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产生的一些生命在地球上留下了种子，那么我们会问，生命在其他
地方又是怎样开始的呢？因此，这个种子的说法不能解决问题，只
是把问题转移到别的地方而已。
化学进化过程
虽然直到今天有些科学家仍然对传播种子的可能性很感兴
第十三章 细 胞
第十三章 细 胞
趣，但是大多数科学家认为，应该弄清楚地球上生命起源的合理机
制。
他们又回到自然发生说，不过有一点不同：巴斯德以前的观点
认为，自然发生是在现在发生的，进展很快；现在的观点则认为，自
然发生是在很久以前，而且经历了一个非常缓慢的过程。
自然发生不可能在现在发生，因为任何物质即使接近最简单
形式的生命所需要的复杂性，都会被已经存在的无数种生命的一
种作为食物而吸收。因此，自然发生只能发生在还没有生命存在
的星球上，而
35亿年前的地球可能就是这种情况。
另外，生命也不可能在富含氧的大气里产生。氧是一种活泼
元素，它可以与构成接近生命的化学物质结合，把它们再分解。但
是，正如我在第五章中所谈到的，科学家们认为，原始大气是一种
还原大气，不含游离的氧。事实上，一种可能是，地球的原始大气
是由含氢的气体如甲烷（
CH4）、氨（
NH3）和水蒸气（
H2O）组成的，
也许还有一些氢（H2）。
这样一个高度氢化的大气，我们可以称之为大气Ⅰ。通过光
离解，大气Ⅰ会缓慢地变成由二氧化碳和氮组成的大气（见第五
章），可称为大气Ⅱ。此后，在高层大气里形成一个臭氧层，自发的
变化就停止下来。那么，生命会不会在大气Ⅰ或大气Ⅱ中就已经
形成了呢？
尤里认为，生命是在大气Ⅰ里开始的。
1952年，S。 L。 米勒
（当时他是在尤里实验室工作的一位研究生）设计了一种模拟原始
大气的装置，他让水、氨、甲烷和氢的混合物在装置里循环，中间通
过一个放电器产生的电火花（模拟太阳的紫外线辐射）。一周后，
他用纸色谱法分析所得到的溶液，发现除了不含氮原子的简单物
质外，还有甘氨酸和丙氨酸（两种最简单的氨基酸），而且好像还有
一两种更复杂的氨基酸。
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S。 L。 米勒的实验有几个方面值得注意。首先，这些化合物形
成得快而且多，数量令人吃惊，他在实验开始时加入的甲烷有
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合成为更复杂的有机物，而实验仅仅持续了一周。
而且，在
S。 L。米勒的实验中形成的那类有机分子正是活组织
中所具有的。这些简单分子会变得越来越复杂，它们所走的路径
似乎直接地朝向生命。在后来更精密的实验中，这个朝向生命的
进程一直在继续着，但从未大量形成过似乎朝向陌生的非生命方
向的分子。
于是，艾贝尔森仿效
S。 L。 米勒的工作，以各种气体的不同组
合为起始物质，进行了多种类似的实验。结果发现，只要用含有
碳、氢、氧和氮原子的分子开始，就能形成蛋白质中通常具有的那
些氨基酸。电火花也不是实验的惟一能源。
1959年，两位德国化
学家格罗特和威森霍夫，设计了一种可以利用紫外线的实验，他们
也得到了氨基酸。
假如有人怀疑朝向生命是一条阻力最小的路径的话，请看这
样一个事实：20世纪
60年代后期，在外层空间的气体云里（见第
二章）发现的分子越来越复杂，这些分子代表着朝向生命的最初阶
段。如果是这种情况，那么，可能在由气体尘埃云形成地球的时
候，形成复杂分子的最初阶段就已经开始了。
所以，在地球刚形成的时候，可能就已经有许多氨基酸。
1970
年，人们找到了支持这个学说的证据。斯里兰卡出生的生物化学
家庞南佩鲁马研究了
1969年
9月
28日落在澳大利亚的一块陨
石。经仔细分析证明，陨石里含有微量的
5种氨基酸：甘氨酸、丙
氨酸、谷氨酸、缬氨酸和脯氨酸。这些氨基酸没有旋光性，所以它
们不是由生命过程形成的（因而它们的存在不是地球上污染的结
果），而是由
S。 L。 米勒烧瓶里发生的那种非生命的化学过程形成
的。
第十三章 细 胞
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实际上，霍伊尔和一位印度同事威克拉马辛吉对这个发现留
