第4章生命的起源与早期演化要点概述4.1所有生命具有相同的关键特征。生命是什么？总体来说，所有已知的生命具有一些相同的特征，在很大程度上我们正是以这些共同特征来定义生命。4.2对于生命起源的认识众说纷绘。生命起源的理论。对生命起源既有宗教的观点又有科学的观点。下文仅对后者加以讨论一因为只有后者是可以用实验检验的科学家对生命起源的地点存在争议。原始地球大气富含氢，为有机物质的形成提供了大量的高能电子。米勒一尤里（Miller一Urey)实验。科学家们力图用实验再现原始地球产生许多重要的生命物质的条件。4.3最初的细胞只具有很简单的内部结构。生命起源的理论。早期细胞被认为自发产生，但对其具体过程未能达成共识。早期细胞。最早的细胞化石是细菌化石，其外观之小肉眼无法识别。4.4最初的真核细胞比细菌大而复杂。最初的真核细胞。最早的真核细胞化石直到15亿年前才出现一一在细菌出现之后至少20亿年。真核细胞中的四个界是多细胞生物地球之外也发生过生命的进化历程吗？似乎在我们的星球之外也发生过生命的进化过程。这种推测的根据之一，来自木星的一个卫星一一欧罗巴（Europa）。在它表面下的温水中，可能有生命的存在。许多科学家为生命在地球上的起源勾勒了各种有趣的图景，但我们能确切证实的很少。新的假说不断被提出，旧的理论也在不断被重新评价。在本书正式出版之时，本章中提出的一些生命起源的理论已经明显过时了。因此，那些存在争议的观点将以一种开放的形式放在本章中，力求表示这样一个事实：关于地球上的生命起源到现在尚无统一的答案。虽然哈勃天文望远镜最近拍摄到的照片使
第4章 生命的起源与早期演化 要点概述 4.1 所有生命具有相同的关键特征。 生命是什么？总体来说，所有已知的生命具有一些相同的特征，在很大程度 上我们正是以这些共同特征来定义生命。 4.2 对于生命起源的认识众说纷纭。 生命起源的理论。对生命起源既有宗教的观点又有科学的观点 。 。下文仅对后 者加以讨论——因为只有后者是可以用实验检验的。 科学家对生命起源的地点存在争议。原始地球大气富含氢，为有机物质的形 成提供了大量的高能电子。 米勒－尤里(Miller－Urey)实验。科学家们力图用实验再现 。 原始地球产生许多 重要的生命物质的条件。 4.3 最初的细胞只具有很简单的内部结构。 生命起源的理论。早期细胞被认为自发产生 。 ，但对其具体过程未能达成共识。 早期细胞。最早的细胞化石是细菌化石 。 ，其外观之小肉眼无法识别。 4.4 最初的真核细胞比细菌大而复杂。 最初的真核细胞。最早的真核细胞化石直到 。 15 亿年前才出现——在细菌出现 之后至少 20 亿年。真核细胞中的四个界是多细胞生物。 地球之外也发生过生命的进化历程吗？似乎在我们的星球之外也发生过生 ？ 命的进化过程。这种推测的根据之一，来自木星的一个卫星——欧罗巴（Europa）。 在它表面下的温水中，可能有生命的存在。 许多科学家为生命在地球上的起源勾勒了各种有趣的图景，但我们能确切 证实的很少。新的假说不断被提出，旧的理论也在不断被重新评价。在本书正式 出版之时，本章中提出的一些生命起源的理论已经明显过时了。因此，那些存在 争议的观点将以一种开放的形式放在本章中，力求表示这样一个事实：关于地球 上的生命起源到现在尚无统一的答案。虽然哈勃天文望远镜最近拍摄到的照片使
宇宙的年龄又起争议，但有一点很清楚地球是在大约46亿年前形成的。最古老的生命的直接证据一一古岩石中的微生物化石一一形成时间是35亿年前。生命起源似乎仅仅是将物理条件与化学过程正确地结合(图4.1)。4.1所有生命具有相同的关键特征。46亿年前刚刚形成的地球是一大团炽热的熔岩。随着它慢慢冷却，大气中的水蒸汽便凝结成液态水，汇聚在化学成图4.1生命的起源。在恰当的时间分丰富的海洋中。生命起源的场景之一便和地点，物理事件和化学因素联合是这稀释的，散发着难闻气味的“热汤”。作用，创造了地球上第一批有生命的细胞。其中富含氨、甲醛、甲酸、氰化物、甲烷、硫化氢和各种烷烃。无论在大洋的边缘，抑或是深海的水热喷口，还是别的什么地方，科学家们已达成共识，生命就是在不到40亿年前自发产生于这样的早期水体中。然而，生命发生的具体过程还是一个谜，一个疑问总是紫绕在每个人的心头一一生命起源的最初步骤是怎么样的？正是这些步骤产生了后来的这个生物界，包括我们自身在内。生命究竞是怎样从原始海洋中游代着的复杂分子进化来的?生命是什么？
