打开原子的大门-第16章
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天文学家应用电子计算机模拟计算了太阳星云中行星的吸积过程，曾经计算出许多不同的“太阳系”模型，结果都是太阳内侧的行星较小，而太阳外侧的行星较大，与我们太阳系的行星的实际分布情况基本符合。
我们看到，随着科学的进步和观测资料的日益精密，行星系的起源和演化的假说也就更加与实际相符合。在上述理论的基础上人们将会认识到有行星系的恒星决不是偶然现象，因为只要条件具备，恒星在生成的过程中就同时生成了行星系。我们的银河系中具有中等质量的恒星大约有10 10 颗，保守的估计在它们当中1％有行星系，假如每个行星系有10个行星，则在银河系中约有10 9 颗行星。那么将会有多少颗行星上会有生命存在？其中又有多少颗行星上会有高级的智慧生命？这就要研究更高层次的起源和演化问题——生命的起源和演化问题了。而在探讨这个问题之前，我们还应该研究行星的演化和它们上面的物理和化学条件，实际上在这中间还有一个重要的进化问题要探索，那就是化学进化。
对行星大小和距离的理论计算。在这些计算机实验中，模拟了太阳星云中行星的吸积过程。过程是随机的但服从有关的物理定律。计算机中的许多实验算出了许多不同的“太阳系”。它们都是在太阳系外侧有较大行星，在内侧有较小行星。计算出的资料可以和下面一行的实际太阳系相比较。
在行星的原始气氛中
上面我们已经讲述了从恒星到行星系的演化问题。根据演化的观点来看，生命应该是物质演化的高级阶段，同时也应该是普遍的现象。问题是生命是怎样产生的，这又是一个最重要的演化问题。
我们居住的地球上已经有由低级到高级的多种生物生存。这些生物是怎样产生的？显然这是在地球发展到一定阶段才产生的，并且是不断进化的。在这过程中，生命经历了从低级到高级的演化，一些新的物种产生了，另一些老的物种消失了。
要了解生命的起源，还应该从地球本身的起源和演化说起。而要考虑这演化过程，正如上面所说的不能仅仅考虑力学，更重要的是化学的演化。一般说来，原始太阳星云物质分为三大类：“气”、“冰”和“岩石”。“气”主要是氢和氨，约占原始太阳星云重量的98％；所谓“冰”，包括碳、氮、氧、氖、硫、氩、氯等（大部分以氢化物形式存在，如甲烷、氨、水、硫化氢、氯化氢等），约占总重量的1。5％；所谓“岩石”包括钠、镁、铝、硅、钙、铁、镍等（大多以硅酸盐和氧化物形式存在），约占总重量的0。5％。
在太阳系形成的过程中，核心因引力坍缩，基本保持了原始太阳星云的成分。内行星（水、金、地、火）因质量小，温度高，丢失掉了绝大多数的“气”，外行星（木、土、天王、海王、冥王）质量大，温度低，但也丢失了一部分的“气”。
尤里和他学生的实验
根据上面所说的观点认为：地球由太阳星云中俘获了氢、氨、甲烷和水而组成了还原性大气。尤里和他的学生米勒在1953年做了一个很有名的实验，即在烧瓶中充装了“原始的还原性大气”（氢、甲烷、氨、水），在加热循环的情况下进行了几天到一星期的放电，结果生成了甘氨酸、丙氨酸、谷氨酸等8种氨基酸，此外还有各种有机酸类、尿素等等。在这个实验之后有更多的科学家进行同类实验。他们改变着“原始大气”的成分，并且除了放电外还换用了紫外线或辐射射线来进行照射，结果都生成氨基酸，而且种类更多。另外还有人在高温下使“原始大气”通过二氧化硅（作为催化剂）从而合成出氨基酸。米勒等人的实验是在还原性气氛中进行的从而得到了各种氨基酸。后来又有一个著名的实验，是把氨与氰化物在烧瓶中进行回流反应竟然生成了含量较高的腺嘌呤，这是当代生物化学的中心分子。这许多科学家投入大力进行的科学实验，目的是企图证明在地球的原始气氛中和地球的原始条件下会合成生命的基础——氨基酸以及更复杂的有机分子。