下了极为深刻的印象。他们觉得这种合成远远超出了已经被发现
的东西。他们认为，在空间能够形成少量极微小的生命，虽然在天
文距离上探测不出来，却肯定具有重大意义。
不仅在遥远的气体尘埃云里，而且在我们太阳系的彗星里，都
可能形成这些小生命。因此，地球上的生命可能是由彗尾带给地
球的孢子开始的。（说实在的，几乎没有人把这个推测当回事。）
化学家们能不能在实验室里超越氨基酸阶段呢？这样做的一
个方法是，开始时使用较多种的原料，并让它们接受较长时间的能
源处理。这样就会产生越来越多的更复杂的产物。但是，这些产
物的混合物也会变得越来越复杂，因而更加难以分析。
化学家们可以利用的另一个方法是从后来的某个阶段开始，
可以把早期一些实验中形成的产物当作新的原料使用。
S。 L。米
勒的一个产品是氰化氢。1961年，西班牙血统的美国生物化学家
奥罗把氰化氢加入起始混合物中，他得到了比较丰富的氨基酸混
合物，甚至还有一些短肽；他还合成出嘌呤，特别是腺嘌呤，它是核
酸的一个重要成分。1962年，奥罗利用甲醛作为原料之一，制造
出了核糖和脱氧核糖，也是核酸的成分。
1963年，庞南佩鲁马也做了类似
S。 L。 米勒的实验，用电子束
作为能源，结果也有腺嘌呤形成。他和马里纳及萨根一起，进而把
腺嘌呤加入核糖溶液，在紫外线照射下形成了腺苷（一种把腺嘌呤
和核糖连接在一起的分子）。如果此时还有磷酸存在，磷酸也会被
连接起来，从而形成腺嘌呤核苷酸。假如加入
3个磷酸基，就会形
成腺苷三磷酸（
ATP）。在第十二章中已经讲过，腺苷三磷酸是活
组织的能量处理机制所必不可少的。1965年，他合成了二核苷酸
（2个核苷酸连接在一起）。如果在这个方面的各种实验所使用的
混合物里加入氨基氰（CNNH2）和乙烷（CH3CH3）一类的物质（这
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类物质在原始时期很可能存在），就会形成其他产物。因此，毫无
疑问，在原始的海洋和大气里，正常的化学和物理变化可能就是这
样发生的，从而形成了蛋白质和核酸。
在没有生命的海洋里形成的任何化合物都会保留和积聚起
来，因为没有生物（不论大小）去消耗它们或使它们腐烂。此外，原
始的大气中没有氧化和分解分子的游离氧，惟一可以分解复杂分
子的重要因素正是形成它们的紫外线和辐射能。不过，海流可能
把大量的这类物质带到了海洋中层的安全地带，既远离了紫外线
照射的海面，又远离了具有放射性的海底。实际上，庞南佩鲁马和
他的同事们已经估计出，足有
1％的原始海洋是由这些积聚的有
机物构成的。如果真是这样，这种物质会超过
1 000万亿吨。这
么大的数量足够各种自然力对付的了；在如此大量的物质中，即使
最复杂的物质也一定能在不太长的时期内形成（如果考虑到有
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亿年的时间可供利用，就更不成问题了）。
因此，完全可以合乎逻辑地推测，随着时间的推移，从原始海
洋和大气的简单化合物里出现了浓度越来越高的比较复杂的氨基
酸和简单的糖类；氨基酸结合形成肽；嘌呤、嘧啶、糖和磷酸结合形
成核苷酸；又经过若干年代，逐渐形成了蛋白质和核酸。最后一定
会发展到关键的一步——通过偶然的组合，形成能够诱导复制的
核酸分子。这个时刻标志着生命的开始。
因此，在生命自身的进化以前有一个化学进化的时期。
似乎一个单个的生命分子就足以使生命开始发展并产生出整
个世界的各种不同的生物，正如一个单个的受精卵能够产生一个
非常复杂的生物一样。在当时构成海洋的有机“汤”里，第一个生
命分子可能成亿成亿地迅速复制和自身一样的分子。偶然的突变
会产生形式稍有改变的分子，而那些在某方面比其他分子效率更
高的分子会牺牲它的邻居而繁殖起来，从而取代那些旧分子。如
第十三章 细 胞
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果一组分子在温水中效率比较高，而另一组在冷水中效率比较高，
这样就会产生两个种，每个种都局限在最适合自己生存的环境中。
