都是硬币扔的太多:从Big Bang到疯牛病

生命的产生是物质-能量演化的自然结果
       我们看看原子的结构,原子由原子核和核外电子组成,原子核一般包括中子和质子,而中子和质子是由夸克组成,对夸克的内部结构的解释现在最前沿的理论就是“ 弦理论”,夸克的内部实际是相互作用的能量,夸克之间借由强相互作用而形成我们传统观念中的“基本粒子”。宇宙爆炸之初,能量演化为中子、质子、电子等基本粒子,这些粒子相互结合形成原子。可想而知,产量最大的就是结构最简单的氢原子(一个质子、一个电子),到现在宇宙中最多的元素还是氢。后来,这些氢逐渐聚集到一起,形成恒星的雏形。由于这些“氢团”的质量导致的时空弯曲,从而产生出引力,因此“氢团”越聚越大,中央压力积聚升高,最后将里面的质子挤到一块——核聚变发生了。基本过程就是1个H3和一个H2聚变为一个He4,多出来的一个中子变成能量释放出来。这样,这些“氢团”中央的温度和压力都飞速升高,产生出来的He元素继续聚变为更大的原子,于是在这些一个个点亮的恒星Baby中,元素周期表前26位的元素便逐渐产生出来了。到了第26位的铁元素,其聚变已经不会释放处能量,反而会消耗能量,因此质量较小的恒星演化到这种程度时,光辉就会散去,成为白矮星,我们的太阳的宿命基本就会是如此的。更大的恒星进入老年期时,其巨大的质量造就的核心超高温超高压环境,会导致突然的核心崩溃,发生爆炸式的反应,在这个反应中,才会产生出比铁还要重的元素,比如金、铀等等。(没想到吧,你的金项链是恒星用它的最后的璀璨换来的。)

      这样,在宇宙大爆炸N久之后的日子里,N多恒星形成-爆炸之后,才形成了我们现在宇宙的大致的元素构成。只有这些元素都形成之后,才有形成“类地生命”的最最基本的基础。
      这里,我们假设地球的生命仅仅起源于地球,而不是某些混蛋期望的什么外星人的杰作。当46亿年前开始,还以一团熔岩的Baby地球逐渐温度降了下来,逐渐有了大气。这个时候,大气的主要成分是CH4,NH3,H2O等还原性成分(根据对现有的其他早期行星的光谱分析而来),在闪电的作用下,这些物质被电离,成为高活性的离子态,相互反应,形成包括氨基酸在内的很多种类的有机物(详见Miller’s Simulations,195X年?)。再经过几十亿年的有机物积累,生命的产生才真正开始。

      总结起来就是,宇宙奇点->能量->基本粒子->H原子->恒星->轻原子->重原子->简单有机物->复杂有机物->类地生命。

 

早期生命形式的极端多样性
      这里,生命体如何定义呢?按照现有物种(包括病毒)的特征定义,就是具有以下特征的物质集合:1. 可以摄取环境中的物质和能量,并在内部发生有序的化学变化(新陈代谢);2. 借助外部的物质和能量,可以以一定的介质(遗传物质)将自身的特征保持,并产生仍然具有这种特征及其介质的新个体。
      积累了很多有机物的原始地球海洋,可以称为生命之汤(the soup of life)。在太阳光的紫外线(大气中连氧气都没有,更别说臭氧层)的照射下,里面的反应十分旺盛。我们可以作如下的想象:没准那一天,两个氨基酸就飘到一块去了。后来,形成了一团奇特的物质,它可以借由紫外线提供的能量和由紫外线活化了的化学键,不断地从环境中吸收某种氨基酸,记作AAx。每223个 AAx就会形成一周期的Ω模体,并且维系Ω模体结构的分子间相互作用在存在了223个AAx后就会相互抵消,因而只能形成一个个单独的Ω模体。并且这种对新的Ω模体的形成有着协同促进的作用。这里,Ω模体就可以看做是一种原始生命,它吸收环境中的紫外线能量和AAx物质,并以其自身的结构信息作为遗传介质形成新个体。这和藻类的基本过程是很相似的:吸收可见光和CO2和水,以DNA作为遗传介质,形成新的个体。
      另外还有很多的形式是我一时无法想象的,导致疯牛病的Prion其实就可以看做是一种幸存到现在的早期生命形式。其实Prion并没有“故意”寄生在神经系统的,只是神经系统的条件适合其生长而已。就如我刚才提到的生命之汤几乎适合任何早期生命生长一样。寄生这个概念只是作为寄主才有的概念而已,在 Prion看来,它只是适合于在此地生长而已。
      有经过了十几亿年的演化,“生命之汤”的成分构成也发生了巨大的改变,简单有机物含量被极大地消耗从而大不如前,前面提到的“Ω模体”生物已经很难从环境中获得AAx单体,从而不再有新的个体产生(灭绝)。生命之汤中最早起源的很多生命形式可能都会在此终结,但他们并不是没有意义的:这个过程中“发明”了很多中生化反应和生物过程,并积累了很多复杂的有机物或生命结构,我们的Ω模体没准最后便以别的形式,成为更复杂生命的组成部分;在此过程中,可能发生多种过程的联合,比如多种原始生物互为反应的上下游,从而形成互利共生的关系(这个意义十分巨大,后面详述);在此过程中,筛选出了很多种子选手,为更复杂的生命形式的形成奠定了基础。