图 4.1 生命的起源。在恰当的时间 。 和地点，物理事件和化学因素联合 作用，创造了地球上第一批有生命 的细胞。 宇宙的年龄又起争议，但有一点很清楚， 地球是在大约 46 亿年前形成的。最古老的 生命的直接证据——古岩石中的微生物化 石——形成时间是 35 亿年前。生命起源似 乎仅仅是将物理条件与化学过程正确地结 合(图 4.1)。 4.1 所有生命具有相同的关键特征 4.1 所有生命具有相同的关键特征。 46 亿年前刚刚形成的地球是一大 团炽热的熔岩。随着它慢慢冷却，大气中 的水蒸汽便凝结成液态水，汇聚在化学成 分丰富的海洋中。生命起源的场景之一便 是这稀释的，散发着难闻气味的“热汤”。 其中富含氨、甲醛、甲酸、氰化物、甲烷、 硫化氢和各种烷烃。无论在大洋的边缘，抑或是深海的水热喷口，还是别的什么 地方，科学家们已达成共识，生命就是在不到 40 亿年前自发产生于这样的早期 水体中。然而，生命发生的具体过程还是一个谜，一个疑问总是萦绕在每个人的 心头——生命起源的最初步骤是怎么样的？正是这些步骤产生了后来的这个生 物界，包括我们自身在内。生命究竟是怎样从原始海洋中游弋着的复杂分子进化 来的？ 生命是什么？
在我们回答这个问题之前，必须先考虑一点：什么才可以称之为“生命”。生命是什么？这是一个很难回答的问题，很大程度上是因为生命本身不是一个简单的概念。如果你想对生命下一个定义，你会发现这不是一件轻易的事，因为这个词使用的范围很宽泛。假想两个宇航员在某个行星的表面遭遇一大团没有一定形状的块状物，他们怎么断定那是不是生命？图4.2运动。动物进化出可以在环境中自由移动的机能。有些动物，如长颈鹿，在陆地上运动，有些动物则在水中或空中运动。运动（movement）首先这两名宇航员要做的是就是观察这团块状物能否运动。大多数动物具有运动能力，但能从一处移动到另一处（图4.2）并不能作为是否是生命的判别依据。大多数植物甚至有些动物都不能运图4.3敏感性。这头雄狮子的幼仔在咬它的尾部，它正在对动，而无数的非生物这一刺激作出反应。就我们所知，所有的生物都能对刺激做体，比如云，却可以出反应一一虽然并不总是对同样的刺激，做出的反应也未必相同。如果小狮子去咬树，而不是它父亲，反应就不会这样移动。因此，运动作明显。为判别依据既不是必要的（所有生命都有），也不充分（只有生命才有）
图 4.2 运动。动物进化出可以在环境中自由移动 。 的机能。有些动物，如长颈鹿，在陆地上运动， 有些动物则在水中或空中运动。 图 4.3 敏感性。这头雄狮子的幼仔在咬它的尾部，它正在对 这一刺激作出反应。就我们所知，所有的生物都能对刺激做 出反应——虽然并不总是对同样的刺激，做出的反应也未必 相同。如果小狮子去咬树，而不是它父亲，反应就不会这样 明显。 在我们回答这个问题之前， 必须先考虑一点：什么才可以称 之为“生命”。生命是什么？这是 一个很难回答的问题，很大程度 上是因为生命本身不是一个简单 的概念。如果你想对生命下一个 定义，你会发现这不是一件轻易 的事，因为这个词使用的范围很 宽泛。 假想两个宇航员在某个行星 的表面遭遇一大团没有一定形状 的块状物，他们怎么断定那是不 是生命？ 运动(movement) 首先这两 名宇航员要做的是就 是观察这团块状物能 否运动。大多数动物 具有运动能力，但能 从一处移动到另一处 （图 4.2）并不能作为 是否是生命的判别依 据。大多数植物甚至 有 些 动 物 都 不 能 运 动，而无数的非生物 体，比如云，却可以 移动。因此，运动作 为判别依据既不是必 要的（所有生命都有），也不充分（只有生命才有）
