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生命的起源进化之谜 地球如何完成孕育的过程

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发表于 2015-11-9 00:35:11 | 显示全部楼层 |阅读模式
早期的地球并不是生命的伊甸园,没有清澈湛蓝的海水,没有动物和植物,那么,生命是如何在地球上出现的呢?生命的起源真的与天外来物有关?


生命的起源

在浩瀚的宇宙中,地球看来确实是一颗独特的星球,一颗最终由生命塑造的星球,一颗如今被60亿人称作家园的星球。然而,在大约45亿年前刚刚诞生时,地球却是一个暴烈之地,一个生命根本不可能存在之地,一个被火山熔岩和有毒气体包裹、被陨星无情撞击的死亡之地。那么,生命最终是如何在地球上出现的呢?有科学家认为,每个人体内的所有碳元素都是由彗星和陨星带到地球上来的。也就是说:生命大厦的“砖头”是由彗星和陨星带到地球上来的。那么,这些“砖头”能经受住那么暴烈的环境考验吗?就算能,它们又是怎样为生命“大厦”奠基的呢?

生命的起源进化之谜  地球如何完成孕育的过程55 / 作者:伤我心太深 / 帖子ID:20896,64362

地球上已知最古老的化石已有大约35亿午的历史,这就是说,35亿年前,在地球诞生后10亿年到20亿年的时间里,生命已经在这颗星球上出现。现在,就让我们回到那个由不可见的微生物统治地球、并最终改变地球历史的时代。



生命在“地狱”中诞生

多年来,人们对生命在地球上如何起源的问题给出了各种各样极富创意性的答案。17世纪,有一位学者写下了著名的“生命配方”:把一件脏衣服放进容器,接着添加一些小麦,发酵21天,老鼠就会从中诞生。这显然是无稽之谈。不过,在地球历史上的某一时刻,生命的确是从非生命成分中起源的。为了探寻真正的“生命配方”,我们就必须回到大约40亿年前那个在今天看来全盘陌生的地球。

40亿年前,年轻的太阳并没有今天这么明亮,太阳光几乎不能穿透主要由二氧化碳和有刺鼻气味的硫化氢组成的地球大气层。当时的地球大气层比现在浓密,并且略显红色,因此当时的地球没有蓝色的天空,海洋也是橄榄绿颜色的。

在地球诞生后大约6亿年的时间里,小行星和彗星频繁地撞击地球。这些行星际“导弹”直径可达500公里,它们的撞击令地球的海洋气化,让地球的地壳熔化。看起来,在如此高温和酸雨的条件下,一切生命都无法幸存。可是,科学家们现在相信,正是在这地狱般的环境下,生命却在地球上诞生了。为什么呢?

今天,在地球上一些遥远的角落,仍能找到和早期地球相似的自然条件。比如,在墨西哥南部的热带雨林深处,有一个充满硫化氢气体的地洞——库瓦维鲁兹洞,而40亿年前的地球大气层中正是被这种毒性很大的气体所充溢。科学家们必须戴上防毒面具才能走进地洞。

库瓦维鲁兹洞中的硫化氢是从地下泉水中逃逸出来的,它与水中的氧结合,在洞壁上形成硫酸。由于硫化氢气体浓度很高,你可能都闻不出它那种刺鼻的气味。为了进入此洞,科学家必须戴上防毒面具。即使戴着防毒面具,他们也感觉十分困乏,这是因为毒气通过人体皮肤或不易察觉的面具漏气孔进入了人体。令人惊讶的是,就是在如此恶毒的环境中,大群单细胞细菌却如鱼得水地在这里“安居乐业”,形成了像石钟乳一样的“鼻涕柱”,经检测,其滴下的“鼻涕”酸度竟然和电池液的酸度一样高。科学家们推测,“鼻涕柱”的功能就是保护这些细菌免遭硫酸的过度侵蚀。

细菌是地球上最原始和最普遍的生物体。和其他所有形式的生命一样,细菌也会生长、繁殖和适应环境。在每个单细胞的细菌里面都有叫作“DNA”(脱氧核糖核酸)的分子,正是这个“生命密码”让细菌得以繁殖。库瓦维鲁兹洞简直就是一个细菌王国,在每一个“鼻涕柱”里,都有几百万乃至上千万个细菌。在库瓦维鲁兹洞的地下溪水中,科学家还发现了由不同种类的细菌组成的团块,它们看上去就像是痰液般丑陋。

