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
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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
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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。
P173
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。
P.174
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。
P175
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？
P176
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？
P177
進階參考資料
P178全圖
P179
8.
生命的起源
根據微生物所遺留下來的化石證據，我們知道生命存在地球上已有35億年了。但這些生物體已經相當先進，群棲生活並且行光合作用。在這之前，必定還有生命是以更簡單的形式存活著，並且歷經了一種突破性的轉化，從無生命物質變換而成今日我們所認定的生命物質。這種突破性的轉化是在何時並且如何發生的呢？在地球上，這樣的轉化只發生過一次，還是早已歷經了數回呢？
很不幸地，單從化石記錄是無法找出答案的。因為地殼的浸蝕作用及運動的結果，使得地球前十億年的地質記錄消逸無蹤，永埋地底。其中，還包括了地表被隕坑覆蓋(如今其仍然覆遍金星、火星和月球的表面)的證據。這種地殼運動是由地球上岩層內的氣體對流所引起，而地層深處放射性礦物質所釋放的熱，則提供了這種運動所需的能量(圖8.1)。不僅最原始的地殼層已消失；就連現今的大陸形態結構也是相當近期生成的現象，它是一地殼板層緩慢運動的結果。僅2億年前，各大陸陸地的分佈，比起今日是更加緊密相連的多(圖8.2)。地質學家可以依循岩石中的記錄去重建地球大部分的原貌，但是回溯的極限也只到38億年前，因此無法對生命起始時的地球環境，提供有效的資訊。
然而藉著對星球形成過程的日益瞭解，我們倒可以重建一些地球早期的風貌。〝原始地球〞與今日的地球在外觀大小和組成上是相同的，均是一個岩石組成的橢圓體。但是原始地球中，自幅射性礦物中釋出熱能的速率卻是高了許多，而其中一些輻射性礦物在今日已經〝衰退〝而不再產生熱能。兩者之間最大同時也是對所有地表有機體最重要的不同，當是從40億年前的地球至今日，整個地球大氣層的組成改變了。這些變遷更難重建，但我們必須盡力而為，因為這些變化攸關著我們地球生命起源的奧秘。
P180
圖8.1
地球內部的傳導流，藉著上岩層的緩慢運動而傳送能量，這種緩慢運動就如同大氣中熱空氣上揚，冷空氣下降的現象一樣，只是速度上要緩慢許多。在地表，這種傳導流會導致地殼變動，在將新的岩石帶到地表的同時也造成了陸地的移動。
我們這項探尋的任務或許可以和興建美洲大陸的第一條橫貫鐵路做一個比較。為建造如此綿延的鐵路，工作人員分別由東西岸開始工作，最後鐵軌交會於猶他州，而在此處，他們釘下了一根黃金製的長釘，為這整個工程留下一個紀念。而在我們的探尋任務中，我們必須藉著地岩的歷史紀錄，回溯於時間中，同時亦必須藉著星球進化所有可能的証據，在時間順向的流動過程中，尋求答案。這些証據，有的是從行星形成的理論中得出，或是從太陽系裏，保有其第一個十億年歷史的其他星球中搜尋而得。這兩種方法應會交集在生命起始的時間點上。不幸地，這個聯結點並非那麼地明確，就好比那兩組欲相聯結的鐵軌，會消逝在加州邊境的濃霧當中，直到堪薩斯或科羅拉多州才又現身，我們雖知鐵軌依然是相連的，但是我們並不知道它們是在何處相連，並且是如何相連。今日，我們仍在等待那根黃金製的長釘，來為這行星發展和生命歷史的交匯處劃下一個偉大的句點。
P181
圖8.2
兩億年前，地球大部分的陸地是相互連結的，成為一個稱之為盤古大陸的單一陸地，這使得生物種的擴張繁衍比起今日是容易許多。圖中展示了當時地球上陸地分佈豐富的半球景觀（左圖）以及缺乏陸地分佈的另一個半球景觀（右圖）。大陸陸地是不停地在移動；例如在1千萬年間，太平洋板塊便會帶著洛杉磯越過舊金山，往阿拉斯加的方向移動。
地球大氣層的形成
很明顯地，地球成長至今天的大小，是經由“吸積作用”、或者是由形成太陽系的高密度星際雲氣，這種稱之為〝太陽星雲〞的一些小粒子堆積吸附而成(見第四章)。所有環繞太陽的行星、衛星、小行星、及慧星，從45億年前起，皆經過這樣的一個吸積作用的過程，而有今日這般的大小。由於氫是太陽星雲中最豐富的元素，因此科學家們曾一度相信氫氣必定佔了地球初始大氣層的絕大部分。當有大量的自由氫原子與分子準備與其他原子和分子反應時，便是化學家所習稱的〝還原〝狀態。多年以來，科學家斷論地球的原始大氣層必定是被高度還原的，也就是充滿了氫及含有多氫的分子：如甲烷、阿摩尼亞、及水蒸氣。若是如此，地球的原始大氣應和木星、土星這些巨大行星到現在都沒有改變的大氣一樣。多年來，這種描述地球初始大氣的說法已被廣為流傳及接受，但由於一些新的發現，這樣的一個理論模型便需要有所修正了。
P182
在研究大氣組成中佔極少部分的“鈍氣”，如氖、氬、氪、氙等的含量，和仔細觀察年代最久遠的岩石的過程中，科學家發現地球可能從來沒有自形成地球的星雲中吸積塵氣以形成大氣層。行星形成的〝吸積作用〞可能是以含多量“揮發性元素”的冰狀及岩石類物質，在其作用過程中的最後一步，才加附於地球的(圖8.3)。這些揮發性元素皆是最輕又最易汽化的，包含了像氫、碳、氮、和氧等。在今日的大氣層和生命的本體中，這些元素都是分子的主要成分。而“後期吸積物質”必定與今日太陽系中所發現的一些隕星、慧星相仿(見第11章)。特別是慧星，含有大量的“揮發性物質”(易汽化蒸發的元素及化合物)，它對地球上同類物質的形成，必定有所貢獻。
圖8.3
原始地球在吸積作用下逐漸成為現今的地球，而充滿著如氫、碳、氮及氧這種揮發性元素的物質，在這個過程的最後一刻加入了地球。因為較大物體的撞擊發生在吸積作用的早期階段，所以當時的溫度是比後期來的高。
P183
據我們對行星生成的一些新的瞭解，在地球表層(及其他內行星)滲透漫延的這些揮發性物質中，只含有極少量的自由氫原子及氫分子(H2)，其餘的皆已和大分子鍵結。這些已鍵結的氫原子藉由化學反應，在星際雲氣或太陽星雲裏，成為水及有機化合物的一部分。
因為被其與地球相撞擊時產生的熱能所加熱，後期吸積物質會將大部分的揮發性物質汽化而造成地球的原始大氣層。在地球初始的一億年間，任何存在的氫原子與氫分子必定已脫離地球，因為當時的地心引力並不足以牽制住它們。而與如水蒸氣這種較重分子相鍵結的氫，則會被保留下來。而這些氫也並非全然安全。盛逢青年期的太陽所放射的紫外線會破壞一些較重的分子，使其支離破碎。這種過程，稱之為“光解作用”，而分子的殘骸則會彼此鍵結而成為新的化合物。當含氫化合物一旦遭受紫外線光子的撞擊或者被其他的能量(譬如閃電)破壞，則每一氫原子與分子即可趁機被釋放出來，而與其他的化合物反應，或是逃脫這個星球。
當這個情形發生時，如果我們也考慮大氣氣體與地球原始地殼間的反應，其淨值效應將會是一個輕度還原的原始大氣。其中主要的成份是一氧化碳(CO)，二氧化碳(CO2)，氮(N2)，以及水(H2O)，而持續逸出的H及H2只佔了極少數。對於任何地球般大小，且與地球軌道中心恒星相當接近的行星來說，都可能發生類似的情形。這種行星的大氣層，不論有無生命現象，皆會逐漸由還原性而變成低還原性，而終至“氧化”(多氧)狀態。我們可以在太陽系的火星及金星上見到這樣的結果。
大氣層的進化
一旦大量的氫自原始大氣中逃逸，便會產生一個顯著的改變:大氣層可以產生足夠的“臭氧”來保護地表，抵禦太陽紫外線的照射。臭氧分子(O3)是由三個氧原子組成，不同於一般的氧分子(O2)是由一對氧原子構成。當紫外線光子撞擊到水蒸氣分子(H2O)時，這分子會斷裂成為氫及氧原子。
P.184
長久以來，當大氣含有豐富的氫分子時，任何氧原子便會馬上與之結合生成水蒸氣，而無法形成氧或臭氧分子，但是，一旦氫自地球汽化，臭氧及氧分子仍是會形成的¾雖然量不是很多，但足以將紫外線光子隔離於地表之外。臭氧分子對紫外線有極強的吸收能力，即便是濃度非常低的臭氧，就足以隔絕能致我們於死地的太陽光紫外線幅射。
因此，我們必須在地球大氣進化的成份中，除水蒸氣，二氧化碳，氮及一氧化碳外，再加上少量的氧(少於百分之一)，和極微量但卻舉足輕重的臭氧。但是目前為止，我們所討論的大氣成分與現今地球大氣的成份，例如氮，氧等主要分子，少量的水蒸氣，極微量的二氧化碳和幾乎不存在的一氧化碳相比較，仍然相去甚遠。這些變化是如何產生的呢?
生命!該是個最基本的答案罷。大氣中所有的氧，幾乎都是由地球生命所提供的，生物體也會幫忙除去二氧化碳，並且保留氮氣。因此，讓我們依循大氣中的每一個基本要素，來瞭解在過去40億年的發展中，現今大氣的組合產生的來龍去脈。
首先，早期中佔有量極豐富的水蒸氣，在今日的大氣中仍有一席之地。蒸發與降雨的循環，以及緊接著留入海洋的水，保留了小部分的水並將以大氣蒸氣的形式出現。當它們在冷的表面上凝結，或形成雲雨或雪的時候，我們便可以見到這些蒸氣。但地球上的水，大部分還是以液態形式，存在於覆蓋著百分之71地表的這個大蓄水池中。海洋使得地球在太陽的行星系中更顯得獨特，而且早在地球起始的時候，水蒸氣便因地表的低溫而凝結成海洋。如同稍後我們在探討金星和火星時會見到的情形一樣，行星表面恒存的液態水¾生命起源及延續的基本要件¾同樣也需要一些相當特別的條件，得以存在，而這些條件卻正好是地球所具備無缺的。
大氣層的生命效應
二氧化碳(CO2)或許曾一度是我們大氣層的主要成份;同時也是地球上，僅次於水(H2O)，藏量第二高的揮發性物質。今日，地球上大部分的二氧化碳則以化合物的方式儲存在岩石當中，並且以如白堊及石灰石這類的“碳酸鈣”(鈣-氧化合物)為主體。
P.185
這些碳酸鈣岩石乃是經由溶解於海水中的二氧化碳而形成於海底。當二氧化碳轉化消失，成為此類岩石的一部份後，便有更多的二氧化碳會溶入海水中，而這種程序會持續進行，直到大氣中的二氧化碳幾近消耗殆盡為止。雖然碳酸鈣在無生命存在的狀況下仍會產生，但是海洋生物的出現卻大大地加速了其形成的速度。我們可以在海洋生物幫助之下所形成的石灰石中，找到它們的殘骸。數十億年以來，這些由生物及無生物幫助下形成的碳酸鈣已經使得地質時期產生的二氧化碳，幾乎完全消失。小量殘存的，皆是拜如火山爆發，岩石風化，動物的呼吸作用，以及有機物質的腐化所賜，而得以重返大氣。
大氣中的氧，如我們所見，在生命繁盛前是相當少量的。綠色植物的光合作用大量地增加其藏量，直到今日佔大氣組成的21%。化石記錄顯示，在25億年前形成及掩埋的岩石是在“次氧化”過程(低氧狀態)中產生的。完全氧化的岩石則只在這過去25億年內才形成。由群棲在水邊及岩石沉積邊上的藍綠菌所組成的“疊藻層”岩石(圖8.4)，是氧氣快速釋放之有力的時間指標。這些形成疊藻層的藍綠菌是最早釋放氧氣至大氣層的生物之一。古代疊藻層化石指出在20到23億年前，藍綠菌才遍佈地球多處。而在此之前，則不多見。因此我們可以假定釋氧有機體，譬如形成疊藻層的細菌，大量出現的時間應是在不到25億年以前，而這正是地球歷史的一半。大型植物一如樹，花、及草－出現的時間，則近於6億年前，因此，實在應該感謝藍綠菌，給予我們這麼一個氧氣豐富的大氣層(彩圖7)。
大氣層中含量佔百分之78的氮，來自於“釋氣作用”(由地表下岩石釋出，而進入大氣層)，但地球生命的存在，也幫助解釋了大氣中氮的“恒存”原因。每一次，閃電放電時，電流使得大氣中的氮與氧反應而形成一氧化氮。而後經雨水沖刷進入了土壤及海洋。若地球上沒有生命，只有緩慢的岩石風化方能使氮重返大氣。事實上，有種大量存活在土壤中的“去氮化菌”，這種微小的有機生物可以支解一氧化氮。所以去氮化菌在氮的再循環中，又扮演著極其重要的角色。
P.186
圖8.4
現今澳大利亞西岸的疊藻層地床看起來是十分特異的，它們正代表著疊藻層在地球上數十億年的生長歷史。
當光合作用開始釋出大量的氧氣時，這個高活性元素會與任何未“完全氧化”(所能攜帶負電荷氧原子的最大數目)的化合物反應。如此一來，曾在遠古時期的地球大氣中，佔有一席之地的一氧化碳，便與氧反應生成了二氧化碳。
「氬」，這個當今大氣層中的最後要角，只佔了空氣中的百分之1。對氬而言，因為它是一個鈍氣元素，故不會形成他種化合物，而可以說是一不受生命體影響的氣體。大氣中的氬有超過百分之99是由地殼中少量幅射性鉀元素的衰退而來。含此種鉀元素的岩石，經腐化及熔化過程而釋出氬，因此氬可藉著此“釋氣作用”不斷地返入大氣層。在地球形成的吸積過程中，被吸陷於物質中的氮及其他氣體，也是依此程序回歸大氣的(圖8.5)。因而，我們會預期，在任何行星系統中的岩石星球，皆能發現氬的蹤跡，當然，前提是這顆行星有夠大的質量不讓氣體逸入太空中，同時，行星的年齡也必須夠老，才能藉由放射性衰減，產生足夠量的氬。
P.187
圖8.5
如本圖所示，這座位於夏威夷群島中的火山，時至今日仍然會釋出新的氣體。地球的原始大氣便是由撞擊地球的慧星、隕星、以及熔漿所釋出的氣體所組成。
前述的章節總括了地球原始大氣層受到太陽紫外線幅射、化學反應、釋氣作用，氫的逃逸以及生命源起及進化等影響下所產生的變化。而這些影響所導致的結果，會使得原始大氣中的二氧化碳，氮，氫，及一氧化碳被氮和我們所呼吸的氧所取代。而大氣中的水蒸氣¾連同產生水蒸氣的海洋¾可能存在於整個地球的發展史中。
現在，我們要試著找出生命在地球變化的大氣下，得以生存發展的方式，當然，這些變化，很明顯地是由生命本身的活動所引起。我們已經強調過生命在分子階層上的共通性，並由此共通性而推論出生命是由共同的祖先所演化下來的。在下一章將會對這種演化有深入的探討，但我們仍可以不加思索地知道一個重要的事實:生命的複雜性是與日俱增的。最早顯示出有生命跡象的岩石中，只有微生物類生命的蹤跡，比此更早期的岩石，則根本沒有任何生命存在的證據。這些岩石的絕對及相對年齡是藉由放射性衰減過程中，母子元素的量來決定的。
P.188
而先前描述測量岩石中鉀的量以決定空氣中之氬含量，也是依照類似的方法。因此，地球的高齡是無庸置疑的。一個僅有幾百萬年壽命的星球所能產生的氬遠不及地球上氬的含量。同樣地，生命型式由簡單而複雜的進化過程不再是一個假說，而是一個不爭的事實。但是，這樣的過程是如何開始的?在地表及大氣中的原子及分子，又是如何相互鏈結而形成具有生命的集合體的呢?