敏感性(sensitivity)。宇航员还可能试探这团物体能否对刺激做出反应。所有的生命都对刺激产生反应（图4.3）。植物向光生长，动物遇火退缩。但不是所有的刺激都能令生物做出反应，比如去敲击红杉树或是对着冬眠的熊放声歌唱。这个判别依据，虽然优于上一个，但仍不适合用来定义生命。死亡(death)。也许，宇航员会试图杀死那个块团。所有的生命都会死亡，而非生命则不会。死亡与损坏并不容易区分，一辆车的完全损坏并不意味着死亡，因为它不曾有过生命。死亡是生命的失去，那么充其量只是一个循环定义。除非能检测到生，否则死亡只是一个毫无意义的概念，对判断生命来说远远不够。复杂性(complexity)。最终，宇航员可能切开这个块团来看看它是否结构复杂。生命是复杂的，甚至最简单的细菌也包含了令人眼花缭乱的分子排布一一它们形成许多复杂的内部结构。然而，一台电脑也是复杂的，但却不是生命。复杂性是生命必备的，却不能作为充分条件来鉴别生命，因为许多无生命物体同样有复杂的结构。为了最后确定那团物质是不是生命，宇航员必须知道更多关于生命的信息。很有可能，他们所能做的最佳决策是仔细检查它是否与已知生命相似。如果这么做，又该怎么检查呢？生命的基本特征正如我们在第一章中讨论过的，所有已知的生命都具有某些普遍特征，在很大程度上我们正是以这些共同特征来定义生命。以下这些特征是地球生物所共有的：细胞结构(cellularorganization)。所有生物由一个或多个细胞组成，细胞是束缚在膜内的各种分子复杂而有序的集合体（图4.4）。敏感性。所有的生物能对刺激做出反应，虽然每次对于同样的刺激做出的反应未必相同。生长现象(growth)。所有生物都吸收能量用于生长，这一过程称为代谢。植物、藻类还有一些细菌以CO2和H2O为原料，通过光合作用形成共价的C一C键。这一蕴藏在共价键中的能量转移对于生命意义重大。发育(development)。伴随着生长和成熟，多细胞生物在基因调控下进行系统性
敏感性(sensitivity)。宇航员还可能试探这团物体能否对刺激做出反应 。 。所有 的生命都对刺激产生反应（图 4.3）。植物向光生长，动物遇火退缩。但不是所有 的刺激都能令生物做出反应，比如去敲击红杉树或是对着冬眠的熊放声歌唱。这 个判别依据，虽然优于上一个，但仍不适合用来定义生命。 死亡(death)。也许，宇航员会试图杀死那个块团。所有的生命都会死亡，而 非生命则不会。死亡与损坏并不容易区分，一辆车的完全损坏并不意味着死亡， 因为它不曾有过生命。死亡是生命的失去，那么充其量只是一个循环定义。除非 能检测到生，否则死亡只是一个毫无意义的概念，对判断生命来说远远不够。 复杂性(complexity)。最终，宇航员可能切开这个块团来看看它是否结构复 杂。生命是复杂的，甚至最简单的细菌也包含了令人眼花缭乱的分子排布——它 们形成许多复杂的内部结构。然而，一台电脑也是复杂的，但却不是生命。复杂 性是生命必备的，却不能作为充分条件来鉴别生命，因为许多无生命物体同样有 复杂的结构。 为了最后确定那团物质是不是生命，宇航员必须知道更多关于生命的信息。 很有可能，他们所能做的最佳决策是仔细检查它是否与已知生命相似。如果这么 做，又该怎么检查呢？ 生命的基本特征 正如我们在第一章中讨论过的，所有已知的生命都具有某些普遍特征，在 很大程度上我们正是以这些共同特征来定义生命。以下这些特征是地球生物所共 有的： 细胞结构(cellular organization)。所有生物由一个或多个细胞组成 。 ，细胞是束缚 在膜内的各种分子复杂而有序的集合体（图 4.4）。 敏感性。所有的生物能对刺激做出反应，虽然每次对于同样的刺激做出的反应未 必相同。 生长现象(growth)。所有生物都吸收能量用于生长 。 ，这一过程称为代谢。植物、 藻类还有一些细菌以 CO2 和 H2O 为原料，通过光合作用形成共价的 C－C 键。 这一蕴藏在共价键中的能量转移对于生命意义重大。 发育(development)。伴随着生长和成熟 。 ，多细胞生物在基因调控下进行系统性
