P151底圖
如果、我有天穹錦繡燦爛的霓裳，縈繞著金色銀色的彩光，
這湛藍、朦朧與深暗的衣裳為夜色、白晝與陰晴所擁有，
我願將這霓裳鋪在您的足下：
但我，是如此地貧困，擁有的只是自己的夢想，
我已把我的夢想、鋪陳在您的足下，
但請輕輕踩踏、因為您所踏過的、是我的夢想
¾W.B.葉慈
P152全圖
P153
第三部
生命
有這麼一股力量，流漣在這如茵碧綠中，孕育著花朵，
也孕育著我青澀的歲月。
¾狄倫×湯瑪斯
遍尋整個宇宙，我們所知的生命型態只有一種：地球上的生命。地球的生命系統¾統合在他的起源及基因的組織架構中¾告訴了我們，一個非常複雜的系統是由簡單的基本結構所組成。這裡所謂的複雜性，是億萬年進化發展的結果；而簡單性則是指地球上的生命是由有限數目的原子和分子所主宰。。當我們評估生命在他處發生的可能性時，這兩種性質皆值得仔細琢磨。在評估的過程中，我們必須以地球的進化過程為基礎，進而探討宇宙生命的真相。雖然推斷是無法避免的手段，但我們依然可以秉持著嚴謹不阿的科學理念，來探討地球生命的起源和整體宇宙中其他生命存在的可能性。
P154圖
濕婆，專司破壞與再生的神。圖中，祂踩踏在一個代表無知的魔鬼，阿蘇拉的身上。印度教中，濕婆通常代表聰明或快樂，因為死亡不過是通往新生命的轉接點。
P155
7.
地球生命的本質
在對宇宙的構成要素有了初步瞭解之後，我們接著可以開始尋求在宇宙中，生命得以發生的可能地點。再回顧對地球生命的認知後，我們迅速地瞭解自己將遭遇到的問題。雖然地球生命的種類繁多，但是在分子的階層上，他們仍有著基本的單一性—能清楚地表現個體的單一性。因此，星際雲河研究上使用的比較方法論，對於宇宙生命的研討並不適用。相反地，由熟知的生命型態中，我們才能推演出生命的來由去處，以及銀河系和整體宇宙中生命發萌的機率。
面對這些問題時，我們必須注意到地球生命的許多特質，尤其是一些例如生物體的大小重量這種顯而易見的特質。無庸置疑地，這些都是生命相應於其生存環境下的產物。我們對這些生命的〝基礎〝特質相當感興趣，並藉由對這些特質的鑑定來瞭解地球以外，宇宙生命興起的可能性。
何謂生命？
因為生命似乎可說是物質的一個性質，所以探討生命可以如同探討物質的其他特性一般，譬如說磁場。到底是什麼為這所謂的〝生命〝物質披上了一層神祕面紗，而不在只僅僅是原子、分子的排列組合呢？傳統的物理化學是否已足夠我們來解讀生命，亦或這樣的方法將使我們失去了那把揭開面紗的鑰匙？是否有〝生命原力〝的存在，促使著一般物質轉換成生命物質呢？
P156
跳脫這些哲學性的隱喻思考，我們將以記述的方式來尋找生命有別於無生命物質的特性。生命體最與眾不同的特質該是其生殖及進化的能力。一把火可以點燃另一把火(即本身的〝再生〝)，但它不能進化成其他種的燃燒型態，如鐵銹。但是自化石中得到的許多証據，告訴我們生命長期以來是可以不斷地〝自我轉化〝，在我們周遭，產生了從鯨魚，紅木林一直到阿米巴變形蟲和藍綠細菌，這樣多彩多姿的生命體。為了瞭解這種轉化過程的機制以及對這多元化生命的單一性的一份讚歎，我們必須去解析組成生命有機體的原子和分子型態及維持生命體生存的基礎化學反應。
我們可以從「生命是由什麼組成的？」這個問題著手。這個淺顯的問題卻是直指核心的：我們所知的生命，他的組成是由相當少數的元素所主宰。自然界從氫(最輕的)到鈾(最重的)共85種穩定的元素中，卻僅由氫、氧、碳、氮四種元素包辦了生命體內百分之九十五以上的成份！除了不能產生化合物的鈍氣(氦及氖)以外，這四種元素算是宇宙中藏量最豐的元素了。但令人驚異的是地球上藏量最豐富的四種元素卻是矽、鐵、鎂和氧。換句話說，生命體的構成元素，在與宇宙星體和地球的組成元素相較之下，反而與宇宙星體的較為接近(見表7.1)。
生命有機體中之所以有大量的氫及氧，是因生命體內皆含有高量的水。這種高百分比看起來蠻合理的，因為地球上水的藏量是如此地豐富。但是其他星體含量甚多的碳和氮，在地球上反而比較稀少，遠比矽或鐵少得多。生命有機體中所含的碳和氮的濃度是需要額外加以解釋的，而其關鍵，則在於碳、氮原子的化學特性。
