宇宙，从奇点到生命

对于宇宙的过去，目前科学界比较认可的是大爆炸理论。这个理论认为，宇宙是从一个无限小的奇点开始迅速膨胀，并且延续至今。

虽然大爆炸发生之前的事情目前还是科学界未能破解的谜团，但可以推测的是如下时间序列：

大爆炸发生之后的10-33～10-32秒，宇宙在强力、电磁力、引力等各种力的相互作用之下以超光速膨胀，宇宙温度降低至绝对零度附近。大爆炸之后的10-10～10-6秒，各种基本粒子迅速诞生和消亡，质子与中子形成，不过其总和仅相当于最初诞生的粒子总数的十亿分之一，绝大多数最初粒子都泯灭在茫茫未知之中。大爆炸之后的1~6秒，正负电子结对消亡，残留下来的电子也仅仅约为电子最初数量的十亿分之一。

大爆炸之后的3分钟，质子与中子结合成氢和氢的同位素氘的原子核，被今天的科学家们称之为元素的物质正式形成。从大爆炸开始的3分钟到其后的30万年间，宇宙都是以氢、氦元素为主体的巨大星云结构。此后的10亿年，在氢、氦元素较为集中的区域出现了第一批巨大星云，这些星云的组成元素仍然是氢和氦。

虽然在更大的范围之内，大爆炸所产生的膨胀力仍然居于统治地位，但在这些星云内部，原子之间的引力开始占据主导地位。原子之间在引力的作用下不断靠近，温度也不断升高，在超过1000万摄氏度的高温环境中，一对氢原子聚变为一个氦原子，并释放出巨大的能量（因为其质量丢失约为0.7%，根据爱因斯坦的能量方程E=mc2，丢失的质量将转化为能量）。

核聚变所产生的巨大热量与能量抵消了引力作用触发的向内塌陷，这种微妙的平衡结构便形成了恒星。年轻的恒星一旦被点燃（核聚变反应）就不再继续塌陷，但一个恒星中的氢元素毕竟有限，当“氢燃料”不多，聚变反应不足以抵消引力之时，恒星再次开始因引力作用向内塌陷。第二次塌陷使得恒星内部温度达到1亿摄氏度以上，氦原子在这样的温度下可以像氢原子一样发生聚变，聚变反应的参与者可能是氦和氢或氦和氦，这些不同的组合聚变将产生不同的元素，如锂、铍。接着，这种过程循环往复，不断地聚变反应生成硼、碳、氮、氧等元素，并在这些聚变的过程中不断丢失部分质量，释放巨大的能量，直到铁元素出现。

因为铁原子核的核子平均质量最小，在它形成之前核聚变释放能量，在它之后核聚变就要吸收能量，在没有外来能量供给的情况下，恒星的核聚变反应过程到铁也就停止了。也就是说元素周期表中比铁序号更大的元素不可能通过释放能量的核聚变产生，那么它们又是如何被创造出来的呢？

体积大于太阳30倍的恒星，在核聚变反应结束之后，其塌陷过程无比剧烈，内核很快就被挤压成黑洞，在内核以外，质子与电子结合成中子，中子和中微子形成巨大的洪流，从垂死的恒星向外逃散，巨大的脉冲形成了一个温度高达十几亿度的大熔炉。在这个大熔炉中，因有足够的能量输入，进而引发了比铁元素“重”许多的元素瞬间被“烤”了出来，这种现象被科学家们称为“超新星大爆炸”。

在超新星大爆炸的过程中形成了元素周期表中的铁后面的元素，直到第94号元素钚，94号之后的元素都是人造的放射性元素，其中排位越靠后的元素放射性越强。所谓放射性，其实就是一种慢速核裂变，所以这些元素是现代科技作为“裂变原子能”的好材料。

太阳系缘起于距今约45.6亿年前的一场超新星大爆炸，所以太阳算是宇宙中第二代或第三代恒星。根据科学家们预测，太阳的寿命应该还有50亿年，也就是说现在正值太阳的中年。

在太阳形成的初期，其“脾气”异常暴躁，氢原子的核聚变反应向内侧轨道喷射大量的气体与尘埃，这些物质形成了周围的行星，包括地球。

在地球的形成早期，太阳周围有很多小行星。这些小行星互相撞击、融合形成更大一些的行星。太阳系内这一“轨道大扫除”过程经历了大约整整10亿年。在这10亿年间，地球也把自己轨道周围的小行星清理了个干干净净。

不过那个时期的地球和现在的地球有很大不同，它没有大气层，甚至也还没有磁场。幸运的是地球上有不少超新星爆炸后留下的重金属，这些重金属在地球形成约4000万年后，像炽热的淤泥一样陷入地心，这样地球就形成了一个以铁元素为主的金属地核，这个金属地核使地球产生了特有的磁场，磁场让来自太空的高能粒子偏转方向，以确保地球上产生生命的精密化学反应能够顺利进行。当然，这是一种无意识的偶然或者称之为幸运，但谁又知道没有这种条件是否会产生其他形式的生命呢？

较重的金属沉入地心之后，轻一些的硅化物浮在地球表面，形成了厚达3000公里的地幔，在其上更轻的花岗岩又形成了大约35公里厚的大陆地壳，地壳的厚度相对于地球6400公里的半径来说，真的是像鸡蛋的蛋壳一样薄。

