我的书签
添加书签
移除书签第9章 生命起源自何处？
大家都知道生命是什么，但是词典或教科书中却没有完全令人满意的关于“生命”的定义。对我们当前的目的而言，有一个暂时能用的定义，它强调生命要从周围的环境获得能量，建立复杂的分子，并能够生长繁殖。生命总是要从外部“获取”能量——对于地球表面的生命而言，这一能量的来源当然是太阳。对生命更复杂微妙的定义还强调，生命总是与远非化学平衡的系统有关。例如，由于生命过程的参与，地球大气富含氧气，这是一种具有高度活性的气体。这可算不上是化学平衡。如果地球上没有生命，氧会迅速锁定在稳定的分子中，例如水和二氧化碳。[70]地球的邻居金星的大气就很稳定（即平衡），富含二氧化碳。这是令人信服的证据，表明该星球上没有生命。直到最近之前，人们一直认为，生命形成过程基本上所有的步骤都发生在地球形成后不久。但是现在有一个事实已经很清楚了，至少生命形成的第一步——从周围的环境获取能量，建立复杂的分子——发生在（而且至今仍在进行）恒星形成的尘埃和气体星云中。就像恒星外层的原子一样，通过光谱也可以分析出宇宙空间的分子是什么。但关键的区别在于，由于这些分子更大，它们发出的不是可见光，而是波长更长的辐射，处在红外和无线电的波长范围内。由于直到20世纪下半叶之前，人们尚未有探测宇宙空间中的这种分子的技术，而且没有人曾想到那样的地方会存在这样的分子，因此也就没有人尝试去寻找。在太空中第一次发现分子，是在20世纪30年代，因为它们易于被发现。但是，它们很难算得上是化合物——它们只是碳和氢简单的结合（甲烷，CH），或是碳和氮的化合物，称为氰自由基（CN）。直到1963年，人们才确定另一种化合物——羟自由基（OH）；但是第一个真正戏剧性的突破是在1968年时做出的。科学家发现在银河系的中心，有氨所释放的物质，一种由4个原子构成的分子（NH3）。正是这一发现，激励更多的天文学家去寻找宇宙空间更复杂的分子。这种激励之所以必要，是因为在大多数情况下，研究者首先要确定寻找什么，然后在地球上的实验室中测量相应分子的光谱，他们才能有机会判明星际云物质发出的无线电频谱中所蕴含的信息。他们很快就发现了水分子（H2O），接下来是真正让这一研究趋势进行下去的有机分子甲醛（H2CO）。
这些发现让生物学家们松了一口气。化石证据表明，生命（单细胞生命）已经在地球上存在了近40亿年，距离地球形成只有不到10亿年。要想让简单的元素，比如二氧化碳和氨，变成像蛋白质或DNA这样的东西，几亿年的时间似乎都不大够。但是，如果在地球温度降低的时候，复杂的有机分子就已经存在了，那么生命出现的速度那么快就不太令人奇怪了。在过去的几年中，天文学家还在其他星系中发现了这类分子，表明它们在星际空间普遍存在，而不是仅限于银河系。
顾名思义，有机化合物和生命密切相关。所有所谓的有机分子都含有通过化学途径结合在一起的碳原子和氢原子，并在大多数情况下，它们还和其他的原子结合。最初，在19世纪的时候，有人认为，这种化合物只与生命有关，“有机物”因而得名。但是，后来人们弄清楚了许多有机分子可以人工合成，有机化学几乎就与“碳化学”成了同义词。但是，这并不意味着有机化学和生命之间不存在联系；尽管并非所有的“有机”化合物都与生命有关，但所有生命过程都和有机化合物相关。
碳对于生命来说非常重要，原因有两个。首先，每1个碳原子都能够产生4个单独的链接（化学键），同时结合其他原子，包括其他碳原子。除了在几个较为特殊的情况下，任何原子最多也就能拥有的这些数量的化学键，所以碳能够与大量的其他原子键合在一起，而且能作为核心，与许多不同的原子结合成复杂的化合物。[71]碳之所以如此重要的另一原因在于它比较常见。在宇宙中，重子物质除了氢和氦等占大部分的元素外，最常见的元素是氧，其次是碳，两者都是在核合成过程中形成的。令人惊喜的是，碳原子在键接到其他4个原子的时候，不必用尽所有4个化学键。它们还可以形成双键（甚至是三键），例如，2个碳原子可以各自使用2个键，通过双键相互组合在一起，这样每一个还有两个自由键与其他原子结合。碳原子还可以形成长链，像脊椎一样互相联系起来，其他原子和原子团则黏结在两侧；它们甚至可以构成环（最常见的是6个碳原子“手拉手”连成环），其他化学物质则连接在其周围。因此，碳原子既常见，又“急于”与其他原子形成化学键。这样看，似乎星际空间和恒星周围应该不可避免地有大量的碳化合物——有机化合物，而星光的能量（包括红外和紫外辐射），可驱动产生有趣的化学反应。
到2005年，研究人员已经在太空中发现了超过130种分子，其中大多数都在恒星（和行星）诞生的巨大分子云中。这些分子包括简单的双原子分子，如一氧化氮（NO）和一氧化硅（SiO），还包括3个原子的化合物，如氰化氢（HCN）和二氧化硫（SO2），4个原子的氨（HN3）和乙炔（C2H2）和5个原子的蚁酸（HCOOH，蜜蜂蜇伤和荨麻中的活性成分），以及我们这里最感兴趣的较大的有机分子。大小并不代表一切，迄今为止在宇宙中发现的最大的分子，是一个由11个碳原子构成的串，一端是一个氢原子，另一端则是一个氮原子。它被称为cyanopentacetylene，化学式是HC11N。而论及生命，复杂性和大小一样重要，而且如果找到比HC11N更小的分子，但其中包含更多的原子，它们以更有趣的方式排列，则更有意义，也更令研究者兴奋。我们所谓的“有趣的”分子，当然是那些能被用来作为构成生命的建筑构块的分子；生物化学家把生物分子分开，弄清楚分子的结构，这样就能够确定哪些分子属于此类。
