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卡尔·萨根《宇宙》 周秋麟、吴衣俤等译 李元校
吉林人民出版社 支点从书 1998年10月第1版
ISBN 7-206-03006-8/N·4
第二章 宇宙的音乐(2)
地球上所发生的一切可能跟许多星球上的生物进化多少有类似
的地方，但是就蛋白质的组成和化学性质或脑神经系统这样的细节
而言，地球上的生物史在整个银河系里可能是独一无二的。地球是
46亿年之前由星际气体和尘埃凝结而成的。根据化石所提供的证据，
我们知道，没多久——大概40亿年之前，在原始地球的湖海里就产
生了生命，最初的生物还没有单细胞生物体——这已经是一种相当
高级的生物形态——那么复杂．最初的活动也简单得多。当时，闪
电和太阳辐射的紫外线正在分解原始大气层中氢的成分很高的简单
分子，分解的碎片又自动结合成越来越复杂的分子。这种早期的化
学物质溶解在海洋里，形成了一种逐渐复杂的有机液。最后，有一
天，纯粹是出于偶然，出现了一种能够利用有机液里的其他分子作
为预构件粗略地复制自己的分子（关于这个题目，我们以后会再讲
的）。
这就是脱氧核糖核酸（DNA）——地球生命的基本分子——的
最早祖先，它的状貌象螺旋状梯子，我们可以在分子的四个不同部
位找到它的梯级。这些梯级称为核苷酸，它们构成了遗传密码的四
个字母，扼要地发出生殖特定生物体的遗传指令。地球上的每一种
生物都有各自不同的遗传指令，但是它们使用的书面语言基本上是
一样的。生物体之所以不同是因为它们的核酸指令不同，突变就是
核苷酸的变化，它会遗传给下一代，是一种真实遗传。因为突变是
核苷酸的随机变化，所以大多数突变是有害的或致死的，它们的遗
传密码会指令产生非官能酶。要通过突变改善一种生物体的功能，
需要很长的时间，然而，正是因为这种不大可能发生的事情——百
万分之十厘米宽的核苷酸的有益的小突变，带动了进化过程。
40亿年前，地球是一个分子的乐园，当时还没有捕食者。有些
分子进行低效繁殖，它们竞争预制构件，粗略地复制自己。随着繁
殖、突变和对最低效品系的选择性淘汰，进化不停地进行着，即便
是在分子的位级也在不停地进行着。久而久之，分子的繁殖效能改
善了，具有特别功能的分子终于结合在一起，形成一种分子集体——
初始细胞。现今的植物细胞里含有微型的分子工厂，称为叶绿体，
负责光合作用，将阳光、水和二氧化碳转化成碳水化合物和氧。血
液里的细胞含有另一种不同的分子工厂，称为线粒体，其作用是使
食物跟氧结合在一起，从而使食物释放出有用的能量。这些工厂现
在仍然存在于动植物的细胞内，但是它们本身可能曾经是独立生存
的细胞。
到30亿年前，若干单细胞植物已经组合在一起，也许是因为在
细胞一分为二之后，突变阻止了它们的分离，初始的多细胞生物体
产生了。人体内的每个细胞都是一种公社，由曾经独立生活的社员
为了共同的利益而结合在一起，因此人是由100万亿个细胞组成的，
我们每个人都是一个群体。
性大约是20亿年前产生的。在那之前，新的生物体只能从随机
突变——逐字逐句对遗传指令变化的选择——的积累过程中产生。
进化一定是一个极其缓慢的过程，随着性的产生，两个生物体就能
够整段、整页和整本地交换它们的DNA遗传密码，繁殖出可供筛选
的新品种。生物体有选择地进行性的活动，那些对性的活动不感兴
趣的物体就迅速地绝灭。不仅20亿年前微生物的情况是如此，我们
人类现在对DNA遗传密码的交换也有显著的兴趣。
到10亿年前，由于协作的结果，植物已经深刻地改变了地球的
