打开原子的大门-第19节

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　　　行星系演化的学说
　　人类在对宇宙漫长的研究过程中不断地摆正了自己的位置。哥白尼以后，地球不再是宇宙的中心了，至于太阳则不过是我们太阳系的中心，太阳作为一颗恒星仅仅是我们所在的银河系——本星系中的一颗普通的恒星，而且也不在本星系的中央。
　　能够最先研究得较为详细的应当是太阳系本身——太阳和各行星的大小、距离、公转周期、自转周期……行星又各有几个卫星。当然，还有的行星有光环，还有一大群小行星，还有彗星……总的说来，它们都基本上处在同一平面上，按同样的方向旋转。在天文学中最先提出的一个问题就是太阳系是怎样形成的，太阳系在宇宙间是不是唯一的（如果是唯一的，那地球上的人类也将是唯一的宇宙精灵）。作为真正的天文学家来说，他们从来不相信太阳是宇宙间的唯一的行星系，当然像人一样的智慧生物，也会在宇宙间别的星球上存在。问题就在于要解决太阳系是怎样起源的。
　　在早期，太阳系的起源和当时的天文观察水平相适应，也和当时科学认识的水平相适应。最早人们用望远镜看到了不少星云，有的是烟雾一样弥漫的，也有的是呈各种各样的旋涡形的。当时还没有认识到这些旋涡状星云是庞大的离我们极远的恒星系，与我们的太阳系不是一个尺度。但由这些观测还是产生了较早的太阳系形成理论，康德于1755年、拉普拉斯于1796年分别根据刚刚建立的万有引力定律提出了星云说——即太阳系是由一团气体星云形成的，因引力收缩而旋转，由于离心力的作用形成扁平的螺旋状，最后中心形成太阳，周围凝聚成行星。
　　以后就又有各种灾变学说。布封于1745年提出是一颗大彗星碰撞原始太阳，于是就飞溅出一些物质块形成行星系。1916年英国天文学家金斯提出十分流行的潮汐学说：当两颗恒星匆匆行近时，由于引力作用，由两颗恒星上各拉出一条雪茄烟状的物质长条，而当那恒星又匆匆离去时，这雪茄烟状物质就再也没有落回到太阳去，而是分段形成了各个行星。
　　实际上，只是后来对恒星的演化过程有了较深刻了解，在拉普拉斯星云说的基础上不断补充修正后，才有可能在恒星形成的过程中研究行星系的形成过程。如果说过去天文学家着重的是力学问题（特别是角动量的分布问题，即占太阳系总质量99。865％的太阳只占太阳系的总角动量的0。6％不到，而占太阳系总质量0。135％的行星、卫星等却占太阳系的总角动量的99。4％以上），如今就不仅要考虑一个物理的（只从力学角度考虑）行星系，而且还要从化学的角度（化学组成、能源的产生）来考虑行星系。1952年尤里等不仅考虑了物理的因素，更进一步提出以化学为基础的行星本身演化的假说，从而为行星上进一步的生命起源和演化的研究打下了基础。
　　　恒星和行星系的形成
　　关于太阳系（行星系）的起源和演化是与恒星的形成和演化过程同步进行的，200多年前康德…拉普拉斯的星云说所提出的模型和现代的理论基本是符合的，只是随着科学的发展而不断修正和补充，而且今后还将进一步修正。
　　在前面讲到恒星由原始星云形成的过程，在初始阶段还有些细节未能讲到。主要分为快收缩和慢收缩两个阶段，一开始引力占绝对优势，原始星云很快向内部收缩，中心的密度增加很快，大约要几万年到上百万年就可以形成原恒星（质量越大，形成越快）。这时核心开始变得不透明，而温度也逐渐升高。当温度升高到2000K时，氢分子开始分解成原子，吸收了大量的热量，又使得中心压力骤降，于是就塌陷成密度更大的内核。同时外部形成强烈的星风，阻止外围物质进一步落向核心。接下来就是慢收缩阶段，这阶段所经历的时间是几万年到十几亿年，直到核心温度升高到上万度，引发了核反应，这时恒星就形成了。而在星云坍缩成恒星的过程中，盘旋于星核外围的物质碎块平展成太阳星云，接下来太阳星云中的物质聚集形成行星体，这就是行星的前身，根据对地球和陨石的研究，这几个过程大约需要1。7×10　8　年，而地球和陨石的年龄是4。7×10　9　年。