有两种生物大分子是地球上的生命的基础。蛋白质为我们的身体提供结构（包括头发、指甲，以及肌肉等），而另一种称为酶的蛋白质家族，则直接控制人身体内的化学反应。核酸（其中还包括著名的DNA，脱氧核糖核酸）含有编码，能够告诉细胞工厂如何制造不同种类的蛋白质。这两种分子都有一个共同的重要特点——它们都是由长链分子构成的，其中分子的次单位都是由化学键组织在一起形成一种结构，其中包含了大量的信息。而且这里所谓的长也是有根据的——1个碳原子的重量是12个单位，蛋白质的分子量则从几千到几百万个单位不等。
在蛋白质中，分子的亚单位是称作“氨基酸”的分子。以同样的尺度测量，氨基酸本身的重量一般很少超过100个单位，这样我们就能看出要想构成一个蛋白质，需要多少氨基酸。氨基酸对于生命的重要性，从一个事实就可以看出：地球上所有生物材料的总质量中，氨基酸的质量占到一半。使氨基酸具有各自的名字的化学单位，是围绕1个单一的碳原子构成的。碳原子的4个化学键中有一个连接到1个单一的氢原子，1个连接到一组3个相连的原子，称为胺组（NH2），还有一个连接到羧酸组（COOH）——由此得名“氨基酸”。第4个化学键可以自由地与另1个碳原子连接，而那个碳原子则有3个化学键可以与其他的原子连接。
显然，氨基酸可以有大量的形式，而且其中很多形式实际上是在实验室里制造出来的。但是，地球上生物中所发现的所有的蛋白质，只不过是由20种氨基酸的不同组合构成的。我们所了解的万物，竟然是使用相同的20种建筑构建构成，这是一个强大证据，它间接表明，地球上所有的生命应该有一个单一的来源。我们都是某一共同祖先的后裔，虽然我们不能排除地球上很久以前也存在着一些完全不同的生命形式的可能性，然而即使它们存在过，它们也没有留下任何痕迹，或任何后代。蛋白质毫无疑问是生命分子，虽然我们不能说一个孤立的蛋白质分子是“生物”。在周围的世界里，我们找不到非生物化学产生的蛋白质。但是在自然界却可以找到两类氨基酸，一些对于生命无比重要，另一些对生命来说却没有用。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（无论是哪种生命形式）的诀窍，似乎是在从氨基酸产生蛋白质的过程中。而且这个小把戏还和蛋白质与氨基酸相比其复杂性大大增加这一事实有关——蛋白质含有大量的信息。
这一点既适用于构成你的头发、肌肉和其他身体结构的长链蛋白质，也适用于蜷缩成小球的蛋白质链，即所谓球状蛋白质酶，它的作用是促进一些对于生命很重要的化学反应，并抑制对于生命有害的其他化学反应。把存储在蛋白质中的信息看作沿蛋白质链，以氨基酸的顺序编码存储的信息，就特别容易理解，因为生物用来编码的氨基酸的数量是20，很接近英语中26个字母的数量。我们很容易理解用一套26个字母（外加几个标点符号）就能传递大量信息的做法，只需使用一些字母组成的长链，实际上也不用太长就行，只不过这样的链要被切断分开变成纸页上的行。同样，蛋白质可以被看作用20种氨基酸字母写的信息。正是储存在这样的蛋白质中的信息，使某种蛋白质链适合成为头发的一部分，另一种则适合在血液中携带氧气。不过我们在这里不想不厌其烦地叙述生物分子如何起作用，我们现在感兴趣的是那些生物分子（尤其是第一批这样的分子）是如何产生的。我们现在已经知道，一旦有了氨基酸，离生命就只有一步之遥了。因此，下一个关键的问题是，氨基酸从何而来？
构成蛋白质的20种氨基酸自身几乎完全是由氢、碳、氧和氮（这是宇宙中除了不活跃的氦以外4种最常见的元素）原子以不同的方式组合构成的。只有古怪的硫原子会出现在少数几种氨基酸中。因此，在20世纪20年代，英国生物学家霍尔丹（J.B.S.Haldane）和苏联科学家奥裴林（Alexander Oparin）各自独立提出，在地球年轻时，来自地球的热能以及闪电能可能会催化化学反应，导致从水和化合物（如甲烷和氨）形成氨基酸。自20世纪50年代以来，人们进行了许多实验来检验这种想法。在实验中，使用密封的容器，内有各种各样的“大气”，将这种气体置于电荷、紫外线辐射和其他能量的作用之下。如果等待的时间足够长，这样的实验的确可以产生一种黑色的东西，里面含有氨基酸，其中包括能够构成蛋白质的氨基酸。但是，这并不能证明，生命演化的第一步是发生在地球上。事实上，现在在太空中发现了丰富的分子物质，表明原始的地球拥有丰富得多的化学成分，用以开始生命的化学过程。
如果让一个实验化学家合成氨基酸，他不会从一壶水、甲烷、二氧化碳和氨开始，再对其施加电闪雷鸣的作用，并等上好几个月。他会使用像甲醛、甲醇和甲酰胺（HCONH2）等，以使合成过程更便捷迅速。这些在实验室中合成氨基酸所需的所有的试剂都已经在巨分子云（GMCs）中发现。至少，这意味着地球形成之后，很快就拥有了这种材料（稍后我们将讨论究竟多快）。此外，巨分子云中很可能也存在有氨基酸。事实上，有人在2003年宣称从巨分子云中探测到了一种最简单的氨基酸甘氨酸。但是，在2005年，对该报告进行了一份详尽的后续研究表明，通过比较实验室重新测量的甘氨酸辐射表明，该结论是错误的。然而甘氨酸（其化学式是NH2CH2COOH）是一种相对简单的分子，如果进一步的搜索发现巨分子云中存在甘氨酸也将毫不奇怪。
最新的进展显示，一些已知少量存在于气体和尘埃星云之中的重要的有机分子，现在已确定在年轻恒星周围的尘埃圆盘中也存在，且密度要高得多。例如，在IRS46星系中，其距离太阳系为约375光年，它包含的氰化氢的浓度就比星云气体中的浓度高1万倍以上，乙炔浓度则相似。这一发现的意义在于，在实验室中把氰化氢、乙炔和水混合在一个容器内，里面如果有合适的表面使分子能够产生，它们就会产生种类繁多的有机化合物，包括氨基酸和一个DNA基腺嘌呤（见下文）。IRS46星系的尘埃圆盘的范围距离中心恒星不超过10个天文单位，相当于太阳系内的土星轨道以内的范围。
