地球奇迹-生命的奇观

关于生命的起源，主要有以下两个版本：一种观点认为，地球上的生命来自宇宙深处，因为现在发现有来自彗星和外星上的一些陨石上含有一些有生命的物质，如细菌、氨基酸等物质。二是大多数人认为地球生命是靠地球物质自身合成，不断演化过来的。

在地球诞生以后，开始只有无机物，而没有有机物，而组成所有生命的物质都是由碳、氢、氧、氮，再加上少量几种其他的东西如硫、磷、钙、铁等无机物组成的大分子有机物构成的，如蛋白质、氨基酸、糖、脂肪等。

1953年，芝加哥大学的研究生米勒拿起两个长颈瓶，一个盛着一点水，代表远古的海洋，另—个装着甲烷、氨和硫化氢的气体混合物，代表地球早期的大气，用橡皮管子把两个瓶子连起来，然后放了几次电火花代表闪电。几个星期后，瓶子里的水变成了黄绿色，变成了营养汁，里面有氨基酸、脂肪酸、糖及其他有机化合物。米勒的导师尤里高兴地说：“我可以打赌，上帝肯定是这么干的。”这个实验说明，在一定的条件下，无机物是可以自身合成为有机物的。在远古时期的海洋或池塘里，各种物质都是有的，闪电雷鸣也是有的，谁能保证它们不能自己合成呢？

有了氨基酸，就有了生命形成的基础，因为氨基酸是生命物质的基本单元。但是，光有了氨基酸还不行，还要把氨基酸合成蛋白质分子，这是—个非常复杂的过程。蛋白质分子都是大分子，它里面有许多个氨基酸分子，并且按照严格的顺序进行排列，如一个胶原蛋白就由1055个氨基酸分子组成，它们的顺序有着严格的规定，按照概率论的观点要把这么多的分子去自动地组成一个胶原蛋白几乎是不可能的，因为概率为零，这正如我们要把几十个英文字母组成一句话，如果由我们有智慧的人类来做，那是一件很容易的事情，但如果由一个没有人类语言的黑猩猩来做，让它毫无目的地去敲打键盘，要得到一句完整的话语，那几乎比上天还难。可是，大自然却又真的做成了，在那浩瀚的海洋中，无数个氨基酸分子终于组成了各种各样的蛋白质分子。蛋白质的形成可能有某种日积月累的选择过程使氨基酸聚集成块状。两三个氨基酸分子也许为了某种简单的目的联结起来，一段时间以后撞在一起成为类似的小群体。大自然里许多分子聚在一起形成长长的链子，这叫聚合物，糖分子就经常聚在一起成为淀粉。所以，复杂的结构是一种自然、自发的过程。

在自然界，我们可以找到两类氨基酸，一些对生命非常重要，另一类却毫无意义。从这个意义上讲，氨基酸并非生命分子，把非生命物质变成生命，在从氨基酸变成蛋白质的过程中产生了质的飞跃，它不光是蛋白质与氨基酸相比它的复杂性大大增加，而重要的是蛋白质含有大量的信息，它可以复制和遗传。

构成蛋白质的20多种氨基酸，自身几乎完全是由碳、氢、氧和氮原子以不同的方式组合构成的。

两种生物大分子——蛋白质和酶是地球上的生命基础。蛋白质为我们身体提供结构（包括头发、指甲和肌肉），而另一种称作酶的家族则直接控制人体内的化学反应。核酸（包括脱氧核糖核酸即DNA和它的近亲核糖核酸RNA）含有编码，能告诉细胞工作，如何制造不同类型的蛋白质。这两种分子都有一个共同特点，即它们都由长链分子构成，其中分子的次单位都由化学键组织在一起形成一种结构，其中包含大量的信息。

把氨基酸合成蛋白质，仍然没有用处，因为蛋白质不会复制，如果要复制，还需要有DNA，蛋白质没有DNA就不能存在，DNA没有蛋白质就无所事事，它们是互相支持而同时产生的。

生命开始于一个细胞，第一个细胞开始一分为二，二又分为四，以此类推，仅仅到第47次加倍以后，一个人就有了一亿亿个细胞（1016个），并作好了最终形成一个人的准备，从卵子受精到一个人离开人世，为了维持和保护这个人，每个细胞都完全知道自己的职责。

