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        原始湯和進(jìn)化論

        時(shí)間:2023-02-11 理論教育 版權(quán)反饋
        【摘要】:科學(xué)家們認(rèn)為,生命是蛋白質(zhì)的存在形式,離開蛋白質(zhì)的生命現(xiàn)象是不可思議的。恒星的壽命與質(zhì)量大小密切相關(guān)。一如科學(xué)家所設(shè)想的,在地球的原始湯中,生命進(jìn)化所需的化學(xué)成分,在生命進(jìn)化產(chǎn)生之前隨機(jī)組合著。這是達(dá)爾文首次提出“樹狀生命進(jìn)化論”。可以這么說,進(jìn)化樹在達(dá)爾文理論中的重要性絲毫不亞于自然選擇,它使進(jìn)化論在科學(xué)界大獲全勝。

        傳統(tǒng)科學(xué)家認(rèn)為,地球最初的生命起源于原始湯,在經(jīng)過優(yōu)勝劣汰、物競(jìng)天擇的自然法則后,衍化出如今的萬物。

        科學(xué)家們認(rèn)為,生命是蛋白質(zhì)的存在形式,離開蛋白質(zhì)的生命現(xiàn)象是不可思議的。蛋白質(zhì)的存在和生命的發(fā)生需要一定的條件,不具備這些條件就不可能有生命。那么,生命的產(chǎn)生必須具備哪些條件呢?

        以地球現(xiàn)今生物生存所需的條件來看,生命產(chǎn)生的條件極其苛刻。這不僅要求有恰好距離、質(zhì)量的母恒星,還要求行星本身擁有適中的化學(xué)元素、水、溫度、大氣等等。

        智慧生物的誕生要求恒星必須至少能在約50億年時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定地發(fā)出光和熱。恒星的壽命與質(zhì)量大小密切相關(guān)。大質(zhì)量恒星的熱核反應(yīng)只能維持幾百萬年,這對(duì)于生命進(jìn)化來說是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。太陽質(zhì)量的恒星恰恰是合適的候選者。第二個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是行星到母恒星的距離必須恰到好處。太陽系有八大行星,但明確處在能有條件形成生物的所謂生態(tài)圈內(nèi)的只有地球。金星和火星位于生態(tài)圈邊緣,直至目前的探測(cè)活動(dòng)表明,在它們的表面都沒有生物存在。

        對(duì)一顆行星來說,能具有生命存在所必須滿足的全部條件實(shí)在是十分罕見的。以下是行星產(chǎn)生生命所需的四個(gè)條件:其一,必備的化學(xué)元素。對(duì)現(xiàn)代生物有機(jī)體的研究表明,其主要物質(zhì)組成是碳、氫、氧、氮、磷等元素,這些元素是生命發(fā)生的必要物質(zhì)條件。其二,液態(tài)溶液。以地球?yàn)槔?。這顆藍(lán)色的星球布滿了水,被稱為水球。而地球本土上的生命是在水中產(chǎn)生,并在9/10的時(shí)間里全部生活在水中,后來雖有部分生物登上陸地,但都離不開水。其三,適當(dāng)?shù)臏囟?。?duì)生物體來說,溫度不能太高也不能太低。溫度太高,有機(jī)分子必然運(yùn)動(dòng)過劇,甚至瓦解;溫度過低,生命過程進(jìn)化緩慢,甚至停止,生命物質(zhì)又難以適應(yīng)變化的環(huán)境。如果生命產(chǎn)生在水中,水的溫度一般在0℃—100℃之間,這樣,生命體的適應(yīng)性就基本有了保障。其四,一定數(shù)量和質(zhì)量的大氣。生物體只有與周圍環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)交換才能生存,在這一過程中,一定數(shù)量的大氣是必不可少的條件,生命不可能發(fā)生在沒有大氣的天體上。天體要在其周圍留住大氣,就必須有足夠大的重力,也就是說,天體必須具備相當(dāng)大的質(zhì)量。質(zhì)量太少,重力太小,引力就小,天體周圍的大氣就要脫離這個(gè)天體而逃到其他天體上。沒有大氣的天體,它的表面也不可能有液態(tài)的水或其他溶劑,沒有液態(tài)溶劑,生命將無從產(chǎn)生。