更令人意想不到的是,对细菌们来说,这个硫化氢洞一点也不恶毒,恰恰相反,这里是它们的“乐土”,洞中剧毒的硫化氧正是它们的“口粮”——细菌吸收硫化氢,从中获取化学能量。早期地球的条件恐怕比库瓦维鲁兹洞要糟糕得多,但是库瓦维鲁兹洞中的细菌暗示,原始生物的确有可能在如此险恶的环境中繁荣昌盛。



生命的“砖头”天上来


生命的起源进化之谜  地球如何完成孕育的过程56 / 作者:伤我心太深 / 帖子ID:20896,64362


那么,最早的生命究竟来自何方呢?100多年来,科学家们已经很清楚地知道生命是一系列合适的成分以合适的数量交互作用的结果,也已知道组成生命的元素并非像脏衣服和小麦这么复杂,而是简单得多。事实上,从细菌到老鼠、再到你和我及所有生物,都是由氢、氧、碳、氮这四种元素组成的,它们也是宇宙中最常见的四种元素。只要以适当的方式组合,这些元素就可构成生命的基本成分,而其中的头号明星是碳,这是因为碳自身之间以及碳与其他元素之间的结合是最容易的。

有一种观点认为,生命可能起源于碳和其他成分在早期地球苛刻条件下的结合。这一观点最早是由美国研究生斯坦利·米勒在20世纪50年代进行验证的。为在实验室中模拟早期地球的环境条件,米勒用试管和烧瓶组装了一个精巧的装置。他在其中一个烧瓶中注满当时被认为能代表早期地球大气的气体,并且把这个烧瓶与另一个装有水的烧瓶连接,这后一个烧瓶中的水代表海洋。接着,米勒给这个装置通电,用以模拟闪电通过早期地球大气层时的情况。几天后,烧瓶中突然出现了一些褐色的、黏乎乎的东西。经过检测,米勒发现它们是氨基酸。

氨基酸是由碳分子与其他元素聚合而成的一种化合物,是构建蛋白质和细胞的基本成分,因而也就是构成一切生物的重要成分。米勒的实验在当时自然而然地引起了巨大的轰动。不过,今天的大多数科学家相信,早期地球上的自然条件和米勒当初在实验中模拟的情况有很大的不同。

正如《地球诞生之谜》一文(见本刊2005年第1期)所描述的那样,在地球历史的24小时里,小行星和彗星对地球的轰炸从大约零点开始一直持续到了差不多凌晨3点半。随后轰炸力度减弱,但轰炸又持续了至少1亿年之久。也许你很难相信,就是在如此不稳定的时期,生命却在地球上找到了立足点。最近科学家在格陵兰西部地区发现的证据显示,生命可能早在凌晨4点(大约38亿年前)就已在地球上存在。



生命的起源进化之谜  地球如何完成孕育的过程2 / 作者:伤我心太深 / 帖子ID:20896,64362



格陵兰的地质状况十分独特,这里的岩石年龄在37亿年至39亿年之间,它保留着迄今已知的地球上最早期地质过程的一些记录。但是,这些岩石是如此古老,就算它们曾经包含有什么化石,这些化石也早已被早期地球的高温、高热环境毁坏殆尽。因此,科学家们在这里所寻找的并不是化石,而是远古细菌或其他微生物在岩石上留下的“化学指纹”。

如果生物的确在38亿年前就已在地球上存在,那就说明生命是非常幸运的,因为它逃过了地球所遭遇的自己有史以来最猛烈的轰炸。在这次轰炸中,一个像火星般大小的巨型岩石冲撞了地球,地球的外层因此气化,碰撞产生的残骸则聚合成了月球。这次碰撞的力度是如此之巨大,如果此前地球上存在过任何构筑生命大厦的“砖头”的话,这些“砖头”都必定会在这次大碰撞中全军覆灭。这就不由得让人猜测:“生命大厦”的“奠基石”并不是在地球上铸造的,而是来自于外太空。