地核是炽热的，一些很轻的气体，包括氢气、氦气、甲烷、水蒸气、氮气、氨气、硫化氢等都从地球内部争先恐后地涌向地表，可以想象早期的地球一定是熔炉一般的场景。大部分氢气和氦气都逃到了太空，当地球完全形成时，它已经通过吸收周边的小行星长大到足够用引力场保留住一些剩余的气体。这些气体的主要成分是甲烷和硫化氢，甲烷与硫化氢反应形成二氧化碳，最终形成了最初的、以CO2、氮气和水蒸气为主的地球大气层，所以当时的天空应该是红色的。

随着地球的冷却，聚集在大气中的水蒸气转化为一场持续几百万年的滂沱大雨，大雨造就了最早的海洋。因为存在液态的海水，可以知道这时的地表温度已经降至了100摄氏度以下，这意味着地球的环境已经适宜于构成最早生命的、复杂又脆弱的分子出现。

有关地球上生命的来源一直有两种观点，一种观点认为地球上的生命源于地外空间，即撞击地球的陨石或彗星中所含的氨基酸为地球带来了最初的生命；第二种观点是生命诞生于地球的海洋之中。

我比较倾向后者，因为在40亿年前的地球上，基本没有氧气，火山喷发时的温度很高，这种条件非常有利于多种物质之间发生更加复杂的化学反应，合成有机聚合物和氨基酸。而此时的地球已经存在海水，这些物质在落到地面，受到海水的保护，经过多年的相互作用后，合成具有自我复制能力的核糖核酸分子，从而使原始细胞的出现成为可能。

这一从无机物向有机物转变的可能性已经为米勒·尤里实验所证明。1952年，美国芝加哥大学博士生斯坦利·米勒和说服他的导师，诺贝尔奖获得者哈罗德·尤里搭建了一个模拟原始地球环境的装置，使用甲烷、氨、氢气和水混合在一起模拟上古时代的地球大气、用加热的海水模拟当时的海洋、用电极产生的火花模拟闪电。结果仅仅在一天之后，这样的环境中就产生了全新的化学物质——氨基酸分子，这个实验成功地再现了早期地球有机物产生的过程。

图1.2 米勒·尤里实验模型图

虽然科学家们至今还未能破解“简单的氨基酸分子如何变成复杂的生命”，但由无机物可以产生有机物这一观点已经被除了米勒·尤里实验之外的好多科学实验证实。

无论生命是地球自生的还是随彗星的造访意外来到地球，至少有一点可以确认，那就是地球上的生命最初生活在海洋之中，而且自从有生命存在于地球上开始，生命与地球之间就形成了互相影响、互相改造的动态平衡。

据古生物学家们研究，最早的古生物体可能是从地表下的化学物质中汲取能量的。从大约38亿年前，一部分最早形成的、生活在海洋中的单细胞原核生物——蓝细菌开始通过光合作用吸收太阳能制造出葡萄糖来供给自己能量，同时释放出氧气和臭氧。由于氧气的化学性质极不稳定，最初光合作用产生的氧很快就会与其他物质反应，如高温的铁。但从大约距今25亿年前开始，氧气已经多到无法被完全吸收，大气层中便开始出现氧。距今20亿年前，氧已经占到大气层气体体积的3%，距今约10亿年前这个数值已经上升到了21%，一直稳定地保持到今天。

富氧大气层的出现又是地球生命史上最伟大的革命之一，极具活性的氧气不但成为后续的生物进化加速器，臭氧形成的大气层又能保护地球生命不受紫外线的伤害，这使得陆地上的生命能够像海洋里的生命一样轻而易举地蔓延开来。

量变带来质变，到了距今约5.4亿年前的寒武纪，生命形式终于大爆发，树、花、鱼、两栖动物、爬行动物都已经出现。当然，还有许多其他没有留下痕迹的“生命种群”也曾经一度繁荣，后来又消失了。

之后，虽然自然界为生物的演化“设置”了难度更高的障碍，这些障碍分别是距今约4.4亿年的奥陶纪大灭绝、距今约3.8亿年的泥盆纪大灭绝、距今约2.52亿年的二叠纪末期大灭绝、距今约2亿年前的三叠纪末期大灭绝和距今6500万年的白垩纪大灭绝。每次大灭绝的原因我们并不清楚，但可以肯定的是每次大灭绝都会有大多数物种随之消亡。然而，大自然的这种大灭绝障碍并未能中断生命的进程，仿佛每次大灭绝过程中大批物种的消亡就是复杂新生物种诞生的前提条件。

第一次奥陶纪大灭绝之后出现了陆生植物，第二次泥盆纪大灭绝之后首批动物开启了离海登陆之旅，第三次二叠纪末期大灭绝之后出现了哺乳动物，第四次三叠纪末期大灭绝让恐龙成为地球的霸主，第五次白垩纪大灭绝之后诞生了人类的远祖。

正是在这样前仆后继的生命长河之中，灵长类动物在距今2000万年左右演化成为人科动物，这些人科动物又在距今200万年前演化成了直立人，直立人在距今31.5万年左右演化出了和我们现代人类基因结构非常类似的晚期智人，这些晚期智人也就是人类正宗的祖先了。

从以上简略的宇宙138亿年演化史中我们不难看出，无论是有机物还是无机物，无论是生命体还是非生命体，大家的基本粒子都是一样的，也都是在宇宙大爆炸之后一步步演变而成的，也就是说我们“万物同源”。

因为万物同源，科学界甚至已经得出如下初步结论，即人类与其他生命体，甚至是与其他非生命体的区别仅仅在于基本粒子的组成结构和相互作用的方式不同，也可以描述为编码不同。

那么问题来了，既然仅仅是编码方式不同，为什么我们认为生物是有生命的，而石头、水滴却是没有生命的呢？这句话也可以表述为：生命到底是什么？