生命起源的初步概念
如果檢視各個不同文化對生命源起這個問題的處理方式，我們發現人類常在直覺上以某種外在因素為由，來為我們所觀察到的新事物的出現方式作合理的推演，因此常會說成是某種力量或動因，“令其發生”的。所以，生命因果律的前提是必須要有某種活著的東西先行存在，而後地球生命才能誕生。這與今日地球上新生命生成的簡單觀察是相互一致的。所以，大部分的宗教皆以外來力量，如神化及萬能的神的方式來解讀生命的起始，這種訴求方法，其實不足為奇。
而一些依然相信地球生命絕非自發性生成的科學家們，則已提出了生命是遍及宇宙的這個論調。由瑞典化學家司孟德．阿爾殷尼斯（Svante
Arrhenius）在1901年所發展出的“胚種論”概念，描述生命如同漂浮的胞子，在星際的界面中游盪，偶爾會休憩在可能發生繁衍及進化的行星上。當我們愈來愈瞭解太空旅行的危險性時，胚種論的假說便愈來愈難以被採信了。歷經數千萬年，甚至更久的時間，在一個接一個的行星系統中，漫無目的地尋找，長時間暴露在高能紫外線幅射、X射線以及星際空間中瀰漫的宇宙射線粒子下，那應該是一個終將致命的結局。再說，胚種論假說並未回答我們最想知道的問題。如果地球是受孕於外太空漂流而來的胞種，那麼，這些胞種又是來自何處的呢?
生命起源的化學進化模型
生命是如何興起的呢?各種實驗室的實驗指出，在含有自由的氧的大氣中，形成生命系統的化合物，並不能藉著自發性化學反應而產生。如果無生物至生物的轉換過程確實是發生在地球，那麼，發生轉化當時的情況與現今必定會是大不相同的。這個結論與我們從化石記錄(回溯時間的過程)以及重建地球早期的風貌(行星形成的順向過程)中得到的推論，完全吻合。
P.189
前述的章節，傳遞了一個明確的訊息，我們在第17章還會再加以地探討:如果自生命興起後的40億年間，所有的生命體皆被消滅，那麼生命應該是沒有機會再次復甦的。因此，如果一些全球性的效應，譬如冰河時期，臨近超新星的爆炸，或者大行星撞擊等，而引發地球生命的毀滅，那麼，地球至今應仍是一幅蒼海難為水，千山鳥飛絕的荒蕪景象。當我們試圖從地球生命的歷史中，來推論其他恒星的行星系中生命的存在時，我們必須謹記上述的可能性。
傳統對於早期地球的描述，諸如其原始大氣層是由甲烷，阿摩尼亞，及氫分子所組成，並含有可凝結的水等，提供了一個非常容易製造有機（含碳）分子的環境。在這個看似早期地球的低還原性環境中，有機化合物也能被合成，只是較為不容易。而合成有機化合物的化學反應所需的能量來源中，太陽是最主要的一個。在自由的氫逃逸之前，太陽的紫外線可能早已放射到早期的地表，因為該時期並沒有臭氧層來隔絕這種短波幅射。高能光子可能成為主要的能量來源，而其餘的能量，可以得自於閃電、地熱源（熱噴泉及火山），岩石中的放射性元素，隕星以及亞原子粒子的撞擊，甚至於打雷或海浪浪濤所產生的震波（圖8.6）。
今日，因為紫外線摧毀了許多生命必需的元素，這使得太陽紫外線幅射幫助了生命的源起這個說法，聽起來頗為諷刺。這種矛盾的角色，其實是可以解釋得通的，大氣中形成的有機分子可以藉著降雨而被沖入水坑池塘之中，或者在水、陸地及空氣的界面上所形成的分子，可以進一步移居入較深的水中。因為只需要數公尺的清水或一層有機化合物的薄膜，就能適當地隔離太陽的紫外線了。
就傳統上科學的角度而言，對於原始地球中生命的形成，應該要包含自大氣層氣體中自發形成的複雜分子，以及這些分子稍後存在於池水中的濃度。有一些化學反應可能已被具有適當活性界面的土壤物質催化、或加速。而雨水的沖刷，則能幫忙把這些分子產物帶入池塘、湖水、或海洋邊緣的潮汐區中。
P190
圖8.6
原始地球上，化學反應所需能量的來源有：地球的磁氣圈；太陽的紫外線幅射；閃電的放電作用；區域的地熱源；放射能；隕星的撞擊，或甚至是海洋潮流的衝擊波。
這些水坑池塘因而含有高量的有機化合物及溶解的礦物質。它們可能提供分子反應所需的養分以及保護的環境，直到某種可以主導其他分子生成的化合物產生為止。而池塘邊緣黏土的紋理，也可以幫助這些小分子聚合而成大分子（見第198頁）。
潮汐區生製造命成分的混合結構，在查爾斯、達爾文的生命起源，“溫暖的池塘小窩“概念中，已隱約可見，英國的生物學家J.B.S.哈爾丹（Haldane）和蘇俄生物學家亞歷山大、歐帕林（Alexander Oparin）則各自發展了極詳盡的模型，將地球的原始海洋定義為一個稀釋的有機清湯，一個讓更加複雜的分子，得以在其間茁壯生長的“原味湯”。
P.191
簡單地說，藉這個生命在原味湯中興起的概念，告訴了我們原始地球的自然環境應能導致（1）簡單有機分子的生成，（2）選擇一個沒有化學變異性疑慮的途徑，來形成複雜性，（3）發展出啟動生命工廠所需的特定化學活性，以及（4）細胞膜的出現，來防止這些必要化學物質的分散。但是這個概念有多好?我們要如何來驗証它呢?
原味湯模型的實驗証據
這個模型的第一部分¾即有機分子是在早期的地球中自然生成的假說¾在1953年時，由史丹利．米勒（Stanley Miller）及哈洛德．尤瑞（Harold
Urey）以實驗加以測試。
圖8.7
史丹利•米勒和哈洛德•憂雷實驗設置的簡圖。在5公升的燒瓶中，裝有水、甲烷、氫氣，以及阿摩尼亞，用來模擬地球的原始大氣以及海洋，並以電流的放電設置來產生能量。
P.192
圖8.7即是這個經典實驗的設置略圖。當中，在上方的燒瓶中含有甲烷、阿摩尼亞、氫、及水蒸氣的混合氣體，是用來代表地球原始時期的大氣層。其能量則是以電流放電的程序產生，當然也可以紫外線光子（或震波）的方式產生。下方燒瓶中的水則是模擬地表上的水流聚匯處。而加熱器以及凝結器使得系統中的水蒸氣得以循環，即如同水池中的水汽化後，進入大氣而凝結成雨，然後帶著大氣中形成的化學物質，一起降落地面，雖然我們對於以混合氣體的方式來代表初期的大氣層仍心存懷疑，並且認為充滿礦物質的地表不是一個燒瓶就能替代的，但是，若單由機械工程的角度，來看這個實驗的設計，以及整體上模擬原始地球的情況而言，仍是相當不錯的。
當我們持續供給能量，並讓實驗一直地進行時，會發生什麼狀況呢?歷經了數日不間斷的實驗後，有機分子開始出現在含水的燒杯瓶當中。在對這些混合物做化學分析後，竟然有令人振奮不已的新發現：除了大量無法確認成分的“一坨“有機物質外，包含了甘氨酸及丙胺酸在內的胺基酸竟已形成，同時也產生了如糖，核甘酸鹼基，以及其他數種有意思的化合物。
我們可以藉著產生甘氨酸的化學反應來說明整個系統發生的變化：
1 阿摩尼亞分子
+
2 甲烷分子
1 甘氨酸分子
+
= +
2 水分子
5 氫分子
+
能量
若以符號方式表示，
能量
NH3+2CH4+2H20
¾¾¾® C2H5O2N+5H2
在這個實驗當中生成的其他種胺基酸，也是依類似的程序產生。當想到所有已知生命的主要活動力，是基於胺基酸製造出蛋白質的反應，那麼我們即可知道這些胺基酸的產生，對於生命物質而言，是何其重要的一步。同時也初步證明組成生命的基本物質，能在至少一組可能的原始環境中生成。而在隕星中發現胺機酸的存在，更輕易地說明化合物是可以在自然狀態下生成的（見第11章）。
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當今地球的生命中，其胺基酸當然不是來自於隕星，或是從複製米勒—尤瑞的實驗中得到，而是經由生命系統所製造的。我們可以藉著研究這些重要分子的對稱性來加以說明。在米勒—尤瑞實驗的原味湯中產生的胺基酸（和那些發現存在於隕星中的胺基酸），包括了相同數量的右手旋及左手旋分子。而如我們先前所見到的（第160？？？頁），生物系統中所有蛋白質的胺基酸，全都是左手旋分子。顯然，地球生命在一開始便已從這兩種可能的“手式“中，擇一而終。如我們先前指出的，這種選擇性的助益頗大，因為如此一來，才能使得由胺基酸為單位組成的複雜分子，在結構上的設計得以更加地精確。
因此，如果外星生命也使用胺基酸，或許他也已經在這兩種結構中做了選擇。由此，我們對於生物製造的分子及自發性形成的分子之間的區別，得到了一個很好的驗證。後者總是會產生同量的兩種結構，而前者則展現了明確的單一選擇性，在地球上，這的確是個不爭的事實。
生命的起源果真如此嗎?
讓我們從化學實驗室回頭來觀察原始時期的地球。我們已經找出了蛋自質造磚形成的方式。那麼，對於脂類，碳水化合物，及核酸的組成成份又是什麼呢?