 

细胞生命的形成并成为地球的主宰
      某种早期生命的代谢产物就是磷脂分子,这些产物漂浮到了海面上,形成了疏水基相对的双分子层。在这油乎乎的海水下面,就是已经高度发展过后的“生命之汤 ”。突然,一阵狂风,海面上顿时浪花朵朵。海水飞到空中,落入海面,溅起很多气泡,正好有一个“泡泡”包住了生命之汤里的一群生命体,而“泡泡”的外层正好是来自于刚才的“油乎乎”的海面。这样,一个由磷脂双分子层包裹的,内含有多种生命过程的原始细胞就出现了。这种事情在当时每天都在发生,但大多数包裹的内容物都是无关的或者不完善的反应体系。而恰好有一天,包裹出来的泡泡里面包含了一个完整的体系,包括能量利用,物质吸收,遗传信息存储的多个原始生命。这些原本独立的原始生命在这里形成互利共生的关系,因此原本的生物群落,被外层的双分子层包裹之后,便成了单一的个体。当然,能成为一个反应体系的“ 细胞”也并不一定能生存下来。只有那些能良好利用外部能量环境,能产生后代,并能稳定遗传亲本特征的细胞才能很好的得以保留。这种随机试错的筛选过程是需要上亿年作为代价的,但一旦有适应环境的细胞产生,它便可以利用良好的“生命之汤”的外部环境,很快地取得优势地位。这样,稳定的细胞生命就诞生了。稳定的细胞生命产生后,由于生存能力的提高,便对生命之汤及整个地球产生了巨大的影响。随着蓝绿藻等合成氧气的生物的产生,大气环境被改造为氧化型大气,产生的氧气在紫外线的电离下形成臭氧层。因此,生命之汤里的紫外线辐射量骤减,失去了紫外线电离作用的很多化学键都纷纷去活化,没有了如初

  1. 3x,好能写哈. . .
    \n开学比较不忙?

    • 烽兄
    • 三月 5th, 2009 5:32上午

    博主是学术男,不是3X哈

    • LichEnd
    • 三月 5th, 2009 11:50上午

    打酱油路过。
    话说太阳是会变成白矮星然后变成黑矮星…
    更大的回变成超新星…

    长时间没来果然错过了不少东西。
    一个良好的阅读习惯就是读过开头结尾之后再决定要不要读中间的部分。所以我决定mark…

    那么你想说的就是病毒和细胞是共同产生的么=_=
    不过那个标题是什么?你去做自动投币问答机了么。
    结尾的图真赞…

    • dying
    • 三月 5th, 2009 5:50下午

    你们都是学物理的吗,其实?

    • dying
    • 三月 5th, 2009 5:53下午

    BTW,yo2现在真的很难用……还是换个BSP吧!

  1. 还没有引用通告。