神秘的量子生命：08生命起源与量子相干性

08生命的起源

弗雷德·霍伊尔说过，随机化学过程创造出生命的概率，就像龙卷风吹过垃圾场，然后纯属意外地造出了一架大型客机。他的话生动形象地说明，我们今天所知的细胞生命体太过复杂有序，不可能起源于纯粹的偶然，在此之前一定有更简单的自复制体。量子相干性一定在生命起源中扮演了重要角色。

格陵兰岛，在英语中意为“绿色土地”，但那里其实并不是绿色的。大约在公元982年，一个名叫红胡子埃里克（Erik the Red）的丹麦籍维京人为了逃避谋杀罪的指控，从冰岛一路向西航行，发现了格陵兰岛。他并不是第一个发现此岛的人：早在公元前2500年的石器时代，加拿大东部的土著已多次来到这里。但格陵兰岛环境恶劣，几乎是个不毛之地，早期的文明都已消逝，只留下些残存的遗迹。埃里克的运气不错，他到格陵兰岛时，正赶上中世纪暖期，岛上的气候相对温和一些。因此，他用现在这个名字命名此地，希望名中描绘的碧绿牧场可以吸引他的同胞们西行至此。

埃里克的计谋卓有成效，一个数千人的殖民地迅速在那里建了起来，而且至少在起初阶段，有繁荣发展的势头。但是，随着暖期衰退，格陵兰岛又恢复到了大西洋北部的典型气候，中央冰盖不断扩大，覆盖了岛上80%的面积。随着天气条件日渐恶劣，岛民们在沿岸地带贫瘠的浅土上艰难维持着斯堪的纳维亚式的农牧生活，但庄稼收成和牲畜养殖都每况愈下。

令人出乎意料的是，大约在维京殖民地衰落的同时，另一波移民——因纽特人[76]却依靠着非常适应当地条件的复杂渔猎技术，在岛屿北部安居乐业。维京人如果能从因纽特人那里学到这些求生技术，就可能在格陵兰岛谋得一条生路。不过，关于这两个民族之间的交流，我们目前仅有的资料来自一个维京人的记录，文中说“因纽特人在被刺后流血不止”，他的“观察”表明，要让维京人乐于向他们北方的邻居学习似乎不太可能。后果可想而知，大约在15世纪晚期，维京殖民地彻底没落。从遗迹来看，最后几个维京住民为了求生，甚至开始同类相残。

然而，丹麦人从未忘记他们在北方的这个前哨基地，他们于18世纪早期派出一支探险队，想要恢复与当地人的联系。虽然探险队只发现了一些遗弃的房舍和墓地，但这次探访还是建起了一个更成功的殖民地，并最终和当地的因纽特人一起，在格陵兰岛上建成了现代国家的雏形。格陵兰今天的经济从因纽特经济发展而来，在很大程度上依赖渔业，不过，岛上丰富的矿产资源也日渐受到重视。20世纪60年代，丹麦对格陵兰岛进行地理调查，雇用了一位年轻的地质学家对格陵兰西南角首府戈特霍布，格陵兰首府，现已更名努克（Nuuk）附近的地域进行地质调研。这位地质学家名叫维克·麦格雷戈（Vic McGregor），出生于新西兰。

麦格雷戈花了几年的时间乘着一条很小的半开放式小船，游历考察了这片峡湾林立的区域。小船很小，只能容得下他自己和两个从当地招募的船员及偶尔跟随的访客，所有人与渔、猎、宿营工具——和早期因纽特殖民者的工具别无二致——及地质勘探设备挤在一起。利用标准的地层学技术进行检验后，麦格雷戈断定，该区域的岩石已连续累积了十层，最古老也是最深的一层很有可能“真的非常古老”——可能有超过30亿年的历史。

在20世纪70年代早期，麦格雷戈向斯蒂芬·莫巴斯（Stephen Moorbath）在牛津大学的实验室寄去一份古老岩石的样本。因为莫巴斯利用放射性测定岩石年代的技术，在学界有很高的声誉。这种方法依靠对岩石中放射性同位素的比率及其衰变产物进行测量来确定岩石的年代。比如，铀238衰变的半衰期是45亿年（中间经过一系列的核素，并最终衰变为一种铅的稳定的同位素）。由于地球的年龄大约为40亿年，因此，岩石中天然铀的浓度在经历了整个地球历史后会减半。通过测量任何岩石样本中这些同位素的比率，科学家可以计算出岩石形成的时间。