我們發現有一些極簡單的有機酸，可以直接在米勒—尤瑞實驗中合成：譬如醋酸、蟻酸、以及甲基乙醯酸。而有機酸會幫助脂肪酸（脂類）的形成，這雖然讓我們暫時性地得到鼓舞，然而，這一切仍然是值得在仔細推敲的。
從上一章對DNA的討論當中，我們知道，每一個核甘？？？酸包含了一個糖（脫氧核糖）以及四種鹼基（腺嘌吟，鳥嘌吟，胸腺嘧啶，或胞嘧啶）中的一種，再加上一個磷酸鹽（磷酸）。RNA則是以尿嘧啶代替胸腺嘧啶。並非所有的物質皆能從米勒-憂雷實驗中得到，但是這個實驗倒也可以產生如甲醛，乙醯氰，氫化氰，和尿素。這些化合物在我們尋求解答的路上，倒是助了我們一臂之力。若在鹼性溶液中加熱甲醛，或者在有黏土的狀況下，我們會得到糖。因此，我們從碳水化合物的生成中，慢慢地找到一條製造核酸中關鍵結構的路徑。猶如約翰—歐羅（John
Or’o）在一個不同的實驗中指出，氫化氰的進一步反應，可以生成腺嘌呤，而尿素與乙醯氰，則可以反應形成胞嘧啶。我們可以假設磷酸鹽是來自於岩石的風化，接著被雨水沖入沈積的區域。甚至到了今日，我們仍然可以觀察到這些反應的過程。
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到目前為止，一切進展都還令人滿意，但是仍然沒有人可以從化合物的混合體中，製造出所有基本的結構。或許我們只是忽略了一些適當的化學反應，亦或是僅僅欠缺一些特別的環境限定的考量，才無法完成這整幅圖像。另一方面，我們也可能是在一路的搜尋過程中，走錯了路，也可能是需要一個全然不同的化學系統，才能使生命重現。
如前面所述的，米勒—尤瑞的基本實驗設計，在過去這世紀來，最為科學家所詬病的，是他們認為當初的實驗條件中，所提供的混合氣體中自由氫的含量，遠高於地球大氣中自由氫的含量。無論如何，其他科學家則已經證明，在含極少量自由氫的低還原性大氣中，依然可以產生複雜的有機分子。舉例來說，當我們對著含二氧化碳、一氧化碳，氮以及少量氫分子的混合物，照射紫外線光時，便會產生氫化氰和水。氫化氰將其置於鹼性溶液（早期海洋）中，只要紫外線持續照射，它也能製造出胺基酸，這個反應同時也會產生氰化胺。當我們將氰化胺與胺基酸相混合在一稀釋溶液中，並以紫外線照射，氰化胺便可以和胺基酸相鍵結，這也正是蛋白質生成的第一步驟。若以化學式來表示，我們會得到：
3 氫化氰分子
+
1 甘氨酸分子
2 水分子 = +
+
1 氰化胺分子
能量
以符號表示：
能量
3HCN+2H2O ¾¾¾® C2H5O2N+CN2H
我們由這些實驗得到一個結論，對於生命系統製造重要化合物的這第一步而言，如米勒－尤瑞實驗那樣含氫量極豐富的環境，並不是絕對必需的。
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反之，最基本的必要條件，當是大氣中無自由氧的狀態。換句話說，我們深信對於早期的生命系統而言，氧氣是“有毒“的，而這個事實，就如同今日我們深信氧氣是動物生命發展的必備條件一樣。然而在我們確定知道有機化合物是如何生成之前，應該使用原始地球的模型，來持續更深入的實驗研究。藉著相關於大氣形成的數學計算，以及那些大氣中假定的組成元素間彼此相互的反應以及與地表物質間的化學反應，我們便可以在某種程度上去評估模型的“真實性“。我們也必須追蹤逃脫地心引力場的小分子。無論如何，就算我們能以飛快的速度作計算，這些數學模型的好壞成敗，跟我們對組成成份及其所因循的化學途徑的瞭解和知識，是同進同退的。
換句話說，只有在我們瞭解全部的狀況下，運算的方式才能提供一個獨立的答案。但我們現在就是根本不知道原始地球存在當時的各種條件！同樣的問題，也發生在以實驗方式探討生命起源的時候。這種方法的好處在於它自己能夠解釋運算出來的結果。但是，在不完全知道環境的條件下，我們依然無法去設計一個令人滿意的實驗。頂多，我們能驗證某些混合物以及某些機轉，的確能產生蠻合理的結果。從這一方面來看，我們倒是一直都做得不錯。
外在的選擇
要指出原始地球上環境變遷的各種可能性，我們可以簡單地假定一些全然不同的生命源起的過程。在行星形成的數億年間，每一行星會遭受到各種不同大小的流星及彗星的強力撞擊（見第11章）。但地球生命卻似乎正好在這期間或之後才開始出現！難道流星的撞擊在生命的起源中，亦扮演著某種角色？
幾乎可以斷言的是在撞擊最強烈的那一段時期，對生命的起源只有負面的影響。大的撞擊會毀滅大部分的大氣，而較小的撞擊則會產生一個滿佈揚塵的暫時性大氣，最終，地表會因過熱而成為不毛之地。這暗示說，唯有在撞擊主階段結束後開始的生命，才有可能延續下去。
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圖8.8
畫家筆下的原始池塘中，一個小慧星或含豐富揮發性物質的隕星衝入隕穴形成的湖中。如班頓．克拉克所提出的，彗星中的有機物質在會湖中擴散開來並成為化學合成反應的資源。
在當時，撞擊所帶來的另一個影響也相當地重要。只要地球的大氣厚度足以減緩較小撞擊物體的大碎片的速度時，一些這種撞擊物所含有的有機化合物，包括胺基酸，便可能可以安全無恙地抵達地球表面（圖8.8）。這對地球、金星，勉強加上火星而言，無疑是在生物化學的條件蘊釀中搶得了先機。我們認為這樣的情形可能已經發生在任何一個隸屬於太陽系，而且具有足夠密度的大氣的岩石態行星上。
我們不難想像，池塘內有機分子的生成，是水流經過坑坑洞洞的地表後所造成的結果。而在大撞擊下所形成的隕坑，本身即可變成湖泊，成為這些化合物間進一步反應的絕佳地點。這些由慧星及流星所帶來的有機物質本身的破壞斷裂，不僅可以持續地供應氫，同時也填補長期以來不斷地自地球大氣上層逃逸流失的氫。如此一來，含氫豐富的環境，才能延續得比我們原先預期的要來得久遠。
高分子聚合作用
慧星及流星的影嚮，並不會根本改變我們探討生命起源的方法。我們依然必須假設在一些可能的化合物中，會發生自發性的化學反應。
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但請記住我們討論的重點所在。我們僅考量過蛋白質、脂類以及核酸等組成要素的製造過程。然而，該如何將這些要素組成一個大分子呢?DNA和蛋白質分子是高分子聚合體，是一種藉由基本型構造單位不斷重覆連結而成的長鏈。我們的問題是分子如何以重覆的形式相連結：即高分子聚合作用。以DNA為例，這種聚合作用必須包括形成令人讚歎的雙螺旋結構(見第163頁？？？)。到底這些是如何發生的?我們並沒有答案。從來沒有人能成功地在自然環境的條件下，聚合這些成分元素。將DNA放在一鍋有著酵素及DNA單體的好湯當中，複製就會發生，但就算是知道它的組成及結構，我們至今仍無法讓起始的DNA能夠自發性地生成。
活細胞內DNA和其他高分子聚合體的形成，仍是試圖重現原始地球所發生的化學反應實驗中，亟待解開的謎團。現階段的理論指出黏土應是促成高分子聚合的重要角色，而且這種作用應發生在細胞發展之前。由生物學家目前普遍使用的一個簡略模型中顯示，分子開始組織起來的位置，是在週期性發生冰凍或乾涸的池塘邊緣的黏土塊粒般的表面上(圖8.9)。這種乾燥、冰凍或兩者同時存在的現象，常使得溶液中有機物濃度增加，並且幫助去除高分子聚合作用中產生的水分子。
黏土之所以重要，是因為在所有已知的微細物質中，它擁有著最大的表面積。此外，黏土中礦物質的排列特別適合於各種的有機化合物吸附在它顆粒狀的外露表面上。這兩種特質皆幫助了有機分子的聚集和水份的吸收。另外，黏土礦物質的組成原子，是排列於整齊的“晶格”中。晶格結構¾也就是如同有機高分子般重複性分子型式的所在¾其中所含的資訊，使得這種結構成為有機物質組織化的第一塊模板。
實驗証明，有一種稱之為“蒙脫石”的黏土確實是被當做一個模板，而幫助如腺甘？？？酸及鳥嘌呤這類重要物質的排列，以促進高分子聚合化的作用。除此之外，糖、脂肪酸，胺基酸，和蛋自質，都與此礦物質產生交互作用。“蒙脫石”可說是遍佈地球，而另一種類似的黏土，“囊脫石”，則是火星土壤的代表(見第14章)。黏土礦物質可能也存在於星際塵粒中，它們有助於產生那些被無線電波天文學家們在星際間所發現的一些有機分子(第94頁？？？)。在地球上，黏土主要出現在水聚流處的邊緣及底部，於此他們可以促成地球初期的高分子聚合反應(圖8.9)。
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圖8.9
特定形態的黏土特別適合高分子聚合體的形成。在水分乾涸時，黏土的顆粒便能幫助聚集於該處的化合物形成長鏈分子。圖下方的化學方程式則表示出兩個胺基酸藉著放出一分子的水而形成〝縮氨酸〞的過程。數個縮氨酸相互鍵結便形成蛋白質，並且在每一次鍵結中都放出水分子。
李斯利。歐吉爾（Leslie Orgel）及他在史多克（Salk）學院的同僚，則致力於另外一種論點。他們認為一些特定的有機分子，是可以作為生命起源基礎分子的模板。如同最近的發現，RNA可以自我催化(即做為自己的酵素)，顯示著RNA是在DNA之前，最早的訊息攜帶分子。
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高分子聚合體之外
讓我們對在瞭解地球生命的源起所做的努力上，做一個總結整理。我們已經完成重建的歷史如下：
1. 45億年前，地球有個原始大氣，是由含碳及氮的氣體，另外再加上微量的氫所組成，完全沒有自由氧的存在，這樣的大氣則覆蓋於充滿了水的岩石地表上。在慧星及小行星的撞擊和持續不斷的釋氣作用影響下，大氣層可能已歷經了數次的毀滅與重建。
2. 接下來的數億年間，地表逐漸形成分佈廣大的“原味湯”，並由有機化合物及磷酸鹽來擔任主料。這是因太陽紫外線幅射，閃電的放電作用、及其他方式所產生的能量造成的結果。而其中的一些湯料，也許是由慧星及隕星所帶來的。
3. 湯中其他的化合物是在區域熱源、水衝擊，及蒸發和/或冷凍作用的助長下，經過持續性化學反應而成的。
4. 由於這些結果，接著高分子聚合物才可能在黏土的表面上生成。
這樣的順序，並不足以說明生命的起源。事實上，我們甚至連地球原始大氣的組成，都沒有十成十的把握。這個模型也是不夠完整，因為我們仍無法知悉生命的化學單體是如何形成，也不知道他們是如何鍵結成這個被視為生命基本元素的高分子聚合體。雖然如此，我們至少已經證明，只要原始大氣中含有少量的自由氫，一些重要的化合物便得以形成。這鼓勵著我們更進一步地去努力解決高分子聚合作用的問題。在自然造物是何其容易的這個事實之下，我們的模型也因此得到了佐證。因為所有在清單中所列舉的分子，都可以在星際雲氣、慧星以及隕星中被找到。
在高分子形成的這個階段，我們幾乎就要找到生命起源的答案。但是我們並不知道自然是如何架構無生物與生命物質鴻溝間的這座橋樑。相當有可能的是，許多不同的組合方式都發生了，而且當中有許多物質已成功地再生。如此一來，我們認為〝生命〞就是一個已經發展到擁有自我複製能力的系統。
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但其實這已經是生命發展相當後期的階段。在此之前，任意合成的蛋白質說不一定因為接受了類似現今RNA高分子的指示而早已存在。一個能自原始RNA製造出更多RNA的蛋白質之誕生，可能早已開啟了生命的成功之路。理論上，生命對於第一次嘗試複製必定不是那麼地嚴謹，以現今DNA的標準來看，其過程一定是極度粗糙的。早期的基因碼可能也不十分嚴密，僅用於分辨那些具有類似結構的胺基酸，而並非是對其做有目標的篩選。
這一切生命的過程，在今天皆發生在活細胞內，但在當時，卻未必如此，它可能發生在起始化學反應產生的池塘水池中。另一方面，一些生物學家認為細胞膜的完整發展，顯示其可能在高分子的複製之前，即已存在。對於造成細胞¾為細胞膜所包圍的區域，有機分子可在其中相互反應¾進化的關鍵點，至今仍然不明。不管如何，我們倒是可以確定地說，高濃度的高分子聚合物容易凝聚在一起，將溶液摒除在外，形成一種滴狀物。而此種滴狀物可以被視為細胞的原型(圖8.10)，在適當的長鏈分子下，它們會形成一個薄膜，將滴狀物含括其內。
實驗已証明，在適當條件下，這些滴狀物可以形成一個能產生簡單化學反應的系統。但仍然沒有人能設計出一個自給自足的系統，來模擬原始細胞的狀態。
圖8.10
稱之為凝聚體的滴狀物是在含有蛋白質聚合體（比較圖8-9）、核酸、以及糖聚合體的溶液搖動混合下形成的。如果在其間加入酵素，它便可在滴狀物內催化一些反應，藉以模擬簡單細胞的一些功能。
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在針對這個問題的另一個研究方法中，科學家們已指出，若以在模擬〝原始〞環境中產生的胺基酸，來發展成蛋白鍵結的高分子聚合體，那麼這些高分子聚合體在適當條件下被加熱時，便會形成與細胞大小形態皆相近的微球體(圖8.11)。就算這無法代表細胞生成的確切路徑，這個實驗至少證明了物質有進一步組織排列的機會。而生命演進的下一步，便是將一個可以指引整個細胞形成、維持和再生的自我複製系統，納入這種原型細胞之內。
這種推測可以適用於現今地球上物質的組織。上述原始有機體的發展，即相當類似於今日的病毒。這並不表示一個流行性感冒病毒就好比今日我們在某些荒島(或是灣岬深處)上發現了一隻恐龍一樣，可以把他當作是個“活生生的化石”。現代的病毒展現出對於它“寄生主體“周密的適應性，而這些寄生主體又是在地球後期才出現的。說真的，有些証據指出，現代的病毒全是從細胞衍生而來，這樣說來，在生命發展的過程中，細胞又應當發生在病毒之前了。
圖8.11
如果我們將某些類似於動物體內蛋白質的高分子聚合體加熱，其中的一些長分子鏈便會形成狀似細胞的微球體。
