书城科普读物地球之难:困境与选择
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第20章 生命进化

生命能够从一个严酷无情的无机环境中诞生出来,就决非等闲之辈。原始生命是现存的所有生物的共同祖先,它们是细菌或原核生物,是我们看不见、听不到、摸不着、“不足挂齿”的微生物,但它们实际上是地球环境的强大操控者,如果进化没有出现真核生物,那么现在的所有生物就都是细菌。细菌能以最快的速度生长繁殖,其经过一个完整的生长和分裂周期平均不超过20~30分钟,速度快的只要11分钟数量就翻一番。如果以非限制性的指数形式增长,一个单一的细菌细胞不到2天的时间就可以覆盖整个地球表面,1个大肠杆菌细胞在3天内就可以繁殖得超过地球的重量。当1个真核细胞分裂成2个时,1个细菌细胞在这一时间中已分裂成1万亿个细胞,1个细菌的基因组包含约300万个碱基对,由于错误碱基的插入所导致的最小复制错误频率为10亿分之一,因而这其间由于复制错误会产生的几百亿个突变体,这些突变体会独立地分散开来,并经受着自然选择的淘汰,当生存条件发生变化时,总有一些突变体能利用新的条件生存并迅速繁殖,细菌通过惊人的繁殖速度和变异能力而形成的多样性覆盖了生物圈的一切生态位。

地球上凡是有生物存在的地方都有细菌,甚至在32000米的高空、11000米深的海沟、北海海底下3000米深的含油岩层的热碲化物水样中、南非金矿下3500米深温度达65摄氏度的地方都有细菌存在;古细菌中的嗜热细菌能在海洋热水口110摄氏度的环境中生长旺盛,嗜盐细菌能在死海和大盐湖极咸的环境中生存,不依赖叶绿素获取光能的光养古细菌,产甲烷菌则占据了有机物在无氧条件下分解的每一个位点。与地球生命诞生前相比,今天地球表面自身的纯化学过程已稳定在一个相对静止的状态,其化学变化与生物作用所造成的化学变化相比已微不足道。地球的表面环境已经由生命“改造”了无数次,在很大程度上它就是生命的产物。由此我们可以看到地球生命之基础的普遍性、顽强性和生命调控环境的巨大作用。

原核生物的多样性不仅是通过细胞分裂的突变而出现,而且还开辟了交合重组的新道路,这就是性。许多细菌细胞表面有成分特定的被称为“菌毛”的长细丝,它的进化导致了性别的出现。具有性菌毛的细胞(称为雄性)用这种细丝与缺乏菌毛的雌性细胞交合,给雌性细胞输入一个DNA片断(称为质粒),注入的DNA与受体的DNA重新组合,形成由双亲提供基因组成的杂种染色体,交合重组的出现使生命的进化更具创新性。

更为新奇的是,从原核细胞到真核细胞的进化源自原始吞噬细胞而不是两性的交合重组。德迪夫支持“内共生体”说,认为真核细胞的一些组成部分,包括线粒体、叶绿体,可能还有过氧化物酶体等3种由膜包被的粒状细胞器事实上皆来自细菌。某些种类的细菌被一些真核生物的祖先所吞噬,并被永远地接受成为细胞的内共生体。真核生物的历史可分为35亿~15亿年前的前内共生体和15亿年前至今的后共生体两个时代,第一时代包括了从祖先原核细胞转变成为能捕获细菌和接纳内共生体的细胞的全过程。

考古学总是不断地有所发现,因而会不断地修正以依据化石证据所得出的一些结论,这在科学和认识发展史上是很正常的。科学家原认为,直至6亿年前寒武纪生物大爆炸之前,地球上的生命形式都是单细胞微生物。然而,科学家们对西非加蓬山区出土的250多个生物体化石标本的研究,发现这是生活在21亿年前的肉眼看得见的群居生物,多细胞生命的诞生时间因此而大大推前。

