Transcript 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0.001~0.01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 . 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？
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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。