到了60年代，人们对早期地球的认识又有了发展。天文学家们研究后认为原始地球形成后因引力收缩和放射能的积累而升温，地球处于熔融状态，这时原始的星云大气被驱散了，地球不会有含甲烷和氨很多的还原性大气。现在地球的大气是所谓次生大气，是在地球的地幔在漫长时间内形成的过程中排出来的气体，主要是水、氮和二氧化碳。一个行星要能支持生命就要由地幔中排放出水，生成水圈，而我们地球也正符合这个条件。水形成后，变成浓厚的水蒸气在上空冷却成为雨，暴雨下在刚刚形成的热的地面上又蒸发到上空，就这样水的循环开始了，水侵蚀着地表溶出了各种可溶的物质，形成了原始的海洋。空中的二氧化碳也溶解到水中，与水中的钙离子反应生成碳酸钙沉淀，沉积下来成为水成岩。但是要形成当前的地球的大气则是在生命产生以后，特别是发生植物的光合作用以后，二氧化碳才被转化成为氧，使大气层变为氧化型的大气，这时高等动物才有了生存的气氛。
在地球演化的模型进一步发展时，同时就出现了一些新的问题，即在原始的还原气氛中形成的有机分子，在热熔的地幔上能否继续存在。
生命分子来自宇宙空间？
这时，认识又有了突破。50年代开始打开地球大气的另一个窗口，开始了对宇宙空间的射电天文学观测。60年代天文学的三大发现之一就是观察到星际分子。而最早发现的星际分子是氨，后来是甲醛，接下来有氰化氢、丙炔腈等等，当然还有水、碳氢化合物的自由基等。
另一项研究是对碳质球粒陨石的研究，这是一种含有碳化物的陨石。早期的研究发现其中含有泥炭、铵盐，甚至碳氢化合物，后来对陨石的分析又发现有多种有机化合物。于是就提出生命物质是由陨石带到地球上来的。但是对这些有机化合物是陨石本来就带来的，还是落到地球上以后被“污染”上了的，说法不一，引起了不停的科学争论。所谓“污染”既包括与地球环境接触后吸附上的有机物，也包括陨石中碳化物与水等反应生成的碳氢化合物。而我们由月球上，和由火星上多次取样（严格防止“污染”）分析的结果目前都没有发现生命痕迹。但是，陨石会带来外空间的有机分子已成为地球上生命起源的假设之一。研究陨石、彗星的化学成分也是探索生命起源的重要途径之一。
根据对地球上的岩石以及化石研究，地球的年龄约为46亿年，大约在40亿年前出现最早的生命——原核类生物，又过了约20亿年，才发展为真核生物，以后进一步演化为无脊椎动物、维管束植物、脊椎动物，直到灵长动物。
至于初始的几亿年，如何由无生命的有机分子形成能自我复制的复杂的有机体——生命。这至今还不是十分清楚，一直是科学家们研究的重要课题。
总之，在地球的形成过程中产生了有机分子，可能是在原始气氛中自动形成的，也可能是地球在吸积陨石物质时，由陨石带来的，也可能是碳质球粒陨石投人到地球的原始海洋中，通过化学反应生成的。而这些有机分子在地球的原始气氛中相互组合，终于发展成生命。
生命的元素
上面我们已经提到前生命的各种有机分子，包括氨基酸都可以在地球演化的早期自然合成，这就奠定了生命起源的化学基础。虽然最关键的问题目前我们还若明若暗，但不管怎样说，生命在地球上形成并发展了。在这里不可能详尽地研究生物的进化过程，以及先有鸡还是先有蛋，恐龙为什么会灭绝，今天的猴子为什么不变成人，等等。在这里还是要从宏观和微观世界的规律来看生命的过程。
