命證據(jù)更加可靠，且易于解讀。澳大利亞和南非的古老巖石中含有外觀非常像細(xì)胞的微體化石，雖然不太可能以現(xiàn)代方法為它們分類。這些微小的化石很多都含有暗示生命存在的碳同位素標(biāo)記，更加穩(wěn)定、明顯。這表明這些微體化石是有秩序的新陳代謝，而不是隨機(jī)的地?zé)岱逐s過程造成的。而且，這些巖石中有些結(jié)構(gòu)很像疊層石。疊層石是一種由細(xì)菌構(gòu)成的大型拱狀結(jié)構(gòu)，其中單細(xì)胞生物層層覆蓋生長，掩埋在底部的層級逐漸被礦物質(zhì)置換，繼而變成化石，最終形成奇特的高達(dá)一米的疊層石質(zhì)結(jié)構(gòu)。

這些巨大的沉積構(gòu)造不僅標(biāo)志著生命，還揭示了曾經(jīng)存在的光合作用。那不是我們平日所見的由綠色植物和藻類進(jìn)行的光合作用，而是一種更簡單的初期形式。在所有的光合作用中，光的能量都被用來從供體上剝離電子，然后電子再被“強(qiáng)加”給二氧化碳分子，形成有機(jī)分子。不同形式的光合作用使用不同的電子供體，來源各異，最普遍的是溶解態(tài)的（二價(jià)）鐵、硫化氫或者水。各種形式的光合作用中，電子都被轉(zhuǎn)移給二氧化碳，留下“廢料”：沉積的鐵銹，游離態(tài)硫元素（即硫黃）或者氧氣。最難對付的供體是水，其能量要求遠(yuǎn)超其他物質(zhì)。32億年前，生命活動(dòng)從水以外的各種物質(zhì)中提取電子。正如生物化學(xué)家艾伯特·圣哲爾吉的詮釋：生命不過是一個(gè)電子尋找歸宿的過程。光合作用的最終形態(tài)（從水中提取電子）是何時(shí)產(chǎn)生的，學(xué)界還存在很大的爭議。一些學(xué)者認(rèn)為這是一起早期演化事件，但目前的證據(jù)表明，產(chǎn)氧光合作用出現(xiàn)于29億～24億年前，此后不久，地球就爆發(fā)了“中年危機(jī)”，全球地質(zhì)和氣候大動(dòng)蕩。世界范圍的大規(guī)模冰川作用導(dǎo)致了雪球地球時(shí)期的形成，接下來是大約發(fā)生在22億年前的“大氧化事件”，陸地巖石被廣泛氧化——地層中遺留下的鐵銹色“紅色巖床”證明當(dāng)時(shí)的大氣中存在大量氧氣。甚至雪球地球本身的形成，也很可能是大氣中氧含量上升所致：氧氣能夠氧化甲烷，把大氣中這種強(qiáng)力的溫室氣體消耗殆盡，從而觸發(fā)了全球冰凍期。

產(chǎn)氧光合作用的出現(xiàn)，標(biāo)志著生命的新陳代謝手段已經(jīng)趨于完備。我們這趟走馬觀花的早期地球歷史追溯之旅，跨越了近20億年，是整部動(dòng)物史時(shí)長的3倍，不太可能窮盡所有細(xì)節(jié)。然而，我們應(yīng)該在此處停留一會兒，思考一下這個(gè)大背景反映出的世界本質(zhì)。首先，生命在地球極早期就已出現(xiàn)，起碼是在40億～35億年前，而當(dāng)時(shí)的世界是一個(gè)類似于當(dāng)代地球的水世界。其次，35億～32億年前，細(xì)菌已經(jīng)發(fā)展出幾乎所有的新陳代謝形式，包括各種呼吸作用和光合作用。在大約10億年間，地球都是一口細(xì)菌繁盛的大鍋，而細(xì)菌在生物化學(xué)上的創(chuàng)造力令人嘆為觀止。同位素分餾證據(jù)表明，所有主要的營養(yǎng)循環(huán)，包括碳循環(huán)、氮循環(huán)、硫循環(huán)、鐵循環(huán)等，在25億年前就已經(jīng)存在。然而直到24億年前，隨著大氣氧含量的上升，生命才開始徹底改變我們這顆行星的景觀。一度只活躍著細(xì)菌的世界，這時(shí)才有可能從外太空觀察到生命的存在。直到這時(shí)，大氣才開始積累化學(xué)性質(zhì)活潑的氣體，如氧氣和甲烷，都由生命細(xì)胞不斷補(bǔ)充。自此之后，生物才開始顯露出行星規(guī)模的偉力。

（摘自貴州大學(xué)出版社《復(fù)雜生命的起源》 作者：[英] 尼克·萊恩 譯者：嚴(yán)曦）