        太陽系中的地球便是至今所知的獨(dú)一無二的幸運(yùn)兒。生命誕生的進(jìn)程慢慢拉開了序幕。

        生命產(chǎn)生前在分子水平上的進(jìn)化(Prebiological Evolution)被稱為化學(xué)進(jìn)化。這門學(xué)科試圖解答物質(zhì)是如何產(chǎn)生的問題。即怎樣由簡(jiǎn)單、無機(jī)的小分子進(jìn)化到復(fù)雜、有機(jī)的大分子,進(jìn)而產(chǎn)生生命體。

        生命來自非生命,這是現(xiàn)代科學(xué)家所認(rèn)為的。據(jù)大爆炸理論來推斷,在宇宙必定有至少100億歲的時(shí)候,生命在我們這個(gè)行星上悄然出現(xiàn)。生命出現(xiàn)的前提條件之一,是圍繞太陽的原初行星的氣體在45.6億年前開始固化。在此之后不久,地球上的生命開始了緩慢的進(jìn)化過程。

        一如科學(xué)家所設(shè)想的,在地球的原始湯中,生命進(jìn)化所需的化學(xué)成分,在生命進(jìn)化產(chǎn)生之前隨機(jī)組合著。組成已知宇宙98%的六種化學(xué)元素——?dú)?、氦、碳、氮、氧、氖,以及合成第一批自養(yǎng)細(xì)胞所必需的更復(fù)雜的分子在宇宙中合成起來,甚至連氨基酸和核酸也已經(jīng)在宇宙中創(chuàng)生,在隕石中可以找到它們的印跡。因此,我們也可以做出這樣的推斷:在其他行星上生命很可能也以某種形式發(fā)展起來了。要知道,在我們的銀河系中有數(shù)百億個(gè)行星,而宇宙中有數(shù)百億個(gè)銀河系。

        地球的熱環(huán)境和化學(xué)環(huán)境非常適合于作為生命基礎(chǔ)的復(fù)雜分子的合成。例如糖、氨基酸、嘌呤、嘧啶這樣的單體和由這些單位,如蛋白質(zhì)、核酸和其他大分子構(gòu)成的線性復(fù)合體便合成起來。在某個(gè)時(shí)候,原核細(xì)胞誕生了。它們以更高生命形式的先導(dǎo)身份出現(xiàn),并成了這一星球上正在出現(xiàn)的生物圈中的主要要素。

        生物進(jìn)化論者認(rèn)為,除病毒和細(xì)菌外,今天分布在地球上的生物物種都是從早期的原核細(xì)胞演化而來的,整個(gè)物種家族在標(biāo)志成功的進(jìn)化時(shí)代的突創(chuàng)中出現(xiàn)。

        生物的進(jìn)化是一種極為緩慢的過程,所經(jīng)歷的時(shí)間之長(zhǎng)完全可以同太陽的演化過程相比。太陽系形成后大約經(jīng)過50億年之久地球上才有人類?,F(xiàn)在設(shè)想,把每50億年按簡(jiǎn)單比例壓縮成1年。用這樣的標(biāo)度,1星期相當(dāng)于現(xiàn)實(shí)生活的1億年,1秒鐘相當(dāng)于160年。從宇宙大爆炸起到太陽系誕生,已經(jīng)過去了大約2年時(shí)間。地球是在第3年的1月份中形成的。3、4月份出現(xiàn)了藍(lán)/綠藻類這種古老單細(xì)胞生物。嗣后,生命在緩慢而不停頓地進(jìn)化。9月份地球上出現(xiàn)了第一批有細(xì)胞核的大細(xì)胞,10月下旬可能已有了多細(xì)胞生物。到11月底,植物和動(dòng)物接管了大部分陸地,地球變得活躍起來。12月18日恐龍出現(xiàn)了,這些不可一世的龐然大物僅僅在地球上稱霸了一個(gè)星期。除夕晚上11時(shí),北京人問世了,子夜前10分鐘,尼安特人出現(xiàn)在除夕的晚會(huì)上?,F(xiàn)代人只是在新年到來前的5分鐘才得以露面,而人類有文字記載的歷史則開始于子夜前的30秒鐘。近代生活中的重大事件在舊年的最后數(shù)秒鐘內(nèi)一個(gè)接一個(gè)加快出現(xiàn),子夜來臨前的最后一秒鐘內(nèi),地球上的人口便增加了兩倍。

        有一點(diǎn)值得我們注意:地球誕生后大部分時(shí)間一直在撫育著生命,但只有很短一部分時(shí)間,生命才具有高級(jí)生物的形式。

        1837年7月,達(dá)爾文坐在小屋里,畫下一幅纖細(xì)的樹形結(jié)構(gòu)圖,以此來闡述物種的進(jìn)化方式。這是達(dá)爾文首次提出“樹狀生命進(jìn)化論”。