这样有机进化的过程就运转起来了。
即使一开始有多个独立存在的生命分子出现，也很可能效率
最高的一个比其他的都繁殖得快，所以今天所有的生命很可能是
由一个单个的原始分子传下来的。尽管现在存在着各种各样的生
物，但它们都具有相同的蓝图。它们的细胞都以大致相同的方式
进行代谢。此外，所有生物的蛋白质都是由
L…型而不是
D…型氨基
酸构成的，这一点似乎特别值得注意。也许发展成各种生命的原
始核蛋白碰巧是由
L…型氨基酸构成的；由于
D…型氨基酸不能与
L
型氨基酸结合成任何稳定的链，所以开始时碰巧由
L…型氨基酸构成
的蛋白质便一直自我复制而变得极其普遍了。（这并不意味着自然
界里完全不存在
D…型氨基酸。在某些细菌的细胞壁里和某些抗菌
素化合物里有
D…型氨基酸。不过，这些都是罕见的例子。）
最初的细胞
当然，从生命分子到我们今天所知道的生命仍然有很大的距
离。除了病毒以外，所有的生命都是由细胞构成的，而一个细胞
（不论以人为标准看上去多么小）在化学结构和相互关系方面是极
其复杂的。细胞是怎样开始的呢？
美国生物化学家
S。 W。福克斯的研究阐明了细胞起源的问
题。他认为，地球在很久以前一定非常热，因此单靠热能就足以使
简单的化合物形成复杂的化合物。1958年，为了验证这个假说，
福克斯把氨基酸的混合物加热，发现它们形成了类似蛋白质分子
的长链。这些类蛋白可以被消化普通蛋白质的酶所消化，并可以
作为细菌的食物。
最令人惊奇的是，当福克斯把类蛋白溶于热水中并让溶液冷
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却时，他发现类蛋白会凝集成小中心球，大小像小的细菌。以通常
的标准来看，这些中心球不是活的，但它们的表现却和细胞一样，
至少在某些方面是如此（例如，它们都有一层被膜）。往溶液里加
入某些化学药品，福克斯可以使中心球膨胀或收缩，非常像普通的
细胞。它们能够产生芽，有时芽似乎长大一点，然后脱落下来。中
心球能够分裂，一个分裂成两个，也能够凝集成链。
可能在原始时期，地球上形成了许多种这样微小而不完全有
生命的物质聚合体。有些聚合体特别富含
DNA并且非常善于自
我复制，但只能一般地储存能量；另一些聚合体储存能量比较多，
却不善于自我复制。最后，这些聚合体可能结合在一起，互相合
作，互相弥补缺陷，从而形成了近代的细胞。细胞比组成它的任何
单独部分效率都高。近代的细胞至今仍然含有细胞核（富含
DNA，但自身不能利用氧）和许多线粒体（能非常有效地利用氧，
但没有细胞核不能进行自我复制）。（事实上，线粒体仍然具有少
量的
DNA，这表明线粒体可能曾经是独立的实体。）
诚然，近些年来，人们越来越怀疑大气Ⅰ没有持续多久，而大
气Ⅱ几乎在开始时就有了。例如，金星和火星都有大气Ⅱ（含二氧
化碳和氮），当地球像金星和火星那样没有生命的时候，可能也是
有大气Ⅱ。
这并不是一个重大的改变。二氧化碳、水蒸气和氮仍然能够
形成简单的化合物。大概在雷电的影响下，氮和二氧化碳或水（或
二者）结合，可以转化成一氧化氮、氰化物或氨；然后，在阳光和其他
能源的作用下，分子的变化继续朝着生命的方向发展。
动物细胞
在大气Ⅰ和大气Ⅱ存在的整个阶段，原始的生命形态只有靠
把复杂的化学物质分解成比较简单的化学物质，并把这个过程中
第十三章 细 胞
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释放的能量储存起来，才能维持生存。比较简单的物质在太阳紫
外线辐射的作用下重新形成复杂的物质。一旦大气Ⅱ完全形成并
有了臭氧层，这些原始的生命形态挨饿的危险就会到来，因为紫外
线的供应切断了。
可是，到那时已经形成了一些类似线粒体的聚合体，它们含有
叶绿素（即近代叶绿体的祖先）。1966年，加拿大生物化学家霍德
森和
B。 L。 贝克用吡咯和甲醛（二者都可以用更简单的物质以米
勒式的实验合成）作为起始物质，只经过
3个小时的温和加热，就
形成了叶绿素的基本结构卟啉环。
在臭氧层形成的时候，含有最初原始叶绿素的聚合体尽管不
能有效地利用可见光，但一定比逐渐饿死的无叶绿素聚合体好得
多。可见光能够轻易地穿过臭氧层，而且可见光比较低的能量（与