碳原子那種形成複雜分子的獨特能力，儲蓄著生命延續的蛛絲馬跡，再再突顯了碳原子在生物學中的重要地位。當然，如果元素所形成的分子活性太大或太穩定而不能和其他分子交互反應，如此的分子複雜性是不具有任何價值的。
註解：
1這可以解釋為何許多民族相信他們的祖先是從天而降，死後回歸星辰嗎？從這兒可以看出我們溯本追源的渴望嗎？
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表7.1
不同狀況下的元素豐度
＊豐度定義為佔所有原子總數的百分比，以兩位有效數字表示（由C.W.Allen，B.Mason，E.Anders，以及N.Grevesse所整理）。
＊地球的大氣中，99.9%的碳原子以二氧化碳的形式存在，其餘的0.1%則是以甲烷分子的形式存在。
氮原子和氧原子皆具有不凡的能力，能與碳原子分享一個以上的電子。這使得氮及氧能和碳形成相當強但仍可斷裂的化學鍵。此種化學鍵再加上碳原子與碳原子本身能多方連結的性質，造就了由碳、氮、氧所形成的各式各樣穩定的分子。
P158
氮還能形成穩定的氣體來幫助這些元素在有機體和其環境間交互循環。氧原子則可輕易地與其他原子和分子形成化合物並釋放出能量(圖7.1)。對這些具有著獨特化性的碳、氧和氮，我們或許可以這麼下個結論，這些原子再加上氫，他們之所以能主宰生命是絕非偶然，乃是藉由這幾個特定原子元素獨特的天性使然。我們將在第10章再回到這個主題。
除了提醒我們與其他星球的血緣關係外，宇宙和地球生命含有大量相同的元素種類，這個共通點儼然已成為我們尋求外星生命的一個支柱。若地球生命主要是由一些稀有元素，如鉿及鈥所組成，我們可能也會認為我們這種生命是非常稀有的吧。但事實上就我們所知構成生命的元素，是不會阻擾生命在宇宙中盛行其道的。
讓我們繼續探討生命的其他構成要素。如果上述的四種基本元素，再加上鈣及磷，就可以構成生物體內98.6%的成份。
圖7.1
碳原子最外層的電子數是4，可以與其他原子發生鍵結，其鍵結的方式有下面幾種(a)與兩個氧原子鍵結，並可與任一氧原子分享2個電子而形成二氧化碳（CO2）(b)與氮原子分享3個電子、氫原子分享1個電子形成氰化氫（HCN）。
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而這剩餘的百分之1.4則包含了氯、硫、鉀、鎂、碘、鐵，另外再加上極少許的錳、鉬、矽、氟、銅及鋅、等這些所謂的生物”微量元素”。到此，我們已列舉完地球有機體典型的構成元素，但是對於一些次要的元素，在各個有機體之間仍是有相當大的差距，甚至一有機體內單一細胞的組成也會隨著時間而變化。但不論如何，我們可以確定一個重要的關係：即在細菌、蕈菌、植物，乃至於陸地動物中的微量元素濃度與其在海水中的濃度有著相當大的關聯。這種關係不僅告訴我們生命可能起源於海中，同時更指出，我們現下所知的生命形態真的是起源於地球，而不是從其他的環境中衍生出來的（譬如從火星表面，或來自星體間的氣塵星雲）。而且在這些地球以外的環境中，其微量元素豐藏的相對濃度也應是與地球大不相同的。
因此，從四個基本元素外的這些元素身上，我們可以得到更多生命物質的訊息。有些在生物體中極稀少的微量元素，卻是悠關著這些有機體的生存。銅在如牡蠣和章魚這種海洋生物身上，是含量極豐的元素。含銅的血藍蛋白之於這些動物，就如同含鐵的血紅蛋白之於諸如老鼠、人，或者袋熊及女人這些哺乳類動物。換言之，它們是擔任著血液循環中輸送氧氣的責任。鋅是胰島素的必要元素，而錳則是一些酵素的基本成份。某些西南產的”瘋草”可以讓吃他的動物產生幻覺，這種植物竟然含有高達1.5%的稀有元素硒。我們應當記得，雖然四種基本元素提供了絕大部分生物體的需求，但是對於如同人類複雜的有機體，其他各種多至三打的額外元素仍是生存必備的。這個事實強烈地指出，生命的進化是生命與其所處環境間複雜的一種交互作用。
生物體中的重要化合物
列舉出生物體中的元素並不能告訴我們生命為何，就如同想要描述一個蛋糕長的什麼樣子，光告訴你成份是不夠的。我們必須知道這些元素是如何組成簡單的分子，而這些簡單分子又如何去形成更複雜的分子，方終能瞭解到生命有機體是如何運作的。