        22年后,這一理論公之于眾,在此基礎(chǔ)上,LUCA(Last Universal Common Ancestor,縮寫為L(zhǎng)UCA)概念形成。LUCA,即“第一個(gè)基本的共同祖先”。由LUCA衍生出的一個(gè)軀干,經(jīng)過一次次分裂,生長(zhǎng)成一棵枝葉繁茂的大樹,每個(gè)分支都相當(dāng)于一個(gè)物種。這個(gè)樹形圖表可以簡(jiǎn)明地表示生物的進(jìn)化歷程和親緣關(guān)系。

        具體來說,進(jìn)化樹以所有現(xiàn)存生物的共同祖先為基礎(chǔ),伸展出樹干,然后從樹干不斷地分支,最后便形成典型的大樹結(jié)構(gòu)。一如我們所知,樹上的每一個(gè)分支都代表著一個(gè)單獨(dú)的物種,而分支點(diǎn)則表示該物種在進(jìn)化上一分為二。如果樹枝不幸終結(jié)于某個(gè)死角,就表明該物種已經(jīng)滅絕;成功到達(dá)樹枝頂端的則代表現(xiàn)存的物種。這顆獨(dú)特的進(jìn)化樹試圖向人們展現(xiàn)曾經(jīng)存在于地球上的每一物種之間千絲萬縷的復(fù)雜關(guān)系,并追溯生命是如何從最初的形態(tài)走到了今天??梢赃@么說,進(jìn)化樹在達(dá)爾文理論中的重要性絲毫不亞于自然選擇,它使進(jìn)化論在科學(xué)界大獲全勝。

        達(dá)爾文進(jìn)化樹的手稿

        現(xiàn)代生物進(jìn)化樹

        地球上的生命,從最原始的無細(xì)胞結(jié)構(gòu)生物進(jìn)化為有細(xì)胞結(jié)構(gòu)的原核生物,又從原核生物進(jìn)化為真核單細(xì)胞生物,然后按照3個(gè)不同的營(yíng)養(yǎng)路線發(fā)展,出現(xiàn)了真菌界(Fungi Kingdom)、植物界(Plant Kingdom)和動(dòng)物界(Animal Kingdom)三大類生物世界。其一是沿著具有光合作用的自養(yǎng)路線發(fā)展成為植物界;其二是沿著吞食現(xiàn)成營(yíng)養(yǎng)的路線發(fā)展成為動(dòng)物界;其三則沿著吸收營(yíng)養(yǎng)的異養(yǎng)路線發(fā)展為真菌界。真菌界由從沒有鞭毛進(jìn)化到壺菌門、接合菌門、子囊菌門、擔(dān)子菌門;植物界:?jiǎn)渭?xì)胞藻類→多細(xì)胞藻類→苔蘚植物→蕨類植物→裸子植物→被子植物。動(dòng)物界從原始鞭毛蟲到多細(xì)胞動(dòng)物,從原始多細(xì)胞動(dòng)物到出現(xiàn)脊索動(dòng)物,進(jìn)而演化出高等脊索動(dòng)物——脊椎動(dòng)物。脊椎動(dòng)物中的魚類又演化到兩棲類再到爬行類,從中分化出哺乳類和鳥類,哺乳類中的一支進(jìn)一步發(fā)展為高等智慧生物,這就是人。

        生物界的歷史發(fā)展表明,生物的進(jìn)化遵循從單細(xì)胞到多細(xì)胞、從水生到陸生、從簡(jiǎn)單到復(fù)雜、從低等到高等的過程,從中呈現(xiàn)出一種進(jìn)步性發(fā)展的趨勢(shì)。

        達(dá)爾文,英國(guó)博物學(xué)家,進(jìn)化論的奠基人。他在動(dòng)植物和地質(zhì)方面進(jìn)行了大量的觀察和采集,經(jīng)過綜合探討,形成了生物進(jìn)化的概念。1859年,達(dá)爾文出版了震動(dòng)當(dāng)時(shí)學(xué)術(shù)界的《物種起源》一書,“物競(jìng)天擇,適者生存”這一概念開始廣為人知。

        達(dá)爾文進(jìn)化論的核心,是關(guān)于人工選擇和自然選擇的學(xué)說。他首先形成了人工選擇的學(xué)說,而后在此基礎(chǔ)上又建立了自然選擇的學(xué)說。

