地球生物的共同特徵(上)

地球上所有的生物都是由細胞組成的 在前面的文章中，我們列舉了生物的基本特徵，例如，生物體都有“應激性，都從“外界攝取營養”，都是“內外有別”，都能“繁殖出與自己性狀相似的後代”等等。 但是，如果僅僅滿足其中的一點，還不能稱為生物。例如，自動感應門，當感應到有人靠近時，它就會打開。 雖然它對來自外界的剌激做出了反應，但是，沒有一個人會認為自動感應門是生物。 那麽，如果一個物體具備上述全部特徵的話，就能認定它是生物嗎？這一點肯定沒錯。 換句話說，生物體是指“具有內外之分，能回應刺激，能從外界攝取營養，能進行自我複制，繁殖出與自己相似的後代”的物質系統。

細胞是生物界中不可缺少的一部分，不管是細菌，還是植物或動物，地球上所有生物都是由細胞組成的。 細胞是生命體結構和功能的基本單位，是使得上述特征得以實現的“幕後公臣”。自17世紀60年代英國科學家羅伯特. 胡克 (Robert Hooke, 1635-1703) 發現細胞以後，直到19世紀初，科學家才意識到所有的生物都是甴細胞組成的。

下面，讓我們回過頭來再看看序言中所列舉的物體到底是不是生物。 機器人、病毒以及地球都不是由細胞組成的，因此不是生物。植物的種子是由細胞組成的，只要環境條件適當就會發芽，滿足生物必須具備的所有特征，因此是生物。精子和皮膚細胞雖然是由細胞組成的，但是無法單獨從外界攝取營養, 因此很難被認定為獨立的生物。其實，科學界對生物與非生物的界限也是衆說紛紜，沒有定論。

生物的基本單位 - 細胞 生物的細胞可分三大類，分別是組成細菌等原核生物的原核細胞、動物所擁有的動物細胞以及植物所擁有的植物細胞。 圖片分別描繒了各種細胞的代表性構造。與原核細胞不同，動物細胞和植物細胞的遺傳物質(DNA) 存在于細胞核內。有時把動物細胞和植物細胞統稱真核細胞。

動物細胞和植物細胞的直徑大多為0. 01~0. 1毫米左右。 原核細胞的直徑只有0. 001~0 動物細胞和植物細胞的直徑大多為0.01~0.1毫米左右。 原核細胞的直徑只有0.001~0.01毫米左右。所有細胞都有把細胞與周圍隔開的膜(細胞膜)、DNA及核糖體，這是細胞最基本的結構，其他結構則因細胞而異。例如，動物細胞和植物細胞還有各種複雜的細胞器。 細胞器是細胞質中具有一定結構和功能的微小結構，它們各司其職，使細胞能正常地作、運轉。原核細胞則沒有細胞器。

所有的生物都有DNA 遺傳物質是生物用來儲存遺傳信息的物質。 目前已知的所有生物都以DNA (脫氧核糖核酸)為遺傳物質。可以說，“具有DNA”也是地球生物的共因特徵之一。 DNA分子是一種長鏈聚合物，組成單位是核苷酸。核苷酸中含有4種碱基，分別是腺嘌呤(A)、胸腺口密淀(T)、鳥嘌呤(G) 和胞口密啶(C)。 碱基嚴格遵循互補配對原則，A一定與T配對，G一定與C配對，因此，碱基的排列順序中蘊藏着遺傳信息。 DNA分子由兩條長鏈構成骨架，通過碱基對結合在一起，就像梯子一樣，反向平行盤旋成規則的雙螺旋結構。不管是大腸杆菌還是人類，所有生物體都擁有相同的DNA構造。 但是，DNA分子鏈的長度則因生物種類不同而異，差別很大。

進化是生最重的特徵之一 美麗的地球上栖息繁衍着千姿百態的生物。 自從地球誕生了最原始的生物以來，從簡單到複雜，從低級到高級，在漫長的過程中最終進化出了人類這一近乎完美的物種。進化是指生物個體或種群的特性在漫長的過程中不斷演變的現象。 對極限環境下生活的生物進行過長期研究的專家介紹說：“進化是生物最重要的特征之一 ，它跨越了漫長的時光，沒有人能直接確認進化過程。 但是, 我們可以根據石或基因的分析結果來驗証生物的進化過程 ，這是確鑿無疑的。”