的变化。繁殖(reproduction)。所有的生物都会繁殖，将遗传性状传给下一代。虽然有些生物寿命很长，但就目前所知，没有哪种生物能长生不老。由于所有的生命都难逃一死，没有繁殖是不可能有生命的延续的。调节(regulation)。所有的生物体都具有一定的调节机制，使体内各种代谢过程协调进行。内稳态(homeostasis)。所有图4.4细胞结构（150X）。这些具有复杂的单细胞结构的草的生物体保持相对稳定的履虫属于原生生物。在照片上中它们刚刚春食进一些酵母细胞。照片中红色的酵母细胞被封进膜包裹的囊泡中，这内环境，不受体外环境波种囊泡结构称为食物泡。还可以见到一些其他细胞器。动的影响。遗传扮演关键的角色以上这些特征足够用来定义生命了吗？只要是被膜包裹的，可以生长和增殖的东西就可以说是活的吗？不一定。肥皂泡和类蛋白微球体自发地形成包住少量水分的球体，这些球体可以含有产生能量的分子，同时它们可以长大和分裂。尽管具备这些特征，他们显然不能称为生命。因此，刚才所列举的标准，尽管是生命必需的，却不足够用来定义生命。有一点被忽略了一保持生命进步的机制。遗传(heredity)。基于被称为脱氧核糖核酸（DNA）的一种长链大分子的复制机制，所有地球生命拥有一套遗传系统。这种机制产生了长时期以来的适应和进化同时造成了生物的不同特征。为了理解遗传在定义生命中的作用，让我们回顾一下类蛋白微球体。当我们逐个审视微球体的时候，我们只是看到了它某一刻的形态，而对它的祖先一无所知，同样我们也丝毫不能预测它未来的变化。球体微粒只是被动地受变化的环境影响，从这层意义来讲，它不能被称为生命。生命的精髓是具有产生变异，并能通过繁殖将这种变异的结果永久遗传给后代的能力。因此，遗传成为生命与非生
图 4.4 细胞结构（150X）。这些具有复杂的单细胞结构的草 履虫属于原生生物。在照片上中它们刚刚吞食进一些酵母 细胞。照片中红色的酵母细胞被封进膜包裹的囊泡中，这 种囊泡结构称为食物泡。还可以见到一些其他细胞器。 的变化。 繁殖(reproduction)。所有的生物都会繁殖 。 ，将遗传性状传给下一代。虽然有些 生物寿命很长，但就目前 所知，没有哪种生物能长 生不老。由于所有的生命 都难逃一死，没有繁殖是 不可能有生命的延续的。 调节(regulation)。所有的 生物体都具有一定的调节 机制，使体内各种代谢过 程协调进行。 内稳态(homeostasis)。所有 的生物体保持相对稳定的 内环境，不受体外环境波 动的影响。 遗传扮演关键的角色 以上这些特征足够用来定义生命了吗？只要是被膜包裹的，可以生长和增殖 的东西就可以说是活的吗？不一定。肥皂泡和类蛋白微球体自发地形成包住少量 水分的球体，这些球体可以含有产生能量的分子，同时它们可以长大和分裂。尽 管具备这些特征，他们显然不能称为生命。因此，刚才所列举的标准，尽管是生 命必需的，却不足够用来定义生命。有一点被忽略了——保持生命进步的机制。 遗传(heredity)。基于被称为脱氧核糖核酸（DNA）的一种长链大分子的复制机 制，所有地球生命拥有一套遗传系统。这种机制产生了长时期以来的适应和进化， 同时造成了生物的不同特征。 为了理解遗传在定义生命中的作用，让我们回顾一下类蛋白微球体。当我们 逐个审视微球体的时候，我们只是看到了它某一刻的形态，而对它的祖先一无所 知，同样我们也丝毫不能预测它未来的变化。球体微粒只是被动地受变化的环境 影响，从这层意义来讲，它不能被称为生命。生命的精髓是具有产生变异，并能 通过繁殖将这种变异的结果永久遗传给后代的能力。因此，遗传成为生命与非生