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但是，就其結構及功能來看，現代病毒與我們假定的原始有機體非常相似：兩者皆含有核酸，及蛋白質所組成的鞘殼，而且潛伏期都很長。對於這種原始且類似病毒的有機體而言，一個小而溫暖的池塘，或許就可以說是它的寄生“細胞”了。
結語
在我們試圖探索地球生命起源方式的過程中，我們必須瞭解一個事實，生命在至少35億，或許40億年之前就已經開始，而當時的地球環境與現今的差異相當大。而早期的地質記錄皆已消逝了，因此，我們必須根據現有的證據，以推縯的方法來揣測原始地球當時的狀態。
生命起源的化學進化需要一個沒有自由氧存在的環境。對早期的地球而言，這不是一件難事。因為現今的大氣內，幾乎所有的氧，皆是由25億年前即存在的生物光合作用而產生的。地球的原始大氣可能主要是由含氫量豐富的化合物，如甲烷和阿摩尼亞所組成。根據最新的證據顯示，原始大氣也可能是由二氧化碳，水蒸氣，一氧化碳，以及氮所形成的混合氣體。實驗上驗證出來，如果將這種混合氣體的任一組合，放置於一池水（模擬原始海洋）上，並暴露在紫外線幅射下（模擬未被地球現有臭氧層所過濾的太陽光），則簡單的有機分子便可以形成。這些有機分子包括了胺基酸，一種蛋白質大分子的基本結構單位。其他一些形成生命有機體中小分子所必需的化合物，也能在這些實驗室的模擬中產生。
對於生命的自然源起是絕對始於地球的論調，又有另一種有趣的說法。它指出所謂“先發性啟始”的存在，即地球在形成後的數億年間，一直遭受著慧星及隕星的撞擊。這些撞擊至少提供了豐富的碳、氮、氧及氫。而另外一種可能是，一些已知出現在隕星（以及慧星核體）的有機分子，在到達地球表面後，也匯入了那滋潤生命源始的溫暖小塘中。
一些在原始地球上形成，或是被傳送到原始地球的小有機分子，皆集中在池塘聚流裡，它們可以在池塘中鍵結而成長鏈的典型蛋白質及核酸。這些長鏈，或說是高分子聚合體，一直重覆著一個基本型式的構造單位。促進這種高分子聚合作用的方法之一，便是在黏土顆粒狀凸起不平的表面，聚集這些分子，然後經過週期性冷凍及解凍，或蒸發及潤濕的過程。還有另一個可能的方法，便是利用其他的有機化合物來作為模板。
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當不同類別的分子經歷過了各個階段，第一個能在分裂後進行再生的自我複製的分子結構，於焉誕生了。即使它的生命是短暫的，它也是自然界以嘗試錯誤的修正方法來製造生命的產物。具有複製再生能力的高分子聚合體相較於偶發形成的高分子，有著絕佳的優勢。因此，對於DNA複製能力的基本機轉，會出現在地球上每一個能自我再生的有機體的當中，也就不足為奇了。
問題
1. 為何我們認為在地球生命起始時，地球上的氧含量比起今日少了很多？
2. 為何我們不能藉著研究岩石中的地質記錄，而判定地球剛生成時的模樣（45億年前）？
3. 今日地球大氣層中的氧是由何處而來的？
4. 我們大氣層中的氮是從何而來？在哪種情形下大氣中的氮會逸出？又經由那種程序可以得到回補？
5. 數十億年前，地球生命是如何發生的？你認為什麼是這種過程不可或缺的成份？
6. 在實驗室模擬原始地球的環境狀態下，可以告訴我們哪些相關於有機分子形成的訊息？設計一個完全複製原始地球的精確實驗時會面臨哪些困難？
7. 何以黏土對複雜分子的製造，可能相當的重要？
8. 外太空存在的有機分子，有可能與地球生命的形成有密切的關係嗎？那又是什麼樣的關係呢
9. 在愈來愈多複雜分子形成的狀況下，何種情形會使你認為“生命“出現了？為什麼？
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10. 你認為現代細胞最原始的祖宗長得什麼樣子？它們必須克服哪些環境上的危險障礙？
進階參考資料
9. 從分子到心靈
在關於地球的生命起源的討論中，我們指出了生命可能起因於一種高分子的聚合作用：它是一個長鏈分子自發性形成的過程，可能發生在遭受著週期性冰凍或蒸發作用的池塘邊緣的顆粒狀黏土上。包括那些可以擔當模板來製造別種分子的高分子聚合體在內，他們是以滴狀的形態存在，並被其他的化合物包圍隔離。這種生命發展的模式，象徵著此種含有高分子聚合體的滴狀物，應該就是產生第一個真正細胞的“原細胞”。
原核生物
因為病毒無法單獨生存並且是由活細胞中進化而來，所以生物學家習慣說最簡單的生命有機體—在結構組織上是最不複雜的有機體—乃是最簡單的細胞：細菌。
細菌細胞是“原核生物”—沒有特定中心或細胞核的細胞—而其希臘名稱就是代表著“在核之前”的意思。每一個原核生物內含有一條具有數千種基因的單股DNA。這個基因數目是病毒所含數目的數百倍。所有的活細胞，以及大部分的病毒，皆使用DNA來傳遞基因訊息給下一代。一些病毒則會使用極為類似的RNA分子來擔任這個工作，但這是絕不會發生在細胞身上。既然原核細胞所含有的DNA或RNA是病毒的數百倍，所以原核生物的再生能力也比病毒更加複雜。我們幾乎可以斷言最早的細胞就是原核生物。與病毒不同的是，原核生物是一個可自由生存的個體：他們不需要植物或動物的“寄生主體”，自己就可以製造蛋白質及進行再生。在已知具有獨立生存能力的生物系統中，這種有機體是最簡單的一種。
第一個原核生物，在其進化過程中，可能必須仰賴自然環境下的營養物質：一些由紫外線和其他能源與原核生物所在的化學混合物間，相互反應而生成的有機化合物。我們可以想見生命的起源是由“食物”到“生命”的自發性轉化，不需要生命有機體的介入。第一種有機體必定會發現他的周遭盡是些原始物質(“食物”)，本身的化學系統也因為這些食物而發生了重組。
當食物的來源因地球大氣層的變化而消失殆盡之時(見第8章)，一些微小的原核生物也相應地做出了些驚人之舉。他們發展出一套高等生物能得以增殖，生命能得以在宇宙中綿延不絕的基本程序：將日光轉換為可儲存的化學能，以備進一步的需要。簡言之，原核生物“發明”了光合作用。
最早記錄著地球生命的化石，即是由這種有機體群所遺留下來的(圖9.1)。早先被稱為“藍綠藻”的一種行光合作用的簡單細菌，至今在地球的生物圈，也就是地球生命的整合系統中，仍具有著重要的功能(見圖8.4和彩圖7)。因此這些細菌被當作生命對環境的適應中，一個最早且最成功的代表。雖然最早的光合作用型式，可能是使用硫化氫(H2S)而非水(H20)，也因此釋放出了硫，來代替氧，但這已經顯示出能行使這種光合作用的細菌的非凡進展。
圖9.1 這是於澳洲(見圖8.4)所發現有35億年之久的藻層的橫切面。他也是地球上已知生命中最古老的。這種層層相疊的半球形結構即是此種微小生命的化石特徵。存在於行光合作用的細菌連續群體間的淤泥，則是這種層狀結構生成的原因。這個岩石的橫切面是20公分。
在描述細菌光合作用中，我們可以簡單地使用“恆星光源”來代替“太陽光源”。如果藍綠菌是生長在環繞半人馬座a恒星軌道上的星球，他可以盡情使用來自於此恒星的輻射，就如同他現在使用陽光一樣。由此結果，我們可以立刻聯想到是否有可能將某一個遙遙太陽系中的特異行星，轉換成人類得以居住的環境：我們只要在此行星的大氣和海洋中種下能夠產生氧氣的微生物有機體就可以了。無論如何，在這種“直接性胚種論”的方法成功前，我們必須先調整此行星中微量元素的組成。
當試圖解開地球生命早期進化的謎團時，我們應當注意今天的原核生物仍然提供地球轉換成含氧量豐富的環境的證據。原核生物中，有的只能存活在完全無氧的狀況下，有的則對於氧氣的存在與否，並無所謂，而另外有些則必須要有氧才能生存。這種多元性是與下列的說法相符合的：假定地球的大氣層是藉著光合作用所釋放出的氧氣，而由缺氧變成高氧，那麼這個過程可能是發生在原核生物主宰地球的時期。當我們接觸到更複雜的生物¾真核細胞¾時，我們發現這些細胞均依賴著氧氣而生存，幾乎是無一例外的。而原核生物，當然是出現在他們之前。
地球轉換成高氧大氣的過程，明顯是發生在25億到20億年前間，甚至更早。起初大氣中的氧氣對包含製造它在內的所有原核生物，皆是有毒的。對他們而言，氧氣一直以來都是一種廢物，而且還是大氣中最多的“污染物”。但是氧氣是生命新陳代謝最易獲取的能量來源，所以已經造福了那些能使用這種新氣體的生命體。
非常有趣的是，將葉綠體分子這個植物釋放氧氣的基本物質，和一些重要的攜氧分子比較，他們皆有相同的結構單體(稱之為比？？？咯紫質)。這些攜氧分子相當多，例如血紅蛋白(我們紅血球中的含鐵色素)，血藍蛋白(在許多海洋動物中，一種含銅而功能相當於血紅蛋白的物質)，以及存在於大部分進化細胞中的複雜蛋白質如細胞色素。這個事實告訴了我們地球生命的一個重要通則：進化的生命型式會使得原來有其他用途的一些化學結構，因應著環境的變動而發生變化。換句話說，便是在已有的結構上做最小的改變來因應環境的變化。這個選擇的過程和天擇作用一樣，都是發生在分子的階層上。從這個角度來看，使用氧氣及釋出氧氣的能力，在生命進化上應該是發生在約略相同的時間。
真核生物
圖9.2 真核生物含有具備真正細胞核的細胞一即含有DNA的染色體。並且DNA的染色體是由核被膜所包覆。
地球大氣中自由氧的出現和許多種生命形態的進化發展，在時間上是一致的。我們不知道各式各樣存在的原核生物是如何演化成含有真核的〝真核生物〞(圖9.2)。而真核生物出現前，應該是有一段進化的過渡期，大約發生在20億到10億年前之間。(因為缺乏早期真核生物的化石，所以我們無法確認發生的時間)。
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真核生物是地球目前最複雜的進化形態。真核細胞的染色體¾即細胞中含有DNA的部份¾是在有核膜圍繞保護的細胞核內。而真核細胞在希臘文中，即是指這種細胞核是〝真正的細胞核〞的意思。
真核細胞的染色體通常含有數萬個基因，而細胞內DNA的量也是在細菌細胞中所發現的10到1000倍。真核生物的基因系統貯存的訊息要比原核生物多很多；而在細胞結構及功能上也是更加地複雜。真核細胞有著相當重要的內在結構：一種稱之為〝胞器〞的單元次體。胞器有著自已的基因和蛋白質合成工廠，並且專司特定的功能(見圖9.2)：例如在動物及真菌中，便有稱為粒腺體的胞器來負責呼吸作用，而植物細胞中則有葉綠體來負責光合作用。
真核生物是如何由原核生物進化而來的呢？傳統上認為他們是漸序性發展而來的。藉著林×馬鳩利思(Lynn Margulis)的實驗，一切便真相大白了。這種真核細胞的專一化，乃是由兩個或更多個的原核細胞〝共生〞(互益)的關係而產生的。我們可以想見一個原核生物能受益於光合作用，但本身卻無法行使該作用，但他若是與含有豐富葉綠素的相類似的原核生物互相結合，那麼很快地便具備了行使光合作用的能力。這種共生鏈的發生暗示著粒腺體及葉綠體都可能是衍生自細菌，而更有力的證明是葉綠體和粒腺體的基因系統與細菌中的基因系統十分相似。
自第一個真核生物以來，細胞功能和結構的專一化便隨著進化的過程而增加，並繼而發展出如器官這些較大而且更加複雜的結構。每一個人或其他哺乳動物，都含有近10兆(1013)個細胞，分屬於約一千種不同的種類。而最神奇地是複雜的人體結構只是在生存及再生的競爭中，天擇的過程下的產物。人類極端的自我意識也是依循這種競爭的模式下發展來的。
當有機體不斷地再生，最後便發展成“有性生殖”。所有的真核細胞都可以行無性生殖，但有性生殖的好處卻使得大部分高等的真核生物都使用這種方式。由於雙親中的每一方，各自貢獻其基因組成的一半，因此有性生殖下新生代的基因，一半來自父親，而另一半則來自母親(圖9.3)。在與新生代基因和其單親完全相同的無性生殖相較下，有性生殖在代代相傳時基因組合所發生的轉換，使得天擇的進行快了許多。
在此之前，我們已經把地球生命在數十億或數億年間的輝煌發展做了一個簡述。地球誕生於45億年前。我們手頭有記錄可查的最早生命，是出現在35億年前。地理證據則顯示大氣在25和20億年前間，含氧量開始變得豐富，而這與化石記錄中疊藻層的遍佈¾藍綠菌及其他行光合作用細菌存在的證據¾在時間上是一致的。第一個真核生物出現在大氣含氧量變化的十億年之後，也就是大約16億年前(圖1.9)。雖然生命在地球45億年的歷史中佔據了大部分的時間，但在這個長遠的過程中，生命主要卻是由那些細微到肉眼都難以辨視的微生物所組成。
圖9.3 有性生殖中，每一次受精作用會製造出一個細胞，而其染色體(DNA的攜帶者)有一半來自父親，另一半來自母親。所有的DNA在之後的分化作用中則被完全複製，於是動物中的每一個細胞都能得到其染色體的精確複製品了。
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每當思及生命的進化時，我們腦海常浮現的是猴子與人類由原始的哺乳動物中進化而來，或是鳥類及爬蟲類自早期脊椎動物衍化生成的景象。這些例子是離我們最近期的進化階段，但其所代表的時間卻不到地球生命歷史的十分之一。生命發展歷史的主體，應該是包含了產生第一個原核生物前所歷經的冗長而緩慢的轉變以及由原核生物演化成第一個真核生物的過程。這些微生物“發明”了高等生物生存所必備的一切生化物質。因此，我們不應該忽略他們的重要性，同時我們必須瞭解，外星生命的發展主體或許也正是這些微細的生命形態。
大躍進
在強調微生物是地球數十億年間唯一的生命時，我們不應該貿然地認訂生物複雜性的增加都須要經歷這麼長的一段時間。相反的，這樣的生命歷史不過是說明生命的初期階段總是較後期的發展更為耗時，而且複雜化的起始步驟也比後期的階段，要來得艱辛許多。
