第一章 生命的诞生和进化
第一节 生命的定义
生物界所有生物的基本单位是细胞（cell）。生物（life）有细菌和酵母那样的单细胞微生物（single-cell microbe，single-cell microorganism），无细胞结构的病毒（virus），也有多细胞组成的植物（plant）、动物（animal），可以说细胞是微生物（不包括病毒）、植物、动物生命的基本单位（迈克尔 艾伦 帕克，2014；常洪，2009）。
根据考古研究推测大约35亿年前（Ni et al.，2013），在地球的原始海洋中诞生了生命——单细胞生物，这类生命的基本结构就是细胞，我们把此时的细胞称作原始细胞（archaeocyte）。顾名思义，这种原始细胞的生命机制和现在的细胞相比应该是非常简单的模式。原始细胞随着地球环境的逐渐变化而发生了结构和机能上的生物演化（life evolution），形成了现在的原核生物（prokaryote）和真核生物（eukaryote）。原核生物绝大部分为单细胞构造，也有像螺旋藻、鱼腥草这种多细胞的藻类；而真核生物有单细胞也有多细胞，多细胞生物演化地位不断提升，*终形成哺乳动物（查尔斯 达尔文，2018；李一良和孙思，2016；周长发，2009）。生命的基本概念，强调一个“活”或“动”的特点，我们可以从以下三个要素来定义（图1-1）。
图1-1 体现生命体基本三要素的个体起源模式图
一、自身延续能力（新陈代谢）
生命可以被理解为一台自动调控的生物机器，新陈代谢（metabolism）是生命*基本的过程。它从外界获得所需的能量，通过新陈代谢来维持其自身的种系延续，这是生命和非生命的根本区别（理查德 道金斯，2013；周长发，2009）。例如，一座山、一栋建筑或者是一台机器经过风吹雨打，或不断使用，逐渐被风化、老化，或者破损甚至解体，但它本身没有修复能力，而生命通过遗传调控的物质代谢可完成自身的修复和延续个体的生存。新陈代谢包括两个过程：一是生物体从外界摄入物质，经过一系列的转化与合成过程，将其转变为组成自身的物质，并储存能量，称为同化作用；二是生物体将自身的物质进行分解，释放出能量，把分解所产生的废物排出体外，称为异化作用。同化作用与异化作用是一对矛盾，但是这两个生命过程必须同时进行，生命有机体就是在矛盾中不断更新、修复和成长的（Dodd et al.，2017；Ni et al.，2013）。
二、系统延续能力（生长、繁育和繁殖）
生物的生殖方式多种多样，很多生物可以通过一分为二的分裂方式产生与自身遗传特性完全一样的子代细胞，并由细胞形成组织和生命体；高等植物、动物的繁殖主要通过形成单倍体雌雄生殖细胞，然后通过受粉、受精产生有性生殖后代（沃恩等，2017；常洪，2009；张昀，2019；Christopher and Christopher，2002）。在进行细胞分裂时，细胞内的遗传物质——脱氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid，DNA）首先进行自我复制，然后把两套完全一样的DNA分配到两个子代细胞。这种细胞分裂方式在单细胞生物、多细胞生物、个体生长和生殖细胞发育过程中均可见到。这样由同一祖先来源并在此基础上实现内部的有序性、发展与繁殖的种群称作生命系统（living system），生物就是通过这种方式来维持生命系统的延续。病毒不具备“自我保存”和“自我增殖”能力，所以还不能称作生命系统。
三、演化法则（遗传、变异和进化）