每个细胞的构造大体相同，最外层叫细胞膜，里面有细胞质，最中间的叫细胞核。—个未受精的鸡蛋就是一个单细胞，蛋壳相当于细胞膜，但在有机体内的细胞膜不是硬壳的，而是软的薄膜，还可以与外界交换物质。蛋白就是细胞质，主要提供营养物质和能量。蛋黄就是细胞核，主要提供遗传物质。但是，受了精的鸡蛋就不是单细胞了，就有了上亿个细胞，每个细胞都挤满了遗传物质，那就是DNA。在受精鸡蛋的孵化过程中，各个细胞都各尽其责，有的变成眼睛，有的变成肌肉，有的变成皮毛。每个细胞都遵守自己的职责，努力工作，一点都不紊乱。

细胞的形状和大小显著不同，神经细胞呈线状，伸展可达一米；红细胞呈盘状；视觉细胞呈杆状等。细胞的特点之一就是以疯狂的速度进行漫无目的的运动和永无休止的碰撞，每秒钟的碰撞要达上亿次，这种运动毫无理性可言，其目的就是吸引和排斥。在这中间还进行过几万亿个反射性化学反应，如酶也是一种蛋白质，每秒钟要完成一千件任务，它像工蚁一样这里加块砖，那里又拆去一块砖，目的是为了排出废物，重建新的分子。

不同细胞的存活时间也不同，大多细胞的存活时间很少超过一个月，在人的一生中，有许多细胞会在中途离我们而去。人体细胞平均每7年就要自我更新一次，就人体器官而言，味蕾细胞寿命仅仅只有10天，皮肤表层每2～4周更新—次，肝细胞寿命只有5个月，而心脏干细胞却有20年。如果我们能活到80岁，我们一生需要换上1300件人皮外衣，192个肝脏和4个心脏，既然这样，那为什么老年人不能拥有年轻的皮肤和身体呢？因为一个器官的置换不是整体性、一次性的，而是一个细胞一个细胞地置换，每次减少极小部分，而大部分都是以老样子存在。而且人的衰老由细胞中的端粒体控制，是不可逆的。实际上，人体表皮细胞都是死的，新的细胞在内层不断形成，而外面的死皮细胞不断脱落，至于心、肝等内部死亡的细胞会由血液带走并经二便和汗液排出。不会更新的是眼细胞和脑细胞，人的眼睛生下来是多大就是多大，以后不会长大也不会变小，所以一个人的眼睛很漂亮，完全是父母的功劳，与自己一点关系都没有，眼细胞在以后也不会更新。

人的脑细胞大约有1000亿个，人生下来就是这么多，以后不会再产生，并且平均每天以10万个的速度递减，所以如果一个人脑中风了，就是负责指挥运动的脑细胞因缺血而死亡，由于不能再生，所以半瘫的身体很难恢复，老年痴呆和肌萎缩也是一样的。脑细胞不能再生，只能减少，但我们不用担心，用脑不会使我们的脑细胞减少，而是越用越活跃。因为人的脑细胞是个很大的数字，人类的大脑使用率一般不超过4%。笔者是一个脑中风患者，左侧半身不遂二十年，笔者写这本书的目的之一也是想做一个实验，看看这脑细胞部分死亡的人还能不能用脑。笔者的结论是：能用，并且不可不用，不可过用。因为不用则废，过用则毁。在掌握度的情况下，适当多用是有好处的。

生命的基本单位是细胞，生命的化学过程需要像蛋白质和核酸这样的分子参与，将氨基酸和糖类等亚单位组装起来，但是这种化学过程只能发生在细胞膜构成的防护墙内，与外部环境隔开，如果单个的DNA和蛋白质分子松散地浮在水面上，是很难有机会结合起来，更谈不上完成有生命的工作了。生命之所以产生，在于将关键的分子禁闭在一个特别的地方，使它们可以相互合作。细胞最重要的特征，就是细胞膜包裹住了内部的水状流体，后者称为“细胞质”。生命的化学反应都发生在细胞质中，细胞质与外界的屏障（即细胞壁）只有千万分之几毫米厚，它能允许某些分子（如营养）进入，并允许某些分子（如废物）出来。这就是细胞的生命过程，最简单的单细胞代表了物种的原始生命形式。大约在6亿年前，复杂得多细胞才在地球上出现，从单细胞生物到多细胞生物出现已经历了3亿年，而人类要到更晚时才出现。大多细胞都很微小，一个人体细胞平均宽度不过20微米，（1毫米的2%）小到几乎看不见，但大的足以容纳数以千计的像线粒体这样复杂的结构及几百万个分子。