环境。绿色植物会制造分子氧。因为当时的海洋充满了简单的绿色
植物，所以氧正在变成地球大气层的主要成分，结果以不可逆转之
势改变了原来氢的成分很大的大气层的性质，从而结束了生物是由
非生物过程产生的地球历史时代。然而，轻而易举地使有机分子瓦
解，虽然我们喜欢它，但从根本上说，氧对没有保护的有机物却是
一种毒药。在生命的历史上，大气层的氧化造成了极大的危机，大
量的生物体因为适应不了氧而灭亡，少数原始生物，例如肉毒杆菌
和破伤风杆菌，即使现在也只能生活在无氧的环境条件下。地球大
气层里的氮的化学性质很不活泼，因此氮比氧温和得多，但是氮也
使生物付出了巨大的代价。总之，地球大气层的百分之九十九源自
生物，我们的天空是用生命换来的。
在生命起源之后40亿年的大部分时间里，主要的生物体是微小
的深绿色的海藻，它们布满了整个海洋。 接着，大约6亿年之前，
海藻的垄断地位被打破了，新的生物急剧增加。这个事件称为“寒
武纪爆炸”。地球产生之后几乎立即产生了生命，这说明生命在类
似地球的行星上可能是一个不可避免的化学过程。但是，在30亿年
的时间里，生命并没有从深绿色的海藻进化多少，这说明有特殊器
官的大生物是很难形成的，甚至比生命的起源还难。也许现在许多
其他的行星存在有大量的微生物，但是没有大的动物和植物。
寒武纪爆炸之后不久，海洋里充满了许多不同形态的生物。到
5亿年以前，已经有大量成群结伙的三叶虫，它们是体态漂亮的动
物，有点象大昆虫，有些在海底成群猎食，它们的眼睛里有晶体，
可以探测偏振光。但是现在三叶虫已经不复存在了，它们已经于亿
年前消失了。地球一度有过的动植物，如今已无活着的迹象。当然，
现在地球上的各种生物过去没有存在过。物种就是这样来去匆匆，
一闪而过。
寒武纪爆炸之前，物种的演化似乎相当缓慢，这大概一方面是
因为我们越深入审查过去，我们的资料就越不足。在我们行星的早
期历史里，很少生物体有硬的部位，而软体生物则很少有化石残余。
另一方面是因为寒武纪爆炸之前出现新生物体的节奏确实非常缓慢，
细胞结构和细胞生化的艰苦进化过程并没有立即反映在我们从化石
所看到的外部形态上。寒武纪爆炸之后，新的适应过程以相对惊人
的速度接二连三地发生。在急速演化之中，最初的鱼类和脊椎动物
便应运而生；过去只生长在海里的植物开始移居到陆地上，初始昆
虫产生了，它们的后代成了动物在陆地上移居的先锋；有翼的昆虫
跟两栖动物（有点象肺鱼，能够同时生活在水里和陆地上）同时产
生；初始的树和爬行动物出现了；恐龙产生了；哺乳动物出现了，
接着又出现了初始的鸟类；初始的花也出现了；恐龙绝灭，初始的
鲸目动物（海豚和鲸的祖先）产生了，灵长目（猴、类人猿和人类
的祖先）也同时出现了。不到1000万年前，跟人类相当接近的动物
产生了，它们的脑体积也惊人地增大。然后，只在几百万年之前，
最初的真人出现了。
人类是在森林里成长起来的，我们与森林有着天然的联系。树
木葱笼向上，蔚为壮观！它们的叶子需要捕获阳光来进行光合作用，
因而它们用阴影遮蔽近邻，相互竞争。如果仔细观察的话，你经常
会见到两棵树无可奈何地推推搡搡。树木是壮美的机器，它们以阳
光为动力，以大地的水分和空中的二氧化碳为食粮，同时也向我们
提供了食粮。植物用自身制造的碳水化合物作为能源来从事各种活
动，我们动物——从根本上说是植物的寄生虫——则靠盗取碳水化
合物来从事各种活动。因为我们大量地呼吸空气，我们的血液里含
有氧，当我们食用植物的时候，我们就将碳水化合物跟氧结合起来，
从中提取人类机器运转所需要的能量。在上述这个过程中，我们呼