这里所指的太空并不遥远,它就位于地面之上20公里以外。科学家们设计了一项实验,试图以此查明太空中是否存在构筑生命大厦的砖头。事实上,每一年都会有40000吨彗星和小行星的残片降落在地球上,只不过其中大多数残片的直径都不超过1毫米。我们将它们吸入体内,我们每天所吃的食物中也肯定有它们,可是要想找到它们却很难。换句话说,只有在那些很特殊的地方才能发现它们。

为了查明宇宙尘埃中是否包含着生命的成分,科学家必须获取未被地球大气层污染过的空间尘埃样本。为了获得仅仅几毫克的宇宙尘埃,科学家飞到地球大气层的边缘去收集太空尘埃。飞机的机翼上装有黏性的收集器。收集到样本后,科学家把尘埃颗粒切割成不到人的头发丝直径十分之一的大小。结果发现,这些微小的颗粒中的确包含着大量“生命之砖”——已有45.5亿年历史的矿物质、碳和有机材料。

事实上,太空尘埃并不是“生命之砖”的惟一可能来源。在宇宙中一片被称为“小行星带”的地带,有大量太阳系形成后所遗留下来的残骸。有时候,一些其中包含着金属和岩石的残骸会落到地球上,给地球带来意外的礼物。1969年,在澳大利亚的默齐森镇,就从天上降下了一块这样的陨石。科学家对这个天外来客进行了长达半年之久的分析,结果在其中发现了氨基酸。

这也是首次在外太空物质中发现复杂的有机化合物。假如类似的陨石很常见,它们就能给早期的地球带来足够的“生命之砖”。也就是说,你体内和你的食物中的一切有机物、一切的碳都是由陨星带到地球上的。从这个意义上讲,这些陨星就像是一艘艘“生命密封舱”,它们穿过地球大气层,落到地面上,然后打开舱门,将“生命之砖”卸给地球。

迄今为止,人们已在陨石中发现了超过70种的氨基酸,其中有许多是组成蛋白质的基本成分,而活细胞正是由蛋白质组成的。在地球早期的“大轰炸”时期,也许有数百万颗大陨石落到地球上,从而为地球遍撒生命的种子。尤其是那些巨大的彗星,更可能是效率很高的生命使者。一些彗星的体积竟然有一座大山那么大,再加上这些“脏雪球”中包含着大量的水冰和岩石,因此它们可能承载着大量的生命种子。

彗星和流星对地球的撞击力量是非常惊人的。大约在50000年前,一颗陨星在当今美国的亚利桑那州撞出了一个直径达1600米的大坑,坑的深度相当于一座60层的摩天大楼。看来这好像还不够,这次撞击的力量之大,竟然在一瞬间就把那颗陨星给气化掉了。要知道,那颗陨星可重达30万吨呐!你肯定会提出这个疑问假如“生命之砖”的确是由彗星和陨星带来的,那么这些小小的“砖头”如何挺得过如此暴烈的“轰炸式登陆”呢?

为了回答上面的问题,科学家采用一部巨型气枪来模拟彗星撞地球时所释放出来的极度高压和高温,以查明“生命之砖”在这样的碰撞中是幸存下来,还是粉身碎骨。在实验之前,科学家们预测那些无法幸存的“砖头”多半会“碎尸万段”。不料,实验结果却让他们大跌眼镜。

在实验中,气枪以每小时8000公里的速度轰击代表彗星内部所藏有机分子的样本。样本中包含由五种氨基酸组成的溶液,其中两种存在于每一种活细胞中。溶液被注入一个钢舱里,气枪则向钢舱发射强力冲击波,以此模拟遭遇彗星撞击时的极度高压。要知道,海底的压强也只不过才100个大气压,而实验中的压强则高达几十万乃至上百万个大气压。

实验完毕,钢舱完好。可是,舱中的氨基酸会怎么样呢宁曾经清澈的氨基酸溶液变成了焦褐色。经检测,舱中的物质不仅经受住了极度的高压,而且转化成为了另一种化合物:由氨基酸、碳和其他一些基本元素聚合成的更大、更复杂的分子——缩氨酸。