我们可能暂时还没有在太空中发现蛋白质的构成材料，但我们已经发现了这些构成材料的构成材料，这比从水、氨和二氧化碳出发前进了一大步。此外，如果我们研究一下生命分子的另一种基本构件核酸，会发现前景同样令人振奋。
像蛋白质一样，核酸也是长链分子，由许多亚单位沿一条线连接构成，就像项链上的珠子一样，其他化学物质则结合在两侧。但是，核酸中的次级化学单位要比氨基酸中的更简单，而且和对生命具有重要意义的20种氨基酸相比，其种类也较少。在很长一段时间内，这一情况骗过了生物化学家，让他们误以为核酸对于细胞的作用不如蛋白质重要——也许只是起到对蛋白质分子的一种支撑作用。但是他们错了。
在化学上，脱氧核糖核酸（DNA）和它的近亲核糖核酸（RNA）都是由糖构成的。两者的基本构件都是一种糖分子，叫作核糖，它由4个碳原子和1个氧原子连接在一起构成五边形环。4个碳原子中每一个都有两个自由的化学键，连接到其他原子或化学元素组。在核糖和脱氧核糖中，在氧原子的一侧，一个碳连接到一个氢原子和另一个碳原子，它们这本身又连接到CH2OH原子团。在核糖中，原子环的另外3个碳原子都连接到氢原子和羟自由基。但是，在脱氧核糖中，碳原子不是与OH羟自由基连接，而是只有一个连接到H。脱氧核糖比核糖少一个氧原子，它也因此而得名。
核酸中的这些基本单位都有些许的调整。在DNA和RNA中，CH2OH基团中最后的1个氢原子被一种键取代，它连接到一种化学名为磷酸基团的物质，这种物质的核心有1个磷原子。磷酸基团的另一边连接到另一个糖环，连接处是一个羟基基团中的1个氢原子。每1个磷酸基团都为两个糖环提供了连接，因此，核酸的核心是由“糖—磷酸—糖—磷酸—糖—磷酸”这样的链构成的。就其本身而言，这种结构除了当支撑以外，确实很单调，也没什么用。但是，事情却并非这么简单。核酸链除了向上和向下与磷酸基团联系之外，每个糖环还与称作化学基的5个单元中的1个联系，从核酸链旁边伸出来。当然，化学基的数量大大超过5个，就像氨基酸的数量远远超过20种一样；但核酸只用到了5种。所有这5个化学基都是沿着六边形环建立，其中包括4个碳原子和2个氮原子。它们通过把连接到糖环上的1个碳原子的1个OH基团替换为连接到化学基上的其中1个氮原子的连接，而键接到核酸链上的糖环。这5个化学基称为尿嘧啶（uracil），胸腺嘧啶（thymine），胞嘧啶（cytosine），腺嘌呤（adenine）和鸟嘌呤（guanine），而且通常提到它们的时候，只用其首字母。每一个核酸只出现5个化学基中的4个。DNA包含G, A，C和T；RNA包含G, A，C，和U。不过，最重要的是，这些化学基可以在分子中以任何顺序出现。一条DNA链中，其化学特性根本“不在乎”G是靠近A、C还是T。这意味着，每一个核酸所包含的不仅仅是重复同样的糖和磷酸基团，或是同样不包含任何信息的GACTGACTGACT这样的重复。核酸包含有信息。它们所携带的“信息”用4个字母的字母表写在其基干上。这就是基因信息。
只要字符串足够长，就能用4个字母的字母表（或代码）写出任何信息。其实，只要2个字母，就能写出任何信息。比如电脑就是使用二进制代码，即一连串的1和0，描述所有的信息。此前，我们打过一个比方，拿26个字母所写的《宇宙传记》这本书，和蛋白质用21种氨基酸字母所写的信息做过对比；我们或许也同样可以说，本书是用二进制代码写的，因为这就是撰写本书的时候所用的计算机实际使用的代码。既然用一连串的0和1就可以传达一本书所有的信息，甚至比书中更多的信息，因此用一连串的G、A、C、T和U也能做到这一点（这里传递的是遗传密码）。
对于细胞迷人的细节——比如细胞内的分子机制，生命信息如何储存在DNA的基因编码中，如何借助RNA转录，制造氨基酸，然后再由氨基酸组装成蛋白质等——此处尚不是探讨这些的时候。[72]但是了解了DNA的确能够携带遗传密码这一点就足够了，可以让我们知道，要是想寻找可能是生命的先兆的分子，我们不应仅仅去寻找氨基酸和氨基酸的基本构成物质，还应该去寻找核糖以及构成核糖的物质。射电天文学家确实一直在寻找这样的生命基石，而且在进入21世纪后的最初几年中，他们已经发现了这样的物质。
具体来说，他们发现人马座的星际云的无线电频谱具有这些物质的痕迹，其光谱对应的是一种称作羟乙醛（CH2OHCHO）的糖。这些星际云距离地球2.6万光年。[73]在这些星际云的温暖地区以及寒冷地区（温度低到8K），都检测到存在有大量的这种糖。它之所以能形成，可能是在新的恒星形成时的震荡波穿越这些星际云，提供了所需的能量，使得相应的化学反应得以发生。很显然，那些化学反应还并不只于此，因为观测还揭示出，同一星际云中还存在乙二醇。乙二醇是一种由10个原子组成的分子，是在羟乙醛的基础上增加了2个氢原子，比cyanopentacetylene更有趣。这是在宇宙空间已经发现的最大的分子，是最常见的防冻剂中的活性成分。
发现羟乙醛也具有双重意义。从总体上看，这为我们提供了另一个例子，说明现在在太空中发现的分子，与实验里专门设计用来合成前生物分子的试验中所获得的，是一样的分子；尤其是，尽管羟乙醛是围绕2个碳原子构成的核心构建的，但是众所周知，它随时可以与三碳糖反应，形成核糖。迄今所有的证据都表明，银河系里各处的巨分子云中发生的化学反应都是相同的，正是这些化学反应，导致产生了包括氨基酸和核酸在内的复杂生物分子。剩下的两个问题是：