出二氧化碳，然后这些二氧化碳又被植物回收，用来创造更多的碳
水化合物。两者之间协作得多好啊！动植物交互吸入对方的发散物
——一种全球性的口对口相互急救法。 整个微妙的循环过程是以
1.5亿公里外的一颗恒星为动力的。
己知的有机分子有好几百亿种，但是大约只有50种被用来进行
生命的基本活动。同样的分子模式被稳健而又巧妙地反复用来行使
各种不同的职能。控制细胞化学性质的蛋白质和携带遗传指令的核
酸是地球生命的核心，我们发现所有动植物里的这些分子基本上是
相同的。我和橡树都是由相同的物质组成的，如果你再往回追溯的
话。你会发现我们有一个共同的老祖宗。
跟星系和恒星王国一样，活细胞是一个复杂而又完美的国家。
巧妙的细胞机器是经过40亿年的时间精心制成的，它是由食物碎屑
演化而成的。今天血液里的白细胞就是昨天的奶油。细胞是如何完
成这项工作的呢？原来，细胞内是一个错综复杂的迷宫，它有独特
的结构，它能够转化分子，储存能量，还能够为自我复制作准备工
作。假如我们能够进入一个细胞的话，我们所能见到的许多细胞微
粒就是蛋白质分子，它们有些积极地活动着，有些则消极等待。最
重要的蛋白质是酶，即控制细胞化学反应的分子。酶就象装配线上
的工人一样，各有各的分子工作，例如第四道工序负责核苷酸鸟苷
磷酶的构造，又比如第十一道工序负责分解糖分子并从中提取能量
——这是用来支付其他分子工作的货币。但是酶并不是老板，它们
接受它者的指令——事实上，它们本身也是由它者构造的，它们按
负责者的命令办事。核酸是分子的老板，它们位于细胞核这样的紫
禁城里，深居简出。
假如我们通过一个小孔闯入细胞核的话，我们会发现类似意大
利面条厂里的爆炸现象——令人眼花绕乱的面团和面条，它们就是
两种不同的核酸：DNA和RNA(它们将DNA发出的指令传递给其他
的细胞）。这些核酸是40亿年进化的最佳产品，它们储存着如何指
使细胞、树木和人类进行工作的全部信息。如果用一般的语言写出
来的话，人类DNA的信息量足足可以写成100卷的巨著。此外，除
了极少数例外，DNA分子还懂得如何复制自己。它们的学识不可谓
不渊博。
DNA是一条复合螺旋线，由两条线绞合在一起，象一个螺旋形
的梯子。在这两条线上的核苷酸的排列次序就是生命的语言。在繁
殖的时候，这两条线借助一种特殊的松解蛋白质而分离，然后分别
跟附近的另一条线的复制物（在细胞核沾滞流体里漂浮着的核苷酸
预制构件所制造出来的复制物）相结合。松解程序一开始的时候，
一种称为DNA聚合酶的特异功能酶就出来协助确保复制工作不出差
错。如果出了差错，酶就会迅速加以纠正，用正确的核苷酸取代错
误的核苷酸：这些酶是一部功能奇异的分子机器。
除了精确地复制自己（即遗传）之外，DNA还通过称作“信使
RNA”的另一种核酸指挥细胞的活动（即新陈代谢）。RNA会跑到
核外，每个RNA在适当的时间和适当的地点控制着一个酶的构造。
酶细胞形成之后就开始发号施令。每个酶掌管着细胞生化过程的某
一特定环节。
人类的DNA是由10亿个核苷酸分子串起来的一个梯子，大多数
核苷酸的组合形式是没有意义的，它们会使蛋白质合成为无用的东
西。只有极少数核酸分子对象人类这样复杂的生物才有用途。即便
如此，核酸对生物有用的组合方式还是多得令人目瞪口呆——很可
能比宇宙间的电子和质子的总数还要多得多。因此，人类可能出现
的个体要比迄今出现过的数量大得多，这说明人类种的潜力是极大
的。核酸一定还有许多组合方式可以改善人类。幸好我们还不知道
怎样用其他的方法排列核苷酸来制造其他的人类。将来我们完全有
