生命中化學(xué)元素講義

1、 生命中的化學(xué)元素 復(fù)旦大學(xué) 生命中的化學(xué)元素 （概要） 朱萬(wàn)森 編 復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系 二00八年八月 目錄第一章 導(dǎo)論：化學(xué)與生命1-1 引言1-2 化學(xué)與生命第二章 化學(xué)元素的起源2-1 宇宙如何創(chuàng)生傳說(shuō)和思考2-2 科學(xué)家的發(fā)現(xiàn)：宇宙是在膨脹中2-3 宇宙大爆炸理論2-4 化學(xué)元素的誕生2-5“元素王國(guó)”的邊界第三章 生命元素的形成和演變3-1 生命的起源3-2 生命進(jìn)化的歷程3-3 生命元素的形成3-4 生命體中元素的來(lái)源3-5 生命元素的主要形態(tài)和主要特性3-6 影響生命元素演變的兩個(gè)重要因素第四章 生命中的主量元素(一)4-1 碳是生命的物質(zhì)基礎(chǔ)4-2 糖類(lèi)化合物4-3 糖類(lèi)化合物的

2、生理功能4-4 脂類(lèi)化合物4-5 碳素在生命體中的代謝和循環(huán)第五章 生命中的主量元素（二）5-1 氮與生命5-2 氨基酸5-3 肽5-4 蛋白質(zhì)5-5 酶、維生素、激素5-6 核酸和基因5-7 生命體中其它重要的含氮小分子化合物5-8 氮素在人體中的代謝與循環(huán)第六章 生命中的主量元素(三)6-1 氧和生命6-2 氧的功與過(guò)6-3 生命中的氫元素6-4 水和生命6-5 鈣和磷6-6 鈉和鉀6-7 氯和硫6-8 鎂第七章 微量元素和人體健康7-1 人體中的必需微量元素7-2 人體中可能必需的微量元素7-3 可能具有人體所必需功能、但具有潛在毒性的微量元素7-4 有毒有害元素7-5 對(duì)微量元素的一些

3、研究第八章 人類(lèi)與地球共命運(yùn)8-1 環(huán)境問(wèn)題生命對(duì)環(huán)境的破壞8-2 環(huán)境問(wèn)題的本質(zhì)生命元素循環(huán)的嚴(yán)重破壞8-3 環(huán)境污染對(duì)生命的危害8-4 人類(lèi)與自然的和諧建立起人類(lèi)綠色的家園第九章 讓生命之樹(shù)常青9-1 生命能否永恒？9-2 生命、人類(lèi)從化學(xué)中選擇什么？9-3 科學(xué)研究如何讓生命之樹(shù)常青 第一章 導(dǎo)論：化學(xué)與生命1-1 引言生命中的化學(xué)元素，是不可能講清“生命是什么？”這一人類(lèi)認(rèn)識(shí)史上最基本、最核心的問(wèn)題的，但是我們可以從化學(xué)的角度來(lái)講述生命科學(xué)研究中的部分重要發(fā)現(xiàn)及其研究成果，可以講述組成生命的化學(xué)元素的一些重要作用及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律，可以探討人類(lèi)是怎樣認(rèn)識(shí)生命的，而對(duì)這些知識(shí)的了解，將一定會(huì)多

4、多少少地影響到每個(gè)人的學(xué)習(xí)、研究和工作，乃至理性、思維和做人。應(yīng)該承認(rèn)，人類(lèi)本身是一種極為復(fù)雜的發(fā)展過(guò)程的產(chǎn)物，有著偶然和必然交替變化的烙印。人類(lèi)的將來(lái)會(huì)怎么樣？得自己掌握自身的命運(yùn)。宇宙中并沒(méi)有有關(guān)生命之謎的現(xiàn)成答案，這些問(wèn)題得由人類(lèi)自己來(lái)回答，而且還必須在人類(lèi)有限的生存期間，找到人類(lèi)存在的真正意義。1-2 生命與化學(xué)生命與化學(xué)之間究竟有什么關(guān)系？我們不妨可以從以下三個(gè)方面來(lái)考慮：1. 生命是演變的產(chǎn)物所謂演變，其實(shí)就是一系列的化學(xué)變化，因?yàn)槲ㄓ谢瘜W(xué)變化才會(huì)產(chǎn)生新的物質(zhì)，因此生命實(shí)際上就是化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物。生物學(xué)家把生命看成是一系列的過(guò)程，從化學(xué)的角度來(lái)看，生命就可以說(shuō)成是一系列的不以生物體意

5、志為轉(zhuǎn)移的化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程和傳遞化學(xué)信息的過(guò)程，這也就是化學(xué)進(jìn)化的過(guò)程。所以要真正地了解生命，就必須首先從了解生命中的化學(xué)元素及其變化開(kāi)始。 2.生命還在變化中 有人問(wèn)道：人類(lèi)起源于猿人，那么什么樣的人類(lèi)將起源于我們？這確實(shí)是一個(gè)值得研究的命題。在地球的演變史上，生命的進(jìn)化是從來(lái)沒(méi)有停止過(guò)的，何況當(dāng)今的人類(lèi)還在不斷地創(chuàng)造出數(shù)不勝數(shù)的新的化學(xué)物質(zhì)來(lái)影響著它的進(jìn)化，尤其是人類(lèi)又在克隆、基因改造和遺傳工程上取得了巨大的成功。生命當(dāng)然還會(huì)繼續(xù)進(jìn)化下去，而這一進(jìn)化過(guò)程肯定將會(huì)比以往任何時(shí)候更強(qiáng)烈地受著化學(xué)運(yùn)動(dòng)的制約和主導(dǎo)。 3.地球上的生命的最終命運(yùn) 一切事物都存在著死亡的過(guò)程，太陽(yáng)如此，地球也如此，當(dāng)那

6、一天到來(lái)時(shí)，地球上的生命將會(huì)如何？茫茫宇宙中，何處去延續(xù)或是孕育新的生命？ 化學(xué)的研究能否為未來(lái)的生命尋找最終的出路，這是一個(gè)科學(xué)界所高度關(guān)切的課題。在新世紀(jì)的開(kāi)端，人類(lèi)突然發(fā)現(xiàn)生命已從來(lái)沒(méi)有像今天這樣受到人類(lèi)的意志的控制和改造，以克隆為基礎(chǔ)的無(wú)性繁殖作為核心，這一控制和改造究竟會(huì)走到哪一步？這肯定是我們這些世紀(jì)初的人是無(wú)法想象的，其先兆和曙光如今已出現(xiàn)在地平線上。當(dāng)然，我們也應(yīng)該承認(rèn)，盡管科學(xué)家們?cè)诨瘜W(xué)與生命上進(jìn)行了很多研究，但是至今我們還不能說(shuō)，我們完全了解了生命。另一方面，到目前為止，化學(xué)家們合成的化學(xué)物質(zhì)大約已有2000萬(wàn)種，其中僅6-7萬(wàn)種為人類(lèi)所使用，有約7000種為工業(yè)大量生產(chǎn)，

7、可是環(huán)境中據(jù)說(shuō)已發(fā)現(xiàn)有近10萬(wàn)種不同種類(lèi)化合物，它們與生命的關(guān)系將又如何，有無(wú)影響到生命的未來(lái)？要真正掌握地球上的生命的最終命運(yùn)，化學(xué)家們自然還需要和其它學(xué)科的科學(xué)家們一起加倍地努力，每一個(gè)有志于科學(xué)研究的人都應(yīng)該努力。第二章 化學(xué)元素的起源2-1 宇宙如何創(chuàng)生傳說(shuō)和思考生命孕育于宇宙，宇宙又是如何創(chuàng)生的？人在成其為人并具有可思索的理性思維后，恐怕就一直在探尋著這一與人“性命攸關(guān)”的宇宙生成的問(wèn)題，最初自然是猜測(cè)，后來(lái)就形成了傳說(shuō)。有關(guān)宇宙創(chuàng)始時(shí)的描述，我國(guó)古代的傳說(shuō)認(rèn)為宇宙在創(chuàng)生時(shí)“混沌如雞子”，令人不解的是，這一說(shuō)法竟有著它的世界普遍性，不論是埃及神話還是希臘神話都有著相類(lèi)似的說(shuō)法，即宇宙