巨分子云中的复杂性演化能走多远？
以及
复杂分子是如何到达地球这样的行星表面的？
第一个问题的答案比较耐人寻味，它与星际云中含有碳元素有直接关系。宇宙中的碳之所以如此普遍，原因之一是碳燃烧只发生在质量为太阳的8倍的恒星内部。约有95%的恒星的质量都小于这一尺度，所以其内部的核燃烧从来未能超出将氦原子核变为碳原子核这一阶段。在恒星内部生成碳是一回事，但是让碳来到恒星表面并喷射到宇宙空间就是另一回事了。恒星看来确实完成了这种“戏法”，因为研究光谱发现，在许多处于特定生命阶段的恒星周围存在的不断扩张的星际云中，存在有气态分子和尘埃微粒。这一阶段表明恒星的外层发生膨胀，变成了红巨星。由于历史的原因，人们称这种恒星处于“渐进巨星分支”（asymptotic giant branch），[74]有时简称为AGB星。由于AGB星周围的物质运动得太快了，它们必定是在数千年的时间内扩散开的，现在证明在那些云中有分子和尘埃，表明这些复杂的结构以天文时间的尺度看，必定产生得相当快。
对于像太阳这样的恒星（即所谓的星族Ⅰ恒星），其AGB阶段开始的时候氧比碳要多。计算机模拟表明，恒星核心生成的碳通过对流到达表面，然后在恒星薄薄的外层聚积，直到碳原子的数目超过了氧原子。[75]只要条件合适，碳原子可以与其他碳原子以各种方式连接。正是这一奇特之处，使得碳对于生命具有了如此重要的意义。所以尽管大部分的碳与氧结合形成了一氧化碳（CO），另一些与氮形成了CN，仍有一些剩下的碳形成了C2和C3。光谱特征表现出含有这些物质的恒星称为碳星（carbon star）——当然，它们并非完全由碳构成。
在其生命的这一阶段，一个典型的AGB星会膨胀到太阳直径的数百倍，亮度达到太阳的几千倍。在如此大的规模下，该恒星表面的重力会非常微弱，而恒星的辐射造成的向外的压力则非常强。因此，从恒星表面逃逸的材料形成恒星风，每年会带走相当于太阳质量万分之一的物质。这听起来似乎不多——但每经过1000年，就意味着该恒星会失去太阳质量1/10的物质，相当于地球质量的33 000倍。由于扩张的星云温度很低，许多稳定的分子能够在里面形成。研究人员在AGB星的光谱中已经发现了60多种不同类型的分子，其中包括简单的有机化合物，如H2CO和CH3CN；环分子如三角亚丙基（triangular propynylidine）（C3H2，）以及我们那位有点乏味的老朋友HC11N。
在AGB星中分辨出的确定无疑存在的固体颗粒包括硅酸盐和碳化硅（SiC）。这些固体颗粒会吸收星光，并将其中的一部分能量以红外光再辐射出去；AGB星周围环绕着如此多的尘埃，使用光学望远镜无法观测到它们，只有使用红外望远镜才能判断出它们是否存在。然而由于地球大气会吸收红外辐射，这样的恒星只能通过红外卫星探测仪或是位于高山顶端的望远镜才能看到。因此，观测研究AGB星周围星云中的各种分子及（尤其是）固体颗粒是一个新的天文学分支，发现的证据仍然会有各种不同的解释，对观测结果尚无明确的单一的解释。研究星周物质，我们还需对其恒星的红外光谱与实验室中研究的矿物光谱进行比较。但总是有这样的可能性，即星际环境可能会产生地球上未知的物质。不过，我们仍然可以推断出这些星云中进行的许多演化。虽然这里所呈现的结论中，有一些还只是主观的推论，是我们自认为知道的，但它们对生命的起源问题提供了诱人的线索。
并非所有巨星的大气都是碳占据主要位置。在某些情况下，碳原子的数量根本就没有超过氧原子。不论在哪种情况下，较少的物质都锁定到了二氧化碳中，虽然它最终可能参与其他反应。在富氧恒星中，产生的化合物大多是氧化物，而在富碳恒星中，产生的则多是有机化合物。不过，这两种物质都会扩散到空间，与原始的氢和氦混合，形成下一代的行星和恒星所需的原料。
最重要的氧化物（除了水以外）是硅酸盐，这是一种硅（有时加上其他元素）的氧化物。普通的沙子主要是由最简单的硅酸盐即二氧化硅（SiO2）构成的。硅酸盐是地壳中最常见的矿物。而且在4000多个AGB星的光谱中，也已经发现了它。因此，它的来源没有什么神秘之处。使用轨道红外观测仪发现的与AGB星密切相关的其他氧化物，包括刚玉（是一种由氧化铝的结晶形成的宝石，其硬度在天然矿石中仅次于金刚石，大家更熟悉的名称是“红宝石”和“蓝宝石”），[76]此外还有尖晶石，这是铝、镁和铁的混合氧化物。虽然这些发现很有意思，但是，这里我们真正感兴趣的是与富含碳的恒星相关的有机化合物。
即使在富含碳的AGB星中，在尘埃颗粒中最常见的且确定无疑的固体是碳化硅。人们已经在700个碳星中发现了它。但是，年龄越大的碳星，其碳化硅的光谱特征越弱，这说明，在那些恒星上，碳化硅已不再是尘埃的一个主要组成部分。从这里开始，许多内容就属于我们的臆测了。在一部分超越了AGB阶段的碳星的光谱中，仍然有强劲并尚未查明其内容的光谱特征存在。到2004年，人们只发现了具备这些尚未查明的特征中的第一种特征的12颗恒星。而且对于这种光谱特征，除了知道它是由某种形式的碳造成的以外，并没有其他明显的解释。但这一特点分布于红外波段中较大的范围内，而且没有包含某种分子的鲜明的谱线，如碳化硅。第二个特点存在于碳星光谱的不同波长范围（也可以说是分散在不同的波长范围内），显示的许多特点和第一种特点类似。这两种特征也许可以解释为许多环碳分子连在一起发出的红外辐射的综合效应，尽管目前尚无证据表明事实的确如此。