當從分子的階層上來觀察不同的有機體時，我們發現大部分的生命型態皆由一些型式變化不多的簡單分子所組成。科學家將這些各個型式的簡單分子命名為單體。而單體可以相互結合而形成較大較複雜的分子，稱之為高分子聚合體。
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最重要的單體，要算是形成蛋白質的胺基酸了；其它較為人知的單體有糖、脂肪酸、以及核酸。在尋找生命的主題中，能引起特別興趣的是：一些單體有著兩種形態，我們將之定義為左手旋型及右手旋型（圖7.2）。這兩種型態有著相同的原子組成，確有著不同的原子組成方位，而且互相為對方的鏡像。這種左、右手旋的分子就好比手套的左右手，相似但不相同。而關於這種分子有趣的部分是：除了在某種細菌的細胞壁上，蛋白質的組成體是右手旋以外，所有地球上的生命體，他們的胺基酸體皆是左手旋型的。這個特異性質應當是出於偶然。僅利用其中一種型式的單體，是在於增加維持生命所需的這些化學反應的效率，但是其實這兩種單體型式皆能達到這樣的目的。這是一個生命在分子階層上選擇性表現的一個例子，同時也為生源性及非生源性化合物的區別，提供了一個有用的驗証。非生源性化合物含有等量的左手旋及右手旋胺基酸，但生源性化含物則只有左手旋胺基酸。
個別單體組成大分子的方法，最終可以用來分辨所謂的生命物質及構成宇宙大部分主體的無生命物質。也就是說，生命有機體的分子必須可以儲存並傳遞極大量的訊息。而這些是可以藉著組成（原子型態）和分子結構的同時變化來達成的。
圖7.2
典型的胺基酸結構圖。除了氨基乙酸外，如圖所示如胺基丙酸等胺基酸，可以兩種不同型式中的一種出現。這兩種型式稱之為左手型（levo或L）以及右手型（dextro或D）分子。
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就如預期的，地球上的生命物質主要是由單體串聯而成的高聚體的長鏈形分子所組成，而其間固定的特定模式不斷重複，有時則摻雜些小小的變化（圖7.3）。在這些高分子聚合體中，環狀結構和支鏈是經常發生的，而這些鍵結鏈有時會折疊成精巧、相當複雜而又有高度專一性的結構，這種呈現特定形狀、而又能適時改變結構形狀的能力，使得某些高分子聚合體具有如同
“催化劑”
般加速化學反應的功能。這種催化劑般的高分子聚合體，我們稱之為酵素。
單體可以由很多種不同的方式，相互連結而形成一個巨大的化合物家族。一個蛋白質分子¾典型的有機高分子聚合體¾平均由數百個胺基酸單體所組成。而每一種蛋白質的相異之處，在於所含的胺基酸種類及胺基酸串聯而成的高分子鏈結級數的不同，但是在這麼多種可能的胺基酸中，只有20種普遍存在於我們所知的生命體中（見表7.2），雖然如此，平均一個蛋白質分子大概含有100個胺基酸，而其構成的方法至少有20100種。這個數目遠大於我們銀河系中原子的數目，而這暗示著可能形成的蛋白質種類也是多的不可勝數。而大部分的生命有機體卻只用了不到100,000種的蛋白質分子而已。
圖7.3
糖原質是動物用以貯存能量的主要碳水化合物，它是由具有長鏈、支鏈的葡萄糖分子所組成的高分子聚合體，而每一個葡萄糖分子由22個原子組成；圖中的六邊形代表的是由6個碳原子鍵結而成的環狀結構。一個巨大的糖原質分子甚至可以是由數千個葡萄糖單體重複鍵結而成。
P.162
表7.2
生物體內的20種胺基酸
＊對於那些有左手旋型（L）及右手旋型（D）結構的胺機酸，我們已經指出生物體中只存在左手旋型的立體異構物。只有甘？？？氨酸這個最簡單的胺機酸才沒有L和D型異構物的區別，因此在表格中的甘？？？氨酸之前，不需要加上L或D的記號。第167頁？？？？？則是這些分子的結構圖。
換言之，生命對其可使用的分子種類中，展現了非凡的選擇性。這種形成高度專一性化合物並且避免多種不同分子組態的能力，乃是今日我們所知的生命特色之一。
在所有的複合分子中，碳原子是這些複合結構的根本，沒有碳原子，我們所瞭解的生命將不復存在。這是因為碳原子能與各式各樣的元素形成大而複雜的分子，我們將在第10章針對這點做更深入的探討。分子結構之所以會如此多變，在於他必須負責儲存及傳遞訊息，使有機體能夠再生、選擇並製造維繫生命的必要化合物。
P.163
再生的能力