每个细胞都是自然界的一个奇迹，即便是最简单的细胞，其结构的精巧程度都是人类智慧所永远无法企及的，—个最简单的酵母细胞里面所具有的零部件和一架高级飞机的零部件一样多，并且还在直径不到5微米的球体内组装完成。

一个人体内有一亿亿个细胞，而每个细胞中一般包含有2万种蛋白质，其中近2000种蛋白质中的每一种里面至少有5万个分子，也就是说，每个细胞中最少含有1亿个蛋白质分子。单个细胞或单个分子是不能称为生命的，但这么多的细胞和这么多的分子经共同复杂的运动便使生物体有了生命。由细胞组成人体各个不同的器官，由各个不同器官各司其职，并共同作用，这样才有了单个的生命，所以生命是一个神奇而极为复杂的现象。人的骨头构成人体的支架，肌肉的收缩产生力量，用皮肤包裹全身以形成单独个体，由五脏六腑共同作用把吃进的食物消化，吸收营养，排出废物，然后由心脏把含有营养（小肠吸收的）和氧气（肺部吸收的）的血液送到各个器官中的各个细胞，以提供能量，然后在大脑的统一指挥下就可以动起来了，一个完全由无机物组成的、复杂的物体变成了一个能动的、有生命的有机体了。这是一个多么神奇的事件，人的大脑是很难理解这个过程的，所以就说是上帝安排的。

什么是基因？细胞内部有一个细胞核，细胞核内就是染色体，因为它容易染上颜色，便于在显微镜上观察，所以叫染色体。人体内共有46对染色体，其中23对来自母亲，23对来自父亲。一个人身体里的每一个细胞（99.9%以上）都携带同样数量的染色体，只有极少数例外（如红细胞等），染色体包含一组完整的生成和维持人生命所需的一系列指令，它由一长串小而神奇的化学物质——DNA所组成。DNA的主要目的只有—个，那就是复制，从而生成更多的DNA。将近2米长的DNA挤在差不多的每个细胞里，而每个单位长度的DNA又包括32亿个密码字母，足以产生—个巨大的数字，以区别每一个人。(www.xing528.com)

DNA被称作遗传中的重要物质，它含有4种化学成分，分别是腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胞嘧啶（C）和胸腺嘧呤（T），也可以把它们用4个字母代表，它虽然只有4个字母，但却可以编写出无数个程序来，正和计算机上只用0和1这两个字母却可以编出无数种程序是一样的。DNA平时只待在细胞核中，什么事也不干，但它可以约束染色体，把信息传递给蛋白质，告诉蛋白质如何工作。但是，DNA直接发出的指令，蛋白质是不懂的，因为它们不使用同一种语言，还要由RNA把DNA的信息翻译给蛋白质。

什么是基因？DNA发出的指令（编码）就是基因，细胞应如何变化，是按照DNA的指令方式进行工作的。例如，组成鼻子的细胞里的DNA告诉它如何去构成鼻子，构成骨头的细胞里的DNA告诉它如何去变成骨头。这就是遗传物质DNA（基因）和蛋白质的关系，而蛋白质是构成细胞的重要材料，有了细胞就可以构成人体器官了。

DNA是如何复制的呢？如果要产生一个新的分子，两个DNA分子像夹克上的拉链一样，每个单链断去一半、然后断去的两个半边拉链又重新组合形成一个新的单链分子DNA。DNA分子是双螺旋结构（详细图解见附录图4），它的形状像一个螺旋状楼梯或扭曲的绳梯，中间有很多的横杆，每个横杆的两端有两个碱基，叫碱基对，它们以两种方式配对，腺嘌呤总是与胸腺嘧啶配对，另外两个也总是一块配对，这些碱基对的排列顺序不同，组成了各种不同形状的密码。整个分子又是一个核酸，所以叫“脱氧核糖核酸”。一个脱氧核糖核酸分子内有几亿个碱基对按不同的顺序进行排列，可见，一个分子里面包含了多大的信息。

基因存在的目的就是复制，不停地复制，每一次复制的时间只在几秒内完成，并且每一次复制得到一个新的分子里都包含着原来分子的编码和信息。

胚胎在发育的过程中，DNA不断地复制，不断地分裂形成新的细胞，以形成新的身体结构，并且遵从严格的规律，如构成鼻子的细胞决不会长成眼睛的样子，新的细胞能使人体不断长大成形，使个体由小到大，由无形到有形。