含有这些碳环的化合物称为芳香族化合物，因为它们往往有明显的气味——当然这样的气味未必总是令人感到愉悦。典型的例子是苯。苯分子（C6H6）由6个碳原子连成六边形，每个碳原子连接到1个氢原子。这一结构被称为苯环，是所有化学家叫作芳烃的分子的核心，有时是由1个不同的元素的原子替换掉碳环中的1个碳原子。
在这种分子的一个例子中，多出来的1个碳原子被1个氧原子取代，形成了吡喃环（pyran ring, C5O）。吡喃环容易形成长链，其中每个环，由1个氧原子作为两者之间的桥梁，附在其相邻的环的任意一端。一般情况下，这种长链被称为聚合物。在这一特殊情况下则称作多糖。一旦存在少数这样的链，它们就会倾向于结合更多的碳原子和氧原子，使它们成为更多的吡喃环。此外，如果一个环断开了，就会产生两个多糖链。生命的关键特性在于能够成长和繁殖，尽管多糖还算不上有生命，但这说明生命的这种关键特性，可以随着化学反应变得更为复杂而自然地产生。
最重要的是，乙炔（C2H2），即苯和其他芳香族化合物的基本组成物，是在这些星云中已经确认存在的分子之一。碳星光谱的广泛特征恰恰处于与苯环的CH和CC键的拉伸和弯曲相联系的红外光谱部分，它们所产生的特点被统称为芳香族红外波段，或AIBs。在实验室中，要想测量其光谱，很难模拟这些复杂的结构在深空存在的环境。然而，接近真空的环境下，温度接近绝对零度，通过激光束探测合成物化学结构，奈梅亨大学在2002年进行了一系列实验，提供了迄今为止最好的证据，证明我们的判断是正确的。但是，要想解释从太空获取的光谱的特征，只能是很多苯环连在一起，形成一整片或是六边形的环，成为大量的碳材料，含有至少数以百计的碳原子。这种许多苯环的组合被称为多环芳烃，或者PAH。它们也可与碳基链连成规模较小的分子，这些链又可以作为桥梁，构成其他的成片的多环芳烃。地球上有一种非常常见的物质，基本上就是这种结构，那就是煤。
我们所看到的碳星的宽频红外辐射带，其实是来自我们自己的太阳系。有强有力的间接证据表明，这是正确的解释。陨石是太阳系形成阶段遗留下来的碎片，有时会落到地球上，其所含的物质可能代表了太阳系形成时期，星云气体和尘埃中所含有的固体物质。陨石中最常见的有机物质是油母质，这是一种像煤的材料，是油页岩的固体有机组成部分，加热后会产生类似石油加热所产生的碳氢化合物。这并不意味着煤和石油来自宇宙空间。我们认为多环芳香烃可能是生命产生的基本元素之一，而煤和石油则是曾经存在过的生命的残留，因此它们是在生命故事的另一端——生命真可谓是“本是煤炭，仍要归于煤炭”，而不是像圣经里说的那样“本是尘土，仍要归于尘土”。[77]
2005年，NASA的“深度撞击”太空探测器故意撞向坦普尔1号彗星，使用地球上的斯皮策望远镜在红外波段分析了撞击所激起的彗星物质。结果令许多天文学家感到惊讶（但不包括那些一直研究这里所叙述的话题的人），从彗星材料所获得的光谱揭示了那里存在有硅酸盐、碳酸盐，黏土状的材料、含铁化合物，以及类似于烧烤火堆中或汽车尾气中所具有的芳香烃化合物。一直关注我们这里所描述的研究的人，对这些发现感到满意。这就像将拼图的又一块完美地拼合上了，让我们对产生生命所不可或缺的物质是如何来到地球上的有了进一步的了解。
陨石还能为我们揭示生命起源的其他方面的奥秘。我们已经提到，生命大量使用碳、氢、氧和氮这4种最常见的反应元素。在生命分子中，其他元素的含量要少得多。它们本来相对也较匮乏，因此这不难理解。但是有一个奇怪的例外。我们已经看到，磷是核酸的一个重要组成部分，而且在其他的生命分子中，它的含量也出奇的高。为了更好地理解这一点，可以看一下这一比例：在整个宇宙中，每有1400个氧原子才有一个磷原子；但在细菌中（单细胞有机体，从许多方面讲，它们是生命的基本单位），每72个氧原子就有1个磷原子，从质量方面考虑这使磷成为生命中处于第五位的最重要的生物元素。其原因在于，磷具有不同寻常的机制，能够与其他原子形成联系。由于在磷原子中，量子力学的一种奇怪现象会影响其中的电子，使1个磷原子有时可能同时与其他5个其他原子产生化学键。这使它能够形成大量的分子的组成部分，并将其他化学单位以复杂而有趣的方式链接起来。一旦知道了这一点，我们就会毫不奇怪地发现，磷是复杂性生命的一个重要组成部分。它能够形成多种化学键的这一特性，弥补了其数量的不足。[78]任何1名园丁或农民都能会告诉你，磷肥对于植物有多么重要。那么这和陨石有什么关系呢？这是因为许多陨石含有磷，而且通常是与铁和镍形成某种矿物形式。2004年，亚利桑那大学的研究人员进行了一个简单的实验，使用了这样一种矿物，称为磷铁镍陨石，将其在室温下投入普通的水中。由此产生的化学反应产生了各种各样的磷化合物，其中包括氧化磷P207。多个生化过程会用到这种化合物，它和一种称为三磷酸腺苷（ATP）的化合物类似，后者用来储存所有生命细胞中的能量。三磷酸腺苷的其中一个作用是为肌肉收缩提供动力。这样，我们再一次在宇宙空间找到了存在生命产生所需的基石的证据。此外人们还发现陨石也含有氨基酸（这确定了构成蛋白质的这些基本构件已经存在于太阳系形成时所用的基本物质中）、羧酸和糖类，包括甘油（这是现在地球上的所有细胞在形成细胞壁的时候所需的一种糖）和葡萄糖（一种六角形环分子C6H12O6，对于呼吸有重要作用）。
关于陨石中的分子还有其他的一些发现，提供了如今地球上的生命和起源于宇宙空间的分子之间的联系。诸如氨基酸以及更有趣的糖等分子具有独特的三维形状，而且通常能以两种镜像的形式中的任意一种存在，就像一副手套的左右两只一样对称。这些通常被称为左旋（左手）和右旋（右手）分子异构体。而左右旋是根据分子对偏振光的影响判断的。我们可以将偏振光想象成沿伸展开的绳索传递的垂直涟漪。左手和右手异构体的影响，是改变涟漪的角度，因此，本来垂直的涟漪出现了向左或向右的倾斜。化学家用组成它们的基本原子合成这些分子得到了同等数量的“左手”和“右手”形式的异构体。量子化学的定律不偏向任何一方。但是，地球上的生命却有偏好，它们几乎完全使用左旋氨基酸制造蛋白质，用右旋糖制造核酸。一个DNA分子不可能使用左旋脱氧核糖，就好像左手的手套没办法戴到右手上。[79]