差不多6億年前，在大量經光合作用產生的氧以及新的生存環境等條件誘因下，生物體不論在分佈、數目、及種類上，皆有著巨幅的增加。這些生物體的化石揭開了地質學上“寒武紀”的序幕。這個時期開始於單細胞真核生物進化成軟體生物的長期演變之後。這種進化衍生出類似於今天水母般的生物，這種生物的全盛時期是在寒武紀開始的五千萬或一億年前(圖9.4)。證據顯示，由單細胞到多細胞生物的轉化已經發生過很多次了；現代的生物並非繁衍自同一種類的多細胞祖先。多細胞性質看來是進化中確實發生的一個過程。相較於寒武紀之後，我們對於寒武紀之前的生命發展所知實在是太少了。這是因為在寒武紀之後，生物體才開始有“硬體部分的進化”¾如鞘殼、甲殼、及外骨骼¾而這些物質在沉積岩中長久保存後，便形成今日我們所發現的化石。
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寒武紀造就了進化的快速變動。地球起始的40億年後，便出現了三葉蟲，他們豐富的化石遺跡代表著寒武紀時期的來臨(圖9.5)。
圖9.4 有七億年之久的羽狀珊瑚蟲化石，來自於寒武紀初期前的一個稱作埃迪卡拉（Ediacaran）的短暫時期。在地球生命的發展史中，他們是已知的多細胞生物中最老的。
這種動物，擁有化合物構成的眼睛，突顯了他在進化史上的重要地位。不過由人類的標準來看，三葉蟲仍然是非常原始的；在寒武紀中，三葉蟲不太可能可以建造並使用電波望遠鏡與外星上的三葉蟲相互聯繫，但就在這個蠍子的遠親出現的6億年後，某些類猿人開始自古非洲的叢林移居到開闊的平原。而在他們移居後不到三百萬年，我們人類已經開始想要與宇宙中其他的住民，互通訊息了。
我們可藉由圖表(圖9.6)，或者是類似年曆的方法，來看看進化過程中不同階段的演進。如果把整個地球歷史比喻成一年，並且從一月一日開始算起。那麼在初夏時分，藍綠菌便製造出含氧量豐富的大氣；但是寒武紀卻要等到11月13日才開始，從12月13日到12月26日，便是恐龍由全盛到滅絕的時期；人類的始祖，直立猿人則出現在12月31日的晚餐時刻，並且在12月31日結吏前的十分之一秒內，也就是晚上11：59：59.9155前¾這麼一個少於地球生命史一億分之一的時間內，人類才具備了傳達新年祝福至銀河系另一端的能力。
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圖9.5 在寒武紀初大量繁衍於海洋的三葉蟲，有著一雙眼晴及相當複雜的軀體結構。本圖片的三葉蟲化石約2公分長。
這種時間規格，在我們對外星生命的尋求中提供了有用的資訊。在喬塞夫 •契卡拉斯基(Josef Shklovskii)及卡爾•薩根(Carl Sagan)提出的平凡假說中假設出地球生命的發展是一種典型模式。因此就算在並不清楚地球生命起始及發展過程細節的狀況下，我們仍然可以假定不管在哪顆星球，從該星球形成之初算起，文明生命發展所需要的時間大約是45億年，或者說是30到60億年的時間。但是對於具有星際通訊能力的文明生命，其生存的時間，也不過是一個年度當中的最後那十分之一秒。運氣好的話，碰到一個進化過程與地球生命十分類似的外星生命，他們可能也需要47億，或甚至50億年的時間才能達到我們的水準。(必須牢記在心的是在討論人類的歷史時，我們所說得不過是在整個高潮迭起的年度中的最後幾分鐘)在這種情形下，想要與和地球同時生成的星球生命有所接觸，是註定要失敗的。另一方面，只要是進化速率上的一個小幅改變，便可能造成和地球同時生成的星球上的生命發展，早在數億年前便已經達到我們現今的智識水準了。
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圖9.6 地球的地質形成時間表涵蓋了自地球形成以來45億年的時間。生物複雜性的演變，在最近的7億年間才有著極遽明顯的增加。
因為其它的星球非常可能比太陽及其諸行星年老或年輕個數十億年，所以在比較地球生命與外星生命的發展過程中，這會又是另一個變數。唯有在找到進化時間、過程與地球相符合的行星，我們才會認同該行星自形成到發展出具備星際通訊能力的文明生命，大約需要30到60億年的說法。
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適合生命生存的恒星
這樣一句簡單的陳述，卻已經告訴我們，該由何處去尋找銀河系其它的生命。我們必須先將搜尋的目標限定在中心恒星的主序生命期已經超過幾十億年以上的行星系統上，這樣才能確保在生命進化的期間，恒星的光度能大略保持不變。一旦恒星脫離了主序期，其光度的增加將嚴重造成行星環境發生不可逆的變化。
若強制限定主序恒星的生命期至少40或50億年，我們便限制了所搜尋的恒星光譜型式必須在F5或者更冷些；也就是由F5型到F9,G,K,及M的恒星。這個設限似乎會有些困難，因為天際中最亮的恒星多為O,B,以及A恒星，但事實上，大部分的恒星皆符合我們的要求。譬如說，在最近於太陽的25個恒星中，除了有2個例外，其餘的都比光譜型式F5的恒星還要冷而且壽命更長。
由地球各方面條件衍生出來的時間要求指出所搜尋的恒星，必需至少有40或50億年之久的歷史。換言之，如果我們挑了一個G2恒星，雖然有與太陽相同的光譜型式，但是其主序期不過是20或30億年，在其軌道上運行並且與地球相似的行星上(如果有的話)，我們所能夠發現的“最多”不過是某種細菌的群體罷了。但以我們存在於宇宙中的茫然與孤獨感而言，這仍會是一個令人驚天動地的發現。接下來，如同將在第14章所見到的，我們並不需要登陸行星，只要藉著研究行星的大氣組成便能知道生命是否存在。這種方法使得我們可以從分析行星及其及大氣的反射光中，對遙遠的行星進行生命的搜尋工作。但無可否認地，偵測到先進外星文明的訊息或者能和外星密使接觸才是最具震憾性的。基於此一目標，我們應當去尋找一個主序生命期至少與太陽的45億年星齡差不多的恒星。
外星生命
就算我們找到一個主序生命期至少40或50億年，並且能照射穩定光能於一類似地球的行星上的恒星，是不是就能保証我們一定可以找到具有智慧的生命呢?而所謂的類似地球的行星又是什麼意思?文明生命發展所必需的基本條件是什麼?只有在找到另一個文明生命的存在後，這些問題才會有肯定的答案。但是我們可以對這個複雜的問題作一個總體性的概述，也就是說，藉由對地球上生命發展的研究心得應用到其他的行星上。
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從對地球上生命的觀察，我們所得到的第一個強烈的印象是液態水的重要性。地球上的生命始於水，而水也是維持生命的必需品。大型的生物要到3億5仟萬年前，才有適應陸地生活的能力，而這已是生命起始後至少30億，或許40億年以後的事了。我們也可以想像一些其他形式的液態環境，例如阿摩尼亞海(
他的有些缺點將會在第10章中有所討論)。但不管如何，看來生命真的需要一個液態煤介來傳送及濃縮一些重要的分子。在自然界中，液態不是那麼容易發生，因為周遭的溫度必須要保持在一個極小的範圍內，並且還要有形成生命所需的高分子聚合體。我們所要的不只是隨便一種液體就可以了，它還必須存在於高分子聚合體的表面，並且處在一個可以發生蒸發或凍結的環境之下。在一個以約略呈圓形的軌道運行並且與恒星保持適當距離的行星上，這兩種條件並不難達成。在我們太陽系中，具備這些條件的便有地球、火星以及一些較小的星體。今天我們可以自豪地說，地球是太陽系中唯一有海洋及生物活動力的行星。
一旦生命開始，他需要在陸地上才能有進一步的發展嗎?對此，我們並沒有確切的答案。地球上的高等生物都是在陸地上進化而成的。陸地環境所具備的多元性以及豐富的氧氣，似乎加速著自然天擇發生的速率：所有已知的植物及動物種類中，約略有百分之80是發現於陸地上。進一步說，海洋環境在形態及功能上的要求，對天擇下的高等生物而言，並不似陸地環境般的有利。例如對流線型體態的需求，便抑制了能操控物品、甚至製造工具的四肢發展。事實上，如鯨魚和海豚這種最聰明的海洋生物，他們的祖先卻是類似水獺的陸地動物。在其他各種條件相同的狀況下，我們可以尋找一個擁有液態水，而且尚未淹蓋整個地表的星球：也就是尋找一個同時擁有陸地及海洋的星球。
但是，其他的條件會全然相同嗎?認定外星生命要必需與地球上的相類似，是一個錯誤的假設嗎?畢竟，如章魚、海盤車，龍蝦等具備有巧妙操能力的附屬肢生物，他們的軀體也不是那麼地流線。也許全然被海洋所覆蓋的行星，也可以發展出具有智慧的海洋生物，而他們可能會是類似於軟體動物，而不是像哺乳類動物。另外，溫暖的海洋也可以提供相當於哺乳動物血流的功能。但這樣的生物體，是否也懂得天文學，並會思考著穿越茫茫宇宙與其它的生命相接觸的可能性?在找到一個全然被海洋覆蓋的星球前，我們既然無法探討這樣一個問題，也只好將它先行保留（圖9.7）。
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圖9.7 未知星球上的海洋生物，正在觀察一個罕見的景象：由這個星球的雙衛星所造成的雙日蝕現象(一遠一近)。
智慧文明的進化與發展
假設我們有一個環繞著具有適當年齡的恒星運轉的行星，而此行星表面有著海洋及陸地，並且在上面生命正進行著如過去發生在地球上的“早期”進化。那麼，這個行星出現文明生命的機率如何?也就是說，有沒有可能發生文明的生命？為了回答這個問題，我們必須先仔細瞭解進化的過程。
在生命的分子階層上，我們已描述了引起進化改變並導致生物種為適應環境而改變特徵的過程。這種過程藉著DNA嚴謹的複製作用，產生了稍微不同的新DNA分子(見第169頁???)。
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DNA分子以極佳的穩定性，來抗衡這些變化。在高等生物中，細胞的100,000
次分化中，才會有一個基因發生突變，若這種錯誤發生在一個個體的胚源質上，
則可能會改變其後代的特徵。誠如生理學家，路易斯•湯瑪斯（Lewis Thomas）所說：“偶爾會犯個小錯誤，才是DNA真正神奇之處。沒有這個特質，我們將仍只是個無氧性細菌，而這兒也不會有音樂的存在。”
當檢視著地球化石中進化的記錄，同時在空缺處，加入一些想像，我們注意到兩件重要的事實：第一，生物種的發生，在時間的流程中，是不會重複的。在三葉蟲消失後，一些節肢動物接著來來去去，但三葉蟲卻從未在代表生物多元性的分枝樹狀系中再度出現。第二，在生命由第一個真核生物轉化到人類的35億年期間，某些生物種，卻始終保持不變。例如藍綠菌以及一些其他原核生物（特別是無氧性細菌），到今天仍然以和他們的原始型態幾乎毫無差別的方式存在。
只有少數的生物種未曾改變。自然的天擇是有其方向性的，領引著生物種往更複雜的型態發展。當宇宙的亂象漸增，生命卻往相反的方向前進，而且速率也隨著複雜性的增加而增快。月球上沒有藍綠菌的存在，但人類卻已經登陸月球了1。我們擁有了這種能力，卻也付出相當高的代價，人類恣意地相互屠殺，這倒是藍綠菌所沒有的能力。
註解1：不過在每一個太空人的身上，都有超過十億個的細菌隨著他們在月球上“漫步”。
智慧文明的發展是必然的結果嗎？想要評估文明生命是遍及於宇宙，還是極度的稀有，我們必需考量地球上的文明到底是如何產生的，另外還必須試著決定出文明為生物種所帶來的是利多，還是弊多。難道智慧文明總是大災難的種子，導致文明物種的毀滅？目前，我們還無法回答這個問題。我們所能說的，只是如果由地球上的例子來看，自然的天擇的確傾向於往具有智慧及自我意識的生命型態來發展。至於下一步將會發生什麼，則仍然是個未知數。
讓我們先定義“智慧文明”。對我們搜尋生命的這個嚴謹的目標而言，所謂的文明生命，乃是指已經能夠在星際間被動或主動地相互通訊的生命。
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而在這樣狹隘的定義之下，我們似乎將柏拉圖、米開朗基羅、莎士比亞以及牛頓等都排擠在這個“文明俱樂部”之外了。其實不！就如同我們把45億年當作成一個年度來看的話，紀元前2500年（即埃及金字塔建造時期）和今天的距離，是可以完全被忽略的。我們對智慧文明採用如此嚴格的技術性定義，是因為具備這樣的能力才能跟銀河系其他文明相互接觸。而找尋這種接觸，則是我們的最終目標。在此種定義下，對於文明物種的其他習性特徵一譬如結構、大小、音樂能力、及是否好戰成性等等，都給我們留有自由想像的空間。
智慧文明的發展是無可避免的嗎？
近期地球上生命進化論的科學觀，在智慧文明是否絕對會發生的觀點上產生了分歧。而在另一方面，智慧文明有助於物種的生存，使得他成為高等生物的發展過程中不可或缺（此處生物學家所考慮的智慧文明，相較於我們先前所述的，有著較一般性的定義）。姑且不論我們離開地球的（潛在）能力，人類總是有辦法來改變環境以符合我們生存的條件，並避免遭受到絕種的殘酷事實。我們懂得醫療，解除飢餓，旅行各地，並且將這些知識代代相傳。由傳統的角度來看，這種收集和傳授訊息的能力，使得我們擁有了智慧文明以及極高的生存價值。
另一方面，生存了35億年的無氧性藍綠菌告訴了我們，智慧文明並不是生存唯一的法寶！比較正碓的說法是，一旦生物體達到某種複雜程度以上，智慧文明的發展才會有助於他們的生存。在証明人類可以持續生存達數億年之久之前，我們對於這樣的說法也是稍存質疑的，因為智慧並不突出的恐龍也生存了很久。
地球文明的進展速度，使我們對於文明已經在銀河系中數度出現過的說法更具信心。想像一下，如果地球上的人類突然全部消失。那麼再等到一個具有文明的新物種發生，又要再經歷多久的時間呢？1億年前，地球上唯一的哺乳動物，是那些類似於地鼠及鼷鼠的小動物（圖9.8）。到大約3百萬年前，第一個原始人類才出現。這兩個不同的時間讓我們知道地球上文明生物的演變大概需要多久的時間。
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圖9.8 2億年前，地球上出現的第一個哺乳類動物是和今日的地鼠和鼷鼠相當類似的。他們可能一面獵食著昆蟲，一面防範著恐龍的攻擊。圖8.2是當時地球上大陸陸地的結構分佈。