在个体长大为成人以后，人体内的DNA还在不断地复制，不断地长成新的细胞，这些新生成的细胞用以替换死去的旧的细胞，以便让人永远保持健康的身体。

既然DNA能不断地复制，那么，人为什么不能长生不老呢？1912年，法国外科医生卡雷尔坚定地认为，人体所有的细胞都具有永生能力，只要生长环境和营养成分合适，它们就能无限分裂增殖。但是，许多人都不同意他的观点。1961年，美国解剖学家海佛烈克研究发现，正常人类细胞在体外培养条件下只能分裂大约60次，进而步入衰老期，最终死去。这个关系称为“海佛烈克极限”。这个观点否定了卡雷尔的细胞永生说。海佛烈克极限与20世纪30年代发现的染色体端粒体有一定的联系。

端粒体是细胞遗传物质的载体——染色体末端的DNA重复序列形成的一种特殊复杂结构，对染色体保持其结构完整性和稳定性至关重要。20世纪80年代，科学家发现由于遗传物质DNA复制机制的特殊性，每经过一轮复制过程，亲代染色体DNA的末端必然因无法得到复制而在子代中丢失，称为“末端复制难题”。由此必然导致染色体端粒不断变短和染色体的不稳定，进而导致细胞衰老死亡。这就是细胞衰老“端粒假说”，也解释了前面提到的“海佛烈克极限”问题。

由此看来，端粒体假说似乎解决了上述问题，1985年，美国科学家伊丽莎白·布莱克本终于找到了参与端粒体DNA延伸的端粒酶，端粒酶添加到染色体的末端能维持端粒DNA的长度，解决了“末端复制难题”。在正常人体细胞中，端粒酶受到相当严密的控制，只存在某些需要不断分裂的细胞中（如造血干细胞和生殖细胞）。而分化成熟的细胞一般不需要再进行分裂，端粒酶的活性也已丧失，所以如果将分化的细胞进行体外培养也必然会达到“海佛烈克极限”，从而进入衰老期，最终死去。在癌细胞中，大约有90%的癌细胞选择了提高端粒酶的活性来激活它，使得癌细胞可以不断地复制，所以要杀死癌细胞是非常困难的。

对端粒酶的研究，似乎打开了人类长寿的开关。对小白鼠进行研究中的发现在一定程度上可以延长它的寿命，但同时也增加了癌症的风险。所以，人类能长生不老吗？大多数科学家认为，在漫长的生命进化过程中，人类的寿命极限早已写入了我们的生命当中，并载入到遗传物质的核心（DNA）里面，形成一个不可分割的整体。如果要改变人类寿命的极限，追求长生不老，除非我们从头再来，重新设计一套长生不老的基因蓝图，并从单细胞开始，经过几十亿年的重新复制、重新进化，按照人类长生不老的意愿和方法制造出永生的生命，可是到那个时候，我们所得到的，还是人类吗？

一个人身体中的基因分子有一半来自他的父亲，一半来自他的母亲，而他父亲的基因又有一半来自他的爷爷，一半来自他的奶奶，这样可以一直追索下去。所以说，人的基因中包含了这个人的来源的全部信息。如果一个人姓曹，那他到底是不是曹操的后代呢？这可以在全国进行基因比对。2009年，在河南安阳市曹操王都邺城发现一座陵墓，大多人认为就是曹操墓，也有许多人认为不是，因为墓内证据不足，加上曹操主张墓葬从简，所以不能确定。为了寻找这一答案，上海复旦大学现代人类学教育部做出一个重大决定，要面向全国征集曹姓、夏侯姓（曹操的祖父姓夏侯）的男性Y染色体检测，寻找某个男性或夏侯姓具有—致类型的Y染色体，以此基本断定曹姓后人的Y染色体，在确定了曹操后裔后，再通过对照曹操墓里头盖骨的DNA，并结合考古发掘，来逆推曹操墓的真伪。曹操的遗骨距今已有1790年的历史，根据现有技术，从其头盖骨中提取组织，分离出DNA，并非难事，之前就已有专家提取了秦始皇的遗骨验了DNA。因为Y染色体是父亲传给儿子的，如果有一部分曹姓男子和一部分夏侯姓男子的Y染色体一样，就可以推断他们是曹操的后代。

