海洋生命的起源和早期进化

[外文]：origin and early evolution of life in the ocean

早期的地球没有任何生物。原始生命不大可能起源于陆上，因为陆上有大量的紫外线和很不稳定的条件。一般认为原始生命起源于海洋。

地球的一个基本特点是有大量的水，有占地球表面积71％的海洋。海水能调节气候，又能溶解许多化学物质。早期的地球是温热的，大气是还原性的，没有氧气，紫外线可以大量地到达地球；常有闪电和火山爆发，为可能发生的化学反应提供了能量。海水开始是淡的，以后逐渐咸化。

现在地球上的生命与细胞分不开。因为细胞有两个基本属性：新陈代谢和生殖作用。新陈代谢是在多种酶的催化下进行的，生殖作用是在核酸分子复制的基础上进行的。因此，生命起源的主要化学基础是蛋白质和核酸的出现，以及相互作用。组成细胞的成分的还有脂质和其他若干化学物质。水一般占细胞成分的80～90％。细胞分原核细胞和真核细胞两大类：原核细胞没有细胞核和细胞器，比较小，长度大多在60微米以下。真核细胞有细胞核和细胞器，一般比原核细胞大得多。具有原核细胞的生物叫原核生物，真核生物则都由真核细胞所组成。

生命起源和早期进化的过程经历了化学进化、原核细胞的出现和进化、真核细胞的出现和进化几个阶段。

生命出现以前的物质逐渐复杂化的自然过程。地球上生命起源的基础是化学进化。它至少包括：

（1）元素的相互作用产生出许多无机化合物，由此又产生多种简单有机化合物。这些化学反应可以发生在大气中、陆上的池塘里和海洋中。但由于雨水冲刷，各种化合物最终汇集到海洋中。由于紫外线的穿透力比较弱，海洋表面的有机物被分解，而海洋表面以下的有机物则有条件进一步复杂化。

（2）由简单的有机物发展出各种生物小分子，如氨基酸、糖分、有机碱基、嘌呤、嘧啶等。

（3）由生物小分子发展成多种生物大分子，如蛋白质、核酸、脂质等。

（4）有一定结构的隔离系统在水中出现，这隔离系统的逐渐完善化就出现了原始生命──原核细胞。

美国S.L.米勒和H.C.尤里曾设计一种仪器。他们模拟早期地球的大气条件，把水、氨、甲烷、二氧化碳等放在密闭的仪器里进行热循环，在容器内不断地放出闪电。一个星期后，他们从容器内的液体中得到了若干氨基酸和其他有机物。这表明与生命有关的上述重要的有机物，在早期地球条件下自然合成的可能性。

进一步的化学进化就产生出蛋白质和核酸等化学物质。这些物质最终也会汇集于海洋。因为历时很长，海洋中所贮存的有机物便很多。20世纪20年代，英国J.B.S.霍尔丹和苏联А.И.奥巴林都认为当时的海洋是温热且富有多种有机物的，是一种“热汤”。在热汤里，蛋白质或其他多聚体（如核酸）会偶尔形成小球一类的结构。奥巴林称它为团聚体(coacervate)，而S.W.福克斯称它为微小球 (microsphere)。这些微小体跟周围环境有一定区别，是一种初期的隔离系统。它不溶解于水，能进行类似新陈代谢的一些化学作用。但这样的结构还不稳定，更不能进行真正的生殖作用。

在团聚体一类的原始结构中，内部含有核酸和蛋白质，这些物质就有机会相互联系、相互作用。以后通过核酸的变化，促使对环境有一定隔离作用的团聚体逐渐演变为原核细胞一类的物质体系。在这过程中，由脂质和蛋白质所组成的膜状构造的出现是重要的一环。于是，由核酸和蛋白质为主要成分的一种特殊的物质体系在模内形成。这就是生命的物质基础──原生质。在原生质里有一个遗传系统，它由脱氧核糖核酸(DNA)和几种核糖核酸(RNA)所组成，又有翻译遗传信息的小机器──核糖体。这样复杂的系统是如何发展起来的，至今还不清楚。

最先出现的原核细胞是异养生物，进行厌氧呼吸。它们从周围丰富的有机物中得到碳源和能源，直到细菌繁盛而分化成若干类型以后，它们消耗周围有机物的速度便逐渐超过了有机物的无机自然合成速度，原始生物世界中就逐渐出现了食物问题。大抵在此以前，已由细菌之类的原核生物演变出能进行光合作用的蓝藻。蓝藻使地球上的食物有了新的来源，同时产生出氧气。

根据非洲、加拿大、澳大利亚等处材料：最早的岩石约有38亿年的历史；最早的细菌之类的原核细胞大致出现在34亿年前；大约在31亿年前的时候出现蓝藻。这表明地球上的化学进化经历了10亿年以上的时间，才出现了原始生物──原核细胞。在此之前，可能还有更原始的非细胞或前细胞形态的生物，因为原核细胞（象细菌之类）已具有相当复杂的结构和功能。

现在一般认为真核生物可能是由几种原核生物以内共生方式而形成的。最先出现的是一种原始的真核细胞，体积较大，已有原始的细胞核。原始的真核细胞吞吃了好氧细菌，随后发生共生作用，细菌便在细胞里转化成线粒体。原始真核细胞吞吃了蓝藻，并发生共生作用，使蓝藻就在细胞里转化成叶绿体。线粒体和叶绿体都有自己的脱氧核糖核酸，大小与原核细胞的脱氧核糖核酸相近。

真核细胞的绿色植物出现以后，光合作用的功能得到了增强，海洋里的生物量逐步增加，大气中的氧气也逐渐增多，为真核生物的加速进化提供了条件。真核生物进行的都是有氧呼吸。

现在的化石材料表明，最早的真核生物大抵出现在18～14亿年前。这些化石都产于沉积岩，表明真核生物也是在海洋中进化出来的。从34亿年前到18～14亿年前，是原核生物进化的时期。经过的时间很长，达20亿年左右，但进化的速度很缓慢。真核生物出现以后，出现了真正的性别，进化的速度也大大地加快：在大约10亿年前开始出现了多细胞的动物；到了距今5.7～5亿年的寒武纪，海洋里已长满了多种海藻，而且带骨骼的各门类的无脊椎动物也出现了；以后又出现了脊椎动物；在前寒武纪的末期，大气上层逐步出现和形成臭氧层，为生物上陆生活创造了条件。生物成功地上陆生活大致发生在寒武纪以后。

以上便是生命在地球上的从无到有、从简单到复杂、从低级到高级的大致进化过程。