缩氨酸链接在一起,就组成了蛋白质,蛋白质则构成了我们身体内的一切细胞。不过,非生命成分究竟是怎样跃变为拥有DNA、能够自我复制的生物的呢宁这个奥秘至今未能被解开,至今也从未有人在实验室中完成过这一飞跃性的转变。虽然我们还远远未弄清生命之火最初是如何被点燃的,但是这并不妨碍我们探索“生命最早立足于地球上哪个地方”这一谜题。



生命最早躲在地下




生命的起源进化之谜  地球如何完成孕育的过程38 / 作者:伤我心太深 / 帖子ID:20896,64362




正因为早期的地球还处在小行星和彗星的“淫威”之下,所以非生命物质向生物的飞跃性转变或许就不是发生在地面之上,而是发生在相对安全的地面之下。为证明这种推断是否正确,科学家下到了地球上最深的矿井之一,南非的一座矿井下,调查微生物是否能够在地面下如此的深度存活。

科学家花了45分钟时间,才到达了位于地面下3500米的矿底。这里的岩石温度达到了49摄氏度,气压则是地面的两倍,可得的养分却少之又少——很明显,这里根本不适宜人类生存。假如这里有微生物,那么它们根本无法依靠阳光进行光合作用而生存,而是必须在伸手不见五指的漆黑环境中找到另一种赖以生存的途径——从岩石所包含的水和矿物质中吸取化学能。

科学家请求矿工钻探矿石,以获取矿石中包含的古代水样。经检测,这些矿石的年龄在两亿年以上,因此这些水也在矿石中与世隔绝了两亿年以上。取得水样后,科学家立即对它进行检测,结果发现,其中的确生活着大量的微生物,而且这些家伙竟然是以一系列令人不可思议的气体为食。在地面下如此深度,蕴藏着丰富的甲烷、乙烷和丁烷气体,它们就是生活在这里的微生物的“点心”。当然,这些“点心”的营养价值太低,微生物们可以从中得到的能量太少,仅够满足它们每千年只分裂、繁殖一次的能量需求。但即便如此,这个例子也暗示出在早期地球的地面下,微生物的确能避开地面之灾,将生命的火种传递下去。

地壳也可能不是生命能借以规避天地大冲撞的惟一避难所,另一个避难所可能就是海洋。早期地球上的火山活动非常剧烈,来自地下极深处的化学物质一直在被喷进海水中。即使在今天,海洋生物学家也常常在海底发现火山喷口。尽管这些喷口及附近的温度很高,海水的酸性很强,并且暗无天日,各类生物却在这里繁衍生息。位于此处食物链底部的微生物,正是以火山喷出的剧毒硫化氢气体为生。科学家说,在早期的地球上,原始生物有可能就生活在类似的环境中,从这里的水、矿物质和热能中获取化学能量。现已发现,如今在这些地方找到的生物在基因上同一些古代生物很相近。感谢微生物!

到了大约35亿年前,即地球24小时历史中的早晨5时,小行星和彗星对地球的密集型猛烈轰炸终于停止,微生物也终于能够在地下、海底或其他各类避难所以外的地方自由地生活了。一旦到达地球表面,生命就有了另一大能量来源:太阳。在地面上,微生物进化出了一种绿色素——叶绿素。有了叶绿素,微生物就能抓住阳光,并利用阳光来把二氧化碳和水转化成食物,这就是“光合作用”,这一巧妙的发明让一些细菌能够几乎没有限制地生长、繁殖。直到今天,光合作用也是所有绿色植物的求生方式。

随着地球的冷却,这新一代的细胞开始向海洋挺进。当时的地球上可能遍布绿色的黏土,由此引发了地球历史上最大的一次转变。有了太阳光和光合作用的推波助澜,生命就能向全球蔓延。在澳大利亚西部的遥远一隅,隐藏着这次转变的重要线索。这里有一些在地质学上被称为“叠层”的圆丘状结构,是由微生物在成千上万年时间里一层一层累积起来形成的地貌,这些微生物也许和几十亿年前统治地球的微生物相似。在附近那些如今了无生机的山头上,则存在着被相信是远古微生物的证据。