这样一件事首先告诉我们（确认了其他的证据），现在地球上所有的生命都是来自一个共同的祖先。如果这一祖先的生命形式——可能是原始的细胞——正好利用了这一类异构体，其所有的后代将继续这样做，而根本不管周围的环境中还存在这些分子的镜像版本。所以，直到最近，人们觉得似乎存在某种比较好玩的可能性，那就是如果我们在附近的行星上发现与我们类似的生命形式，可能会发现它们可能使用右旋氨基酸和左旋糖，或是使用同样方向的两种分子。这引发产生了不少的科幻小说，故事中提到滞留在其他星球的旅客虽然周围的食物很多，但却不得不挨饿，因为他们的代谢系统无法吸收外部世界的食品。但在20世纪90年代末，天文生物学家发现，陨石中的氨基酸也是左旋的。在太阳系形成之前，不对称性已经存在于生命的分子之中了。
有两种方法可以让一种分子的数量超过另一种。要么是一开始就制造更多的某一类型的同分异构体，要么就在制造出它们后，把另外一种破坏掉。在实验室中，人们可以用圆偏振光效应去除某种异构体。[80]天文学家使用建在澳大利亚赛丁·斯普林（Siding Spring）山的英澳望远镜发现了来自猎户座分子云的圆偏振光（在红外光谱部分），这就把拼图的最后一块拼合上了。这是一个恒星正在形成的区域，而且在这里发现了有机分子。看来这一区域的圆偏振光肯定会在星云崩坍，形成新的恒星和行星之前，在这一区域的有机分子上留下印记，使得其中的一类多于另一类。
这意味着，在一群恒星共同形成的时候，物质的左右旋特性就会形成。但是，由于圆偏振光本身就可能是左旋或右旋的，根据其旋转方向不同，不同的星际云中的分子（甚至是在共同的星际云中不同区域的分子），都可能会受到不同的影响。因此，虽然现在已经肯定，如果太阳系的其他地方有氨基酸存在，也肯定是像地球上的一样是左旋的，但是不同的变化形式仍可能存在于银河系的其他地方。因此，那些科幻故事可能的确没搞错，只要故事中的空间旅行者旅行得足够远。
到目前为止，这已经足以证明构筑现在的生命形式的砌块，早已存在于构成太阳和家族的所有行星（包括地球）的物质之中了。我们也看到，这些物质能够包裹在陨石内降落到地球表面。这本身可能已经足以启动地球上的生命进程。但是还有另外一种更美妙的方式让有机物质落到地球上，这在太阳系年轻的时候更为有效——包裹在彗星内部。
现在，彗星已不再是引起我们的祖先迷信恐惧的神秘物体了。驯服彗星的工作是从18世纪开始的。当爱德蒙·哈雷正确地预测了那颗现在以他的名字命名的彗星的回归的时候，就表明它们已经成了太阳系的普通成员，同样受到引力的作用，与绕太阳运行的物体一样遵循同样的物理定律。近年来，人们除了从地面上研究彗星的光谱之外，还通过太空探测器近距离造访过它们。最富戏剧性的探测是2005年NASA用一个探测器撞向坦普尔1号彗星，提供了近距离的图片，并使彗星物质喷发出来，其光谱（毫不令人惊讶地）揭示了在彗星上存在大量的水。实际上，对彗星最好的描述，是可以将其视为宇宙空间的脏冰山——以前人们就称它们是脏雪球，但现在我们知道，它们比雪球可要坚固得多。彗星中的很多尘埃都是有机材料以及碳化合物，虽然这些尘埃只占彗星质量的一小部分，但彗星的总体体积非常巨大（哈雷彗星的质量约为3000亿吨），因此，即使是总额中的一小部分，其绝对质量按人类的标准来说也大得惊人。而这还只是一颗彗星。
彗星可分为两个家族，其区别仅在于其轨道。一种是所谓的短周期彗星，沿椭圆轨道运行，轨道范围和太阳系行星的大致相同。比如，哈雷彗星的轨道最远稍微超过了海王星，靠近太阳的时候则接近金星，每76年完成一次循环。在其公转的大多数时间内，它只不过是一坨肮脏的冰块。但是，当其开始靠近太阳，其表面变得足够热，物质会蒸发，形成一个长长的尾巴，这就是给我们的祖先彗星留下深刻印象的所谓“扫帚星”。哈雷彗星下一次回归是在2061年，到时它很可能会变得毫不起眼，因为那时它处在太阳系的一个错误的位置，无法给地球上的人提供良好的视角；但在2134年，哈雷彗星将在距离地球1400万千米以内经过，会在天空留下极为壮观的景象。现在已经有100多个已知的短周期彗星，其轨道已经被确定。
长周期彗星的轨道更为扁长，使它们能够运行到更加远离太阳的地方。历史上，人们给长周期和短周期彗星制定了一个任意的标准，即轨道周期为200年，但这一历史事件却带有误导作用。虽然人们已经确定了500多个长周期彗星的轨道，可是彗星之间真正重要的区别，是有周期的彗星和因轨道过于扁长而无法计算其精确周期的彗星之间的区别。它们似乎从深空中突然出现，扫过太阳，然后再次消失，并且似乎永远不再回来。
轨道计算结果表明，所有轨道周期已知的彗星，都可以被解释为原本是具有超长周期的彗星，后来被木星引力捕获，被困在了木星引力影响的区域。但是，计算还表明，每100万颗这样的“野”彗星中才会有1颗被木星引力捕获。因此，在宇宙空间的某个地方，必然还存在一个蕴藏着众多彗星的区域，为我们的太阳系提供了稳定的造访者，这样才能解释为何人们已经发现有数百个轨道时期已知的彗星。