1億年是相當長的一段時間，如果我們已經毀滅了，這樣的一段時間或許已經足夠給地球帶來另一種具有智慧的生物，說不定比人類還要聰明。而如此一來，地球上文明出現所需的時間便會從45億年增加到46億年。那麼諸恒星會不會注意到這樣一個微小的變化呢？
如果我們人類確實毀滅，但同時代的其他生物並未完全地根絕，或許我們會認為人類的遠親將會接著繼承為地球的主宰。例如海豚的後代，就會如同百萬年前哺乳動物的祖先一般，再度回到陸地。又或者是另一種類猿人，由樹居而轉變成穴居和原始的農業生活。我們也可以想像著各種文明進化的方式，像是後代發生了適當突變的生物，例如愛嬉鬧的水獺或是聰明的浣熊，或者是能製造工具的高等章魚等。而在這許多平行進化的例子中¾例如章魚獨立進化的眼睛，雖然和哺乳類動物的雙眼有著不同的結構，但功能卻十分地類似¾我們知道如果有新的環境產生，一些生物種就會發生進化以適應這個環境。
如果人類有一天消失了，我們相信自然天擇會再度地由廣大的基因群中，產生出具有智慧的生物。這個新的地球主宰可能是個具有雙眼視力及製造工具能力的哺乳類動物。然而除此之外，他們與人類或許並無太多的相似。絕種的三葉蟲留下了一個訊息；一旦一個物種絕跡了，就不會再度出現。這似乎也告訴了我們不應該再期待在另一個世界中會遇到相同的人類。引用羅倫•艾斯理（Loren Eiseley）的話：生命，甚至是細胞，可能存在於黑暗的彼端。但不管是屬於自然界中高等的或低等的生命，他將不會具有人類的形体。這種形体，是從森林屋頂的閣樓上，經歷了奇特而漫長的流浪過程的產物。然而最偉大的，莫過於他失敗的機率；因此，不會再有全然相同的人類再從相同的路徑而來。
地球生命更進一步的進化
生命的進化是否在人類出現後便停止了呢？並沒有任何理由可以支持這樣的說法。但是人類已經帶給生命進化一個新的影響：試圖刻意地控制。這種影響在人類人口急速擴張的現象中最為明顯。查爾斯•達爾文天擇論中有一個重要的觀念：任何物種，其下一代的數目絕不會比前一代來得多。因為大部分的生物體皆有極多的後代，這個事實則暗指了大部分生物體的後代都無法存活到可以進行生殖的階段。這種生存及再生上的差異，使得“成功”的個體數目得以增加，而較不成功的個體便被自然淘汰。
人類試圖調整這樣的程序。我們共同努力克服了疾病、飢荒、遺傳缺陷、以及天災。而在這樣的努力之下，人類的個體數目的確是增加了。人口的大激增，一是由於農業的發明，二是由於我們知道如何預防治療一些常見的致命疾病。在過去的幾世代，人類人口每35年便成長一倍，這種激增的速度製造了許多的問題，不斷地挑戰著我們在政治，社交以及科技上的能力。但如果真得能控制人口的成長，我們才能夠預見人類在地球上長遠的未來。由進化的角度來看，控制人口的成長使人類免於絕種之後，又有哪些事會接踵而來呢？
其實我們的去處並不難想見。當人類更加瞭解天擇論並且能控制他的進行後，諸如基因工程、複製以及延長人類生命的各種階段性的實驗在人類不斷尋求長生不死的激勵下，愈演愈烈。
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在還沒有具備任意組成各種生命形態的能力之前，我們只能拼命地想辦法來延長生命。如果離我們的後代子孫具備了這樣的能力，他們會選擇長生不死？還是聽天由命呢？也可能有人會發現長生不死是如此地無聊，因而急於讓位。我們只能在這兒猜想擁有不朽生命後的種種情形，但是宇宙中如果真得存在有高度文明的生命，他們對於這種情形應該是瞭若指掌的。天文學家法蘭克•德瑞克（Frank Drake）曾指出這個問題的答案，對我們探尋外星文明有著莫大的影響。在星際間某個不朽的種族可能早就已經出現，鎮日沉浸在儀式慶典與娛樂當中，或許會和他們一樣的族群保持著聯絡，甚至(雖然看起來不太可能)極欲將他們的知識介紹給進化較低的群體。
生命之網
雖然我們的存在對於自己和其他人都很重要，但不要忘了，人類不過只是地球上生命的一小部分。“生態學”是一種探討生物體相互間以及生物體與環境間關係的科學，當我們對生態學瞭解得愈多，也就愈能明顯地感受到其他生物對我們的重要性。在生物體的相互依存中，有一些是眾所皆知的例子：如病毒及細菌，螞蟻及蚜蟲，人類和穀類等等。生態學家所強調的是地球並沒有一個封閉型的生態系統。換言之，我們不能將一個環境以鐵牆圍堵起來，還寄望其中的生物能夠生存無礙。所有的生物都是彼此依賴的，而對於這種依存的瞭解，我們的所知還是相當地膚淺。
或許聽起來有點奇怪，但是我們確實可以從對地球大氣的討論中，對這個問題看得更加透徹些。從來沒有生命發生過的地球會是什麼樣子呢?假設自然界原味湯中的第一個實驗是失敗的。地球的重力不足以牽制住氫原子而使得他逃逸，結果有機化合物便會被太陽紫外線所破壞，漸漸形成氧化狀態：也就是與太陽紫外線所破壞的水分子所釋出的氧發生鍵結(圖9.9)。在缺乏新的有機化合物的來源之下，地球的碳就逐漸形成為二氧化碳。
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把所有埋藏地表的有機碳，如頁岩，煤，石油，以及碳鹽中的碳總和起來，我們可以評估在無生命跡象的地球上，二氧化碳存量的多寡。譬如像石灰石，他是一種鈣的碳酸鹽，主要是由鈣，碳，及氧，在生物體出現的過程中逐漸形成。若我們根據地球有機分子和碳酸鹽中碳的含量來計算二氧化碳的量，其結果可能會令人相當震驚。如果所有的二氧化碳皆進入大氣層，我們大氣層的質量將會是現今的70倍；換句話說，大氣壓力將會增加70倍。要達到這個極限值，我們必須排除生命效應以及溶解於水中的二氧化碳在風化作用下所形成的碳酸鹽岩石的因素。
圖9.9 在缺乏生命幫助重生的情形下，有機化合物暴露在地球強烈氧化的環境下，他們會快速地與氧反應而生成二氧化碳，水，以及硝酸鹽類。
換言之，如果地球既無生命，也無水(至少，無液態水)，那麼大氣層將幾乎全部由二氧化碳所組成，而且厚度也會是現今大氣的好幾倍。缺少了水，一些氮及氬便會持續存在於這個二氧化碳的大氣當中。而這現象(見第12章)正是我們的姊妹行星—金星的寫照。
我們可以說由生命是否存在的角度來分析，內太陽系的行星確實是有其意義的，例如我們在稍後的章節將會探討到的金星，便似乎沒有生命或液態水的存在。而且我們可以將這個分析廣泛地應用到太陽系及其他外星系的行星。
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大地之母¾蓋婭
大氣層的構成要素與地球生命有著密不可分的關係。我們認為生命的起始是由於地球大氣中有著產生生命體不可或缺的物質。而生命的延續則仰賴於大氣層，因為大氣層可以媒介化學交換的發生，作為熱力的屏障，並抵抗紫外線及宇宙射線粒子的穿透。
針對地球生命與大氣層間錯綜複雜的化學作用，兩位科學家，詹姆斯•勒洛克（James
Lovelock）以及林恩•馬古利斯（Lynn Margulis）提出了一個重要的基礎理論，他們認為地球上的生命調節著低層大氣的組成，並藉著控制含有生命延續所需元素的重要氣體來調節大氣的組成。他們認為生物體的生成，對於環境中，包括控制行星平均溫度的氣體在內的化學反應，有著相當重要的影響。平均溫度是絕對會影響生物生長的，而這種”反饋式循環”的潛在性，在研究生命與無生命環境的各種交互作用時，不斷地被發現(圖9.10)。
地球生命的整體系統¾所有的生物體以及生物體所產生和消耗的氣體、液體、和固體¾由勒洛克（Lovelock）及馬古利斯（Margulis）依循希臘文大地之母的意思命名為“蓋婭”。蓋婭是40億年進化的成果，在其間生命以分化和繁衍的方式形成今日各種不同的生物。這個假說指出蓋婭維持了生命蓬勃發展所需的最佳平衡狀態。這種環境的調節管理必定包含了許多種不同的機轉，就如同蜜蜂會以各種不同的方式，來維持蜂巢的溫度及濕度一樣。舉例來說，如果因為地球繞日運轉軌道的離心率有所變化，而引起溫度的降低，蓋婭可能會以加速生物體的分化成長來增加大氣中二氧化碳的含量作為回應。這些過量的二氧化碳便會吸收更多的紅外線光子，而將溫度調節到正常的數值。
我們可以藉著分析地質記錄來印證這個假說(至少理論上是可行的!)。我們可以在冰河時期開始後的岩石中，尋找大氣中二氧化碳含量增加的證據，並看看他與化石記錄中顯現的生物體存在與繁衍的改變，在時間上是否有所關聯。由於缺乏確鑿的證據，大部分的科學家對蓋婭這個有趣的假說依然抱持懷疑的態度。
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圖9.10 根據蓋婭假說，地球生命控制著氮、氧、二氧化碳、以及其他在大氣中與生物體發生交換作用的分子含量。這種交換作用確實是存在的，甚至有些礦物的沉積也是由生物產生的(例如英格蘭多佛的白色岩岸)，而大部分的科學家則認為地球生命是反應地球的氣候而非調節。
從過去數十億年來，地球的溫度只有些微不超過幾度C的變化，這個現象使得蓋婭的概念得到某種程度的驗証及支持。蓋婭凸顯了我們這種陸生哺乳類動物的渺小。甚至到今天我們還自認為是蓋婭的“中樞神經統”，但事實上，如果有一天人類被一種更具效率且有溫和習性的生物所取代，全球的生態系統說不定因此而更加受益。
蓋婭的概念幫助我們瞭解到自已其實是生命網的一部分，我們依賴著這個錯綜複雜的生命系統，提供我們食物、空氣、甚至適宜的氣候。生物的主群體，並不是那些圍繞在我們身邊的一些巨大生物。誠如林恩•馬古利斯（Lynn Margulis）所說：“縱使消滅所有的動植物，這個行星仍然可以恢復生機，但是如果根除所有的微生物，那麼不出一個星期，地球就會變成如月球般的一個不毛之地”。干擾地球生態的平衡，會比根絕幾種生物或製造出一些不符美學標準的壞效應，來得更加危險：當維繫地球各種生命運作的生態平衡遭受到嚴重的干擾時，相應而生的結果說不定會對我們造成極度的傷害。
在觀察太陽系中的其他行星時，我們必須將這種生命共榮共存的特性牢記在心。特異獨行的生物是無法生存的；就算可以，他所處的環境必定是個不毛之地。我們會預期外星生命與他們所處的環境能夠和諧共處，而如果他們類似於地球生物，我們或許也能偵測到他們所引起的環境變化。
結語
原核生物是最簡單的有機體，並由缺乏細胞核的細胞所組成；DNA及RNA分子則主宰著原核生物的功能與再生。光合作用可以藉轉化日光而儲存能量，這種作用起始於如藍綠菌的這種原核生物，同時他也是今天地球上氧氣的主要來源。在25億到20億年前，生物體便是藉由大氣中的氧氣作為能量的來源而進化發展。
真核生物的細胞具有完整的細胞核，貯藏著細胞的基因物質。他是由原核生物發展而來的，並且與其保持著共生的關係。真核生物具有稱之為胞器的次單元體，具有特定專一的功能。真核生物也比原核生物有更多更大量的基因物質。在真核細胞以及巨大生物的不同細胞中，這種功能的專一性使得數以兆計的細胞能集中在某個特定的器官中，行使特定的功能。
化石記錄中指出，第一個多細胞生物的出現大約是在7.5億年前。而動植物的種類、大小及分佈，則在接著的1.5億年中大幅地增加。這個時後也正是寒武紀的開端。這個時期中繁衍的動物，是遠較於軟體海洋生物要複雜許多。而陸地上的植物王國則建立在這之後的1.5億年。哺乳類動物的出現，距今僅僅1億年，這個時期正是爬虫類的全盛時期。而人類的老祖先則要再等大約3百萬年後才出現。
由此可知，地球生命歷史有六分之五以上的時間是僅有原核生物和單一細胞的真核生物存在。在其他恒星的行星系，就算有生命跡象，也可能只是這種簡單的生命形態。或者，他們進化的腳步領先我們數十億年，並且早已演化出新的、甚至長生不死的生命形態。若把地球生命視為一個典型的例子，或許我們可以說：生命起始於水中，而陸地是生命進化成具有智慧的高等生物的必要條件。具有智慧的文明才有與外星生命接觸通訊的能力。生命課程的最後一章告訴我們各種的生命形態乃是相互依賴而共榮共存的。將整個地球表面稱為蓋婭生命體的詹姆斯•勒洛克（James Lovelock）和林恩•馬古利斯（Lynn Margulis），便曾對生命間的互動依賴做過頗具詩意的描述。
問題：
1. 細胞對於生命體有何重要性？為何我們能說第一個細胞是充滿有機分子及水的小池塘？
2. 何謂病毒？在決定病毒是否是一種生命時，為何會遭遇困難？
3. 原核生物與真核生物的主要不同點為何？為什麼有些原核生物必須在無氧環境下才能生存？
4. 多久以前，真核生物才開始發展成為多細胞生物？地球生命起始後的多少年，才是物種繁盛的時期？
5. 假設某人發現了一個類似地球的行星，他形成於35億年前，不同於地球的45億年。如果兩個星球的進化過程皆相近，我們能在這星球上發現各種的陸生動物嗎？我們能不能發現鳥？昆蟲？或者海綿的存在？
6. 假設在問題5的星球上，生命花費了20億年的時間才出現。又如果其演化速度與在地球生命相同，那麼這個生命能進化到什麼程度？
7. 為何水對於地球生命是如此地重要？其他星球上的生命也需要液態水嗎？
8. 何謂突變？為什麼它對生命的進化是如此重要？
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9. 為何進化過程是由較簡單的生物體演變至較複雜的生物體，而不是反過來的呢？
10. 在具有生命形態的星球上，你認為稱之為“智慧文明”的生物是經由進化而發生的嗎？為什麼？
11. 有人類記錄的歷史（4500年）佔地球整體生命（45億年）的一小部分，它代表的意義為何？而在這段時間內，人類對於地球風貌的改變有多重要？
12. 如果生命將從地球上消失，那麼地球大氣及表層的構成元素會有哪些主要的變化？
進階參考資料
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10 生命會有多麼神奇?