生命的基礎特性，也就是生命之所以能存在並延續的原因，乃在於其本身再生的能力。細胞可以分化；植物由種子而再生，鳥及爬蟲類動物會生蛋；大部分哺乳類動物皆能以胎生的方式來延續後代。雖然生命是多元性的，但所有有機體的再生，從分子的角度上來看，皆依循著相同的方式：即是由一種稱之為DNA（去氧核醣核酸）的瘦長形高分子聚合體來主導。而且，藉由DNA分子和與其相近的RNA（核醣核酸），新舊有機體之間才能協調作用。DNA與
RNA的作用原理是值得注意的，雖然我們並不期待相同的分子會出現在外星生命中，但至少我們預期他們也會有功能類似的分子。基於這個原因，我們真的應當去瞭解DNA及RNA分子與地球生命間那種密不可分的關係。
DNA分子儲存著基因碼來告訴新生的有機體如何新陳代謝，如何生長以及如何再生。不管是簡單的細菌或複雜的動物體上的微細部分，細胞的每一次分裂都會產生所謂的“子細胞”，而每一個新生的“子細胞”必須從原細胞身上得到一完整複製的DNA。唯有如此，子細胞才算是原細胞的再生。但到底細胞是如何去複製一個完整的DNA分子呢?其實謎底完全隱藏在DNA分子的基本結構當中。
DNA的兩條支鏈相互纏繞，猶如迴旋梯的扶手一般:也就是分子生物學中著名的雙螺旋結構。而DNA中組成這每一個支鏈的單體則稱之為核甘？？？酸。又每一核甘？？？酸包含了一個糖基(脫氧核醣)，一個磷酸鹽分子(PO4)，以及四種可能碳水化合物中稱之為“氮鹼基”的分子。其他種鹼基雖然也可以使用在本結構中，但生命再次展現他的選擇性，只選了四種用於DNA分子中。這四種鹼基分別是腺嘌呤(A)，鳥嘌呤(G)，胞嘧啶(C)，以及胸腺嘧啶(T)。(圖7.4)。
在所有的DNA單體中，糖及磷酸鹽的部分是相同的，只有鹼基不同。單體彼此連結形成DNA的“骨幹”，即雙螺旋。而兩股支鏈間的鹼基則負責支鏈的相互結合:也就是說一個螺旋支鏈上的鹼基與另一螺旋支鏈上的鹼基相互接合。而非常重要的一點是鹼基的配對乃是有一定規則的。腺嘌呤(A)只與胸腺嘧啶（T）形成鍵結，而鳥嘌呤（G）則只和胞嘧啶（C）作用(圖7.5)。
P.164
圖7.4
這四種DNA單體統稱為核酸。在每一個核甘酸中，糖及磷酸鹽的部分是相同的，不同的部分是鹼基：A表示腺嘌呤；G，鳥嘌呤；T，胸腺嘧啶；C，胞嘧啶。
DNA的其他功能
除了自我複製並帶領整個有機體的再生外，DNA分子也主宰著蛋白質分子的形成或“合成”。蛋白質可以說是活細胞的動力。有的是著重於結構上，幫助整體的結合。其他例如酵素，是種精巧的催化劑，能夠掌控生長及新陳代謝的重要化學反應，以適當的速度適時適地的發生。
P.165
圖7.5
DNA分子是由兩條單體螺旋組成，其間以含氮的鹼基對相互鍵結。糖及磷酸鹽組成的長鏈分子，彼此間有固定的距離。而四種鹼基間，腺嘌呤(A)只能與胸腺嘧啶（T）成對鍵結，鳥嘌呤（G）則只能和胞嘧啶（C）成對鍵結。因此，在DNA分化複製中，每一個單獨長鏈分子便是依照這種特定的成對鍵結，依鹼基的排列順序重製另外一半的長鏈分子而完成複製。如此一來，每一單獨長鏈分子上鹼基排列順序所代表的基因碼，便可由這兩個“子”分子來完成複製。
圖7.6
電顯圖下DNA分子中正在進行複製的雙螺旋體。在複製過程中，單一分子上會出現兩條雙螺旋體的區域，它們最後會發展成兩條單獨的雙螺旋體分子。
P.166
蛋白質是由胺基酸單體所組成的高分子聚合體。如同我們先前所見的，地球上的生命由僅僅20種不同的胺基酸形成(圖7.7)。而每一個胺基酸則含有一組相同的原子來形成蛋白質制式的骨架。好比DNA的四種單體，20種胺基酸的每一個皆有其獨一無二的“招牌”原子群。這些原子群也決定了該胺基酸對一個蛋白質分子的影響。
這個最後屈褶成形的蛋白質，其三度空間的結構決定了它的功能。但這個由蛋白質鏈所形成的三度立體結構的形狀，卻取決於鏈上胺基酸串聯的順序。而胺基酸的順序，則是由DNA支鏈上鹼基的順序所決定。製造蛋白質所必須依循的DNA指示，則被“輸寫”成一特定的格式，稱為“基因碼”。DNA支鏈上的鹼基順序，即刻劃著該支鏈所能傳達的訊息，就如同摩斯密碼中，有一部分是由一些點及折號的排列組合來傳達訊息一樣。
DNA支鏈的鹼基順序是如何來決定蛋白質分子上胺基酸的排列呢?