计算表明，这些非周期彗星的轨道的起点大约都距离太阳约10万个天文单位，是到太阳最近的恒星的距离的一半。[81]这让人们认为，在这个距离附近，存在一个巨大的彗星云团，包裹着太阳系。这一彗星群被称为奥皮克—奥尔特云（the Opik-Oort Cloud），这是以两个最先提出这一观点的天文学家的名字命名的。在半个世纪的时间里，人们不断辩论这一彗星云是否存在，以及如果它确实存在，彗星最初又是如何到了那里的。但是在人们研究了像绘架座β星（Beta Pictoris）这样的年轻恒星周围的尘埃盘之后，这一辩论已经尘埃落定。这些研究揭示出一个关键的问题，即彗星真的是“最初”就在那里了，在太阳系产生之初，这个彗星资源库就填满了。
在计算机模拟的太阳系形成过程中，如果允许太阳系周围也存在像绘架座β星周围那样的星盘，其中包括的物质比太阳系本身还要多，模拟表明，尽管随着系统稳定下来，大多数的物质会抛入宇宙空间，还有相当于几百个地球的物质，即比太阳系所有行星加在一起的质量还要多的物质，仍然以彗星的形式保留下来。其中有些物质是在海王星轨道以外绕太阳运行，另外还有一些，即最少相当于100个地球质量的物质，位于奥皮克—奥尔特云中。这些材料足够构成2万亿个哈雷彗星大小的物体——对太阳系来说，简直是一个取之不尽的彗星储备库。即便每年有20颗这样的彗星飞向太阳——这一速率远远超过现在正常的速率——那么自太阳诞生到目前为止，储备库中只损失了5%的原始彗星。
在该彗星云中，一般的彗星都是悠闲地以每秒100米的速度绕太阳运行，这样的速度只是奥运会短跑选手速度的10倍。它们在数十亿年的时间里都以这样的速度运行。彗星云中只是偶尔出现一些干扰（也许是附近的1颗恒星产生的引力影响，或是2颗彗星之间的相互作用），会让其中1颗或数颗脱离群体，然后飞驰进入太阳系内部，而其他的绝大多数彗星的引力，则对脱离群体的彗星产生巨大的拉力，使它们像印地500赛车中的车辆那样，飞速运行，然后消失在太空。在这些太阳系的访问者中，每100万颗里面才有1颗，会受到木星引力的作用，进入绕太阳运行的短周期轨道。有时，彗星会和木星发生碰撞[如苏梅克—列维9号彗星（Shoemaker-Levy 9）在1994年撞击了木星]或是与其他行星发生碰撞。彗星如果撞上地球，引起的可能是一个区域的灾害（就好像1908年发生在西伯利亚地区通古斯的撞击），或是全球性的灾难（例如似乎发生在6500万年前白垩纪末期的全球性灾难）。但是，彗星撞击地球在带来死亡的同时，也可能会带来生命。
很明显，彗星是由从太阳系形成所使用的星云气体和尘埃等典型原始材料构成的。这意味着它们可能含有在巨分子云（GMCs）中能观测到的所有成分，此外还加上空间存在的，尚未被我们所确定的更复杂的分子。例如，由于一些陨石含有氨基酸，如果至少有一些彗星不含氨基酸，那么也会让人感到惊讶。同样明确的是，在太阳系年轻时，即行星刚刚形成，尚未进入稳定状态之前，这里一定曾有过更多的流浪的彗星。模拟计算结果向我们展示了，在太阳系的早期阶段，许多彗星是如何飞入太空的，其中有不少朝着太阳飞去，最终被行星吞噬了。正如我们已经看到的，月球上的环形山，就是40亿年前所发生的多次撞击的无声证明，而且，不论撞击我们的邻居月球的东西是什么，同类的东西肯定也撞击过地球。而且很可能，地球上相当大比例（也许是全部）的水，就是由于这种撞击被带来的，此外还包括其他彗星物质。有机物质可能在撞击之后仍能存在，但是我们并没有非要从这一角度去考虑，因为有机材料还有其他更温和的途径降落到地球。
彗星最明显的特征，是当它们在太阳附近飞过的时候，会丧失一部分物质。如果太阳的热量使得其内部的冰态物质汽化，它们还有可能分解成较小的碎块，在分解的过程中喷射出更多的物质。当其绕太阳轨道飞行几次之后，短周期彗星就会在它的整个轨道上留下尘埃印记；当地球穿过这种尘埃轨迹时，我们就会看到流星雨，因为彗星留下的尘埃会在地球大气层中燃烧，形成一道道光芒。每年，都会有两次这样的流星雨一次是出现在11月（狮子座流星雨），另一次在8月（英仙座流星雨）。但有一些尘埃不会燃烧。较小的会缓缓地穿过大气层，到达地球表面时还保持完好无损。
即使是现在，每年这样降落到地球的彗星尘埃也会给地球增加300吨的有机物质，而陨石则贡献大约10千克有机物，这些物质安全地密封在岩石内，可以穿越大气层而不受损。我们的星球刚刚经历过原始的轰炸期时，肯定会有更多的此类尘埃处于太阳系的内部。根据我们前面讲述的模拟进行保守的估计，那时，每年彗星将大量有机物质带到太阳系内部，其中约1万吨的此类物质会落到地球表面。这些物质基本上纯粹是巨分子云中的物质。约1亿年后，地球上刚刚出现生命的迹象。到那时，地球上已经累积获得了极大量的有机物质——即含有碳的多元分子。根据这些初始条件，要是生命竟然没有抓住机会，在地球表面繁衍生息下来，倒是很难想象的了；剩下的问题是，在这些彗星物质尚未到达地球时，它们究竟如何接近于“有生命”的状态？
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的参与，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海面上，它们就很少有机会结合起来，完成令生命变得有趣的那些工作。显然，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。关于生命开始的地点，已经有过许多的提法——一种有趣的可能性，是把关键的分子困在类似黏土的物质层中。我们将要简要介绍的假说并不是唯一的，而且也未经证明；但它却优于其他的假说，并且适合所有的已知事实。