可能以任何理想的方式排列核苷酸，创造出具有称心如意特征的人。
这是一个既严肃又令人兴奋的设想。
进化是通过突变和选择来实现的。在复制过程中，如果DNA聚
合酶出差错的话，就可能发生突变。但是DNA聚合酶极少发生差错。
辐射、太阳紫外线照射、宇宙射线或环境中的化学品等也会引起突
变，所有这些东西部能够使核苷酸发生变化，或者使核酸打结。如
果突变率过高，我们就不可能有40亿年来在极其缓慢的进化过程中
遗传下来的生物。如果突变率过低，适应未来环境变化的新品种就
不可能出现。生物的进化要求突变与选择之间保持某种程度的平衡，
随着平衡的实现，非凡的适应性也越产生了。
一个DNA核苷酸分子的变化会引起受该DNA遗传密码控制的
蛋白质内一个氨基酸分子的变化，欧洲血统人的血液里的红细胞呈
球形，某些非洲血统人的血液里的红细胞则呈镰刀形或新月形。镰
刀形细胞携带的氧比较少，结果遗传一种贫血症，但是它们又是抵
御疟疾的主要因素。毫无疑问，贫血症总比死亡好。这种对血液功
能的重大影响(在红细胞的照片上一目了然)是典型人体细胞的DNA
中，上百万个核苷酸分子中有一个核苷酸分子发生变化的结果。我
们现在仍然不知道大多数其他核酸的变化会引起什么样的后果。
我们人类看上去跟树木大不相同。无疑地，我们对世界的认识
也跟树木不一样。但是在最深处，在生命的分子核心，树木跟我们
本质上是相同的。两者都用核酸进行遗传，两者都用蛋白质为酶来
控制细胞的生化过程，最重要的是，两者都用完全相同的电码本将
核酸的信息翻译成蛋白质的信息——实际上我们这个行星上的所有
其他生物使用的也都是这个电码本。对这种分子统一性的一般解释
是：我们人类，例如树木、人类、鮟鱇鱼、粘液霉和草履虫等，都
是在我们行星历史的早期源自一个共同的祖先。那么，关键分子又
是如何产生的呢？
————————
原注：但是地球上不同的生物体在不同部位使用的遗传密码不尽相
同。至少有几个例子可以证明，将DNA信息翻译成蛋白质信息的时
候，线粒体内使用的电码本与同一细胞的细胞核里的基因使用的电
码本是不一样的。这表明，线粒体和细胞核遗传码的分离经历了一
个长期的进化过程，而且与下述见解是一致的，即线粒体曾经是一
种自由生存的生物体，它们是在数十亿年前的共生过程中并入细胞
的。它们共生的成熟关系的发展和日趋完善偶然地回答了这样的问
题，即在寒武纪爆炸的时候，在细胞的形成和多细胞生物体的剧增
之间发生了什么样的进化。
————————
在康奈尔大学，我的实验室里，除了研究其他项目以外，我们
还研究生物前有机化学，谱写了一段生命的乐章。我们将原始地球
的气体混合在一起，然后用电火花辐照。这些气体包括：氢、水、
氨、甲烷、硫化亚氢等，它们碰巧都存在于现代的木星上和整个宇
宙里。电火花相当于闪电（在古代的地球和现代的木星上也有）。
反应器皿起先是透明的，因为原始气体是看不见的。但是电火花辐
照10分钟之后，我们看到一种奇特的棕色的东西顺着器皿壁慢慢地
往下淌，器皿逐渐地变得不透明了，盖上了一层厚厚的煤油。假如
我是用紫外线照射的话（模仿早期的太阳），其结果会大致相同。
这种焦油是复杂有机分子（包括蛋白质的组成部分和核酸）的浓缩。
生物竟然是非常容易制造的。
上述这种实验是五十年代早期斯坦利·米勒最先做的。他当时
还是化学究哈罗德·尤里的研究生。尤里有力地论证了地球早期的
大气层里充满了氢（就象宇宙中大多数的星球那样）；后来氢慢慢
地从地球上散发掉，但是没有从巨大的木星上散发掉；生命在氢丧
失之前就产生了。当尤里建议用火花辐照这些气体的时候，有人间