正如上面所说，生命是宇宙物质演化高级阶段的产物。这首先就提出了构成生命的基本元素。生命的元素的分布情况：C、O、N、H、S占生物体的95％以上，再加上Ca、P、Na、K、Cl、Mg、Fe共占99。9％以上。此外生物体中还有一些微量元素，主要有B、F、Si、Mn、Cu、I、Zn、Co、Mo等。
如果我们回到宇宙间元素分布的情况看，那就是H最多，He次之，然后是C、N、O、S、P、Fe，这也正是形成生命最重要的元素，也是宇宙间丰度最高的元素。
从微观世界来看，H是最基本的元素也是最原始的元素。He是最稳定的元素核（α粒子）。以下的最丰富的元素大多是He的倍数。C是3个He形成的，O是4个氦形成的，S是8个氦形成的，Ca是10个氦形成的……这些稳定的元素核名叫α粒子核。实际上，最稳定的（从核能的角度来看）铁也是α粒子核，它相当于14个氦核组成的。
所以从微观来看，组成生命的基本元素，其核特征也是相对最稳定和最丰富的。
太阳不是第一代恒星
前面我们一再提出生命是宇宙物质演化高级阶段的产物。如果我们的太阳仅仅是第一代恒星，也就是说基本上完全是氢组成的，那它周围是否能形成行星都要成问题。因为这时的行星没有高级元素作原料，如果能形成也不过是小的氢的团块，很难凝聚，并会被太阳风所驱散，所以第一代恒星是不可能同时形成行星系的。我们现在的太阳是第二代甚至第三代恒星，所以它具有丰富的元素内容。而我们太阳系的行星，则完全是上一代或上几代太阳（恒星）残骸组成的。上一代老死的恒星破碎散漫在宇宙空间，就形成铁质以及其他元素的粒子，上一代爆炸的“超新星”形成比铁更重的元素以及放射性元素。它们结聚起来形成我们太阳系的行星。我们的行星有一个致密的铁的核心，我们的行星有丰富的矿藏（各种元素组成的），我们的行星有自己的能源，主要是天然放射性元素蜕变供给的能量。这一切说明我们正在享用着上一代太阳的遗产。是在上一代太阳的残骸上建立了行星系，包括我们的地球。我们的能源主要依靠于今天的太阳，但我们在地球上开发出来的核能则是上一代超新星爆发时积累的能源。没有这众多的元素，没有必需的能源，生命就不可能产生。
展望未来
生命由海洋中产生。动物的血液（包括人的血液）就其元素组成来说与海水的盐类组成很接近。下面是人血与大洋水的溶解的总盐的成分对比。
成分 血的含量％ 大洋水的含量％
氯 49。3 55。0
钠 30。0 30。6
氧 9。9 5。6
钾 1。8 1。1
钙 0。8 1。2
由此我们似乎可以认为动物的血液维持了古海洋的成分，生命源于海洋由此得到例证。但是又出现了新的矛盾，那就是植物，植物的体液照理也应该与海水的盐含量相当，但是即使是海洋里的植物，其体液的成分也与海水相去甚远。
总之，生命起源之谜并没有最后解开，而目前我们正从两端向中心趋近。一方面我们早已了解到生命起源后从低级到高级的演化链条，另一方面通过对宇宙物质演化的研究，了解到生命元素的起源和生命前分子产生的机制。问题就在于如何从两方面合拢。
应该说本世纪科学的最重大发现就是发现了DNA的双螺旋结构，而与之相关的是另一条长链RNA，现在的看法是最原始的生命由RNA产生。问题在于生命前分子是如何组成有生命的RNA的。有的假说认为是彗星投入到原始的海洋中带来了生命，但是彗星上的生命分子又是如何产生的呢？没有明确的答案。