我們介紹了生物能繁殖出與自已性狀相似的後代。這都有遺傳的功勞，因為親代把記錄自己遺傳信息的DNA準確地複制下來並傳給了後代，後代才表現出與親代相似的性狀。但是，親代並不能把DNA絲毫不差地傳給後代，有時會出現極其微小的變異，而這小小的變異正是推動生物進化的原動力。 在DNA的複制過程中，有時會出現“複制錯誤”，或者受紫外線外影响，導致DNA部份受損而發生變異。假如DNA變異傳給子代的話，子代就會擁有與親代不同的DNA。 隨著世代繁殖，變異會逐代累積， 並在生物種群逐漸換擴散，

最終產生與原有物種性狀不同的新物種，這就是進化。英國博物學家查爾斯 最終產生與原有物種性狀不同的新物種，這就是進化。英國博物學家查爾斯 . 達爾文 (18O9-1882) 是進化論的奠基人，他於19世紀中葉最早提出了以自然選擇為核心的生物進化學說。 是否存在地球以外的生命？ | 地球上所有生物都是由細胞組成的。細胞是生命活動的主要單位，內側緊貼着一層由脂質組成的薄膜 ― 細胞膜，細胞內充滿了水，並含有各種蛋白質和遺傳物質DNA。 從外界攝取營養並轉化為自身物質和維持生命活動的能量，能通過自我複制繁殖後代等等是生命的共同特征。但是，嚴格地說，這些特徵只不過是地球生物的特征，完全在地球重力和温度、地球空氣等這一特定環境中進化而來的。

以什麼為綫索尋找地外生命呢？ 假設在地球之外也存在生命的話，即便它們由與地球生物截然不同的物質組成，具有與地球生物完全不同的特征，也不足為奇。從理論上來說，地外生命或許不增殖，或許沒有細胞膜。但可以肯定地說，它們不可能不進行代謝活動。 到底應該以什麼為線索來尋找地外生命呢？非常遺憾，科學界也不知道可以適用於地外生命的、普遍性的生物條件是什麼。說到底，終歸還是要以地球生物為線索來尋找地外生命，除此之外別無他法。

首先，借助於探測器來找到有機物是尋找地外生命最現實的方法。有機物是指含碳化合物，包括碳氫化合物及氨基酸等等，是構成地球生物的主要材料，是生命誕生的物質基礎。 研究發現，火星是除地球之外最有可能存在生命的星球。多年來，科學家一直在致力於尋找火星生命。現在，NASA(美國宇航局)發射的火星探測車好奇號正在火星上努力尋找著生命証據－有機物。

可是，即便好奇號在火星上找到了有機物，也只不過是顯示生命存在的間接証據，並不意味著找到了生命。歸根到底，要想証明生命存在，就必須找到進行新陳代謝和繁殖等生命活動的直接証據。美國和日本等國家計劃今後繼續發射新一代火星探測車，進一步尋找生命証據。也許在不久的將來，我們就會收到“在火星上發現了生命!”這一具有歷史意義的令人萬分驚喜的好消息。

除了火星，其他星球是否也存在生命呢? 宜居帶(habitable-zone)是最有可能存在生命的地方，在這一個范圍內水能夠以液態形式存在於行星表面。至少對地球上的生物來說，水是生命之源，是支持生命存在的重要物質。 在太陽系八大行星中，只有地球和火星位於宜居帶之內。但是，越來越多的跡象表明，在木星的冰凍衛星－－歐羅巴(木衛二)表面厚厚的冰層之下，存在著液態水。據此，科學家認為，在歐羅巴的冰凍“海洋”中很有可能存在著某種生命形態。

第2部分 “活着”意味着什麼 ? 生與死的分別 與活着的時候相比，生物死亡後，體重和元素都不變 現在，你正在讀這本雜誌，這也意味你“活着”。所謂的“活着”到底意味着什麼，又是指怎樣的一種狀態呢？ 作為探尋“活着”本質的方法之一，就是比較“活着”的狀態與“沒有活着”的狀態， 也就是比較“生”與“死”， 尋找只有活着時才有，死後就不再有的現象。怎樣才能維持“活着”的狀態？用什麼物理定律能很好地闡釋“活着”這一狀態呢？