我們已依循著地球生命的發展歷史，試著找出一些結論，並且依此結論來探討外星生命存在的可能性。由於我們認為生命可以以任何的形式存在，因此對於由地球生命為基礎所推演出的結論會覺得偏頗。我們知道物理和化學的定理常能驗證事情的真偽。這些定理規則¾便是我們研究宇宙經驗的累積¾在不斷地被測試中更顯出其價值；例如分析來自於恒星及遙遠銀河系的光能等。除非我們不認為宇宙有一定的規則，否則對於外星生命所下的任何結論，都有他的價值。雖然我們所面對的是一個或然率的問題，而不是一個絕對性的事實，但是如果我們連這個想法都要推翻的話，我們便根本無法做任何科學性的預測。
外星生命的化學組織
在研究地球生命發展史時，我們常會出乎意料地不斷發現一些奇特的動物，他們不論大小，都是在一些乍看下不適合生命生存的環境中繁衍而來。例如我們已知陽光是光合作用的必要條件，而一般人會認為這個陽光指的是眼中所見到的陽光。但是對“硫球菌”而言，他可以在我們認為是完全黑暗的環境中，行使光合作用。他們繁衍在南美洲森林的沼澤中，並含有一種吸收太陽紅外線幅射的色素體，而這種紅外線幅射的單一光子的能量卻是低於人類視覺所能感受的範圍。
我們說生命須要水分。雖然這是事實，但水卻可以以硫酸的稀釋溶液存在而呈現酸性，或者可以溶解大量的石灰而呈現鹼性。生命可以以如同紅杉木這種固定不動的方式存在，也可以以草履蟲般小而機動的形式存在。其實我們無法預測外星生命的型式，也不知道他們針對自己的環境所做的適應與改變。
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我們有沒有辦法對外星生命的化學組織下一個定義呢?對地球生命而言，我們可以在這樣廣大的群體中找到一個通則。例如紅杉木以及草履蟲都是靠著DNA和RNA
分子來幫助蛋白質的製造。這種特定的化學組織，其實是所有生物體所賴以生存的。碳原子是這種化學的基本元素，而水則是最重要的溶劑。水提供了養分輸送的環境、保持了生命細胞的化學平衡、幫助溫度的調節、並且是生物體體重的主要部分（在乾燥植物中佔40%，人體中佔70%，而水母中則佔有95%）。
要保持液態的溶劑，溫度必需維持在相當小的範圍之內。例如液態水，就得在攝氏0到100度之間。因此生命起源及延續的必要條件，除了碳原子和水溶劑外，還要有適當的溫度範圍。
但是外星生命的化學組織會與地球生命的相同嗎?我們實在不能期盼外星生命中，會有和胺基酸、蛋白質、DNA、以及RNA
完全相同的分子。我們必須考量的應該是外星生命是否也以碳原子為結構的基本元素，並以水為通用的溶劑？或者他們有著不同的結構元素以及不同的溶劑?
我們可以簡述外星生命在化學組織上的必要條件。 他必需能組成大而複雜的分子。因為唯有如此，他才可以儲存足夠的資訊來維持生物各項功能的正常運作。他也需要有液體來攜帶養分及廢物，並做為化學反應發生的場所來延續及再生。雖然我們可以想到以氣體來代替液體，但是液體卻有許多的好處：他可以保持化學反應發生在特定的區域，就如同對於地球生物體中的細胞一樣，能保持溫度的恒定並且以固定的速率進行化學反應。
在複雜分子及液態溶劑這兩種基本條件下，生命還有哪些選擇呢？而碳元素成為地球生命的基礎只是單純的偶發結果，還是有什麼因素使得碳元素優於其它的元素？為什麼水對地球生命是如此地重要？為什麼不是阿摩尼亞、酒精、或者是清潔液呢？
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碳元素的優越性
讓我們先來看一下碳元素。想要取代他，我們必須找到一個存量相當豐富並且可以和4個氫原子形成穩定分子的元素(圖10.1)。我們對於存量必須豐富的要求，是基於我們預期生命應該是遍佈於宇宙，並且其發生所需的狀態條件也應該相當地普遍，而並非是一些稀奇古怪，只有在特定條件下才能生存的生物。另外，對於必須能與4個氫原子鍵結，則是源於生命對於複雜性的要求；因為任何原子能鍵結的氫原子數目最多是4個，所以如果有一個元素，想要跟碳原子競爭生命結構的王座，它就必須至少有能與4個氫原子鍵結的能力。
圖10.1 (a)碳原子最多可與4個其它原子鍵結，例如甲烷(CH4)。(b)碳原子也可藉著彼此分享電子，而形成鏈狀物及環狀物，乙炔便是最簡單的碳—碳鏈結的分子(比較圖7.1)。
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我們可以很簡單地來描述這個觀念，想想看氧與氫鍵結成穩定分子的方式。這種鍵結方式應該有兩種：即水（H2O）和過氧化氫（H2O2），如圖10.2所示。而氮原子和氫原子又能形成多少種穩定的分子呢?答案也是兩種：即阿摩尼亞（NH3）以及聯氨（N2H2）。那麼如果現在問道，碳與氫能形成多少種分子?你要是不知道答案，也不用擔心，用為根本沒有人知道。如果你想得到一個概念，可以查一查化學暨物理手冊，你就會發現所刊列的最重的這種化合物是enneaphyllin，它的化學式是C90H154！請記住，這還只是碳原子與氫原子兩種元素所形成的化合物。大學中的有機(碳)化學是一個獨立的課程，因為碳原子有著與各種元素形成各式各樣的化合物的驚人性質(見圖10.2)。
有沒有其他的元素具有與碳原子相同的能力？矽常被認為是代替碳的候選元素，在週期表中它位於碳的下方。這個位置代表著矽如同碳一樣，可以與4個氫原子相鍵結。依此生成的化合物，稱之為矽烷，也就是矽的甲烷類化物。因為矽和碳一樣在宇宙中的存量也相當豐富，所以我們常在科幻小說中，見到以矽為基礎的生命。但是如果對矽原子作更深入的探討，我們發現兩個矽原子間的鍵結強度，只有兩個碳原子間的一半。因此相較於碳原子間的鍵結，矽原子間的鍵結在化學反應中比較容易發生斷裂。雖然碳—碳原子間的鍵結與碳—氫或碳—氧的鍵結在強度上差不多，但是矽—氫與矽—氧的鍵結則要比矽—矽的鍵結強了許多。
圖10.2 氧原子與氫原子，只能鍵結形成兩種穩定的分子：水(圖上左)以及過氧化氫(圖上右)。相對地，碳原子與氫原子能形成多種的複雜分子，例如維他命A（其含有一個單一氧原子）（圖下）。
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因此，由矽—矽—矽的結構而成的長鏈或環狀物是不容易生成的，然而以碳—碳—碳的結構而生成的化合物卻是非常普遍。事實上，任何含有超過三個矽原子的矽氫直鏈分子，都是極不穩定的。相對地，由多個碳的鏈結而形成的直鏈、支鏈、環狀、和其它形狀的分子卻是有機化學的主體。某些生命體則以矽—氧鏈結代替矽—矽鏈結而形成長分子鏈（高分子聚合體），以避免不穩定分子的形成。這種方式可以形成穩定而多元的矽樹脂高分子聚合體，另外如岩石，那是絕對穩定的！然而矽樹脂幾乎不與其它分子反應，這也是它被拿來做為潤滑劑的主要原因。不管如何，我們認為在某種環境或催化劑（酵素）作用之下，類似矽高分子聚合體的反應性應該是可以比在地球上現存的要活化許多。
矽原子之所以不能作為生命結構的難處，在於矽原子對氧的親合性。甚至在極度還原的環境中——充滿氫的大氣——矽原子也只有在高於1000K的溫度，才會形成矽烷（SiH4）。在較低的溫度，則形成二氧化矽（SiO2）。我們可以從觀察木星的大氣中得到印證，氫是木星大氣的主要成分，同時還有NH3，PH3，AsH3，CH4，GeH4，以及H2O，皆是氮、磷、砷、碳、鍺，及氧的完全還原態（全氫）化合物。但是在木星大氣中並沒有偵測到SiH4的存在。為什麼沒有呢？因為木星上的矽原子，會與氧鍵結形成二氧化矽，而不會形成矽烷。因為宇宙中氧原子與矽原子的存量是20比1（見表7.1），所以矽原子極有可能以矽—氧化合物的型式存在。而且一旦二氧化矽或者其他類似的岩石成分的化合物形成，他們便非常難被分解。
二氧化碳是碳與氧以最大價數鍵結而成的分子。二氧化碳在低溫（如零下75℃）仍是以氣態存在；可溶於水；而且相當容易分解為組成元素碳及氧原子。現在，如果把二氧化碳與二氧化矽（SiO2）拿來作比較，二氧化矽必需在高溫（大於2000℃）才能保持氣態，毫無溶解度可言（除了溶解於氟氫酸以外），並且需要極大的能量才能分解成矽和氧原子。對生命體而言，二氧化碳要比二氧化矽有用的多。同樣地，甲烷（CH4）也是碳的完全還原態（含氫）化合物，它比矽烷這種矽的完全還原態化合物穩定的多了。甲烷甚至能存在於我們高氧化態的大氣中，雖然它的生命期不長（在10年之內，所有的含量便會被產生甲烷的細菌所替換），但仍然比矽烷長命得多。矽烷一接觸到空氣，便會立刻燃燒成火焰！這倒是給我們一個機會來揣測一番，如果以矽原子為主的生物的確存在並曾造訪過地球，那麼中世紀神話中的噴火龍或許就是其中之一。無論如何，由於矽原子有太多的化性使它不適合作為一個結構元素，因此以矽原子為主的生物幾乎是不可能存在。
在檢視整體宇宙中的矽原子和碳原子之後，我們印證了上述的說法。天文學家發現在隕星，彗星，或是行星大氣中都沒有矽樹脂或矽原子的存在。相反地，他們卻發現了矽酸鹽以及與其它元素鍵結的氧化態矽鹽。而含有大量矽酸鹽的地球，則是矽原子化學極佳的一個範本。截至目前為止，只有在星際雲氣間發現過矽烷（SiH4）（見表4.1）。相反地，許多以碳為主（有機）的複雜分子、一氧化碳以及二氧化碳，卻在隕星，彗星，星際雲氣和行星大氣，冷星中處處可見。碳原子可以很容易地在完全氧化的狀態（CO2）和完全還原的狀態（CH4）之間轉換，而矽原子就沒有辦法了。
我們或許可以理性地說：雖然以矽原子為主的生命還是有可能存在，但是這個可能性卻是微乎其微。反之以碳原子為主的生命，卻非常有可能是宇宙生命的主體。這雖然聽起來有點獨斷，但是測量的結果顯示在宇宙中各種不同元素的存量大致上是相同的，因此比矽還要稀有的元素，實在是沒有條件作為外星生命的化學基礎。
溶劑
現在讓我們來討論一下有關溶劑的問題。為什麼水會是如此神奇的溶劑呢？為什麼它對我們所知的生命如此重要？一個有用的溶劑在大部分的溫度範圍內都是以液態存在的。如此在行星或衛星上的一些變化，才不會造成物體表面的溶劑立即地冰凍或沸騰起來。這個溫度範圍應涵蓋高溫區域，這個高溫區域可以使化學反應合理快速地進行；然而這個溫度區域也不能太高，以免導致重要分子被反應的快速踫撞所破壞。同時有用的溶劑也應當具有調節生物體體內溫度的功用。因為生物體利用溶劑來傳送養分並排除廢物，因此溶劑也應該具有溶解其他化合物的能力。在與阿摩尼亞（NH3）和甲醇（CH3OH）兩種溶劑相較下，我們發現水更能符合於上述的條件。
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表10.1液態溶劑的溫度範圍
水可以以液態存在於相當大的溫度範圍內(表10.1)。水在這一點上比阿摩尼亞好得多。但是甲醇與水差不多，而且他以液態存在的溫度範圍更大（雖然其溫度範圍的高點較低）。
接著我們可以比較這些溶劑調節溫度的能力。這種熱調節的能力決定於兩個因素，第一是“熱容”—使1公克的溶劑上升攝氏1℃所需的能量，第二則是“汽化熱”—溶劑達到沸點時，由液態轉化為氣態所需的能量。我們所希望的溶劑，它的熱容及汽化熱是愈大愈好，這樣才能將驟然間溫度的變化對溶劑內物理狀態所造成的影響降到最低。大的熱容代表生物體比較不會受到外在溫度變化的影響。舉一個大家耳熟能詳、但是與生物體無關的一個例子：近海陸地的氣候就比同緯度的內陸氣候溫和許多。水的熱容在每單位公克•度C下是1卡，這個值介於阿摩尼亞（每單位公克×度C1.23卡）以及甲醇（每單位公克×度C0.6卡）之間。然而在汽化熱上，水就遠超過其他兩者。水的汽化熱是每單位公克595卡，而阿摩尼亞及甲醇則分別只有300卡和290卡。
水的高汽化熱表示相當高的熱量只能蒸發少量的水。因此，生物體皮膚上每一滴小水滴的蒸發，都具有不錯的冷卻效果，輕易將細胞多餘的熱量帶走（圖10.3）。所以我們說人體的正常體溫是37℃（98.6℉），而不會是36℃到38℃（96.8到100.4℉）之間，這說明了人體能妥善調節自己的溫度。雖然我們仍然不瞭解文明生命存在的必要條件為何，但我們卻不禁讚歎哺乳類動物調節溫度的能力，因為唯有如此，他們才能保持體內化學反應的正常速率，並確保所有結構元素都處於正常的狀態之下。哺乳類動物與“較低等”動物的分別，在於前者的腦及腦內部所發生的化學反應較為複雜並且可以準確地調節體溫，如此也維持了體內化學反應的正常進行。想想看，僅僅發燒個4℉，不就使你飽受折磨了嗎？
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圖10.3 因為水的汽化熱相當高，細胞可以藉著蒸發少量的水分來抗衡溫度的增加，以維持本身的溫度。
“表面張力”是水溶劑的另一個好處。表面張力是液體凝聚成滴狀物的難易程度。水的表面張力是阿摩尼亞的兩倍，酒精的三倍，同時是所有已知液體中最高的。在細胞進化前，有機化合物就是靠著表面張力才能聚集，而表面張力也使得水與聚集的有機分子之間界面分明。表面張力持續地將生物體中的固態物質，集中在不同溶劑所造成的界面中¾例如細胞壁便是這樣的一個界面(見圖10.3)。
水在熱容，汽化熱，及表面張力上的表現，使得它可以說是一種無以匹敵的溶劑。而這些表現不過是水的附屬優點而已。因為生命的基本液體煤介，首要任務便是充當溶劑的功能；它必須可以溶解各式各樣的化合物，才能方便於攜帶、進出生命系統。而水在這一方面再度具有絕對的優勢：它攜帶溶液中分子的能力，是阿摩尼亞或甲醇的兩倍以上。