如果我們以每一相對應於各別鹼基的“字母”來代表一個胺基酸，則四種不同的鹼基只能代表四種不同的胺基酸。由此種DNA訊息所產生的生命，實在是不怎麼多變有趣。但如果每一個胺基酸的組成密碼是由特定的鹼基對來決定(AA，AG，GA，AC，CA，AT，TA，GT，TG，GC，CG，GG，TC，CT，TT以及CC），這種入碼方式便可以表示出16種不同的胺基酸。可是如此的雙字母碼仍然不足以應付地球上生命的20種不同胺基酸。值得注意的是，我們可以從已有的15種胺基酸（保留一組雙字母碼作為
“
停止 ”
訊息使用）中再去衍生出一些不同的胺基酸，是不具意義的。現下我們可以說一個複雜、充滿各式訊息的生物化學系統，是可以因循著一個雙字母碼方式而發展的。或許，其他星球上的生命，也是使用著相同的系統。
但如果被用來入碼於每一個胺基酸的鹼基，不是一種二種，而是三種的話，那我們便得到了64種排列組合，遠大於我們所需的20種。經過精密的實驗證實，DNA的確會使用這種三個一組的排列順序來指示蛋白質的合成。這些額外的排列組合不僅是用來作為“停止”的訊息，同時也可以藉由其不同的碼群組來表示相同的胺基酸，而達到某些分子的多量生產。這種多量生產可以防止類似書本印刷中打字訛誤般的事情發生，而不致於發生因錯誤而導致的傷害。在使用三字母碼的方式時，一個DNA支鏈上約有100到500個三鹼基組是可以代表一個蛋白質的。若此一順序入碼的生成物對有機體十分重要，則此一順序就稱之為“基因”。
基因對我們有何影響呢？細胞的蛋白質合成工廠，並不是直接讀取DNA訊息。相反地，細胞會針對其在特定時間所需的基因，複製出“工作用基因”。
P167
圖7.7
地球生物用以製造蛋白質的20種胺基酸(請與表7.2和圖7.2比較)。各種胺基酸間相同的部分以陰影表示，非陰影區則是用以區分個別胺基酸的不同部分。
這些工作用基因並非是DNA
，而是極接近於RNA的分子。在RNA中，尿嘧啶（簡寫成U）取代了DNA中的胸腺嘧啶（T）。因為事實上，細胞在讀取RNA時，就將密碼譯成了胺基酸的語言，而這種語言，也被解讀生命“密碼書”的生物學家，以RNA的語言，列舉了出來（表格7.3）。
就算核甘酸DNA及RNA神奇若斯，它們依舊不是萬能的。嚴格地說起來，DNA本身是不具生命的，因為DNA分子的複製須要一個複雜且十分特殊的環境。
表7.3
基因碼
P169
在現階段，只有活細胞才能提供這樣的環境。我們可以以
“
病毒 ”
為例，來說明這種限制。病毒是由一種被蛋白質鞘體所圍繞的核甘？？？酸所組成，他們是無法在細胞外複製的（如果病毒只能在細胞外複製，我們將免除許多討厭的疾病，因為進行複製需要許多額外的物質，而這將深深困擾著那些病毒飽滿的細胞）。DNA分子需要特別的酵素脢？？？？？來助其伸展，並決定那一段密碼將被轉錄成RNA的訊息。
現在我們可以來總結一些地球生命的共通點。所有已知的生命形態皆含有DNA和與其有緊密關係的RNA。這些高分子聚合體是複製的基礎，而複製只能在細胞內進行。因此，細胞是最小、最簡單的生命系統¾可生長亦可再生。所有的生命形態皆含有蛋白質，他是一種由胺基酸所組成的高分子聚合體，其中核甘？？？酸所攜帶的訊息則決定此一蛋白質的特性。蛋白質負責細胞體的大部分結構及功能。其他種的高分子聚合體則可製成食物（碳水化合物），或可儲存及傳送能量（脂肪），或形成組織分子進入細胞膜的基本元件（脂類）。
進化與飛逝的光陰
為了跟隨億萬年來生命變遷的路程，我們應仔細瞧瞧生命最獨立的特質：再生與進化能力。從分子的層次上來看，生命的再生能力起始於DNA本身的複製，其間產生兩條與原分子上一模一樣的螺旋體。
有時在DNA高分子聚合體上，核甘？？？酸鹼基的順序會發生變化，即稱之為突變。基本上，這是一種隨機發生的現象，有時是因為DNA分子受到高能量珈瑪射線或宇宙射線的照射，或是因為暴露在各式各樣所謂突變因子的化學藥劑的環境中，也有時是出錯在細胞本身的DNA複製工廠，這種情形雖然稀少，但仍會發生。在地球生命的演進歷史中，我們不確定在上述的過程中，那一個是引起突變的主因。當DNA發生突變的位置，正是蛋白質入碼資訊的所在時，那麼一個異樣且“錯誤”的胺基酸便會插入在所製造的蛋白質當中。
