经济的自然原理（8）

关于自然界的基本知识（4）

一、自然进化的过程及原理（3）

地球上所有活的生物主要由4种化学元素构成：氢、氧、碳和氮，其它元素加在一起还不及活的生物总质量的1%。这四种元素全都出现在了宇宙中最多的六种元素名单中，它们属于化学特性最活跃的元素，其中氧是地球上最多的四种元素之一。地球上的生命体为什么没有充分利用地球上其它几种较丰富的元素，而选择了碳、氧、氢？也许并非是因为某些偶然的原因促成了这样的结果，其中可能存在一定的必然性。我们知道，生命的构造首先需要形成结构复杂的有机分子。氢原子只能与一个其它原子结合，氧原子能与一、两个其它原子结合，而碳原子能够与四个其它原子结合。高度活跃状态的碳原子可以很快地和氢、氮、氧、磷及硫等元素结合，产生许多不同的物质。所以，碳成了所有生命体内分子的骨干，如蛋白质和糖。碳与其它原子的结合很脆弱，很容易破裂，使得碳基分子相互碰撞和相互作用，很容易形成新型的分子。这是生命新陈代谢活动中至关重要的部分。而硅原子虽然能与四个其它原子结合，但它的活跃性非常低，所形成的化合物结合得十分牢固，无法再形成新型的分子。这些特征体现了有机分子在构造过程中所需要的客观条件，这些条件既包含了一定的稳定性，同时也包含一定的活跃度，只有在相对适中的状态下才有利于有机分子结构的进化。除此之外，液体也是有机分子相互结合的理想环境。因为固体则将原子和分子锁定在一个地方，它们能够碰撞和相互作用的机会要少得多；而在气体里，分子运动较液体环境更加自由，碰撞和相互结合的概率也较低。我们不能指望生命在冰层中产生，或者在水蒸气中产生，因为大量分子通过相互碰撞并稳定结合在一起才是生命形成的基本环境。生命结构是在适应环境的过程中产生和进化的，它会利用每一种可以利用的环境和物质。地球上贮藏丰富的固体、液体和气体都是生命体可以直接利用的物质，但有些贮藏量很大的元素却因为它们的化合物过于稳定而难以被利用。生命进化对外部环境和自身结构都有一定的要求，它既需要一个条件适度的环境，自身结构又不能缺少灵活性、适应性以及整体的稳定性。当外部环境发生了变化，一些结构不完善、适应性不强的生命体就会率先遭到打击。因此，在生命进化的漫长路途中充满了无数的风险和挑战，一不小心就会成为环境变化的牺牲品。

有机分子的出现向我们展示了不可逆结构更复杂的一面——不同的元素通过电磁力的相互作用结合在一起，形成多种元素平行连接的“平行结构”。这些物质在各种严酷的自然环境中经受着不同程度的考验，有些分子结合得很脆弱，它们难以长久保持结构的完整；有些分子结合得很牢固，一旦生成化合物便难以被分解；还有很多物质处于中间状态。有机物进化的时间越长，结构就越复杂，对周围环境的依赖性也越大，它们需要更频繁地从环境中获取物质和能量。有机体的生存模式是从其它无机物或有机物中获取它们所携带的物质或者能量，它们的生存能力取决于如何善加利用这些物质和能量。本质上，从有机分子到单细胞生物，从动植物到人类社会，它们的生存方式都是一致的——高效地从周围环境中获取物质或者能量，维持结构的稳定，并获得进化的机会。

有机分子结构的进化除了受到分子间相互作用力的约束之外，很大程度上还是适应外界环境的结果。环境因素对有机物质的形态造成了很大的影响，它的多样性促使物质进化的路径持续地分化。造成这种分化的根本原因在于，有机物必须努力地适应变化的生存环境，而生存环境受制于不可预见的随机性变得难以预料。正是因为有机物对独特环境的努力适应，使得它们与环境之间的相关性越来越大，依赖性越来越高。当我们把这一逻辑进一步延伸到更广泛的领域时，我们会发现人类社会的进化路径同样是不可逆的、不可复制的，而且它们与生存环境是不可分割的。

碳分子同氢、氧、氮、硫等分子通过化学键的形式结合在一起，形成了各种结构的有机分子。有机化合物都是含碳的化合物，同时还有含碳的无机化合物，碳元素的地位具有几乎不可替代的作用。因为碳原子结构的独特性，使它可以与多种原子尝试不同的组合方式，从而成为组成有机物和生命体的基本物质。有机物数目众多，可达几千万种，而无机物却只发现数十万种，因为碳原子的结合能力非常强，可以互相结合成碳链或碳环。碳原子数量可以是一、两个，也可以是几千、几万个，许多有机高分子化合物（聚合物）甚至可以有几十万个碳原子。此外，有机化合物中同分异构现象（化合物具有相同的分子式而有不同的原子排列）非常普遍，这也是有机化合物数目繁多的原因之一。有机分子没有选择类似星系的“核心结构”，而是选择了更开放的“平行结构”。也许是因为“平行结构”更容易组合，具有更高的灵活性。再有，分子之间的相互作用依靠的是电磁力，其强度远不如强核力，无法构建像原子一样稳固的“核心结构”，因而就“因地制宜”地采用平行的方式。虽然“平行结构”的稳定性较差，但它所具有的灵活性、复杂性是“核心结构”不能替代的。假如所有的大分子都采用“核心结构”来构造，就不会出现如此丰富多彩的世界，也很难出现如此复杂的生命构造。显然，两种结构各有所长，它们在自然界中相互补充、扬长避短，以达到某种平衡的状态。

所有的生命系统除病毒以外都是由细胞构成的，细胞是最简单的生命形态。细胞中有机物达几千种之多，它们主要由碳、氢、氧、氮等元素组成。有机物则主要由四大类分子所组成，即蛋白质、核酸、脂类和糖。在形成简单的细胞之前，必须形成类似于蛋白质和核酸这样的有机化合物，它们就像宇宙中的原子一样成为了生命构成的基本物质。当这些有机物质大量生成以后，生命的萌发就开始了。最先出现的生命形态是由脂质、蛋白质、碳水化合物和水构成的、由半透膜包裹的囊，这样的原始细胞被称为“异养生物”——即在同化作用的过程中，不能直接利用无机物制成有机物，只能把从外界摄取的现成的有机物转变成自身的组成物质并储存了能量。最小细胞的直径只有氢原子的1000倍，它们通过漂浮在海洋表面或者接近表面的地方，捕获海水中丰富的酸基和碱基，从而找到能量的来源。蓝藻是另一种类型的原始单细胞生物，也是最早出现的“自养生物”。它们以阳光作为能量来源，制造出生长所需的食物和蛋白质。在很长一段时间之后，自养生物不仅变成了很多种类的细菌，而且还变成了如今遍布地球表面的植物。