生物演化是在生物延续的漫长岁月中，由于内外因素的影响而自然发生的物种生存、变异的生命现象。因为生物具有演化特征，所以才形成了不同的系统，出现了千姿百态的生物种类（据估计地球上现存的生物种类约有250万种）。生物的演化是历经千百万年漫长的过程由DNA的突变累积引起的。通过进化，生物对自然的适应能力增强，而不适应环境变化的种类被逐渐淘汰，这就是英国生物学家达尔文在19世纪中期提出的进化论观点。生物演化是一个渐进过程，只要生物存在，这种演化就会延续。但是，随着近几十年来遗传学和生物技术的快速发展，特别是以DNA为基础的生物遗传机制的新成果和新发现，推动了生物遗传的“人工操作”[动物克隆（animal cloning）、转基因技术（transgenic technology）、基因编辑（gene editing）、干细胞生物学（stem cell biology）]，使我们对生命和生物演化有了进一步的认识（李喜和，2009）。生物演化是一个从量变到质变的漫长过程，形成了地球上千姿百态的物种，而生殖隔离（reproductive isolation）是新物种演化形成的标志性生理特点，究竟DNA的变异累计多大，或者是发生什么关键DNA变异就产生了生殖隔离，这是关于物种发生的遗传学、进化学研究的重要领域。
第二节 地球生命的诞生
一、宇宙、太阳、地球
原始宇宙（universe）处于真空状态。距今大约120亿年，宇宙的某处一个高温、高压的能量团发生了大爆炸，由此而产生了原子（atom），并形成了分子（molecule），出现了物质世界。现在宇宙中*简单的元素为氢（元素符号为H，原子量为1）、*复杂的元素为铀（元素符号为U，原子量为238），合计共有92种元素存在于自然之中。
物质的产生造就了无数的星云体。我们居住的地球（earth）所属的银河系（Milky Way Galaxy）就是其中之一。银河系是一个直径约10万光年（1光年为光在真空中1年内所行的距离）的圆形星云体，太阳系（solar system）位于距银河系中心约3万光年的地方。太阳（sun）为自己发光的恒星体，有9个行星围绕太阳转动，这9个行星自身不能发光，保持围绕太阳的“公转”和“自转”两种运动形式，地球是其中之一（图1-2）。地球位于金星和火星之间，据目前的研究和推测是唯一有生命的星球体。根据火星探测结果推测，火星可能也有生命体存在，但还没有找到确凿证据。地球上之所以有生命，是因为它具备了其他星球所没有的生命生存条件，这些条件为：①液态水；②适宜的温度；③能源（光）。另外一个很重要而有趣的现象是由于太阳与地球之间的距离和地球本身的大小，产生了适度的重力，而这个重力恰好使液态水和空气能够保持在地球上或边缘，为生命的存续创造了一个得天独厚的环境。
图1-2 风云四号A星拍摄的地球彩色合成图像（董瑶海，2016）
二、海的形成
地球形成时不断受到其他小行星的冲击，由此产生的热量和火山喷发使地球表面处于一种熔岩状态，这个时期的地球大气主要以火山烟为主。现代火山烟的主要成分为水蒸气，此外还含有氢氧化钠（NaOH）、二氧化碳（CO2）、氮气（N2）和硫（S）等成分，与原始火山烟的成分可能基本相似。原始大气中的水蒸气积累到一定程度，随着地球温度的下降以雨的形式落到地球表面，并在低凹地带汇聚，这就形成了原始海洋（proto-ocean）。据推测，原始海洋为pH 0.3左右的酸性水，在漫长的岁月中通过溶解海底的玄武岩中的钠（Na）、钾（K）、镁（Mg）及钙（Ca）而逐渐中和。另外随着降雨的不断发生，把溶解的盐类物质（以NaCl为主）带入海洋，使得海水的盐分浓度不断增加。现代海水的pH为8.1，略呈碱性，盐分含量为3.5%。地球表面72%被水覆盖，这种情况恐怕除地球外没有第二个行星如此，这也是生命在地球产生的基础条件（迈克尔 艾伦 帕克，2014；李一良和孙思，2016）。
三、生命起源学说