8、誕生的最初是混沌一片的。1927年比利時(shí)數(shù)學(xué)家勒梅策（Georges Edouard Lemaitre）提出了他的宇宙說(shuō)，他認(rèn)為，一切物質(zhì)起初大概都來(lái)自一個(gè)極端致密的“宇宙蛋”，這個(gè)“宇宙蛋”發(fā)生了爆炸，于是就誕生出我們這個(gè)宇宙。當(dāng)然，他的這個(gè)說(shuō)法與古代的傳說(shuō)是有著區(qū)別的，因?yàn)樗恼J(rèn)識(shí)是有著大量的科學(xué)認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)的。2-2 科學(xué)家的發(fā)現(xiàn)：宇宙是在膨脹中1.夜里的天空為什么是黑的？這好象是每一個(gè)人都能回答的問(wèn)題，其實(shí)不然。大多數(shù)人都會(huì)回答：因?yàn)橐估锾?yáng)下山了。但是浩大的宇宙是有著無(wú)限多的恒星的，也就是還有著無(wú)數(shù)個(gè)太陽(yáng)！有人還會(huì)說(shuō)，不，這無(wú)數(shù)太陽(yáng)離我們可實(shí)在太遠(yuǎn)了，它們的光照不亮我們的夜空?？墒?，既

9、然是無(wú)窮盡的宇宙有著無(wú)窮多的星星，那么數(shù)學(xué)上就可以證明，這無(wú)窮多的星光完全足以照亮整個(gè)夜空。 早在1826年，德國(guó)天文學(xué)家?jiàn)W伯斯（H.W.M.Olbers）就提出了著名的奧伯斯佯謬。他指出：如果宇宙是無(wú)限的，并且在這個(gè)無(wú)限的宇宙中分布著無(wú)限多顆像太陽(yáng)一樣的恒星，那么夜空就不應(yīng)該是黑暗的，相反，應(yīng)該到處象太陽(yáng)一樣明亮。因此，宇宙的無(wú)限性和均勻性其中至少有一個(gè)是錯(cuò)的，或者兩者全錯(cuò)。 2多譜勒效應(yīng)我們都有這樣的經(jīng)驗(yàn)：在公路旁，我們可以聽(tīng)到兩種截然不同聲音的感受，當(dāng)汽車(chē)高速向我們駛來(lái)時(shí)，馬達(dá)聲響的音調(diào)在不斷升高（即聲音的頻率在升高），而當(dāng)汽車(chē)駛過(guò)我們遠(yuǎn)離而去時(shí)，其音調(diào)卻不斷變低（也即聲音的頻率在降低）

10、。這種現(xiàn)象由奧地利物理學(xué)家多譜勒（Christian Johann Doppler）最早于1842年提出的，并發(fā)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)著的物體的聲音頻率在變化的這一效應(yīng)，這在物理學(xué)上就稱之為多普勒效應(yīng)。多普勒效應(yīng)不僅適用于聲波，也適用于光波，同樣，一個(gè)天體所發(fā)射的光的頻率，也會(huì)因其運(yùn)動(dòng)與觀察者的關(guān)系而改變，如該天體接近我們的話，其光的頻率會(huì)升高，反之，則會(huì)變低。因此，這一重要發(fā)現(xiàn)也就幫助了人類(lèi)認(rèn)識(shí)了天體的運(yùn)動(dòng)。3.分光學(xué)定律1835年法國(guó)著名的實(shí)證主義哲學(xué)家孔德（Auguste Comte）曾提出了“天體不可知論”，聲稱“無(wú)論用什么方法，我們都無(wú)從了解它們的化學(xué)組成”。不久他的這一說(shuō)法就被證明了是錯(cuò)誤的。1

11、859年，德國(guó)物理學(xué)家基爾霍夫發(fā)現(xiàn)并提出了分光學(xué)的幾條基本定律：1）每一種化學(xué)元素都有它自己的、具有特征的光譜線；2）每一種化學(xué)元素可以吸收掉它自己能夠發(fā)射的那些光譜線；3）灼熱狀態(tài)的固體和液體都發(fā)射連續(xù)光譜，氣體發(fā)射不連續(xù)的明線光譜，但高壓下的氣體也發(fā)射連續(xù)光譜。天文學(xué)家對(duì)天體的光譜進(jìn)行了長(zhǎng)期的研究，他們將某一恒星射來(lái)的光用望遠(yuǎn)鏡捕捉后，通過(guò)棱鏡的分光，長(zhǎng)時(shí)間地在膠片上曝光后所顯示的圖形即是天體的光譜圖，這種光譜圖或是在暗黑的背景上有一些亮線，或是在明亮的背景上有一些暗線，而且這些線條都有一定的位置，這個(gè)位置即表示一定的波長(zhǎng)（或者頻率）。這些線條后來(lái)發(fā)現(xiàn)就是天體上存在的元素的“條形碼”。4.

12、太陽(yáng)的光譜天體光譜學(xué)的誕生，就此宣告了不可知論的破產(chǎn)?；鶢柣舴蛟?861年又發(fā)表了太陽(yáng)光譜論一書(shū)，書(shū)中附載了一張劃時(shí)代的太陽(yáng)光譜圖，長(zhǎng)2.4米，他指出只要將圖上的吸收 圖2-5 太陽(yáng)的光譜圖（局部）線的位置與元素的標(biāo)準(zhǔn)光譜相比較，就不難辨認(rèn)出太陽(yáng)上究竟存在哪些元素了。對(duì)遙遠(yuǎn)天體的光譜圖作研究的時(shí)候，卻得到了一個(gè)意外的發(fā)現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)它們的譜線偏離了它們?cè)瓉?lái)應(yīng)在的位置，移向了低頻率，也就是光譜的紅色部分，因此被稱為紅移。天文學(xué)家經(jīng)過(guò)研究認(rèn)為，根據(jù)多譜勒效應(yīng)，正常光譜線向光譜紫端或紅端的偏移，意味著該天體正朝向地球而來(lái)或遠(yuǎn)離地球而去。多譜勒效應(yīng)的計(jì)算公式為： Z+1 =Z 紅移量 c 光速 V觀察者與光

13、源之間的相對(duì)速度1868年，英國(guó)天文學(xué)家哈金斯（William Huggins）根據(jù)多譜勒效應(yīng)宣布了天狼星正以每秒46.5公里退離地球而去。 5. 哈勃定理 1929年美國(guó)天文學(xué)家哈勃（E.P. Hubble）研究了銀河系之外的24個(gè)星系，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這些星系都在遠(yuǎn)離我們而去，他因此提出了著名的哈勃定理：一個(gè)星系的退行速度同這個(gè)星系離我們的距離成正比，即V= HD V退行速度 H哈勃常數(shù)，約為15千米/秒·百萬(wàn)光年 D距地球的距離，光年這一定理后來(lái)得到了很多天文學(xué)家的證實(shí)。 6. 宇宙在膨脹宇宙是在膨脹中，這就是很多天文學(xué)家研究的結(jié)果?？梢栽O(shè)想，一個(gè)氣球在充氣膨脹時(shí)，它上面的各點(diǎn)彼此之間

14、將會(huì)四散分開(kāi)，對(duì)于這氣球表面或是氣球當(dāng)中的任何一點(diǎn)（假定每一點(diǎn)是代表一個(gè)星球）來(lái)說(shuō)，其它各點(diǎn)似乎都是在退離它而去。于是，1927年比利時(shí)數(shù)學(xué)家勒梅特將已觀測(cè)到的銀河外星系紅移解釋為宇宙膨脹的結(jié)果，并在此基礎(chǔ)上提出了他的“宇宙蛋”的假說(shuō)，我們這個(gè)宇宙原來(lái)是起源于“宇宙蛋”的大爆炸。1948年，蘇聯(lián)出生的美籍物理學(xué)家伽莫夫（George Gamow）和其他兩位科學(xué)家一起提出了宇宙大爆炸的理論。 7. 2.7K背景輻射 1933年伽莫夫離開(kāi)蘇聯(lián)來(lái)到美國(guó)工作，1948年，美國(guó)物理評(píng)論發(fā)表了伽莫夫（姓名起首的希臘字母為）和其助手（姓名起首的希臘字母為）及德國(guó)物理學(xué)家漢斯（起首字母為）一起署名的文章（亦即

15、Alpher、Bethe、Gamov），提出了宇宙大爆炸的理論。這一理論認(rèn)為，宇宙的原始狀態(tài)是一巨熱的核粒子氣體混合物，大爆炸是由混合物的迅速膨脹引起的，如今我們?cè)诘厍蛏纤l(fā)現(xiàn)的全部元素都是在大爆炸發(fā)生后半小時(shí)所產(chǎn)生的塵埃。同時(shí)大爆炸產(chǎn)生的輻射還遺留到今天，這種輻射應(yīng)該同處于5K（-268）溫度下的物質(zhì)所具有的輻射（為微波輻射）相當(dāng)，因此我們今天的宇宙應(yīng)是在一片微波的輻射之中。遺憾的是，伽莫夫的大爆炸理論由于當(dāng)時(shí)缺乏證據(jù)，后來(lái)就漸漸地被人遺忘了。我們?cè)谑章?tīng)廣播時(shí)，常會(huì)遇上噪聲，導(dǎo)電電子的無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)就會(huì)產(chǎn)生噪聲，因此噪聲的水平是可以用溫度來(lái)標(biāo)志的，例如當(dāng)?shù)孛鏈囟葹?00K（23）時(shí)，在無(wú)線電接

16、收機(jī)中就會(huì)產(chǎn)生20-30K的噪聲，這20-30K就是用來(lái)度量噪聲的噪聲溫度。1964年5月，美國(guó)的貝爾電話實(shí)驗(yàn)室的兩位科研人員彭齊亞斯和威爾遜在進(jìn)行消除噪聲的研究中，測(cè)量出了天空的有效噪聲溫度為6.7K，他們?cè)诳鄢说孛嬖肼暫痛髿馕盏挠绊懼螅玫搅?.5K的背景輻射，在此后近一年的研究中，無(wú)論他們?nèi)绾胃倪M(jìn)儀器都無(wú)法消除這一殘余噪聲溫度，而且他們還發(fā)現(xiàn)，無(wú)論測(cè)量天線對(duì)準(zhǔn)天空的哪個(gè)方向都能接收到這一背景輻射，這意味著它是各向同性的，而且季節(jié)的變化也不影響它。這兩位科學(xué)家感到迷惑不解，因?yàn)檫@種輻射不可能來(lái)自某個(gè)特定的輻射源，因?yàn)樗鼪](méi)有方向性。此時(shí)他們恰好看到了一篇有關(guān)大爆炸理論的論文，根據(jù)這一理

17、論，宇宙應(yīng)遺留著“大爆炸”后的遺跡宇宙的背景輻射，在深入的研究之后，他們確信他們的“發(fā)現(xiàn)”，這一消除不掉的殘余噪聲就是“大爆炸”的遺跡宇宙的背景輻射。彭齊亞斯和威爾遜的這一發(fā)現(xiàn)震動(dòng)了全世界的科學(xué)界，也使他們獲得了1978年度的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，宇宙大爆炸理論因此獲得了強(qiáng)有力的支持。1989年11月，美國(guó)宇航局首次發(fā)射的“宇宙背景探測(cè)器”（COBE）發(fā)現(xiàn)宇宙的溫度為2.7K，為大爆炸理論提供了最有力的證據(jù)。2-3.宇宙大爆炸理論隨著宇宙大爆炸理論得到科學(xué)界的廣泛贊同，大爆炸宇宙模型（Bigbang model）也得到了深入的研究。天體物理學(xué)家一般地推測(cè)：大爆炸后的宇宙大約經(jīng)歷了以下八個(gè)階段：第一階

18、段：根據(jù)大爆炸理論，科學(xué)家們推算出，大爆炸一瞬時(shí)（10秒）的溫度極高，大于10K，可以用公式=1.5×10/來(lái)近似估計(jì)（T為溫度，K ；t 為時(shí)間，秒），此時(shí)的溫度，任何物質(zhì)都不可能承受，科學(xué)家們無(wú)法描述當(dāng)時(shí)的宇宙狀態(tài)，這一段時(shí)間的秘密很可能就需要物質(zhì)與引力的統(tǒng)一理論來(lái)揭示。第二階段：大爆炸后的10秒到10秒，溫度約在10K 到10K，此時(shí)，能量產(chǎn)生了物質(zhì)，宇宙中充滿了各種可能出現(xiàn)的粒子，主要的有夸克、電子、中微子、光子、膠子和X粒子等，隨后由于溫度的迅速降低，X粒子便衰變成夸克。整個(gè)宇宙就如就如我國(guó)古代哲學(xué)家莊子所描寫(xiě)的那樣：只有渾然一體、彌漫無(wú)際的氣體。第三階段：大爆炸后的10秒

19、到10秒，溫度約在10K 到10K，此時(shí)夸克的溫度迅速冷卻，各種粒子的平均能量約為10億電子伏特。第四階段：大爆炸后的10秒到10秒，當(dāng)能量下降到10億電子伏特以下時(shí)，夸克和反夸克相互碰在一起就會(huì)大量湮滅，產(chǎn)生兩個(gè)光子或一個(gè)電子及正電子對(duì)（后者產(chǎn)生于兩個(gè)光子的碰撞），另外，兩個(gè)膠子也會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)光子。由于夸克的大量湮滅，由X粒子衰變成的夸克就變得十分重要，此時(shí)參與“自殺”的反夸克已難以找到。當(dāng)這些剩余的夸克之間的距離小到一定的程度時(shí)，三個(gè)夸克就形成一個(gè)質(zhì)子或一個(gè)中子，宇宙開(kāi)始進(jìn)入了質(zhì)子時(shí)期。第五階段：大爆炸后的10秒到100秒，此時(shí)宇宙冷卻到10億度左右。由于中子的質(zhì)量大于質(zhì)子的質(zhì)量約130萬(wàn)電

20、子伏特，因此當(dāng)粒子的平均能量降至這差值時(shí)，許多中子便開(kāi)始衰變成光子、電子和中微子，結(jié)果中子就少于質(zhì)子。同時(shí)這一階段還發(fā)生了電子和正電子的湮滅，產(chǎn)生出光子，僅有少量的電子幸存下來(lái)，等待著原子的合成。第六階段：100秒至30分鐘，大約在3分鐘后，宇宙的溫度降至9億度，此時(shí)便有了一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子碰撞的機(jī)會(huì)，形成了氘，過(guò)剩的能量以光子的形式輻射出去：p（質(zhì)子）+ n（中子） H（氘）+ r（光子）氘粒子、質(zhì)子不斷相互碰撞，最終也就組成了氦核H：p +H He + r He+He He +2 p在很短的時(shí)間內(nèi)，全部中子都參與了氦核的合成，由于中子數(shù)遠(yuǎn)少于質(zhì)子數(shù)，多余的質(zhì)子就生成了氫核，最終氫核占77%

21、 ，氦核占23% ，約3：1，這與現(xiàn)代天文學(xué)測(cè)量的結(jié)果相一致。在當(dāng)時(shí)的溫度條件下，它們還無(wú)法結(jié)合電子。第七階段：30分鐘到100萬(wàn)年，宇宙繼續(xù)冷卻，原子形成，大約在30萬(wàn)年后，宇宙進(jìn)入了原子時(shí)代。此時(shí)氫核和氦核都捕捉到了電子形成了氫原子和氦原子（因此可以說(shuō)氫和氦原子的年齡是與宇宙的年齡相差無(wú)幾的）。由于原子不帶電，光子也便開(kāi)始獨(dú)立生存。宇宙在膨脹中不斷冷卻，這一冷卻持續(xù)了將近在150億年，最終冷卻到了如今的2.7K。第八階段：100萬(wàn)年至150億年前后，宇宙的進(jìn)一步進(jìn)化，形成了星系、恒星、行星和生命。2003年2 月，美國(guó)報(bào)道，一個(gè)國(guó)際天文學(xué)家小組借助美國(guó)宇航局的微波背景輻射探測(cè)器獲得了“嬰兒

22、期”宇宙迄今最精細(xì)的照片（見(jiàn)圖2-11）他們根據(jù)新照片計(jì)算的結(jié)果顯示，宇宙的年齡約為137億年，這一結(jié)果的近似的誤差率僅為1%；在宇宙的構(gòu)成上，據(jù)計(jì)算，原子占4%，暗物質(zhì)為23 %，剩下的73%全部是暗能量；另外，宇宙是“平坦”的，并將永遠(yuǎn)膨脹下去。圖 美國(guó)宇航局微波背景輻射探測(cè)器獲得的宇宙迄今最精細(xì)的照片這些研究結(jié)果為大爆炸理論提供了更準(zhǔn)確、更有力的支持，普林斯頓高等研究院的巴卡爾說(shuō)，在哲學(xué)意義上，它們標(biāo)志著宇宙學(xué)研究由不確定進(jìn)入了確定階段。10. 宇宙生于“無(wú)” 大爆炸理論解釋了宇宙生成的各個(gè)階段，認(rèn)為宇宙開(kāi)始于大爆炸的極短的一瞬間，即10秒，且不說(shuō)這一瞬如何發(fā)生，而在這一瞬之前，宇宙又是

23、什么？ 1984年古斯（Alan H. Guth）等在Scientific American上發(fā)表論文，提出了“暴漲宇宙”的概念，指出宇宙在極短的瞬間進(jìn)入了假真空，在巨大的負(fù)壓強(qiáng)推動(dòng)下，經(jīng)歷了一個(gè)異乎尋常的暴漲階段，“暴漲宇宙模型提供了一種可能的機(jī)制，依靠這種機(jī)制。觀測(cè)宇宙即從一個(gè)無(wú)窮小區(qū)域開(kāi)始演化。因此，引人注目的將是進(jìn)一步推演整個(gè)宇宙的確是從無(wú)中演化過(guò)來(lái)的?！被艚鹚棺谳喴紊弦参虺隽擞钪嫔凇盁o(wú)”的理論，1998年，他在寫(xiě)作名著時(shí)間簡(jiǎn)史的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展了他的學(xué)說(shuō)并發(fā)表了重要的論文，提出了：宇宙是由無(wú)通過(guò)量子躍遷創(chuàng)生的，創(chuàng)生之初的宇宙是一個(gè)“果殼狀”的四維歐氏球面，在一個(gè)非常短的瞬間，巨大

24、真空能量使宇宙發(fā)生了暴漲，暴漲在真空的能量都轉(zhuǎn)化為物質(zhì)能之后而停止。其時(shí)宇宙開(kāi)始熱化，從而引發(fā)了大爆炸。除了以上的研究之外，物理學(xué)家們還提出了形形色色的多宇宙理論，有埃弗雷特的分叉宇宙（每一個(gè)宇宙都是前一個(gè)宇宙分裂出來(lái)的）、有霍金的泡泡宇宙（暴漲必然會(huì)產(chǎn)生許多單獨(dú)的泡泡，產(chǎn)生一個(gè)個(gè)相距遙遠(yuǎn)的泡泡宇宙）、還有惠勒的無(wú)盡的再生宇宙（大爆炸和大坍塌交替進(jìn)行）。這些理論在數(shù)學(xué)上都是可行的，但并未得到科學(xué)家們的公認(rèn)。盡管還有著許許多多的難解之謎，就目前來(lái)說(shuō)，應(yīng)該承認(rèn)大爆炸理論目前已是解釋我們的宇宙起源的最好理論。2-4 化學(xué)元素的誕生 宇宙之初，萬(wàn)物皆無(wú)，既沒(méi)有時(shí)間、空間、恒星、行星，也沒(méi)有動(dòng)物、植物和

25、人類(lèi)。然而，一切均從“無(wú)”到有。最初的“有”就只是一片“渾然一氣”，那是由大爆炸后產(chǎn)生的電子、夸克和其他粒子所構(gòu)成的灼熱等離子體。隨著等離子體的迅速冷卻，就形成了質(zhì)子、中子、原子核、原子、恒星、星系和行星，最后在許多合適的星系中可能都形成了生命，其中的一個(gè)就是我們的太陽(yáng)系，并“碰巧”產(chǎn)生在它的一個(gè)行星地球上，經(jīng)過(guò)大約40多億年的變遷，在地球上由化學(xué)元素形成最簡(jiǎn)單的生命開(kāi)始，最終進(jìn)化成了植物、動(dòng)物和人類(lèi)。這就是宇宙及生命發(fā)展的簡(jiǎn)史，也是宇宙的進(jìn)化史。1夸克1964年美國(guó)物理學(xué)家默里·蓋爾曼和喬治·茨威格提出質(zhì)子和中子是由更小的粒子所組成的，組成它們的粒子是三個(gè)夸克。1966年

26、在美國(guó)的大型電子加速器上工作的物理學(xué)家們證實(shí)了他們的假設(shè)。1970 年歐洲核試驗(yàn)中心用中微子轟擊質(zhì)子的試驗(yàn)也證實(shí)了這一假設(shè)?？茖W(xué)家們的研究證明。要描述宇宙中所觀察到的穩(wěn)定的核物體需要有兩種夸克，科學(xué)家圖2-13 質(zhì)子、中子結(jié)構(gòu)示意圖們把它們寫(xiě)成u和d，分別表示上夸克和下夸克。上夸克帶有2/3個(gè)正電荷，下夸克帶有-1/3個(gè)正電荷. 根據(jù)夸克理論，夸克是一類(lèi)沒(méi)有內(nèi)部結(jié)構(gòu)的“點(diǎn)狀”粒子，它們共有六種，有上夸克、下夸克、奇夸克、燦夸克、底夸克和頂夸克，科學(xué)家已從實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了所有6種夸克的存在。事實(shí)證明，夸克作為最基本的粒子之一，已完全能解釋已發(fā)現(xiàn)的數(shù)百種各種粒子的組成。2 中微子科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，中子是不

27、穩(wěn)定的，它在衰變時(shí)，會(huì)放出質(zhì)子、電子和另外一種粒子中微子，中微子也是一個(gè)不能分割的基本粒子： n（中子） p（質(zhì)子）+ e（電子）+ （中微子） 中微子是中性的粒子，其靜止質(zhì)量為零，穿透力極強(qiáng)，因此它能通行無(wú)阻地穿透任何物質(zhì)，又質(zhì)量非常之小，幾乎不與其它物質(zhì)起反應(yīng) 。1942年，我國(guó)著名的核物理學(xué)家王淦昌發(fā)表了一篇論文關(guān)于探測(cè)中微子的一個(gè)建議登載在美國(guó)權(quán)威的物理評(píng)論1月號(hào)上，同年6 月號(hào)，該雜志就發(fā)表了美國(guó)物理學(xué)家艾倫根據(jù)王淦昌的建議所做的實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了中微子的存在。除了夸克、中微子外，電子也是一個(gè)不能分割的基本粒子，迄今為止還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)能構(gòu)成電子的粒子。3化學(xué)元素的最初核合成 我們從大爆炸后的八

28、個(gè)階段的推測(cè)中已經(jīng)知道，宇宙生成的大致結(jié)構(gòu)如下： 圖 宇宙生成的大致結(jié)構(gòu)圖 顯然，化學(xué)元素的生成應(yīng)該從原子核的生成開(kāi)始。根據(jù)科學(xué)家們的觀測(cè)，宇宙空間中充滿了星際氣體，這種氣體彌散在浩瀚的太空里，大部分是氫氣，它們構(gòu)成了星系總質(zhì)量的大部分。除了氫云之外，還有著氦云，它們都是宇宙大爆炸的產(chǎn)物，因此氫和氦應(yīng)是宇宙中最早出現(xiàn)的元素。當(dāng)宇宙的年齡約在100秒，平均溫度降到10萬(wàn)K時(shí)，質(zhì)子和質(zhì)子的融合形成了氦核。其過(guò)程如下：H + n D（氘核）+（光子）D + H He +He + He He +2H 這就是宇宙中化學(xué)元素的最初的、在大爆炸中的核合成。根據(jù)弱相互作用計(jì)算，核合成初期的中子與質(zhì)子比約為1：

29、7，上述核反應(yīng)表明，兩個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子轉(zhuǎn)化為一個(gè)氦核He，氦的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)約為25%，這與天文學(xué)的觀察完全相符。4 化學(xué)元素的恒星核合成1）.恒星的生成宇宙年齡大約在十萬(wàn)一億年時(shí)，平均溫度已降到了300K，此時(shí)的氫云和氦云極其巨大，由于氫和氦粒的不均勻的分布產(chǎn)生了引力中心，在引力中心的吸引下，經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的年代就形成了致密的原子團(tuán)，巨大的引力使得原子的運(yùn)動(dòng)發(fā)生碰撞，并把它們的能量傳遞給其余的物質(zhì)。引力的收縮不斷地把原子擠壓得越來(lái)越緊密，溫度變得越來(lái)越高，最終也便生成了恒星。為什么重元素不能在大爆炸中的最初核合成中生成？這是因?yàn)楫?dāng)時(shí)缺乏質(zhì)量數(shù)為5和8的穩(wěn)定核素，而無(wú)法在最初宇宙條件下生成比氦重的原子核

30、。2）.化學(xué)元素的恒星核合成和“鐵峰”1938年，貝特提出了恒星的熱核聚變理論，他認(rèn)為太陽(yáng)和恒星的能源是來(lái)自于星體的核心部分的核反應(yīng)，由于恒星在生成的過(guò)程中，中心的溫度極高，這就使得粒子有極高的動(dòng)能，原子核之間能克服靜電排斥而人發(fā)生碰撞，結(jié)果就發(fā)生了熱核聚變，較輕的原子核合成為較重的原子核，這一聚變反應(yīng)中釋放出來(lái)的巨大的能量就維持著恒星內(nèi)部的高溫以及恒星的輻射，這就開(kāi)始了化學(xué)元素的恒星核合成。根據(jù)科學(xué)家的研究，這一核合成經(jīng)歷了以下一些過(guò)程：主序星、紅巨星、白矮星，一直到超新星爆發(fā)。下面是主序星到紅巨星變化的三個(gè)階段的示意圖： 圖 化學(xué)元素的恒星核合成可以看到恒星的最初是由聚集的氫云形成的，在恒

31、星生成的第二階段，由于氫的燃燒生成了氦，這兩個(gè)階段即是主序星階段。當(dāng)溫度繼續(xù)升到一億度時(shí)，氦的燃燒就生成了碳、氮、氧元素，此時(shí)恒星外層的物質(zhì)由于離開(kāi)中心區(qū)已十分遙遠(yuǎn)，因此恒星發(fā)出紅光，是為紅巨星。進(jìn)一步核反應(yīng)的結(jié)果，溫度繼續(xù)升高，碳、氮、氧燃燒的結(jié)果就生成了硅和鎂，再往后，恒星的中心區(qū)就生成了鐵，形成了恒星的鐵核，這便形成了“鐵峰”。至此，核反應(yīng)的能量耗盡，更重的元素的合成需要更高的能量，恒星的核合成已不能繼續(xù)完成，核火快燒盡時(shí)，溫度下降，恒星就收縮為白矮星，直至完全燒盡，其中少數(shù)發(fā)生了爆炸，即為超新星。由于在恒星的最初的核反應(yīng)中生成了大量的氦，因此有人認(rèn)為宇宙中的氦也有可能就是在恒星的核合成

32、中產(chǎn)生而并非是在大爆炸中產(chǎn)生的，但是科學(xué)家們指出，在天體中，氫、氦是最豐富的元素，二者豐度之和約為99%，其余的元素越重的也就越少。氦的豐度約為2530%。如果所有的氦都是在恒星中合成的，那么這一核合成中釋放出來(lái)的能量就應(yīng)該成為宇宙的背景輻射，但是實(shí)際計(jì)算的結(jié)果發(fā)現(xiàn)竟只是0.35K，因此這種解釋與實(shí)際是不符的。3）元素合成中的“A8溝”和霍伊爾假說(shuō)根據(jù)元素的恒星核合成的理論，重元素是由輕元素合成的，這一合成的順序應(yīng)該是按著質(zhì)量數(shù)的排列進(jìn)行的，也就是按次序進(jìn)行以下的合成： 2 H H2 H HeH +He Li2 He Be元素生成的反應(yīng)進(jìn)行到這里便發(fā)生了問(wèn)題，因?yàn)楝F(xiàn)在已知Be是很不穩(wěn)定的，有著

33、很短的半衰期，因而在宇宙的星體中很少有Be，既然如此，進(jìn)一步的反應(yīng)顯然將會(huì)因此而中斷，如果不存在原子量A=8，那么又怎么合成A=9、A=10呢？這個(gè)問(wèn)題就稱為A8溝?？茖W(xué)家的研究發(fā)現(xiàn)了恒星中的碳的豐度特別大，因而推論在氦層的下面生成了碳層，而不是形成了Be。生命元素碳為什么會(huì)在宇宙中繼氫、氦之后先出現(xiàn)？A8溝與碳的合成又有什么關(guān)系？為了解決這個(gè)問(wèn)題，英國(guó)天體物理學(xué)家霍伊爾提出了一個(gè)假說(shuō)，他認(rèn)為存在著以下的一個(gè)反應(yīng)： Be + He C 但是Be是極不穩(wěn)定的，很快就會(huì)衰變，因此理論上是無(wú)法進(jìn)行的，霍伊爾認(rèn)為這個(gè)反應(yīng)實(shí)際上進(jìn)行得很快，是一個(gè)共振反應(yīng)，它比Be存在的時(shí)間還要快，而且他還認(rèn)為碳可以在兩

34、個(gè)氦核聚合成一個(gè)鈹核開(kāi)始的過(guò)程中合成2He Be Be +He C實(shí)際上就是 3He C它們之間存在著共振，因此使得它們的核反應(yīng)的幾率變得很大，從而順利的產(chǎn)生了C，霍伊爾還預(yù)測(cè)了這一共振反應(yīng)的能量，美國(guó)加利福尼亞工學(xué)院核物理實(shí)驗(yàn)室以后進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，證明了這一假設(shè)是正確的。應(yīng)該指出，如果不存在共振，宇宙中的碳很可能只是微不足道的元素, 結(jié)果地球上也就不可能形成生命。如此說(shuō)來(lái)，地球上的生命竟是出于如此“偶然”，這便是當(dāng)今科學(xué)家所能告訴我們的“故事”。4）碳氮氧循環(huán)恒星核反應(yīng)的繼續(xù)燃燒使得其它元素逐步合成，越過(guò)A8溝后生成了碳，接下去的就是碳氮氧循環(huán)： C + H N + N C + e+ C + H

35、 N + N + H O + O N + e+ N + H O +同時(shí)， O C + He 這就形成了碳氮氧循環(huán)，在這一循環(huán)中，由4個(gè)氫生成了一個(gè)氦，C起了催化劑的作用，同時(shí)生成了其它的元素?？梢钥闯鲈谶@一循環(huán)中是氫燃燒，它是氫燃燒的第二個(gè)序列。5）He燃燒 3He C + C +He O + O +He Ne + Ne +He Mg + N +He F +6）.C燃燒 Na + HC +C Ne + （氦核粒子流） Mg + （高能光子流） C + O +7）O 燃燒 Si + O +O P + H S + n （中子） S + Ne + O + Ne + Mg +8）重元素的生成 Mg +

36、 Mg Si + Si + Si Fe + 當(dāng)硅燃燒完后，恒星中鐵的含量也就達(dá)到了最大。要指出的是，根據(jù)科學(xué)家的研究認(rèn)為：并非所有的恒星都能發(fā)生以上所有的反應(yīng)，有的恒星還未到生成鐵核，中途就結(jié)束了自己一生。圖 宇宙中化學(xué)元素的分布5 超新星爆發(fā)比鐵更重的元素的生成需要更高的能量，但恒星的核心被鐵壟斷后，燃燒也就不能再繼續(xù)了，最后導(dǎo)致了超新星的爆發(fā)，在爆發(fā)中生成的重元素被拋射到了宇宙空間中。也有的科學(xué)家認(rèn)為更重的元素可能來(lái)自于更猛烈的爆炸，例如兩顆中子星的爆炸?？偨Y(jié)以上所上說(shuō)的化學(xué)元素的生成過(guò)程，可以知道恒星的演化過(guò)程就是化學(xué)元素的生成過(guò)程，恒星其實(shí)就是一個(gè)個(gè)把輕元素?zé)挸芍卦氐摹盁挔t”，古代術(shù)

37、士夢(mèng)寐以求的煉金爐，原來(lái)它們就“高懸”在我們的頭頂上。6.地球的生成科學(xué)家們描繪：大約在四十六億前，在距銀河系約3百萬(wàn)光年的地方，有過(guò)一顆巨大的恒星，由于燃燒耗盡，核心坍縮，形成了超新星的爆發(fā)，把最外面的殼層以每秒數(shù)千千米的速度拋向宇宙空間，在它附近的氫、氦氣體云受到這一沖擊也自行坍縮，收縮的結(jié)果致使其核心引發(fā)了核反應(yīng)，這就造成了太陽(yáng)系的誕生。大部分氫云收縮形成恒星時(shí)，必然有少量的氫云遺留下來(lái)，它們因萬(wàn)有引力而聚集在一起，同時(shí)受到超新星爆發(fā)時(shí)拋射出來(lái)的重元素的污染。當(dāng)這些污染的氫云開(kāi)始聚集成行星時(shí)，元素就開(kāi)始分離，重元素由于引力大先聚集在中心，輕元素由于引力小，反而逃脫而四散，不會(huì)產(chǎn)生高溫，因

38、此原子就有機(jī)會(huì)形成分子，分子又聚集成固體和液體，表面則附有薄薄的一層氣體。地球的產(chǎn)生就正是由于以上這樣的過(guò)程?？茖W(xué)家們通過(guò)計(jì)算巖石的年齡來(lái)計(jì)算地球的年齡，只要計(jì)算出巖石中的鈾和鉛的質(zhì)量就可以計(jì)算出巖石的年齡，這是因?yàn)樵恿繛?38的鈾會(huì)衰變成鉛和氦，每衰變掉一半的質(zhì)量需時(shí)45億年，有人據(jù)此進(jìn)行測(cè)量后計(jì)算出地球巖石的年齡為三十幾億年，但地球的年齡也并不完全等于巖石的年齡，地球的地殼在形成之前還有過(guò)一段熔融狀態(tài)的時(shí)期，如再加上這段時(shí)期，科學(xué)家們估計(jì)地球的年齡約在45-46億年，這就是現(xiàn)在公認(rèn)的地球的估計(jì)年齡。2-5“元素王國(guó)”的邊界元素周期表的第一個(gè)元素是氫，它也是宇宙大爆炸中最早產(chǎn)生的元素。然而

39、周期表的最后一個(gè)元素應(yīng)是誰(shuí)呢？也就是由門(mén)捷列夫建立起來(lái)的這一“王國(guó)”的邊界究竟又在哪里呢？直到1940年以前，元素周期表始終是以第92號(hào)元素鈾作為它的末尾，這也是地球上所發(fā)現(xiàn)的最后一個(gè)天然元素。1940年，科學(xué)家們合成了第93號(hào)元素镎(Np),它是第一個(gè)人工合成的元素,是用中子來(lái)轟擊鈾得到的.不久又發(fā)現(xiàn)了第94號(hào)元素钚(Pu).隨后發(fā)現(xiàn)的一些元素的命名有很多是用來(lái)紀(jì)念科學(xué)家的,如:99號(hào)锿(Es)是紀(jì)念?lèi)?ài)因斯坦的,100號(hào)元素鐨(Fm)是紀(jì)念費(fèi)米的,101號(hào)元素鍆(Md)是紀(jì)念門(mén)捷列夫的，103號(hào)元素鐒(Lr)是紀(jì)念勞倫斯的.上個(gè)世紀(jì)七十年代,科學(xué)家又合成了第104號(hào)元素钅盧 (Rf),105

40、號(hào)元素钅 杜 . ( (Db), 106號(hào)元素钅喜 (Sg),107號(hào)元素钅波 (Bh),八十年代又發(fā)現(xiàn)了108號(hào)元素钅黑 (Hs) , 109號(hào)元素钅麥 (Mt).如今元素周期表已排到了第112號(hào)，從110-112號(hào)尚未有中文的命名。據(jù)悉，也有報(bào)道說(shuō)發(fā)現(xiàn)了第116號(hào)元素，但未證實(shí)。而俄羅斯杜布納核研究所目前已經(jīng)開(kāi)始人工合成第118號(hào)元素的研究工作。第三章 生命元素的形成和演變3-1 生命的起源生命起源的傳說(shuō)一直和宗教迷信融合在一起，甚至比地球和宇宙的起源的傳說(shuō)更傳奇。幾乎每個(gè)國(guó)家、每個(gè)民族都有自己的“神”的傳說(shuō)，我國(guó)的女?huà)z和西方的上帝，就是其中最著名的代表，傳說(shuō)就是他們創(chuàng)造了生命。這一觀點(diǎn)被

41、學(xué)者們稱為“第一推動(dòng)力”亦即“神創(chuàng)論”。古希臘的柏拉圖（Platu）就認(rèn)為世界上存在的一切都是造物主創(chuàng)造出來(lái)的。除了第一推動(dòng)力的說(shuō)法外，還有反對(duì)“神創(chuàng)論”的“自生論”，自生論在整個(gè)人類(lèi)認(rèn)識(shí)史上流傳十分廣泛和長(zhǎng)久。古希臘的德謨克里特就提出生命是從“地里冒出來(lái)的”，既“不是被創(chuàng)造出來(lái)的，也沒(méi)有特別的理由”，自然而然就發(fā)生了。我國(guó)遠(yuǎn)在上古時(shí)代，生物自生的思想也已十分流行，這當(dāng)中有“腐草化螢”，“汗液生虱”，“肉腐出蟲(chóng)”等。尤其是腐肉生蛆的說(shuō)法在全球各民族中盛行。在西方，一直到十九世紀(jì)，法國(guó)微生物家巴斯德通過(guò)精密的實(shí)驗(yàn)才證明了自生論的錯(cuò)誤，他把肉湯放入特制的曲頸玻璃瓶中，煮沸滅菌，盡管空氣可以進(jìn)入瓶?jī)?nèi)

42、，但是瓶子里的肉湯卻經(jīng)久不見(jiàn)渾濁，也就是說(shuō)沒(méi)有出現(xiàn)細(xì)菌。這是由于懸浮于空氣中的細(xì)菌或孢子比空氣重，因此它們就沉淀于曲頸的底部而進(jìn)不了瓶子。然后，巴斯德又將瓶頸截?cái)?，結(jié)果微生物就大量繁殖起來(lái)，肉湯也就渾濁變質(zhì)了。這就從根本上完全否定了生物自然發(fā)生的說(shuō)法。1 生命起源的學(xué)說(shuō)之一（化學(xué)進(jìn)化說(shuō)）科學(xué)家們認(rèn)識(shí)到，生命起源的必要條件應(yīng)是：在原始地球上自然條件下的非生命物質(zhì)，要先通過(guò)化學(xué)作用產(chǎn)生出多種有機(jī)物和生物分子來(lái)。這種原始有機(jī)物的起源與早期演化，是一種化學(xué)過(guò)程，亦即化學(xué)進(jìn)化?；瘜W(xué)進(jìn)化造就了一類(lèi)化學(xué)材料并構(gòu)成了氨基酸等生命通用的結(jié)構(gòu)單元。蛋白質(zhì)等生命物質(zhì)就是由這些結(jié)構(gòu)單元組合而成。有了生命物質(zhì)后，進(jìn)一步

43、地進(jìn)化，也就組裝成了原始的生命體。恩格斯指出：生命的起源必然是通過(guò)化學(xué)的途徑實(shí)現(xiàn)的。這就是關(guān)于生命起源的化學(xué)進(jìn)化學(xué)說(shuō)。1924年，前蘇聯(lián)生物化學(xué)家?jiàn)W巴林（.）首先提出了一個(gè)比較系統(tǒng)的生命起源的假說(shuō)，他認(rèn)為生命起源于地球，是一個(gè)化學(xué)進(jìn)化過(guò)程。地球上最簡(jiǎn)單的有機(jī)物質(zhì)-烴類(lèi)，完全有可能由地球上的原始?xì)怏wNH、CH、HO、H等來(lái)原始生成，而最初生成的烴類(lèi)化合物通過(guò)一步一步地演化最終必然會(huì)形成類(lèi)蛋白化合物。以后奧巴林學(xué)派又進(jìn)一步提出了“團(tuán)聚體”學(xué)說(shuō)，認(rèn)為由類(lèi)蛋白物質(zhì)形成的膠體小塊顆粒狀，不溶于水，并能吸附其他有機(jī)物而“生長(zhǎng)”，最終形成了復(fù)雜體系，而稱之為團(tuán)聚體，該學(xué)說(shuō)還描述了生命起源的三個(gè)階段，那就是：

44、1.從無(wú)機(jī)物到簡(jiǎn)單有機(jī)物的形成，2.從復(fù)雜到有機(jī)物到多分子體系“團(tuán)聚體”，3.從團(tuán)聚體到具有新陳代謝能力的蛋白體的形成。1953年，美國(guó)芝加哥大學(xué)的一位年輕的博士研究生米勒（S.L.Miller）根據(jù)奧巴林20年代提出的理論觀點(diǎn)，成功地模擬了原始地球大氣的條件下氨基酸產(chǎn)生的過(guò)程。他把一個(gè)專門(mén)設(shè)計(jì)的密封玻璃容器事先抽成真空，并在130 高溫消毒18小時(shí)，放入200毫升水，然后通入CH、NH、CH，使它們的比例和科學(xué)家認(rèn)為的原始大氣的組成基本相同，接著就在加熱的條件下，模擬地球閃電的自然條件連續(xù)進(jìn)行火花放電，并在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中隨時(shí)進(jìn)行取樣分析，結(jié)果在八天后，裝置中的液相由無(wú)色變?yōu)辄S色，并有黃棕色沉淀。

45、經(jīng)分析，形成的物質(zhì)有甲酸（HCOOH）、甘氨酸（HNCHCOOH）、乙醇酸（HOCHCOOH）、乳酸（CHCHOHCOOH）、丙氨酸（CHCHNHCOOH）、丙酸（CHCHCOOH）、乙酸（CHCOOH）（CHCHCOOH）,還有痕量的谷氨酸和天門(mén)冬氨酸，總共有11種氨基酸。這就有力地證明了化學(xué)進(jìn)化過(guò)程是生命起源過(guò)程中最重要的一環(huán)。米勒實(shí)驗(yàn)之后的20年中，人們不斷地模擬原始地球條件，從無(wú)機(jī)物合成了眾多的生命有機(jī)物：天然蛋白質(zhì)中的所有氨基酸，以及各種嘌啉、嘧啶、核糖、脫氧核糖、核苷、核苷酸、脂肪酸、卟啉和脂質(zhì)等等。在這以后，美國(guó)生物化學(xué)家?？怂梗‵ox Sidney Waiter）又提出了生命起

46、源的“熱聚合假說(shuō)”，他認(rèn)為，在海洋附近的火山地帶，氨基酸經(jīng)過(guò)加熱就會(huì)變成類(lèi)似蛋白質(zhì)的類(lèi)蛋白，它們?nèi)芙庥诤Ｋ螅统蔀椤拔⑶蝮w”，并有著與細(xì)菌相似的形態(tài)和結(jié)構(gòu)，這種微球體和團(tuán)聚體一樣也可能成為原始細(xì)胞的基礎(chǔ)。完全可以設(shè)想，如果由原始大氣產(chǎn)生的有機(jī)物或是由其它途徑產(chǎn)生的有機(jī)物進(jìn)入海洋后，隨之在漫長(zhǎng)的歲月里它們就發(fā)生了化學(xué)和生物化學(xué)的過(guò)程，最終也就形成了地球上最早的生命。綜合以上的學(xué)說(shuō)，化學(xué)進(jìn)化學(xué)說(shuō)所描述的生命起源的過(guò)程包括了以下4個(gè)階段：（l）從無(wú)機(jī)小分子物質(zhì)生成有機(jī)小分子物質(zhì)。（2）從有機(jī)小分子物質(zhì)生成有機(jī)大分子物質(zhì)。（3）從有機(jī)大分子組成能自我維持穩(wěn)定的和發(fā)展的多分子體系（4）從多分子體系演變

47、為原始生命多分子體系再經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的歲月，不斷地演變和進(jìn)化，最終就形成了原始生命。應(yīng)該指出：盡管科學(xué)家們?cè)诤铣缮衔锷弦讶〉昧司薮蟮某晒?，例如我?guó)科學(xué)家1965年和l981年，在世界上就先后首次合成了胰島素和酵母丙氨酸轉(zhuǎn)移核糖核酸。此外，科學(xué)家們還借用生物材料合成了基因。但是無(wú)法否認(rèn)的是，一直到目前為止，實(shí)驗(yàn)室里還不能全面驗(yàn)證生命起源的化學(xué)進(jìn)化過(guò)程。2 生命起源的學(xué)說(shuō)之二（早期胚種說(shuō)）1.孢子說(shuō)： 2.隕石說(shuō)： 3 生命起源的學(xué)說(shuō)之三 新宇宙胚種論.星際分子起源論由于化學(xué)進(jìn)化的研究停滯不前，外來(lái)生命學(xué)說(shuō)就吸引了大量的研究。早在上個(gè)世紀(jì)20年代，英國(guó)天文學(xué)家愛(ài)丁頓就提出宇宙中存在著星際分子，19

48、37年發(fā)現(xiàn)了第一個(gè)星際分子甲川（CH），到40年代又發(fā)現(xiàn)了氰基（CN）和甲川正離子（CH），進(jìn)入70、80年代后，又發(fā)現(xiàn)了許多星際分子。 已知在銀河系發(fā)現(xiàn)的57種星際分子中，其中有9種為地球上找不到的或很難找到的，有的甚至在地球上的實(shí)驗(yàn)室里也很難穩(wěn)定地存在，例如二碳分子（C2）（1978）。圖 星際分子（1987年公布）1978年霍伊爾明確提出了最早的有機(jī)物來(lái)自于地球之外的觀點(diǎn)，他認(rèn)為原始地球的表面不一定有利于無(wú)機(jī)物和有機(jī)外物的合成，因?yàn)橛兄钪嫔渚€的破壞，海水的稀釋等等，而對(duì)星際分子的研究卻表明，它們很可能是由更復(fù)雜的分子解體而成，只要原始太陽(yáng)星云中的部分有機(jī)分子在太陽(yáng)系形成時(shí)未受破壞而存留

49、下來(lái)，并在地球冷卻后從星際降落地面，那么它們?cè)诘厍颦h(huán)境中就會(huì)發(fā)展成為最初的生命，這是一種新的宇宙胚種論。那么，有機(jī)分子的保存和降落又是如何實(shí)現(xiàn)的呢？霍伊爾認(rèn)為最有可能的是彗星。彗星一生中絕大多數(shù)時(shí)間在遠(yuǎn)離太陽(yáng)的寒冷空間中度過(guò)，可以長(zhǎng)期保存原始太陽(yáng)星云物質(zhì)，一旦它們與地球相遇，就有可能降落到地球上來(lái)。1985年哈雷彗星回歸，科學(xué)家們檢測(cè)到彗星表面的塵埃中有著大量的碳。另一方面與彗星有關(guān)的隕石中也發(fā)現(xiàn)了碳粒隕石和含有機(jī)物的隕石。2001年俄羅斯科學(xué)家借助于掃描電鏡發(fā)現(xiàn)了一些隕石中有著微生物化石，認(rèn)為它們有可能是屬于藍(lán)細(xì)菌。現(xiàn)在知道，藍(lán)細(xì)菌存在于整個(gè)地球的進(jìn)化史中，從未改變過(guò)形狀，它是迄今最古老的生

50、物體系之一。4 生命起源的學(xué)說(shuō)之四（新地球生成論）隨著研究的深入，新的地球生成論又相繼出現(xiàn)，較有代表性的有：1）火山爆發(fā)起源說(shuō)： 2）深海煙囪起源說(shuō)： 3-2 生命進(jìn)化的歷程 根據(jù)科學(xué)家對(duì)生命起源和進(jìn)化的研究，一般地認(rèn)為地球上生命起源和進(jìn)化的順序?yàn)椋夯瘜W(xué)元素（C、H、O、N） 無(wú)機(jī)物（二氧化碳、水、氨）有機(jī)物（甲烷、氨基酸、核酸、糖類(lèi)） 類(lèi)病毒（RNA分子）病毒（核蛋白分子）甲烷菌（原始單細(xì)胞）藍(lán)球菌與細(xì)菌原核生物（原核細(xì)胞）原生生物真菌（真核細(xì)胞） 較高等生物（真核多細(xì)胞）植物 動(dòng)物人類(lèi)地球上發(fā)現(xiàn)的最古老的原始生命的化石1960年美國(guó)的巴拉霍恩博士宣稱他發(fā)現(xiàn)了距今31億年前的最古老的化石，是

51、在南非的斯威士蘭的太古代地層中找到的31 億年前的細(xì)菌化石，大小和形狀類(lèi)似于現(xiàn)在的棒狀細(xì)菌（桿菌）。1968年9月美國(guó)的恩格爾又宣布他在南非的羅得西亞從3235億年前的巖石中找到了被認(rèn)為是藻類(lèi)的化石，呈球形，直徑在0.10.01毫米。近來(lái)又有報(bào)道，在澳大利亞的西北部太古代地層中發(fā)現(xiàn)了原核生物的化石，至今已有35億年。如果上述的說(shuō)法都能被證實(shí)的話，那么地球上最早的生命應(yīng)是出現(xiàn)在3035億年前，它們可能是細(xì)菌也可能是藻類(lèi)。那就又引出了一個(gè)問(wèn)題，究竟是先有植物還是先有動(dòng)物？近年來(lái)的研究表明，由于最初原始的大氣中沒(méi)有氧氣，最初的生命應(yīng)是厭氧菌并且是異養(yǎng)型的，被稱為古細(xì)菌，科學(xué)家們也確實(shí)在海洋的深處發(fā)現(xiàn)

52、了古細(xì)菌，例如極嗜鹽菌，硫磺細(xì)菌。1989年Huber聲稱在意大利的一個(gè)溫度為110的深海火山口發(fā)現(xiàn)了有著嗜甲烷的太古菌生長(zhǎng)。最新的報(bào)道稱，德國(guó)科學(xué)家也在黑海海底首次發(fā)現(xiàn)了厭氧的嗜甲烷菌，該研究發(fā)表在科學(xué)雜志上，而且科學(xué)家們認(rèn)為，這種細(xì)菌生存了大約40億年，很可能它們就是地球上最古老的原始的居民之一。大約3035億年前，生命開(kāi)始起源，4億年前生物開(kāi)始登陸，2億3千萬(wàn)年6300萬(wàn)年前是恐龍時(shí)代，在6300萬(wàn)年前開(kāi)始出現(xiàn)哺乳類(lèi)動(dòng)物，距今200250萬(wàn)年前，人類(lèi)的祖先便應(yīng)運(yùn)而生了。大約從135億年前開(kāi)始，化學(xué)元素完成了它的演化過(guò)程，后來(lái)，化學(xué)進(jìn)化和生物進(jìn)化的漫長(zhǎng)歷程最終形成了高級(jí)生物人類(lèi)，而我們?nèi)祟?lèi)

53、又將在生命的進(jìn)化中作出什么樣的貢獻(xiàn)呢？生命進(jìn)化中的一些難解之謎第一個(gè)：先有雞還是先有蛋第二個(gè)：RNA起源說(shuō)是真的嗎？第三個(gè)：可能是小分子起源第四個(gè)：生命與非生命之間有沒(méi)有不可逾越的鴻溝？地球上的最微小的生命生物學(xué)家告訴我們，從生物進(jìn)化的順序來(lái)看，類(lèi)病毒應(yīng)是最原始也是最微小的生命之一。1）.病毒病毒是一種比細(xì)菌更渺小的生命，主要由蛋白質(zhì)外殼和核酸構(gòu)成，最早發(fā)現(xiàn)病毒的是俄國(guó)植物學(xué)家伊萬(wàn)諾夫斯基，他在1892年發(fā)現(xiàn)患有花葉病的煙草被壓榨出來(lái)的液汁，將細(xì)菌濾掉之后仍有致病力。1935年6月美國(guó)科學(xué)家斯坦利成功地分離出結(jié)晶狀的、可以引起煙草花葉病的病毒。這在當(dāng)時(shí)引起了轟動(dòng)，因?yàn)榛ㄈ~病的病毒可以在煙草葉子

54、中繁殖，是活的生物形態(tài)，但它又可以提煉成結(jié)晶形態(tài)，具有非生物的特征。病毒的大小一般都在150nm以下，其中脊髓灰質(zhì)炎病毒大小僅為27nm，而最可怕的病毒則是AIDS病毒。2）.類(lèi)病毒和朊 病毒1971年美國(guó)科學(xué)家丹尼爾在經(jīng)過(guò)4年多的艱苦努力后，發(fā)現(xiàn)了類(lèi)病毒，它僅是一種不含蛋白質(zhì)外殼的核酸。1922年就有人發(fā)現(xiàn)馬鈴薯塊莖有時(shí)會(huì)患一種嚴(yán)重的疾病，但是找不到病原體。丹尼爾找到了這種病原體，原來(lái)它只是一個(gè)RNA分子，長(zhǎng)50 nm，粗2nm，含有350個(gè)核苷酸，但卻具有生命的功能。1982年美國(guó)動(dòng)物病毒學(xué)家普森勒又發(fā)現(xiàn)了羊蚤癢病的病原體，僅僅只是一種蛋白質(zhì)物質(zhì)，稱之為月元 病毒，這一發(fā)現(xiàn)也使科學(xué)家大為驚奇，DNA和RNA可以攜帶遺傳信息，蛋白質(zhì)難道也可作為遺傳信息的載體