在第一部份，我們主要從生物學的視角探討了“生命是什麼”。在第二部份裡， 我們將從薜定諤所關注的“熵”與生命的關係等物理學的視角，進一步探索“生命究竟是什麼”。 目前已知自然界中存在着90種元素※。 其中，只有一小部份是生物所必需的。 例如，人體的98%是由氧、碳、氢、氮、鈣、磷等6種元素組成的。 地球上所有生物的組成元素的比例都大致相同。也就是說，所有的生物都具有與非生物體不同的特有的元素成份。

那麼，當一個生物體死亡後，它的組成元素與活着的時候有所不同嗎？雖然生物死亡後，蛋白質會分解，元素的組合方式 (代合物的種類) 會發生變化，但是，組成生物體的元素本身不會變化。此外，生物死亡的瞬間，體重並沒有變化，與活着時的體重相同。 生物的組成元素和體重在死亡前和死亡後相同，沒有變化。也就是說，如果把生物分解到元素層面的話，就沒有“生”與“死”的區別。因此，所謂的“活着”並不是指元素的使用量，而是指元素的“組合方法”和“使用方法”。 那麼，生物在“活着”時，元素的組合方法和使用方法究竟又是怎樣的呢？它們對生物有什麼影響呢？

看上去好像生物違反了自然法則 乍一看，剛剛死亡的生物與活着時並無什麼區別。但是，隨着時間的推移，死亡後的生物就會發生變化，逐漸變得與活着時截然不同。 這是因為死亡後的生物再也不能從“外界攝取營養 (新陳代謝) ”。如果生物不能從外界攝取營養的話，就無法合成維持生命活動所需的能量，也不能生成新的自身物質。最終，死亡後的生物將無法保留自己的身體結構。隨着時間的推移，一直維持至今的身體結構將失去原形，最終將消亡。

其實，世上萬物都將隨着時間的推移而逐漸崩塌解體，這在物理學上稱為“熵增定律”。熵是指體系的混亂程度※。例如，在沙灘上用沙子堆建的城堡 (有序的結構) 放任不管的話，過一段時間后，就會慢慢坍塌 (變得無序)。 在物理定律的作用下，隨着時間的推移，就像沙堡的坍塌一樣，死亡的生物原本有序的身體結構，也將逐漸失去原形。

另一方面，即使時光流逝，活着的生物體也會一直維持有序的身體結構和生命活動。如果用物理學的語言來描述的話，就是隨着時間的推移，死亡生物的熵值有增大趨勢，活着的生物的熵值則沒有增大的趨勢 (或者說有減小趨勢)。 乍一看，好像活着的生物違反了自然法則 (熵增定律)。這是怎麼回事兒呢？為什麼生物能做到這一點呢？

生物體內的“細胞生死循環” 為了維持身體結構，任何活着的生物體都必須不斷地做一件事，這就是細胞的循環。每天，生物體內都有許多細胞誕生，同時又有許多細胞死亡，細胞的生生死死總是處於一種動態平衡。細胞的誕生和死亡是一種生理現象，是一個必然的過程，這個過程稱為“新陳代謝”。 細胞通過分裂生新細胞。 但是，如果細胞只是一味地增多，該死亡的細胞沒有死亡，就會破壞生物體內的平衡。導致健康問題。其實，癌細胞就是因為瘋狂地惡性增長，才形成了癌症，損害了人體健康。

最重要的是，細胞的誕生和死亡要處於一種動態平衡。為了保持這種平衡，生物體具有讓體內部份細胞“主動地有序地”死亡的機制，這種機制稱為“細胞凋亡”(apoptosis)。 坦白地說，細胞凋亡就是細胞的一種主動性的“自覺自殺行為”。 細胞壞死 (necrosis) 則是另外一種死亡方式，是細胞的被動死亡。 燒傷、缺氧或病原體造成的損害等均會導致細胞壞死。

總體來說，如果新誕生的細胞多，死亡的細胞少，則生物體就會生長發育。反之， 如果死亡的細胞多，誕生的細胞少，生物體就會逐漸萎縮變小。人類在年幼時， 身體會慢慢長大長高，而等年邁衰老後，身體就變矮變小，這就是細胞的誕生和死亡平衡所導致的結果。 傷口的修復就有效地利用了細胞的誕生和死亡機制。例如，當切破手指時，傷口部位的細胞分裂旺盛，以便能更快更好地修復傷口。這時，首先會產生許多新細胞，多餘的細胞隨後將會凋亡。 待續…