地球生物的共同特徵(上).

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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…