有很多的突變是不痛不癢的。簡單地稱之為“中性”突變。如果突變蛋白質在細胞內的功能效率變差，或許會導致有機體的生存及再生能力的降低，或甚至根本無法生存。在其他狀況下，突變也有可能產生一個更有效能的蛋白質，擁有這種突變的幸運兒，自然較其同類高出一等¾譬如複製DNA的速率更快，游得更快，尋找食物更具效率，具有更明亮的羽毛，亦或能在極遠處即嗅察到掠食者的存在。
P.170
擁有如此的優點，將使此生物體的再生成功機率比其同類更佳：因為他們更健康、更能抵禦寒冷、更漂亮、更能逃脫掠食者的魔掌，或因其他各種的優勢，適應力愈強的生物體（從定義上）應能孕育出生存能力較佳的後代。因此，經過時間的考驗，具有這種正面幫助的突變基因者，在群體中將佔絕大多數。“差異性再生”¾有機體繁衍後代成功率的多寡¾是所謂“天擇”論的重心所在。差異性再生決定了某種突變是否能在該群體中成功地佔有一席之地，或說是“穩固不移”。因此天擇藉由差異性再生的成功率，促使各種生物的特徵在每當遇到具有正面利益，或“適應性”的突變成為族群的多數時，即相應改變。經由這種路徑，差異性再生才能促使新舊生物種之間發生進化（彩圖8）。
有時，同一生物種中的某一群體會與其他群體相互隔離達數代之久。當此種情形發生時，群體間就會有不同的隨機突變，各自作大。漸漸地，兩群體間的差異性就愈來愈大。當差別顯著時（通常指兩者間無法相互交配產生受精後代），我們即稱他們為不同的物種。西元1839年，查爾斯×達爾文注意到珈拉帕格斯島（Galapagos）上鳥的種類有所變化。達爾文研究了那些與英國本土的鳥種相似卻又不盡相同的鳥類的分佈。他發現不同島嶼上有不同種及亞種的鷽類，依此他推測著這種差異性產生的可能原因，於是誕生了進化論，而在1859年時問世。在這個劃時代的鉅作中，達爾文論証了我們稱之為天擇（差異性再生的成功率）是地球新生物種誕生的原動力。
生物的進化似乎與亂象會與時俱增的這個通則相抵觸。在周遭，我們見到事物的配列結構由整齊劃一變為雜亂無章，從難以想像的狀態，轉換成真。色澤會褪去，石頭會碎滅，鐵能生銹，木能腐化，星體隨著能量的輻射而殞滅。但在地球上，生命持續地將元素組合成特定分子及單體，再由此形成極長的高分子聚合體，由簡單及無序的根本造就出無可比擬的複雜性。一個單一的DNA分子，它的實際長度可能是其外觀寬度的百萬倍，這即代表了物質極其精確的一面。這樣的分子儲蓄著執行生命活動力的必備資訊，而這些繁不可數的大量資訊卻能在數千次的複製過程中完好如初。因此，遵循極嚴謹的秩序是保持生物體生生不息的絕對條件。這種秩序性，在地球生命演化成複雜群體的過程中，不僅不曾減少，反而是與日俱增。
P.171
我們該如何去解釋如此明顯的矛盾－即宇宙中生命的秩序性及複雜性的維持、或甚至是增加，為什麼會毫不留情地往一個脫序無常漸增的方向進化？這個答案在於：對整個系統來考量，生命不過是其中的一部分。地球上的生命並不是一個封閉系統，相反的，生命可僅藉著環境的變遷就可以保留住那種不可思議的轉化功能；也就是說，只需增加環境的紊亂，生命就可以成為有高度秩序的組織。也就是說，當整體系統的脫序性增加時，此系統內生物體的脫序性卻相對地減少。這裡，所謂的脫序性並不是指污染，而是指生命汲取其所需能量的方法。
能量
生命有機體中，各種不同的化學反應皆需要某種能量。數十億年前，生物體或許可自地熱中獲取能量，好比現在仍有一些有機體存活在熱噴泉及深海中的熱孔穴附近，由此汲取能量。但長久以來，地球上主要的能量來源，一直是太陽。地球上的大部分生物的命運，早已被太陽恒星內部經由熱核融合所釋放出的能量所主宰了。
那麼，太陽能是如何被利用的呢？在過去的數十億年間，許多生物體已發展出一套獨特的方法，稱之為光合作用，並藉此作用將太陽光直接轉換成其所需的能量。在光合作用的過程中，陽光提供的能量，將二氧化碳及水轉化成多碳的複雜有機化合物。這些有機化合物形成由原子組合而成的化學鍵，來儲存太陽光產生的能量。在這種過程中，有機分子會釋放出氧氣，而成為副產物(圖7.8)。(有些細菌在光合作用中，用硫來代替氧，這或許牽涉到此作用的起源，我們將在第八章中有所討論)。我們可以下列方程式來表示光合作用的典型例子：
6 二氧化碳分子
1 有機分子
+ 6 水分子
=
+
+太陽能
6 氧分子
P.172
圖7.8