        在總結(jié)育種實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)和自己的科學(xué)實(shí)驗(yàn)中,達(dá)爾文逐步形成了人工選擇學(xué)說。在研究家畜和作物品種起源時(shí),達(dá)爾文首先發(fā)現(xiàn)每一種家畜和作物都有許多品種。他認(rèn)為,不論品種有多少、差異有多大,這些品種其實(shí)都來源于一個(gè)或少數(shù)幾個(gè)野生品種。以家鴿為例。家鴿的品種有很多——達(dá)爾文當(dāng)時(shí)搜集的鴿子有150個(gè)品種,但它們都起源于野生的巖鴿這一種。

        而這些家養(yǎng)生物的各種品種,達(dá)爾文認(rèn)為是人類通過有意識(shí)的選擇而創(chuàng)造出來的。他分析,新品種的形成包括3個(gè)因素:變異、遺傳與選擇。變異起著提供材料的作用,因?yàn)闆]有變異就沒有選擇的原材料;選擇保留了對(duì)人有利的變異,淘汰了對(duì)人不利的變異,沒有選擇,就沒有變異的定向發(fā)展;遺傳鞏固了變異,沒有遺傳,就沒有變異的積累。

        進(jìn)一步的研究使達(dá)爾文確信:各物種的起源也是由于在自然界存在著同人工選擇相似的選擇過程。這就是自然選擇學(xué)說。在人工選擇的學(xué)說的引導(dǎo)下,達(dá)爾文根據(jù)以下三個(gè)觀察到的事實(shí)和由此而得出的兩個(gè)推論,建立了自然選擇學(xué)說。

        達(dá)爾文觀測(cè)到這三個(gè)事實(shí):第一,每一生物都有很高的繁殖率,如果自然界沒有限制生物繁殖的因素,那么各種物種都有按幾何級(jí)數(shù)迅速繁殖后代的趨勢(shì);第二,一般說來,自然界各種生物的數(shù)量在一定時(shí)期內(nèi)都保持相對(duì)穩(wěn)定。盡管生物的繁殖潛力巨大,但實(shí)際上,動(dòng)物的卵子或植物的種子不一定都能發(fā)育,幼體不一定都能成活,它們中的很大一部分被淘汰了;第三,生物普遍地存在著變異。親代與子代并不完全相同,同一親代所生的子代也總有差異。事實(shí)上,沒有兩個(gè)個(gè)體是完全相同的。

        從觀察到的3個(gè)事實(shí)中,達(dá)爾文得出了兩個(gè)推論:第一,自然界物種的巨大繁殖潛力未能實(shí)現(xiàn),是因?yàn)樯娑窢?zhēng)(Struggle for Existence)的存在。一方面生物具有高度繁殖力,另一方面生存條件不允許生物所產(chǎn)生的后代都能生存下來,因而生物必然總是為生存而斗爭(zhēng),或者與無機(jī)環(huán)境作斗爭(zhēng),或者與不同種生物斗爭(zhēng),即種間斗爭(zhēng),或者與同種的其他個(gè)體作斗爭(zhēng),即種內(nèi)斗爭(zhēng);第二,在生存斗爭(zhēng)中,具有有利變異的個(gè)體得到最好的機(jī)會(huì)保存自己和生育后代,那些具有不利變異的個(gè)體在生存斗爭(zhēng)中便會(huì)遭到淘汰。達(dá)爾文把生存斗爭(zhēng)所引起的這個(gè)過程稱為自然選擇(Natural Selection),或適者生存。通過長(zhǎng)期的、一代一代的自然選擇,物種的變異被定向地積累下來,逐漸形成了新的物種,推動(dòng)著生物的進(jìn)化。

        以上就是達(dá)爾文進(jìn)化理論的基本要點(diǎn)。

        達(dá)爾文的進(jìn)化理論,從生物與環(huán)境相互作用的觀點(diǎn)出發(fā),認(rèn)為生物的變異、遺傳和自然選擇作用能導(dǎo)致生物的適應(yīng)性改變?!段锓N起源》一書用大量資料證明了形形色色的生物都不是上帝創(chuàng)造的,而是在遺傳、變異、生存斗爭(zhēng)中和自然選擇中,由簡(jiǎn)單到復(fù)雜,由低等到高等,不斷發(fā)展變化的,從而摧毀了各種唯心的神造論和物種不變論。他所提出的天擇與性擇,在目前的生命科學(xué)中是一致通用的理論,在學(xué)術(shù)界產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。

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