他想通过这个实验制造什么东西，他回答说：“Beilstien.”Beilstien
是德国的一部28卷的巨著，里头罗列了化学家所知道的所有有机分
子。
只要用早期地球存在的最丰富的气体和几乎所有能够解开化学
键的能源，我们就能够制造生命的基本领制构件。但是在我们的器
皿里出现的只是生命的乐谱，还不是生命的音乐。分子预制构件必
须正确地排列在一起。生命绝不仅仅是组成蛋白质的氨基酸和组成
核酸的核苷酸。但是即使在将这些预制构件排列成长键分子方面，
我们的实验工作已经取得了重大的进展。氨基酸已经在原始地球的
条件下被组合成类似蛋白质的分子，共中有些分子象酶一样微弱地
控制着有用的化学反应。核苷酸已经被组合成几十个单位长的核酸
链。在适当的条件下，短核酸在试管里能够与跟它们相同的复制品
结合征一起。
直到现在，还没有人能将原始地球的气体和水混合在一起并在
实验结束的时候让什么东西从试管里爬出来。最小的已知生物，类
病毒，是由不到1万个原子组成的。这些病毒能导致栽培植物的若
干种不同疾病，而且很可能是最近刚从更复杂（而不是更简单）有
机体演化来的。确实很难想象还有更简单的、不管从什么意义上说
部是活的生物体。类病毒是单纯出核酸组成的，而病毒却有一层蛋
白质膜。类病毒只不过是单一的RNA链条，其几何图形不是一条直
线，就是一个闭合圈。不管类病毒多小，它们总是生机勃勃的，因
为它们是彻头彻尼的寄生虫。跟病毒一样，它们只是接管一个功能
完善的大细胞的分子机器，然后特这个制造细胞的工厂改造成制造
类病毒的工厂。
已知最小的独立生存的生物体是PPLOC类胸膜肺炎生物和类似
的小生物，它们大约是由5000万个原子组成的。因为这种生物必须
在较大的程度上依赖自己，所以它们比类病毒和病毒更复杂。但是
现在地球的环境条件对简单的生物体并不那么十分有利，因为你非
得自食其力不可，非得防范敌手不可。然而，在我们行星的早期历
史里，当大量的有机分子在充满氢的大气层里由阳光孕育的时候，
很简单的非寄生生物都有竞争的机会。最初的生物体可能就象独立
生存的类病毒那样，只有几百个核苷酸分子串起来那么长。到本世
纪末的时候，我们就可以用实验的方法重新开始创造这种生物。关
于生命的起源，我们还有许多东西要了解，其中包括遗传密码的起
源。但是这种实验我们才不过做了30年左右，而大自然却已经先行
了40亿年。总的来说，我们的成绩还是不错的。
这样的实验并不是地球上所独有的，最初的气体以及能源在整
个宇宙都有。星际空间的有机物和在陨石上发现的氨基酸，可能是
由像我们实验器皿里的那类化学反应所引起的，一些类似的化学现
象在银河系的10亿个其他星球上一定发生过。生命的分子充满了整
个宇宙。
但是即使另一个星球上的生命跟我们这里的生命都有相同的分
子化学现象，我们也没有理由认为那里的生物就一定跟我们所熟悉
的生物相类似。试想一下，地球上的生物是多么的繁杂，它们都生
活在同一个星球上，都有相同的分子生理。在另一个星球上，动植
物很可能跟我们在这里所了解的任何生物体完全不问，那里可能会
聚进化（扫校者注：疑为convergence，即趋同进化），因为对某种
环境问题可能只有一种最佳解决办法，例如两只眼睛是为了使双目
视觉能够适应光频。但是总的来说，进化过程的随机性可能会使地
球外的生物跟我们所知道的任何生物都大不相同。
我说不清楚地外生物会是什么样子，我的知识是非常有限的，
我只知道一种生物，即地球上的生物。有些人，例如科幻小说家和
艺术家，已经对其他星球上的生物进行了猜测，我对那些地外生物