植物的光合作用中，陽光提供能量使得二氧化碳與水分子反應生成碳水化合物分子並釋放出氧氣。碳水化合物將能量以化學鍵的方式貯存。這些能量在氧化作用（例如燃燒作用或新陳代謝）中被釋放出來。在這些過程中，碳水化合物與氧反應而分解成為CO2及H2O，回歸環境。
若以化學符號來表示，則光合作用的方程式即如下：
光
6 CO2 + 6 H20®C6H12O6
+ 6 O2
當我們由左至右來看此方程式時，即可瞭解太陽光的光能是被轉換成為化學能，而儲存在有機分子的鍵結當中。在地球上，這種方式主要發生在行光合作用的細菌及植物細胞內的葉綠體中，在釋放氧氣於大氣中的同時，儲存能量以備不時之需(見圖7.8)。
一些其他種的生命體¾譬如人類及其他動物¾單單只從植物體上汲取其所儲藏的能量。這使得動物體中有著複雜的能量轉換形式，但卻有著極其簡單而直接獲取來源的方法。我們需要吃東西，但卻不會變成我們所吃的東西(雖然，與一般坊間流行的說法相反)。身體消化我們所攝食的已"死亡"的物質並藉其來維持生命，從這個角度來說，這些已"死亡"的食物可以說是再獲"重生"。這種生命有機體的特質也為古老的謎題提供了一個漂亮的解答：如何將炒蛋回復到蛋的原形呢?
答案就是：把炒蛋拿去餵雞!如同其他的生物體，我們不停地轉化著體內的物質，使其成為新生的原子及分子，然而，我們仍究是我們自己，沒啥改變。
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類似的狀況，對生命本身而言，也是真實不疑的。我們常感受到生命是如此脆弱的這個事實的打擊，見到周遭的生物，忙碌若斯地陷在新生、繁衍與死亡的循環渦漩當中。但如果長遠地看，我們亦不禁要讚歎生命物質自不可思議的狀態中一路衍生出來的連續性。生命在地球上已橫行了至少35億年，這比許多恆星的壽命還要長。生命是如何能這般綿延長遠的呢?答案雖多，但關鍵還是在於一個穩定的能量來源。光合作用的產生、生命與太陽之間的密切關係，在再確定地球生命存在的長遠不息。
有生命以來，生命有機體已改變了整個地球的風貌。讓我們來瞧瞧植物光合作用中最重要的邊際效應：氧分子(O2)的放釋。這些分子進入大氣後，利用本身與其他分子相結合的一種稱之為"氧化作用"的反應，而形成另一種能量的來源，提供給任何能使用它的生命體。我們可以從事實上瞭解為什麼動物可以說是寄生的：因為沒有了植物及其所釋放的氧氣，動物根本無法成長、呼吸、或飲食。或許我們仍不知道雞生蛋，蛋生雞的先後順序，但我們可以確定的是，在地球生命的進化過程中，製造氧氣的有機體是出現在氧氣使用者之前的。
回頭再看一下光合作用的方程式，如果我們由右至左反序進行此一反應，則氧化或呼吸作用則變成能量的釋出，而非儲存。此釋出的能量可以以功能、熱能、甚至光的形式出現。一些較為人熟悉的氧化作用的例子，譬如植物，木材，煤或油的燃燒，均釋出由光合作用所轉化貯蓄的太陽能。而地球上存在著許多含有高能的有機物質，這樣的事實告訴我們，在過去的幾世紀中，光合作用是比呼吸作用更為盛行的，也就是說，整體的淨向反應是如我們所寫的方程式，由左至右的。然而，人類生命的活動力，通常需要正好相反的反應方向，因此我們正快速地耗盡光合作用所產生的高能物質：譬如石油，天然氣和煤等。
生命的單一共同體
我們已經討論過生命組成的化學元素、由元素形成單體(小分子)的原理、由單體所形成的一些最重要的高分子聚合體，以及我們稱之為具生命現象的物質中所發生的一些基本化學反應。
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不論我們所見到的地球生命是如何地多元化，但在分子階層上，皆有其基本不變的單一共同體。在數以千計可能存在的胺基酸中，僅有20種是被用來製造蛋白質的，而且在所有不同的生命體中皆是如此。各形各色的生命體使用著相同的基因碼，利用四種分子鹼基，在每一個碼中一次使用其中的三種來指定特定的胺基酸。雖然有機體有著不同的鹼基順序，以形成不同的有機體種類，但是入碼的指定組成卻是在所有的有機體中全然相同。
生命化學的共同性，告訴我們地球生命在早期應是同宗的。根據這個結論，我們認為，就算組合元素相同，外星生命應該與地球生命相差甚多。我們也許會預期外星生命會使用不同組的胺基酸，或者在相對應的DNA中使用不同型式的鹼基。但是，外星生命當然也有可能在更基本的層次上，即與我們相異了，他們可能使用完全不同的有機分子來進行複製、訊息儲存及能量的傳送轉化。