紫外线相比）足以激活叶绿素系统。
最初利用叶绿素的生物体可能还不如今天的单个叶绿体复
杂。实际上，现在有
2 000多种叫做蓝绿藻的单细胞光合作用的
生物体（它们并不全是蓝绿色，但最初研究的一些是这种颜色）。
它们都是非常简单的原核生物，结构和细菌非常相似，只是它们含
有叶绿素而细菌没有。蓝绿藻可能是原始叶绿体的最简单的后
代，而细菌可能是失去叶绿素的叶绿体的后代，它们靠寄生或从死
组织及其成分中获取养分。
当叶绿体在原始海洋中繁殖的时候，二氧化碳逐渐减少而为
分子氧所取代，于是形成了现在的大气Ⅲ。植物细胞的效率不断
提高，每个细胞都含有许多叶绿体。同时，没有叶绿素的精细细胞
已不能靠以前的基础生存，因为除了在植物细胞里，海洋里不再形
成新的食物。然而，这些细胞虽然没有叶绿素，却具有精细的线粒
体装备，可以高效率地分解复杂分子并把分解时的能量储存起来，
因此，它们可以靠摄取植物细胞和剥夺植物细胞辛苦合成的分子
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来生存。动物细胞就这样产生了。最后，生物体变得非常复杂，开
始留下我们今天所看到的动植物的化石记录。
同时，从创造新生命的观点来看，地球环境发生了重大改变。
生命再不能由纯化学进化来产生和发展了。首先，最早使生命出
现的能量的形式（紫外线和辐射能）基本上消失或至少严重地减小
了；其次，已经确立的生命形态会将自生的任何有机分子很快地消
耗掉。由于这两个原因，实际上已经不存在任何由非生命变为生
命的新的独立的突破（除非人类在将来学会某种方法去干预）。我
们可以认为，自然发生在今天是根本不可能的。
其他星球上的生命
如果我们接受这个观点，即生命只是由物理和化学定律的作
用产生的，那么，我们就会得出这样的结论，生命很可能不局限于
地球。在宇宙的其他地方生命存在的可能性又如何呢？
当最初人们认为太阳系的各个行星都是一个世界时，理所当
然地认为它们的上面都住有生命，甚至有智慧生命。后来发现月
球上没有空气和水，因此很可能也没有生命，对此人们感到有些震
惊。
在具有火箭和探测器（见第三章）的现代，科学家们确信，不仅
月球上没有生命，而且除地球以外，内太阳系的其他行星上也都没
有生命。
外太阳系也没有多少生命存在的可能性。诚然，木星有一层
深厚而复杂的大气，可见云层的温度很低，但云层内部的温度很
高。某些地方深度和温度都适当，并且已经知道有水和有机化合
第十三章 细 胞
第十三章 细 胞
物，人们会设想（如同萨根所提出的）那里可能有生命存在。如果
木星上有生命的话，三颗其他气体巨行星上可能也有生命。
此外，木卫二星上覆盖着一层冰；但是，由于木星潮汐效应会
使冰融化，所以冰下面可能是一个水的海洋。土卫六有一层由甲
烷和氮组成的大气，而且表面上可能有液态氮和固态有机化合物，
海卫一可能也是这种情况。可以设想，在这三颗卫星上可能存在
着某种形式的生命。
不过，这些都是推测而已。我们虽然可以满怀希望，但老实
说，不会得到什么结果。目前我们只能合理地假设，就太阳系来
说，似乎只有地球是一个生命的住所。但是，太阳系并不是宇宙的
全部。在宇宙的其他地方会不会有生命存在呢？
在已知的宇宙里，恒星总数估计至少有
1×1021（十万亿亿）
颗。在我们自己的银河系里，恒星数超过
2×1011（二千亿）颗。如
果所有这些恒星的发展过程都和我们所说的太阳系的形成过程一
样的话（即由大块的气体尘埃云凝集而成），那么，可能没有一颗恒
星是孤单的，而每一颗恒星都是含有不止一个星球的本星群的一
员。我们知道，有许多绕着一个共同中心旋转的双星。据估计，至
少有一半的恒星都属于含有两个或两个以上恒星的系统。
不过，我们真正需要的是一个多重星系，其中许多成员小得不
能自己发光，而且它们是行星而不是恒星。虽然到目前为止我们
还无法直接探测我们太阳系以外的任何行星（即使是最近恒星的
行星），但是我们可以收集间接的证据。在荷兰血统的美国天文学
家范德坎普的指导下，斯沃思莫尔学院的斯普罗尔天文台进行了
这项工作。
1943年，天文学家们发现，双重星系天鹅座
61中，有一颗恒
星运行有点不规则，他们推测一定还有第三颗小得不能