这还只是一千多年的历史，还有更远的历史都可以查出来。例如，2003年，考古学家在新疆罗布泊小河遗址发掘出一具女性干尸，距今已有4000年历史，面部笑容清晰可见，故称“小河公主”，经DNA检测，发现她是个混血儿，同时拥有欧洲和西伯利亚的遗传标志，这些都说明DNA的检测可以追索到很久以前，我们身体里的遗传物质包含着我们来源的全部纪录。

基因复制的精确度非常高，在一百万次的复制中大约有一次的错误出现，其中某个字母（碱基）会放错位置，这种情况叫单一核苷酸多样型。这种单一的错误编码一般不会对身体有显著的影响，但偶尔也会产生作用，可能使人容易感染某种疾病。如果长期累积，还有可能对人种与人种之间产生差异。例如，长期住在高海拔处的人群，可以增加红细胞以使皮肤具有保护色；长期在寒冷地区生存的人会进化出一种耐寒的功能。但在复制过程中，精确性和差异性必须保持平衡，差异性太大，不利于保护物种；太小，又不利于进化。平衡对于生物的稳定性和创新性都有好处。每个人之间就有千分之一的基因差异性，这是由单一核苷酸多样性决定的。如果将一个人的DNA与第三个人相比，有99.9%也是一致的，但是这个人的单一核苷酸在很大程度上会处于不同的位置。对于每一个人来说，我们的32亿个碱基中的每个碱基，密码都会不同，这就是我们每个人区别于其他人的原因。每个人手指上的螺纹都不同就是这个原因造成的。

但是，人和人之间有99.9%的基因组都是一样的，而且地球上所有的生物都有相同的基因。例如，人和老鼠有90%的基因是相同的，有60%和果蝇是一样的，甚至和水果蔬菜都十分相似，发生在一根香蕉里的化学反应和发生在人身上的化学反应有50%是一样的。（所以我们吃香蕉和其他所有食物，能把它消化和吸收，是因为我们能利用它和自己身体内有相同的东西。如果香蕉里和我们身体里没有相同的东西，我们吃它还有什么用呢？）这是因为生命的运作方式都是一样的，即所有细胞生命的化学过程，核苷酸的协调都是一致的。这说明，所有生命都是一家，或者说，我们都来自同一个祖先。

前文在叙述生命的起源时提到，地球的形成距今已有45亿年。大概在地球形成五六亿年以后，地球上出现了氨基酸分子，目前找到的最早的氨基酸分子距今38.5亿年，不管它是怎么出现的。地球上开始只有无机物，后来在海洋里有了由碳、氢、氧、氮等无机物组成的氨基酸，许多个氨基酸分子聚成团，很多的氨基酸分子聚集成长长的链子，在无数个组合中，最后终于有一些组成了蛋白质分子，并构成了细胞。在远古的海洋中，各种没有生命的有机分子聚合在—起，形成一个小囊，然后它们不断吸收营养，在某一时刻，有一小袋化学物质突然躁动了一下，于是就有了生命。它继续吸收营养又再次搏动了几下，经历了短暂的存在。这一过程也许有过好几种或好多次，但却是在生命形成过程中迈出的最重要的一步。还有这后面也是最重要的一步，就是这位“老祖宗”做了一件非同寻常的事情，它把自己一分为二，产生了一个后代，此后就继续这样延续下去再也没有停止过。以后就是不断地吸收营养，不断地分化，成为单细胞、多细胞，再后就可以交给进化论了，不断地选择，不断地进化，经过几十亿年以后发展成了我们今天这样丰富多彩的生命形态。

前文在谈到DNA复制的方式时说过，两个DNA长链各断开一半，每两个半链重新组合成新的DNA分子，这说明新的分子里包含原来分子里的信息和密码，这样一代一代地传递下去，不断分裂，不断复制，直到永远，但它始终保持了最原始生命分子的形态。也许在最初形成这种生命雏形的过程中，不只形成一种或一个，也许有好几种或好几个，但不管怎样，我们都没有找到它们留下的证据，也许它们曾经以不同的形式存在过，后来由于不适应而被淘汰了，而在各种形态中，唯独我们这一种被保存、发展了。所以，地球上的生命都是一家，无论是动物、植物或细菌，我们都是某一共同祖先的后裔，这就是生命的奥妙所在，也是生命的奇迹所在。当然，这中间还有许多问题没有搞清楚，有待我们青年一代去继续努力。