大多数细胞都很微小，其直径也许只有1/10或百分之一毫米。人的身体包含大约10万亿个这类细胞[82]。它们共同努力，以使你能够成为你；但是，像细菌那样的单细胞生物自己也能过得很好。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。这种与外部世界的屏障只有千万分之几毫米厚，并允许某些分子进入（基本上是“食物”），并允许某些分子出来（废物）。膜根据这些分子的大小和形状进行甄别。为了使不同的分子能够按不同的方向通过，细胞膜的结构就不能像一道带有窟窿的砖墙那样，而是要有特定的“内”和“外”。最简单的单细胞有机体，其细胞内部结构最简单，而且人们会很自然地假设，它们代表了单细胞物种原始的生命形式。化石证据表明，直到大约6亿年前，复杂的多细胞有机体才出现在地球上，这距离单细胞生命出现已经过去了大约3万亿年。像我们人类这样的生物要到更晚的时候才进化产生。但是这里，我们只对生命的起源感兴趣，因此我们要集中讨论这些原始的单细胞生命。它们总是被一种化学复合膜包围。这种膜是由被称为氨基糖的长链（聚合物）分子构成的。这些分子链由其他化学单位（称为多肽的短链氨基酸）连在一起，组成一个网状物，有点像日常使用的网兜。这里我们要强调的一点，从参与的化合物的名字即可顾名思义——构成细胞壁的亚单位是氨基酸和糖类，两者都很可能是存在于太阳系形成所依据的星云中，而且两者都可能是彗星尘埃的组成部分。
20世纪90年代后期以及21世纪初，美国航天局的科学家和加州大学圣克鲁斯分校的研究人员进行的实验表明，这种膜结构的形成可能与巨分子云中存在的冰冷尘埃颗粒有关。他们将已知存在于巨分子云中的简单的化合物的气体混合物进行冰冻——包括水、甲烷、氨和一氧化碳，以及最简单的酒精、甲醇等——将这种混合气体凝结到小铝块上，冷却到-263℃，就像是寒冷的冬夜汽车挡风玻璃上凝结了一层霜一样。然后，使用紫外线辐射照射冰颗粒，模拟其受到年轻恒星的辐射的状态。结果所产生的最终物质，包含有更为复杂的醇、醛，以及较大的有机化合物，称为六亚甲基四胺（HMT）。但是，真正的戏剧性发现是在研究小组将这些物质放到温暖的液态水中时产生的。他们发现，一些组成物质自发形成了空心小球（称作“囊泡”），直径在百万分之十至四十米左右——尺寸和血红细胞相似。
一旦你理解了用紫外线照射冰所产生的一些复杂的有机分子的性质之后，就会发现这其中的解释很简单。这些特殊的分子被称为两亲物，它们的行为和洗涤剂分子的类似。这种分子有一个独特的“头”和“尾”结构，尾部受到水的斥力，而头部受到水的吸力。洗涤剂的效应是其分子的尾部埋在灰尘中，因此洗涤剂分子会包围尘埃颗粒（借助一点晃动），使它们从所洗的东西上被冲走。然而，在模拟太空环境的条件下，两亲物的尾部由于埋不到任何东西中，会形成双层，其尾部在内，头部在外。这些层会发生自然蜷缩，形成很小的空心球。此外，它们会吸收紫外线，因此囊泡的内部成了避风港，里面的化学反应可以在不受外来干涉的情况下进行下去。
对于这些新发现的保守解释是，来自彗星尘埃的囊泡，曾经飘浮在年轻地球的水域中，周围还包裹着来自宇宙空间的其他有机物质，而且在一些温暖的小池塘里，像氨基酸和糖类等物质就会开始发生反应，启动了将导致生命产生的进程。而我所喜欢的更为激进的解释，是在彗星冰冷的团块内，由于超新星爆炸所产生的一些半衰期较短的同位素衰变而产生辐射可以起到加热的作用，在小水坑里可以形成囊泡，里面会充满复杂的有机分子，并最终会形成生命的分子。即使这种假说没有别的特别之处，它至少可以将非生物物质演化形成生命物质所用的时间，从地球表面的几亿年，延长到宇宙空间的几万亿年。即使后来彗星又冻结成固体，囊泡将耐心等待，准备好解冻；并在它们变成太阳系和其他类似星系内的彗星尘雨一部分的时候，把生命的种子送到某颗行星的表面。
在21世纪的第一个10年里，这一想法仍然被看作非常大胆的猜想。但值得注意的是，第一个提出这种设想的人，是天体物理学家弗雷德·霍伊尔。而且他是在20世纪70年代提出来的。那时，霍伊尔的这一想法基本上是被人一笑了之，这不仅是因为这一想法有点离经叛道，而且他和他的同事钱德拉·维克拉马辛一起甚至提出，像流感这样的疾病也可能是被彗星尘埃带到地球的。不过现在看来，霍伊尔的假说倒是合理性多于谬误，虽然他有点儿离谱。[83]细胞最先产生，其次是酶，然后才出现基因这一想法的历史更为悠久，可以追溯到奥巴林（A.I.Oparin）在20世纪20年代的研究工作，虽然有关第一个细胞是在太空中产生的提法出现得要更晚一些。有人说，在科学上，新的想法总是首先被当作无稽之谈，然后变成革命性的新理论，并最终被看作不言自明。[84]关于生命本身起源于深空并在后来由彗星带到地球的观点，我们目前可能处在新观念的第二阶段。
这是正在被人们认真考虑的最极端的一种可能性。对于“生命来源自哪里？”这一问题，我个人的答案会是，“它来自巨分子云冰冷的物质中，来自构成行星和恒星的物质中。”但是，另外一种提法，即“在地球上一些温暖的小池塘中，由彗星带到地球的复杂的有机分子迈出了自我复制的关键的一步”，倒是显得有些“保守”了。无论生命如何起源，毫无疑问的是，所有的类地行星上，在其年轻的时候，都会带有相同类型的有机物质。这意味着，在整个宇宙空间，生命很可能是普遍存在，而且所有的生命都基于同样的基本组成部分，即氨基酸及糖类。当然，宇宙中其他地方的生命所使用的氨基酸和糖类可能与地球上的生命所使用的不同。然而，智能生命在其他地方是否有可能存在，则是另外一个问题了，已经超出了本书讨论的范围。我们这里所面临的最后的大问题是：“一切将如何结束？”