这里的岩石已经保持35亿年未变。因此,走在这里也就是走在35年前的地球上。一组科学家在这片荒野中待了好几个月,仔细研究此地的地质地貌,并且制作分类地图。在其中一个地点,他们取得了可能是迄今为止最大的地质学发现之一——世界上最早的化石。这些已有35亿年历史的化石是由叠层组成的,各层之间界限分明。比如,有一层是黑色的,结构上呈现出起皱的特点;紧挨着的第二层则宽、圆一些,也没有那么皱。这些叠层最可能的形成原因就是微生物的生长。

紧接着,科学家又在附近发现了拥有水波纹痕迹化石的叠层,这暗示它们可能是在浅海底形成的。也就是说,和现代叠层一样,这些古代叠层也是由微生物形成的。事实上,有生命的部分只是叠层顶部的一个薄层,这个薄层是由被称为“氰菌”的蓝绿色细菌构成的。

氰菌通过光合作用来收集太阳能,并分泌黏性物质包裹自己,由此避开紫外线辐射。一旦一粒尘埃或沉积物漂到氰菌头上,氰菌就乘机“搭便车”——迁移到水面去吸收阳光。由此形成的沉积层——活的叠层每年只长高不到半毫米,但亿万年来这种生长生生不息。令人惊讶的是,虽然每个氰菌的个头是那么的微不足道,但它们最终形成的叠层相对地却是如此庞大,两者的大小之比就像是由一个个的人组成一幢高150千米、长和宽各为70千米的超级摩天大厦。

随着时间的推移,叠层蔓延至全球。古氰菌进行光合作用的一种“副产品”(或者说是“废气”)就是氧气。这些氧气首先被海洋吸收,并且在那里与从海底火山喷出的铁结合成氧化铁粒子,落到海床上。在接下来的好几百万年中,地球几乎全被“锈蚀”。

或许还有其他因素在起作用,但不管怎样,所有的铁最终都被氧化,一层一层地累积起来,形成了地球上最有价值的矿藏:铁矿。澳大利亚西部的铁矿是全球最大的铁矿之一,这里的铁最早就是在原始海洋的海床上沉积起来的。每个星期,人们都在这里挖掘50万吨重的铁矿石,用来炼钢造汽车、建大楼。在距离此地不到50公里的卡里基里山谷,在更原始的状态下保存着成千上万层远古铁矿,其中各层的形成时间和氧化铁含量都不同,这是因为随着季节变换和水温变化,氰菌的产氧量也会变化。事实上,全球各地有大量以类似的方式累积起来的铁矿。

在地球的24小时历史中,上述过程一直持续到了13时。最终,由氰菌产生的氧开始在地球大气层中堆积。这一过程很缓慢,但最终它却改变了地球。在接下来的大约8个小时里,微生物将大气层中不到1%的氧含量提高到了今天的21%。这时的时间是21时。

说起来这也许令人难以置信,但是如果没有氰菌,就肯定不会有氧气,地球就仍旧会被毒气笼罩,也就永远不可能出现动植物和人类。氧气的另一个作用就是让生物免遭太阳紫外线辐射的伤害,这是因为大气上层的臭氧层能够抵挡紫外线辐射。正是由于受到臭氧层的保护,生命形式才能很快变得更多样、更复杂。在地球历史的24小时里,只用了最后3个小时,地球上现有的一切物种就形成了。

最早的多细胞生物是在21时06分出现的。接着,出现了鱼类、昆虫和爬行动物。到大约22时50分时,恐龙统治了地球。首批灵长类动物出现在23时40分,在最后的30秒才有了人类。也就是说,在地球历史的最后10%时间里地球上才出现了肉眼可见的生命形式。花了10亿年至20亿年时间,原始微生物所产生的氧气数量才足以改变整个地球大气层。正是因为细菌们长期不懈的辛勤工作,才为我们所熟悉的多细胞生物——动植物以及这些动植物所赖以生存的环境的出现奠定了基础。

总而言之,微生物统治地球达30亿年以上,也就是地球历史的三分之二。正是这些小小的生物体改变了整个地球的面貌,要是没有它们,包括人类在内的一切复杂生物就根本无从谈起。所以我们要说:感谢微生物!


发表于 2015-11-9 12:57:32 来自手机 | 显示全部楼层
这意思就是说,这是个怀孕的过程,也可能难产。外星人可能就流产了。
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