现在正类似上世纪末发现电子时的情况，电子以及放射性的发现为本世纪初打开原子的大门提供了钥匙。而DNA和RNA结构的发现将为下一世纪彻底打开生命的大门提供了钥匙。可以预料下一世纪将是生命科学的世纪，生命之谜一定会被解开。
附录
敢不兢兢业业 ①
①原载《科普创作》1987年第1期。
给少年朋友编写了两本小册子——《太阳元素的发现》和《打开原子的大门》，都是以科学史为线索，既介绍科学知识，又介绍科学方法和科学家品格的。其中《太阳元素的发现》是以前苏联勃朗什坦《太阳物质》一书为基础改写的。《打开原子的大门》则完全是自己的创作。
我总认为，少年儿童正处在长身体、长知识、长智力的重要阶段，虽然他们的主要任务是在学校学好基础知识，这好比是饭。但是光有饭还不行，还应该有促进食欲、增加营养的菜来配合，这就是课外的科普读物。少年科普读物应该是色香味俱全的、营养丰富的好菜，而不是可有可无的零食，更不能是“三精水”。菜和饭是不同的，科普读物也不能是课本的重复。给少年看的课外读物就不能强迫他看，而要引人入胜，有趣味，有道理，能看了还想看。不仅如此，还应该能引起课堂学习的兴趣，这就是好菜与饭的关系。但是，我们还应该注意到，不能只追求色香味——趣味性而破坏掉菜的营养——科学性。
这就碰到了难题。科普作品讲求三性——科学性、思想性和趣味性。如何把三性统一并不容易。讲一大堆科学道理，读者难以理解，成了拦路虎；讲一大堆政治说教，看不下去；搞了一堆花架子，空洞无物。难！有的同志认为科普作品是初级的，科学性未尝不可马虎一些。我不同意这论点。正因为他是初级的，启蒙的，就更应该谨慎从事。尤其是少年科普读物，一个错误的内容常会给读者带来难以纠正的错误偏见，就像一张白纸上任意涂一道黑一样，擦抹不净。当过教师的同志都有这种经验，纠正一个错误的成见要比教一个完全不懂的学生难得多。如果不能保证科学性，其他的“性”也都是空话，科学性是首位的。
如何做到三性的统一，在编写这两本小册子时作了一些尝试。
常说：“你要给人一杯水，就先要自己有一桶水。”在编写这两本小册子时，我刚刚为科学出版社编写完《化学发展简史》，正好掌握了一批原始资料，也就是说桶中还不算空，这算是有利条件。第一本是改写《太阳物质》，审读之后，当然构思很好，但史料上错误还是不少，有些还是较严重的，另外缺乏最近几十年的新资料。于是重新核实材料，增补新材料，重新写过一遍。增补纠正的内容在三分之一以上。
在改写过程中，我理解到，即使对少年读者来说，只要下功夫，科学性是能够保证的。当然，对不同对象讲科学道理要考虑其基础，要就讲清楚，使读者经过思索能懂，脱离读者的基础去讲科学道理，读者不能理解的就宁可不讲。例如《太阳物质》中只讲了发射光谱，而不敢讲吸收光谱，结果使读者莫名其妙。实际上吸收光谱线还是可以讲的。所以在《太阳元素的发现》中增加了这段历史，把来龙去脉讲清楚了。但是，如果想再进一步，去讲原子结构和电子轨道能级，再讲光谱线和电子在轨道上的跃迁就会脱离读者已有的水平，就会出现“知识硬块”。
我体会到，做到“三性”结合，采用史话体裁是一种很好的形式。史话的知识容量较大，也容易从人类认识的过程来讲，使读者由浅人深。采用史话体裁可以通过科学家的活动结合认识过程，自然地阐述科学家的品质，认识的辩证过程，以及科学的思想和方法。思想性完全融化在整个作品之中，无需穿靴�
