第十三章 碳基生命
“大家好，我是Max生命實(shí)驗(yàn)室的趙老師，今天給大家講講碳基生命。”
“人們?cè)谘芯客庑巧倪^(guò)程中，提出了生命的多樣形態(tài)概念，推測(cè)可能存在著多種形式的生命，比如我們的星球，都是碳基生命。
所謂碳基生命(carbon based life)——以碳元素為有機(jī)物質(zhì)基礎(chǔ)的生物。地球上所有的生物都是碳基生物，包括人類在內(nèi)都是以碳和水為基礎(chǔ)（核心元素為碳，介質(zhì)為水)，以核酸/蛋白質(zhì)(以氧為基礎(chǔ)的)生物。因?yàn)闃?gòu)成碳基生物的蛋白質(zhì)，作為遺傳物質(zhì)的嘌呤和嘧啶等物質(zhì)都是烴衍生物，所以稱作碳基生物。
由于碳原子有四個(gè)自由電子，其電子失去的能力（還原性）和得到電子的能力（氧化性）相當(dāng)，又由于碳原子只有兩個(gè)電子層，所以活潑性又比同族的硅、鍺、錫、鉛要強(qiáng)，碳鏈的長(zhǎng)度可以由2個(gè)至數(shù)千個(gè)不等，這使得碳骨架成為了許許多多種有機(jī)化合物的基礎(chǔ)，因此能夠形成復(fù)雜多樣的高分子有機(jī)物（比如DNA分子），為生命的形成提供物質(zhì)基礎(chǔ)，并為自然選擇提供可能?！?p> “老師，碳基生物如何利用外界能量的呢?”有同學(xué)問(wèn)。
“只要是生命形態(tài)，就必須從外界環(huán)境中收集、儲(chǔ)存和利用能量。碳基生物儲(chǔ)存能量的最基本的化合物是碳水化合物。在碳水化合物中，碳原子由單鍵連接成一條鏈，由酶控制的碳水化合物的一系列氧化步驟會(huì)釋放能量，廢棄物產(chǎn)生水和二氧化碳。碳基生物體內(nèi)的分子大多因含有的碳原子的不對(duì)稱性使其出現(xiàn)左旋或者右旋，正是這個(gè)特點(diǎn)使得酶的專一性能夠被充分發(fā)揮，碳基生物體內(nèi)的酶能夠依照分子的形狀和左旋右旋對(duì)特定的反應(yīng)進(jìn)行催化，識(shí)別和規(guī)范自身大量的不同新陳代謝進(jìn)程。但是碳基生命體的分子結(jié)構(gòu)是很不穩(wěn)定的，難以承受高溫、低寒、病菌的侵蝕和射線的照射。”
“老師，碳基生命的特點(diǎn)是怎樣的呢?”有同學(xué)問(wèn)。
“復(fù)雜多變，化學(xué)反應(yīng)速度及時(shí)?！?p> “老師，碳基生命是如何形成的呢？”
“達(dá)爾文在《物種起源》中提到過(guò)，地球生命的誕生，是一場(chǎng)復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)。
1953年，美國(guó)芝加哥大學(xué)的科學(xué)家Stanley Miller和Harold Urey，聯(lián)合進(jìn)行了一項(xiàng)模擬早期地球生命形成過(guò)程的實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)甲烷、氨氣等來(lái)模擬地球的早期氣體，之后，通過(guò)電流來(lái)模擬閃電，結(jié)果顯示，構(gòu)成生命的重要物質(zhì)——氨基酸等，都在這個(gè)過(guò)程中產(chǎn)生。
前段時(shí)間，科學(xué)家也再次證明了“閃電”對(duì)于早期地球生命演化的重要性，認(rèn)為閃電轟炸地球的時(shí)候，高溫讓化學(xué)反應(yīng)變得更加激烈。
隨后，在上個(gè)世紀(jì)80年代，伴隨著深海探索的深入，當(dāng)熱泉口被發(fā)現(xiàn)的時(shí)候，一些研究者又提出了地球生命的起源，來(lái)自于深海的熱泉口之中，高溫促使了化學(xué)反應(yīng)，最終形成了RNA和DNA的混合物質(zhì)，也是地球上最早的生命。
說(shuō)白了，就是碳原子組成了蛋白質(zhì)分子鏈，之后構(gòu)成了地球上最早的生命體。此后，生命的演化事實(shí)上就是基因突變的過(guò)程，特別是新物種的產(chǎn)生?！?p> “老師，聽說(shuō)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)宇宙中存在大量碳基復(fù)雜分子?”
“嗯，是的?？茖W(xué)家在研究金牛座分子云的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)了大量的多環(huán)芳烴，這是一種在地球上通過(guò)高溫燃燒才會(huì)形成的化合物，一般來(lái)說(shuō)，它們的存在，都與高溫環(huán)境有關(guān)。
然而，這片發(fā)現(xiàn)多環(huán)芳烴的分子云，卻還沒(méi)有開始形成新的恒星，這意味著，這里的溫度并不高，這個(gè)發(fā)現(xiàn)也讓科學(xué)家們有了新的思路：恒星、行星上的碳分子，或許都是來(lái)自于分子云之中，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是當(dāng)它們還未形成的時(shí)候，多環(huán)芳烴就已經(jīng)存在了。
研究者表示，多環(huán)芳烴可能參與了星球上生命形成的整個(gè)循環(huán)，只不過(guò)，目前還無(wú)法確認(rèn)它到底是如何參與其中，又是如何進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的，但是可以肯定的是，復(fù)雜的碳基分子遍布宇宙，一定和生命有關(guān)?！?p> “老師，那是否表示宇宙到處都是碳基生命呢？”有同學(xué)問(wèn)道。
“如果生命只能誕生在巖石星球之上，那么，宇宙中的生命形式，或許只能是碳基生命?？赡芤恍┡笥褧?huì)說(shuō)，或許宇宙中還存在硅基生命，然而，從科學(xué)的角度來(lái)說(shuō)，硅是無(wú)法取代碳，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)，形成硅基生物的。
“老師，為何這么說(shuō)呢？”
“因?yàn)樯难莼且粋€(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，對(duì)于環(huán)境的需求是很苛刻的，拿碳來(lái)說(shuō)，可以變成多個(gè)化學(xué)形式，并且形成碳循環(huán)，可是硅，卻無(wú)法進(jìn)行生化反應(yīng)，不能變成生命，只能變成石頭?！?p> “老師，那人工智能不就是硅基生命嘛？”又有同學(xué)問(wèn)。
“人工智能的產(chǎn)生，本身就是由人類創(chuàng)造出來(lái)的，而不是自然環(huán)境中產(chǎn)生的，這意味著，在自然環(huán)境中，硅基生物無(wú)法獨(dú)立產(chǎn)生的，包括在實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境中，科學(xué)家們?cè)?jīng)多次嘗試模擬環(huán)境產(chǎn)生出硅基生物，結(jié)果都證明，根本就無(wú)法構(gòu)成生命?！?p> “接下來(lái)談?wù)劦厍蛏锏姆诸悾?p> 人們根據(jù)地球生物的相似程度（包括形態(tài)結(jié)構(gòu)和生理功能等），把生物分類為七個(gè)等級(jí)：界、門、綱、目、科、屬、種。
種（物種）是基本單元，近緣的種歸合為屬，近緣的屬歸合為科，科隸于目，目隸于綱，綱隸于門，門隸于界。
而在界之上，又加了個(gè)“域”。以下是國(guó)際上流行的三域分類法：
1.細(xì)菌域：
細(xì)菌域包括細(xì)菌、放線菌、藍(lán)細(xì)菌和各種除古菌以外的其他原核生物。
2.古細(xì)菌域：
古細(xì)菌既與細(xì)菌（真細(xì)菌）有很多相似之處，同時(shí)另一些特征相似于真核生物，所以單獨(dú)列為一域。
3.真核生物域：
真核生物（eukaryotes ）是所有單細(xì)胞或多細(xì)胞的、其細(xì)胞具有細(xì)胞核的生物的總稱，它包括所有動(dòng)物、植物、真菌和其他具有由膜包裹著的復(fù)雜亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)的生物。
真核生物與原核生物的根本性區(qū)別是前者的細(xì)胞內(nèi)有以核膜為邊界的細(xì)胞核。因此以真核來(lái)命名這一類細(xì)胞。許多真核細(xì)胞中還含有其它細(xì)胞器，如線粒體、葉綠體、高爾基體等。
<1>原生生物界：
原生生物界 Kingdom Protista ——真核原生生物界(Protista)的生物都是有細(xì)胞核的，且?guī)缀跏菃渭?xì)胞生物。某些真核原生生物像植物[如矽藻diatom)]，某些像動(dòng)物[如變形蟲(amoeba)、纖毛蟲(ciliate)]，某些既像植物又像動(dòng)物[如眼蟲(euglena)]。
<2>真菌界：
真菌界 Kingdom Fungi——生物的一界。本界成員均屬真核生物，它是真菌的最高分類階元。
<3>植物界：
植物界 Kingdom Plantae——生物的一界。能夠通過(guò)光合作用制造其所需要的食物的生物的總稱。
<4>動(dòng)物界：
動(dòng)物界 Kingdom Animalia——生物的一界。該界成員均屬真核生物，包括一般能自由運(yùn)動(dòng)、以（復(fù)雜有機(jī)物質(zhì)合成的）碳水化合物和蛋白質(zhì)為食的所有生物。動(dòng)物界作為動(dòng)物分類中最高級(jí)的階元，已發(fā)現(xiàn)的共35門70余綱約 350目，150 多萬(wàn)種?！?p> “好了，今天就講到這里，下課啦~”
(本章結(jié)束)