迄今为止提出了许多关于生命起源的假说——神创论、宇宙发生论或自然起源论等。在这里之所以称“假说”，是因为生命起源到目前为止还没有定论，但有一点可以肯定，那就是生命是伴随着地球环境物质的化学进化而出现的。在自然起源论中，大部分与地点或代谢有关，包括了基于各种科学家自己喜欢的生物分子命名的各种各样的前生物世界。通常来说，“生命来自哪里？”与“生命是怎么来的？”并不是同样的问题。但是，在生命起源研究群体中，关于*早的自然起源生命是光能自养还是化能自养，或是异养的问题还未达成共识。此外，生命起源研究的核心是建立了一套以遗传密码为核心的模拟生化系统，生命的起源和遗传密码是两个紧密联系的科学问题，对其中一个科学问题的了解需要对另一个科学问题的了解，也有助于对于另外一个科学问题的了解。
（一）神创论
神创论认为世界万物都是由神所创造。《圣经》上说，“起初，神创造天地”（迈克尔 艾伦 帕克，2014；李一良和孙思，2016）。神创论的质疑者认为神创论的根源是类比于人的制造能力，以及对概率论的错误应用。他们认为这种推理的根本错误在于忽视了自然界普遍存在的自组织现象（如雪花、沙丘在一定条件下自动形成某种规则的形状，这显然不是被某高级主体有意制造的，而且也不能用概率论来推断）。生命体的*根本特征是由遗传密码控制的自组织个体，同时可以通过自我繁殖来延续种系，而不是被外来力量制造的。
（二）宇宙发生论（或生命外来论）
这一假说提倡“一切生命来自宇宙”的观点，认为地球上*初的生命来自宇宙间的其他星球，即“地上生命，天外飞来”（张昀，2019；周长发，2009）。这一假说认为，宇宙中的“生命胚种”可以通过陨石或其他途径跌落在地球表面，即成为*初的生命起点。现代科学研究表明，在已发现的星球上，自然状况下是没有保存生命体的条件的，因为没有氧气，温度接近绝对零度，又充满具有强大杀伤力的紫外线、X射线和宇宙射线等，所以任何“生命胚种”是不可能保存的。这个假说实际上把生命起源的问题推到了无边无际的宇宙中，同时这个假说对于“宇宙中的生命又是怎样起源”的问题，仍是无法解释的。
（三）自然起源论
自然起源论又称“自生论”或“无生源论”，认为生物可以随时由非生物产生，或者由另一些截然不同的物体产生，如中国古代所谓“肉腐出虫，鱼枯生蠹”（李一良和孙思，2016；周长发，2009）。中世纪有人认为树叶落入水中变成鱼，落在地上则变成鸟等。自然起源论在19世纪前广泛流行，这种假说认为，生命是从无生命物质自然发生的，如我国古代认为的“腐草化为萤”（即萤火虫是从腐草堆中产生的）、腐肉生蛆等。在西方，亚里士多德（公元前384～前322年）就是一个自然起源论者。
（四）化学起源论
1953年，美国化学家和生物学家斯坦利 劳埃德 米勒（Stanley Lloyd Miller）设计了一个有趣的实验，为生命的蛋白质学说提供了有力的证据（迈克尔 艾伦 帕克，2014；李一良和孙思，2016；张昀，2019；周长发，2009）。这个实验模仿原始大气的主要成分和海洋环境，把氢气（H2）、甲烷（CH4）、氨气（NH3）、水蒸气（H2O）和一氧化碳（CO）置于一个封闭的玻璃容器内，长时间放电诱发各种物质之间的化学反应（图1-3）。米勒通过对回收物质的分析，结果惊奇地发现合成了生物体蛋白质（protein）原料的多种氨基酸（amino acid）成分，而这些氨基酸在他后来采集到的陨石中均得到了证实。米勒的实验也同时发现了组成核酸（nucleic acid）[指脱氧核糖核酸和核糖核酸（ribonucleic acid，RNA）]的数种碱基成分。据此实验结果，米勒提出了生命起源的“蛋白质学说”，他认为原始生命产生于海洋中紫外线达不到的地方，而蛋白质是生命的先驱体。1983年，同是美国科学家的托马斯 罗伯特 切赫（Thomas Robert Cech）在发现RNA的酶促功能之后，提出了生命起源的“RNA学说”。目前这两种学说各据其理，但是还没有更直接的科学证据证明各自真伪。我们可以暂且带着这个问题来进入下面的话题，也许有一天某位读者会解开这一生物学难题。
图1-3 美国化学家和生物学家米勒（S. L. Miller）的生命起源实验（Miller
展开