的幻想表示怀疑，因为它们似乎过多地以我们已知的生物体为幻想
的依据。任何特定的生物体都是经过一个个意外的步骤长期演变而
成的，我想其他任何地方的生物都不会象爬行动物、昆虫或人类那
个样子，即使象绿皮、尖耳和触角这样的小化妆也不会一样。但是
假如你强迫我的话，我也可以想象出一种颇不相同的东西。
在一个木星那样巨大的气体星球上，大气层里充满了氢、氦、
甲烷、水和氨，星球表面没有可着陆的地方，而是一个密集的云状
气层，象我们实验器皿里的生成物那样的有机分子可能不断地从空
中降落到这个云层里。但是这样的行星对生命的形成存在着一种特
殊的障碍：表层湍急，深处炎热。生物体必须时刻小心，免被拖向
受煎熬的深渊。
为了说明生命在这样极其不同的行星上并不是不可能的，我和
我在康奈尔的同事E.E.萨尔彼得做了一些计算。当然，我们不可能
准确地了解生命在这种地方会是什么样子，但是我们要弄清楚在生
物和化学法则的范畴内这种星球是否可能有生物。
在这样的条件下，生存的方法之一是在你受煎熬之前就进行繁
殖，并指望空气的对流能够把你的一部分后代带到大气层高处较凉
爽的地方。这种生物体可能极小，我们把它们叫做坠子。但是你也
可以是浮子——抽掉氦和重气体而只留下最轻的气体氢气——的大
氢气球，或者是热气球，通过保暖和利用食物等方法维持漂浮状态。
就象我们所熟悉的地球上的气球一样，浮子越往下拖，它回弹到高
层大气较凉爽的安全地带的浮力就越大。浮子可能会把预制的有机
分子吃掉，或者象地球上的植物那样，通过阳光和空气将预制的有
机分子化为己用。达到一定高度的时候，浮子越大，它的功效也越
越大。我和萨尔彼得设想浮子有几公里宽，比最大的鲸鱼还大。
浮子可能会象冲压式喷气发动机或火箭那样，用迸发的气流将
自己推到行星天气以外。我们设想它们懒散地群集在一起，大得一
眼望不到边。在它们的表皮上有花纹，这是一种适应性伪装，同时
也说明它们遇到了问题。因为在这样的环境里至少还有一个小的生
态环境：狩猎。狩猎者行动迅速，动作灵敏。它们吞食浮子，一方
面是为了补充自身的有机分子，一方面是为了储存纯氢。最初的浮
子可能是由空坠子演变来的，而最初的狩猎者则可能是由浮子进化
来的。狩猎者的数量不可能很多，因为如果它们把浮子都消灭掉的
话，它们自己也要毁灭。
物理和化学容许这样的生物形态存在，艺术则赋予它们一定的
魅力，然而自然却不以我们的臆测为转移。但是，如果在银河系里
有几千亿个住着生物的星球，恐怕也会有几个住着我们根据物理和
化学的法则想象出来的坠子、浮子和狩猎者的星球。
与其说生物学象物理学，不如说生物学象历史学。你要了解现
在，你就得了解过去，并且要极其详细地了解它。正如至今还没有
历史学的先验论一样，至今也还没有生物学的先验论，理由是相同
的：两个学科对我们来说仍然太复杂。但是我们可以通过了解其他
的东西来增进对自身的了解。对地球外某种生物的研究，不管如何
粗浅，都会推动生物学的进步。生物学家将会首次弄清楚什么样的
其他生物可能存在。当我们说探索其他地方的生物很重要时，我们
并没有说很容易找到，我们只是说值得一找。
迄今为止，我们仅仅听到一个小星球上的生命之声，但是我们
终一起开始注意收听宇宙乐曲中的其它声音。#
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人生有何常 但患年岁暮 幸托不肖躯 且当猛虎步
三思言论集 三思科学新闻 |
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