性的起源虽然很早,但单细胞生物的繁殖方式主要是通过简单的细胞分裂增殖,有性繁殖是在其危急时刻才采用的繁殖方式。多细胞真核生命形式的出现也不是直接源于纵向的有性繁殖,而是源于横向的细胞群集协同进化。细胞因群集方式比单个方式更有利于避免天敌、环境伤害和有利于繁殖成功而得以保持,多细胞生物通过相互关联、功能分工、整体协同、模式控制、生殖变异、环境选择而进化出了动物、植物、真菌这种新的多样化的多细胞生命组织形式。

从生殖的效率看,无性生殖最高,有性生殖最低,但为什么会进化出有性生殖?已有的解释很难使人满意。有人认为,有性生殖使基因发生重组,为变异提供了机会,从而有利于生物多样性的出现,但不同的看法认为这是一把双刃剑,有性生殖有利于变异,同时又拆散了许多本已有利的组合,如果有性生殖有极大的进化优势,何以无性生殖能广泛地存在于自然界中?人们倾向于后一种解释:在一个较少风险的环境中,无性生殖更有利;在一个多变的环境中,有性生殖因提供了变异机会,因而更重要。而且在复杂多变的热带雨林中,无性种相对较少,在简单的高纬度、高海!地区,无性生殖种较多也支持这一解释。后一种解释虽然有所改进,但仍不能令人满意地回答无性生殖何以能广泛地存在于自然界中的问题。

事实上,这里不仅存在生殖的优劣问题,还存在资源环境的优劣问题。无性生殖的微生物更能适应严酷的环境。在有性生殖进化出来之前,生物的生殖主要受光、温度、湿度、降水、气压、风、雷电等气候因子和土壤因子的影响,无性生殖以速度取胜,它们自我复制的变异概率虽然很低,但由于繁殖的速度极快,变异出现的速度也很快,因而对环境变化有极强的适应性,这使得它们有能力很快就占据了生物圈中的所有生态位,使地球表面成了一个大菌球。到了这时,生命的压力就不再是繁殖不足,而是生存资源不足,利用环境中的资源来组织自身是生命的本质特性,这种资源不仅包括环境中的气候和其他无机物质资源,还包括现成的生命有机物质资源,利用生物资源和开辟利用无机资源新途径的生命形式就被自然所选择。

有性生殖以所有生命个体的差异性和必死性区别于无性生殖,而不否定、替代无性生殖,有性生殖的个体差异性为生物多样性的进化从而为资源利用的多样性开辟了新天地,必死性又为生物不断进化扫清了道路。死是生命的否定,但没有死就没有取有性生殖方式的生命的进化,有性生殖虽然不断地拆散本已有利的组合并不断地抛弃所选择的组合,按人的功利主义眼光看,这似乎是一种极奢侈的浪费,人们常为不世出的天才、伟人、美人都会无可奈何花落去而伤感,但进化没有目的和计划,它只在其不可逆的进程中不断选择自然适应性的生命形式。

动物经约6亿年的进化出现了人类,人类与其他动物的最大区别是拥有一个发达的脑。人脑拥有约1000亿个神经元细胞,每个神经元平均有约10000个接头,并涉及至少50种不同种类的突触。单个神经元可同时向千万个神经细胞发送并同时接受它们的信息。全世界的计算机加起来,也不可能形成功能如此丰富的信息处理器。脑是一种“皮层”结构,皮层是约0。2厘米厚的神经组织,包含6层不同的细胞,里面包被着更古老的脑部分,如修正体重的影响,从最低等的哺乳动物到黑猩猩,脑皮层的尺寸增加了60倍,从黑猩猩到人,又增加了3倍。人脑在5个月的胎儿时即生成了所有神经元,此后神经元不再产生,而是每天死亡几十万个,但神经元的联系却会增加。脑神经元网络的主要连线是由遗传决定的,不同的人会有细节的差异。神经元联系的更大差异与胚胎发育过程有关,与出生后发育成长、工作生活经历则有着更大的关系。刚出生的婴儿拥有一生中最多数量的神经元,但其间的联系较少,更多的联系是在此后的成长和生活过程中建立起来的,在这个基础上产生了除宇宙之谜外的另一个最大的谜———人的心智。