　　天文学家应用电子计算机模拟计算了太阳星云中行星的吸积过程，曾经计算出许多不同的“太阳系”模型，结果都是太阳内侧的行星较小，而太阳外侧的行星较大，与我们太阳系的行星的实际分布情况基本符合。
　　我们看到，随着科学的进步和观测资料的日益精密，行星系的起源和演化的假说也就更加与实际相符合。在上述理论的基础上人们将会认识到有行星系的恒星决不是偶然现象，因为只要条件具备，恒星在生成的过程中就同时生成了行星系。我们的银河系中具有中等质量的恒星大约有10　10　颗，保守的估计在它们当中1％有行星系，假如每个行星系有10个行星，则在银河系中约有10　9　颗行星。那么将会有多少颗行星上会有生命存在？其中又有多少颗行星上会有高级的智慧生命？这就要研究更高层次的起源和演化问题——生命的起源和演化问题了。而在探讨这个问题之前，我们还应该研究行星的演化和它们上面的物理和化学条件，实际上在这中间还有一个重要的进化问题要探索，那就是化学进化。
　　　对行星大小和距离的理论计算。在这些计算机实验中，模拟了太阳星云中行星的吸积过程。过程是随机的但服从有关的物理定律。计算机中的许多实验算出了许多不同的“太阳系”。它们都是在太阳系外侧有较大行星，在内侧有较小行星。计算出的资料可以和下面一行的实际太阳系相比较。
　　　在行星的原始气氛中
　　上面我们已经讲述了从恒星到行星系的演化问题。根据演化的观点来看，生命应该是物质演化的高级阶段，同时也应该是普遍的现象。问题是生命是怎样产生的，这又是一个最重要的演化问题。
　　我们居住的地球上已经有由低级到高级的多种生物生存。这些生物是怎样产生的？显然这是在地球发展到一定阶段才产生的，并且是不断进化的。在这过程中，生命经历了从低级到高级的演化，一些新的物种产生了，另一些老的物种消失了。
　　要了解生命的起源，还应该从地球本身的起源和演化说起。而要考虑这演化过程，正如上面所说的不能仅仅考虑力学，更重要的是化学的演化。一般说来，原始太阳星云物质分为三大类：“气”、“冰”和“岩石”。“气”主要是氢和氨，约占原始太阳星云重量的98％；所谓“冰”，包括碳、氮、氧、氖、硫、氩、氯等（大部分以氢化物形式存在，如甲烷、氨、水、硫化氢、氯化氢等），约占总重量的1。5％；所谓“岩石”包括钠、镁、铝、硅、钙、铁、镍等（大多以硅酸盐和氧化物形式存在），约占总重量的0。5％。　
　　在太阳系形成的过程中，核心因引力坍缩，基本保持了原始太阳星云的成分。内行星（水、金、地、火）因质量小，温度高，丢失掉了绝大多数的“气”，外行星（木、土、天王、海王、冥王）质量大，温度低，但也丢失了一部分的“气”。
　　　尤里和他学生的实验
　　根据上面所说的观点认为：地球由太阳星云中俘获了氢、氨、甲烷和水而组成了还原性大气。尤里和他的学生米勒在1953年做了一个很有名的实验，即在烧瓶中充装了“原始的还原性大气”（氢、甲烷、氨、水），在加热循环的情况下进行了几天到一星期的放电，结果生成了甘氨酸、丙氨酸、谷氨酸等8种氨基酸，此外还有各种有机酸类、尿素等等。在这个实验之后有更多的科学家进行同类实验。他们改变着“原始大气”的成分，并且除了放电外还换用了紫外线或辐射射线来进行照射，结果都生成氨基酸，而且种类更多。另外还有人在高温下使“原始大气”通过二氧化硅（作为催化剂）从而合成出氨基酸。米勒等人的实验是在还原性气氛中进行的从而得到了各种氨基酸。后来又有一个著名的实验，是把氨与氰化物在烧瓶中进行回流反应竟然生成了含量较高的腺嘌呤，这是当代生物化学的中心分子。这许多科学家投入大力进行的科学实验，目的是企图证明在地球的原始气氛中和地球的原始条件下会合成生命的基础——氨基酸以及更复杂的有机分子。