如果我們瞭解了生命的本質，才能有較佳的能力去探討這些可能性：是什麼使物質的複雜性提升到可以再生的層次?這仍是個未知的問題。如果捨棄活細胞所提供的產物，至今尚無人能由簡單的單體中製造出能自行複製的高分子聚合體。那麼無生命物質是如何將自己組合成一個能自我複製的組態的呢？我們將在下一章花些時間來討論生命源起的基本問題。不幸地，我們將發現自現有的証據去重現生命形成的第一步，是何其地困難。如果我們發現了宇宙中另一種生命的存在，或者是記錄該種生命的化石，亦或是一個正處於生命起始階段的星球，那我們的瞭解與所知，必定能一日千里。
結語
地球生命的組成元素與太陽及其他恒星的組成相當接近，反而與地球本身的組成元素相異較遠。根據此一事實，再加上對生命行為深入的研究後，我們或可推論，碳、氧、氫、氮這四種出現於生命有機體中的基本元素，有著相當特殊的角色，使其能夠成為宇宙所有生命形態的本質。
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無論如何，對於從地球生命這單一例子中所引證出的結論，我們絕對不能掉以輕心。在此，我們之所以能用一個例子來代表所有生命，是基於地球上所有生命乃是處於同一個化學系統之下。在所有地球生命中，DNA雙螺旋分子即攜帶著決定下一代的相貌，以及使有機體內各部分能各司其職所必需的基因碼。當DNA分子開始分化，雙螺旋的每一單鏈，可各自從較小的組成分子中，製造出失去的另外一條單鏈，這有兩個原因：只有特定分子能與分裂的分子作用，而且彼此交互關聯的程度是純粹由〝母〝分子所決定。
我們可以由生物體的再生與進化能力來定義、分類他們，但是一個單一生物體，當他沒有進行再生作用時，其基本的活動力仍包含了直接或間接地使用太陽幅射能，而得以持續進行新陳代謝。植物可以直接利用光合作用的化學反應，將太陽光能轉化儲存在由水及二氧化碳所形成之碳水化合物的化學鍵中。動物(及一些稀有植物)則完全依賴植物所貯蓄的能量，他們藉由消化及同化所吃進去的植物或其他草食動物而得到所需的能量。光合作用所釋出的氧分子，是植物的另一重要貢獻：動物新陳代謝的過程中，即包含了這些氧分子與得自植物的有機物質的反應。
換言之，植物製造了碳水化合物及氧(更精確地說，他們在光合作用的過程中，釋出氧分子於大氣中)，而動物則需要燃燒碳水化合物及氧。地球上，我們仍發現有過量的、經植物製造生成的碳水化合物，以及源自腐敗的植物或動物體的碳氫化合物(天然氣、石油及煤石)。我們漸漸瞭解，並能讚歎生命生生不息的循環，在這當中，像植物這種光能合成者，必須出現在動物之前，而後人類又由其間找到了食物、氧氣、碳氫燃料等，這些被認為是不可或缺的物質。然而，到底微生物，這個地球上巨大生命鏈的起始者，是如何從一些少數簡單分子的混成中出現，其相關的事實細節，至今仍然是個謎。
問題
1.
如何定義〝生命〝？而對你所賦予的這個定義，有沒有任何例外呢？譬如，一個被設計成去製造其他機器人的機器人，依你的定義來看，是〝有生命〝的嗎？理由何在？
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2.
何以說生命有機體的組成與恒星體的組成相類似？這對生命源始是遍及於整個宇宙的理論有何關聯？
3.
為什麼碳對於地球上所有生物而言，是如此重要的元素？
4.
何謂高分子聚合體？在何種情形下，我們稱之為單體的這種較小分子會開始串聯成直鏈，環狀，或更加複雜的結構？
5.
DNA（去氧核醣核酸）分子是如何自我複製，或再生的？
6.
DNA 分子除了調節再生程序外，還主導著哪些關鍵的功能？
7.
在生物體中，蛋白質的功能為何？碳水化合物的功能為何？稱為“脂質”及“脂肪”的分子，其功能又為何？
8.
動物如何使用為植物藉以行光合作用的太陽光能？請描述這個先是貯存能量，而後又幾乎完全逆向而釋出能量的化學反應。
9.
試說明油、煤與天然氣燃燒時所放出的能量，原本是從何處獲得的？
10.
我們能預期其他星系的生命與地球生命有著相同的組成元素嗎？他們會使用與我們相同種類的胺基酸分子嗎？我們能預期這樣的外星生命已經發展出如同地球上生物體的DNA
分子嗎？理由何在？
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進階參考資料