新的研究还表明,智力不仅取决于大脑的容积或大脑所含神经元的总数,还取决于组成神经元突触的分子多样牲。以往人们认为,神经元突触的蛋白质成分在多数动物中是相似的,较多的突触使高等动物具有精密的思想行为。一项由英国韦尔科姆基金会、爱丁堡大学、基尔大学合作,由塞思·格兰特负责的对哺乳动物的神经元突触中约600种蛋白质的研究意外发现,其中只有50%的蛋白质存在于非脊椎动物的突触中,而没有大脑的单细胞动物只拥有其中的25%。格兰特认为,神经元的数量不足以解释智力的高低,组成神经原突触的分子多样性可能是个关键,单细胞动物中蛋白质是能够参与简单动作的“原神经元突触”,随着非脊椎动物和脊椎动物的进化,新的蛋白质产生并加入到原有的蛋白质之中,从而使这些动物不断发展,逐步拥有更加复杂的动作。

人的心智是人脑进化的产物,又是后天历史塑造的产物,它产生于人脑的神经活动,产生出感觉、感情、意识、思维,并创造出一个文化世界,同时又反过来受它的感觉、创造物和感知、认知的环境所影响和塑造。它是物质与精神、生理与心理的界面,是二者相互联系、相互作用、相互转化的媒介。宇宙在演化过程中出现了生命,这是对宇宙无机演化过程的一个否定;生命在进化过程中出现了人的心智,这是对生物细胞进化过程的一个否定;心智在进化过程中创造了一个精神外化的文化世界,这是对生物自然进化过程的否定。这种否定是自然演化朝向复杂化进程中出现的几个突变性、飞跃性的转化,其转化的机制我们还不清楚。

人类的出现,使得一个不同于物质现象的精神现象在进化中诞生出来,物质世界及其活动至此转向了自己的反面———精神世界及其活动,它对物质世界进行反映,并依据这种反映来支配反映者生物对物质世界包括“客体”和“主体”自身的反作用。人类文化是人类心智的集体创造物,反过来又被人类心智同化吸收,并对人脑神经元的联系产生极大影响。人类心智和文化的出现,使地球生命进化出现不再只是一个生物学问题,而是还有一个有能力改变生物进化进程的文化进化问题。

相似的东西很多,一样的东西却罕见。科学家相信地球不是独一无二的,因为地外行星已有发现,但却又是相当独特的,因为所发现的地外行星罕有具有适合生物生存的条件。德迪夫认为,生命起源于一个有机化学过程,有机化学只是碳化学,有机碳无处不在,它们弥漫于宇宙,构成20%的星际尘埃,星际尘埃构成0。1%的银河物质,无论在哪里,只要其物理状况与40亿年前的地球状况相似,生命必定会以一种与地球上的分子相差无几的形式产生。进化在每一个生物圈中都起作用,遵循同一的普遍原理,偶然突变与环境间不断相互作用,决定着自然选择的进程,任何两个生物圈不会有相同的历史。无论何时何地,只要条件允许,生命有产生智慧的本性,意识思维由生命产生,是物质的基本表现,属于宇宙学的基本图景。宇宙是有意义的,有其内在的必然性,就算生命和心智是罕有的,也是物质令人敬畏的表现,思维是宇宙的一种能力,它借此反思本身,发现自身的结构,理解固有的存在如真、美、善、爱,这就是宇宙的意义。也许我们难以获得绝对真理,也没有绝对的美和善,但我们追求真理,有共同的对真、美和善的向往。我们应当谦虚,从猿到人的进化只花了几百万年,太阳还会稳定几十亿年,生物圈心智的进化远未完结,也许在未来会进化出比我们更有力的心智。