　　到了60年代，人们对早期地球的认识又有了发展。天文学家们研究后认为原始地球形成后因引力收缩和放射能的积累而升温，地球处于熔融状态，这时原始的星云大气被驱散了，地球不会有含甲烷和氨很多的还原性大气。现在地球的大气是所谓次生大气，是在地球的地幔在漫长时间内形成的过程中排出来的气体，主要是水、氮和二氧化碳。一个行星要能支持生命就要由地幔中排放出水，生成水圈，而我们地球也正符合这个条件。水形成后，变成浓厚的水蒸气在上空冷却成为雨，暴雨下在刚刚形成的热的地面上又蒸发到上空，就这样水的循环开始了，水侵蚀着地表溶出了各种可溶的物质，形成了原始的海洋。空中的二氧化碳也溶解到水中，与水中的钙离子反应生成碳酸钙沉淀，沉积下来成为水成岩。但是要形成当前的地球的大气则是在生命产生以后，特别是发生植物的光合作用以后，二氧化碳才被转化成为氧，使大气层变为氧化型的大气，这时高等动物才有了生存的气氛。
　　在地球演化的模型进一步发展时，同时就出现了一些新的问题，即在原始的还原气氛中形成的有机分子，在热熔的地幔上能否继续存在。
　　　生命分子来自宇宙空间？
　　这时，认识又有了突破。50年代开始打开地球大气的另一个窗口，开始了对宇宙空间的射电天文学观测。60年代天文学的三大发现之一就是观察到星际分子。而最早发现的星际分子是氨，后来是甲醛，接下来有氰化氢、丙炔腈等等，当然还有水、碳氢化合物的自由基等。
　　另一项研究是对碳质球粒陨石的研究，这是一种含有碳化物的陨石。早期的研究发现其中含有泥炭、铵盐，甚至碳氢化合物，后来对陨石的分析又发现有多种有机化合物。于是就提出生命物质是由陨石带到地球上来的。但是对这些有机化合物是陨石本来就带来的，还是落到地球上以后被“污染”上了的，说法不一，引起了不停的科学争论。所谓“污染”既包括与地球环境接触后吸附上的有机物，也包括陨石中碳化物与水等反应生成的碳氢化合物。而我们由月球上，和由火星上多次取样（严格防止“污染”）分析的结果目前都没有发现生命痕迹。但是，陨石会带来外空间的有机分子已成为地球上生命起源的假设之一。研究陨石、彗星的化学成分也是探索生命起源的重要途径之一。
　　根据对地球上的岩石以及化石研究，地球的年龄约为46亿年，大约在40亿年前出现最早的生命——原核类生物，又过了约20亿年，才发展为真核生物，以后进一步演化为无脊椎动物、维管束植物、脊椎动物，直到灵长动物。
　　至于初始的几亿年，如何由无生命的有机分子形成能自我复制的复杂的有机体——生命。这至今还不是十分清楚，一直是科学家们研究的重要课题。
　　总之，在地球的形成过程中产生了有机分子，可能是在原始气氛中自动形成的，也可能是地球在吸积陨石物质时，由陨石带来的，也可能是碳质球粒陨石投人到地球的原始海洋中，通过化学反应生成的。而这些有机分子在地球的原始气氛中相互组合，终于发展成生命。
　　　生命的元素
　　上面我们已经提到前生命的各种有机分子，包括氨基酸都可以在地球演化的早期自然合成，这就奠定了生命起源的化学基础。虽然最关键的问题目前我们还若明若暗，但不管怎样说，生命在地球上形成并发展了。在这里不可能详尽地研究生物的进化过程，以及先有鸡还是先有蛋，恐龙为什么会灭绝，今天的猴子为什么不变成人，等等。在这里还是要从宏观和微观世界的规律来看生命的过程。
　　正如上面所说，生命是宇宙物质演化高级阶段的产物。这首先就提出了构成生命的基本元素。生命的元素的分布情况：C、O、N、H、S占生物体的95％以上，再加上Ca、P、Na、K、Cl、Mg、Fe共占99。9％以上。此外生物体中还有一些微量元素，主要有B、F、Si、Mn、Cu、I、Zn、Co、Mo等。
　　如果我们回到宇宙间元素分布的情况看，那就是H最多，He次之，然后是C、N、O、S、P、Fe，这也正是形成生命最重要的元素