1970年，莫巴斯正是利用这项技术，对麦格雷戈寄给他的片麻岩（gneiss）进行了分析。样本是麦格雷戈从格陵兰西南部一个被称为阿米兹克的沿海地区中凿出来的。麦格雷戈惊奇地发现，片麻岩样本中的铅含量比陆地上任何有记录的矿石或岩石都要多。很高的含铅量意味着阿米兹克的片麻岩正如麦格雷戈所猜测的那样——“真的非常古老”，至少有37亿年的历史，这比之前在地球上发现的任何岩石都要古老。(www.xing528.com)

莫巴斯对这个发现感到非常震惊，以至于他后来多次加入了麦格雷戈在格陵兰的科考探险团队。1971年，两人决定考察偏远的伊苏地区，这里几乎从未有人涉足，位于格陵兰内陆冰盖的边缘（见图8-1）。他们必须先乘坐麦格雷戈的小船来到漂着冰山的戈特霍布峡湾尽头——中世纪的维京移民正是在这里艰难求生，过着甚为不安的生活。

图8-1　格陵兰岛地图及伊苏的位置

之后，莫巴斯和麦格雷戈乘坐当地一家矿产公司提供的直升机进行考察。这家公司对此地也很感兴趣，因为航空地磁勘探显示，那里可能富含铁矿石。两位科学家发现，在伊苏当地的粗玄岩（greenstone）中有许多枕状的岩块，名为玄武质枕状熔岩，由火山熔岩直接喷发进入海水形成。这种火山即所谓的泥火山（mud volcanoes）。这些岩石也可以追溯到37亿年以前。该发现清楚地说明，地球在形成[77]后不久，就出现了温热的液态海洋，泥火山（见图8-2）的熔岩从浅海底部的“热水口”不断地喷涌而出。

然而，当哥本哈根地质博物馆的研究员米尼克·罗辛（Minik Rosing）测出伊苏粗玄岩中碳同位素的比例时，真正的惊喜才横空出世。岩石中含有约0.4%的碳元素。在分别测量碳的两种同位素13C和12C的比例时，他发现岩石中更重且更稀少的13C的含量比期望值要低很多。无机碳源，如大气中的二氧化碳，含有约1%的13C，但植物和微生物的光合作用更喜欢吸收轻质的12C，因此，13C的含量低通常是存在有机物的指标。罗辛的测量结果显示，在37亿年前伊苏泥火山周围的温热水域中，曾有生物存在，且能像现代生物一样从大气中或水中溶解的二氧化碳那里捕捉碳元素，并利用这些碳元素建造了构成细胞的所有碳基化合物。

一座位于特立尼达岛（Trinidad）的现代泥火山。地球上的第一个生命，会不会是从一座类似的泥火山中涌出来，然后又在伊苏的粗玄岩中留下了自己的痕迹呢？迈克尔·赖格尔（Michael C.Rygel）摄，来自维基共享。

图8-2　一座现代泥火山

关于伊苏岩石的理论依然充满争议，许多科学家并不认为低水平的13C就一定意味着生命体会出现这么早。主要的疑点在于，38亿年前的地球正在经历“晚期大轰炸”（Late Heavy Bombardment）的“剧痛”，小行星与彗星频繁撞击地球，其能量足以使地表的所有水分蒸发，也可能使整个海洋消失。当然，如果发现任何生活在这一时期且能进行光合作用的古生物化石，争论便会终结，但伊苏的岩石经过数千年的风化，已严重破坏，此类化石恐怕难以辨识。我们必须向前快进几亿年，才能得到可以清晰证明生命存在的证据——目前，可辨识的最早的古微生物化石要比伊苏古岩晚几亿年。

尽管缺乏确凿的证据，但许多人相信，伊苏古岩中同位素的数据显示了地球上最早的生命活动迹象，而伊苏的泥火山火山口中不断喷涌着热碱水，又为生命的出现提供了理想的环境。泥火山中曾溶有丰富的无机碳酸盐。而且，火山喷发形成的蛇纹石，形态多孔，岩体上布满了无数的微小空腔，每一个空腔都是一个微环境，能够浓缩微量的有机化合物并使其稳定存在。或许，最早的生命真是出现在格陵兰的泥中。可问题是，生命是怎么出现的呢？