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在與其他兩種液體比較之後，我們發現水除了是最佳溶劑外，還有其他多種好處。但是為什麼我們不多考慮一些其他可能的液體呢？其實答案就在於宇宙中各元素豊度的多寡。硫化氫（H2S）和氯化氫（HCl）都可以在某些溫度範圍內保持液體狀態。但是相較於水、阿摩尼亞、以及甲醇所含的氫、氮、氧及碳等元素，它們所含的元素（如硫和氯）並不普及，因此這兩種液體的豊度一定較低。同時，這兩種液體還有其它的缺點，使得它們無法成為生命的主要溶劑。水既然優於阿摩尼亞及甲醇，那麼它更有可能優於宇宙中其他可能存在的液體。
我們應該注意水的另一個獨一無二的特性。水在結凍時體積會膨脹，固態水(冰)會漂浮在液態水上，而當冰沉入冬天結凍的池塘中，所有的池水皆會結冰，並且殺死其中大部分生物體。這種結凍現象，也是會發生在阿摩尼（在零下78℃）和甲醇（在零下95℃）的池塘中的。然而對於這種結凍現象的憂慮，是否只是〝盲目的高緯度主義〞在作崇，其實地球上大部分的地區是從不結凍的。事實上生命可能起源於低緯度地區，在連表面也不會結凍的池塘中繁衍進化。
那麼其他星球的情況又是如何呢？使用一些如阿摩尼亞、在冰凍時體積不會膨脹的液體也是有它的好處。會膨脹的溶劑的缺點在於對容器壁所產生的壓力。水在鋼管中結凍時，可能會迸裂管壁，而生物體的細胞如果結凍，便會整個破裂，引起生物體的死亡。而對於依賴結凍時不會膨脹的溶劑的生物體，低溫只會造成蟄伏狀態，當春天來臨時，生物體便會由冬眠中甦醒過來了。
太空旅行有個相當棒的優點！對乘坐傳統火箭的星際旅行者而言，廣大無垠的星距使得他們在短時間內是無法完成一趟旅行的。由於飛行者的壽命有限，為了在有限的時間內完成旅行，對於速度的需求便顯得相當重要。而我們能夠藉著冰凍的技術，來大幅延長飛行者的壽命嗎？對人類是沒有辦法這麼做的，因為我們的身體內含有大量的水。倒是如果有某種以阿摩尼亞為主要溶劑的太空生物，由於阿摩尼亞結凍時，體積不會膨脹的性質，他們便可已藉著冰凍技術環遊銀河系，他們只要在每一站到達時甦醒過來就可以了！
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在我們一面倒向阿摩尼亞之前，我們應當考慮水有一個絕對優於阿摩尼亞的特質，那就是液態水本身抗紫外線幅射的能力：一些水分子會被紫外線分解，放出氧及氫到大氣中，而其中的一些氧原子會鍵結而成臭氧（O3）來吸收紫外線（圖10.4）。因為大部分的恒星都會放射大量的紫外線，水的自我保護作用就顯得相當重要。如果沒有臭氧層，有機分子便會很快地遭到紫外線的破壞，而海洋也會因為組成分子的分解，而逐漸被破壞。相較於水，阿摩尼亞分解產生的是氮而不是氧，氮無法做為抵禦紫外線的屏障，也不能像氧化作用般作為化學能的來源。因此在充滿阿摩尼亞的星球上，他將需要有額外的屏障¾或許是一層碳化氫的濃霧¾來防止海洋及生命遭受到紫外線的破壞。而水藉著本身分子中的氧，便輕而易舉的達到這個保護的目的。
對於不同溶劑的考量和探討是說不完的。但是我們仍然得到了一個結論：地球生命會以碳化學為本體，水為溶劑，並不是沒有原因的。碳和水皆有他們的優越性，這使得外星生命的基本化學也使用相同的元素和溶劑的可能性大增，尤其是在碳元素的使用上，最有可能相同。
圖10.4 水分子遭受紫外線照射分解後，部分被釋出的氧原子會鍵結成抗紫外線的臭氧分子。
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非化學性的生命
目前為止，我們一直就我們所知道的化學性質，如溫度、密度以及元素組成的變化等來探論生命。就化學上的考量，我們會著重於原子間交互作用的探討。原子可以形成如水的簡單分子，或如DNA的各種複雜分子。原子與分子藉著電磁力而產生交互作用，而這種電磁力則源自於原子所有的正負電荷。因此原子分子結合的作用力不是重力，也不是強作用力，而是這種電磁力。
當我們試圖瞭解奇異的生命形態時，主宰地球生命的化學反應便顯得有些不適用，而且我們也不應該把生命的尋找侷限於行星的表面。行星確實是生命最可能發展的地方，這是因為行星具備的一些條件¾如相當高的物質密度、適合快速化學反應的溫度、以及藉由幾近圓形的運行軌道來保持行星的氣候等¾使得化學反應能以相當快的速率進行。在地表限制下的一些環境變化¾如每一天及每一季的溫度起伏、陸地、水、以及大氣間界面的變動等¾都對生命的起源和進化有著極大的影響。
因以依循化學反應而發展的生命，應該會遍存於合適的星球表面。但我們仍然必須面對他們奇異的形態。在眾多的例子中，我們就列舉三個：存在於高密度星際雲氣、中子星表面、以及整個銀河系的生物。
在這三個例子中，我們所想像的生物可能與我們所熟知的生物，在大小上會有所差異，但我們必須注意地球生命的個體性。人類便有數十億，而大部分的生物種，如哺乳動物、鳥類、以及爬蟲類也有數百萬，或至少數十萬種代表。瀕臨絕種邊緣的生物種，才會只有數千或數百個族群個體。這個事實提醒我們，地球生命是無數動植物個體交互作用下的結果。準確地說，就是天擇的產物¾唯有適者才能生存繁衍¾每一種生物必需要有相當多的成員才能孕育出相似但不相同的後代。因為大部分生物的進化“實驗”都會失敗，所以只有少數幾百個族群個體的動植物，是沒有辦法在發源地發生重大的進化。相反地，他們還必須全力以搏，只是為了求取簡單的生存。
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在其他行星或星際之間會有著不同的故事嗎？或許沒有。我們可以輕易想見，生命在完全沒有或只有一點點生存繁衍的壓力下，是不會移居到新環境的。這種情形其實會降低進化演變的壓力。只要環境有競爭或改變，突變的現象便能發生。我們相信天擇會引導新生物的產生，並在數百萬年間不斷地交替演化。這種過程依然取決於生物種中多數群體間的交互作用，而各式各樣的生物則是這種交互作用下的產物。
因此，我們可以說例如諸多文明生命的高等生物，它們不會是由少數群體進化而來，並且地球上這些成千上萬的生物都是在自然競爭下繁衍成功的例證。
黑雲
在一部相當吸引人的小說中，有名的英國天文學家弗瑞德•霍尤描寫一個離地球不遠的巨大星際雲氣，這個星際雲氣具有思考的能力、直接的情緒、以及無限的生命期，其生命依賴於電磁力(我們也是如此)，而思維則是由在雲氣內傳遞的電波訊息所組成（圖10.5）。他常駐足於太陽的附近以定期補充能量，並藉由吸收大量的星光（在這個例子裡，他所吸收的是地球的光能）來達到這個目的。在過程中，他發現太陽系中的一個行星上，是具有文明的生命（就我們嚴格的，技術性的定義），這些生命設法以電波通訊與黑雲交流，使得他們瞭解到更多宇宙神秘的事實。這個雲氣的“腦”是由分子所組成的複雜網路，他可以依照雲氣的選擇而增加數目以及專司的功能。電磁流通過這些分子，使得雲氣的腦有著與我們十分類似的感官知覺。
弗瑞德•霍尤的黑雲是一個如金星軌道般大小，木星般重的生命體，而這些使我們想起了在揣測其他種生命形態時，曾面臨到的一些困難及便利之處。一方面，我們可想見這種使用恒星光源能量的“黑雲”，以具有適當傳達路徑的電磁波來思考與感覺，而建立起愈來愈強的秩序性。另一方面，依我們對地球生物進化的瞭解，在進化發生之前，應當要先經過許多的步驟。黑雲當然是可以存在的，只是他出現的過程仍然是一個謎。
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圖10.5
弗瑞德•霍尤的黑雲是一個星際間氣塵的混合體，由電流傳導思維，以恒星光源作為基本能量的來源。
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我們如果和弗瑞德•霍尤一樣，猜想著黑雲的早期進化，認為他不過是一朵功能不強的微雲，那麼我們就會回到原先對行星表面的偏愛。為什麼呢?因為星際雲氣間的物質密度相當低(在與行星作比較之下)，粒子間的反應速率將會變得非常地慢。因此，生命在星際雲氣中生成所需的時間，不會只像地球生命費時數十億年，而會是其數千或數百萬倍那麼長的時間—遠比宇宙自開始膨脹至今的時間還要久遠。同樣的道理，就算生命真能在低物質密度的星際雲氣中發源，他發展的過程也會需要非常久的時間，因為進化物質彼此間的距離太大，密度太小。
地球在歷經了數十億年後，才開始有複雜的生物體出現—這段時間在宇宙由形成至今的歲月中，佔了相當的一個比例（約有四分之一）。雖然一些星際雲氣可能有“適當”的溫度(約從-50到800C)，可以使生命在較短的時間內生成，但大部分星際雲氣的氣溫是非常低的(-250到-2000C)。再者，密度較大的雲氣通常溫度也是較低的，所以雖然每立方公分內會有較多數目的原子，但是他們的運動速度卻比較慢。但即使是那些有適當的溫度並且由“正確”元素混合而成的雲氣，他的物質密度卻不到地球大氣密度的兆分之一！這使得雲氣中複雜分子間的距離相當大，無法有效地將生命發源所需的物質相互結合。
中子星上的生命
在對依循化學原理的電磁力生命做過一番討論後，現在讓我們來看看由法蘭克•德瑞克所提出的另一種很有意思的強作用力，他可以在中子星表面造就完全不同的生命。
如我們在第6章中所討論的，中子星是由高度進化恒星的核心塌縮而形成的（見圖6.8）。中子星的表面溫度大約是凱氏一百萬度，是地表溫度凱氏300度的一千倍。而且中子星的表面重力超過地球約略有一兆倍之多。在這高溫以及龐大重力下是沒有分子或原子可以長存的。分子間的高速踫撞瓦解了分子本身，並且造成原子上的電子鬆動逃逸。因此，我們並不寄望會在中子星表面上，發現以原子與分子的電磁力為基礎的生命型態。但是，依賴強作用力為基礎的生命仍然是有存在的可能。
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強作用力能將複雜原子的原子核聚合起來。在自然界中，原子核可以從只含有一個粒子（氫的單一質子）到含有238個粒子（鈾238的92個質子及146個中子）。我們可以在物理實驗室中製造出含有比238個基本粒子還要多的原子核，但是它們會分解（“衰退”）成較小的原子核。以人類的標準而言，它們的生命是短得驚人。目前最大的“人造”原子核由265個粒子組成—105個質子加上160個中子—而它會在十億分之一秒內即完全衰變。
不管怎麼說，我們並不是居住在質子及中子那種大小的環境中。就算是的話，以一個10-13公分大小的質子在凱氏一百萬度時，可以達到每秒1000公里的速度來說，我們便能在10-21（十億兆分之一）秒內，移動與我們身高相當的距離！相較之下，一個身高170公分左右的人，卻需要約1秒鐘的時間才能走這樣的距離。我們可以見到10-21秒對質子而言，就好比一秒鐘對一個外出散步的人一樣：對於粒子在凱氏一百萬度下所發生的事情和人類在凱氏300度下所發生的事情，不過是時間的測量單位不同而已。前者是以10-21秒為單位，而後者則是以1秒為單位。更準確地說，我們體內化學的電磁作用的時間規格就好比數千分之一秒（眼睛對可見光光子的感應時間），數十分之一秒（一個訊息從頭到腳傳遞所需的時間），或者是幾秒（如完全還原身體的某個姿勢）。
現在，讓我們想像一下沸騰喧鬧的中子星表面，上面的基本粒子以每秒數千公里的速度穿梭旅行並相互踫撞，這種速度可以讓它們在兆分之一秒內，便行進了千分之一公分。而這種碰撞的結果，會產生極大量的原子核，它們由數千個、甚至數萬個粒子所組成。但這些原子核的生命卻可能只有一百萬兆分之一秒（10-15）。在這短暫的時間過後，巨大的原子核便衰變成較小的原子核。它的生命看起來好像只有曇花一現，但是對以10-21秒為典型時間單位的基本粒子而言，巨大原子核的生命期已經是反應所需時間的數百萬倍了。換句話說，一個巨大的原子核在其衰變之前，可能已經發生過百萬種不同的踫撞或反應了。
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假設中子星表面的進化過程可以製造出某種型態的生命，並且他們個體之間與個體環境之間的交互作用相當地有條理。在這個假設下，這種生命的發展與進化將會是非常地快速，遠超越我們所能體會想像的。因為強作用力下的生命，其時間標準規格為10-21秒，是我們這種電磁作用力下生命所用的時間規格（千分之一秒）的十億又十億分之一，我們可以預期其生命的進化應當也是如此地快速。如此一來，這種生命的起源便不用十億年，而只需要一年的十億分之一，或說是一秒的30分之一！在我們看來如此短暫的時間，卻可以讓中子星表面的複雜原子核，在衰變之前，彼此間發生數十億又數十億個反應。
如果我們有勇氣再進一步探討，便可以發現在人類的一眨眼之間，中子星上的整個文明生命，便已經興亡起伏了數百萬次。而這些文明生命的大小大概只有10-11公分，壽命也只有10-15秒，如果它們使用光子來通訊，恐怕只有頻率比可見光高出1010倍的伽瑪射線才足以勝任。伽瑪射線光子在基本粒子的反應中產生，如同可見光光子常在原子的反應中產生一般。
如果中子星上的生命真的存在，那麼它們應當不會以無線電波來做為彼此通訊或尋找其他文明世界的工具。雖然如此，在考量銀河系中文明世界的數量時，對於這樣一個以吸引基本粒子的強作用力為基礎的生物，我們仍然是要加以留意的。而由於不同的時間規格，使得我們與中子星上文明生物的聯繫，困難重重。我們是要完全放棄去和一個僅有十億分之一秒生命期的文明發生交流呢？還是說我們仍然可以從它們身上瞭解到一些東西？
重力生命
在對快步調的強作用力下的中子星生命，有了一番神遊交往後，現在倒不妨來探討一下另一個極端相反的例子，也就是主要依循重力的生命。在這裡，恒星便是一個典型的構成單元，因為其體積大得足以使重力的影響大過於電磁力和強作用力。如果各個恒星主導著地球生命體中的原子及分子，或者是中子星生命體的原子核，那麼聚集於銀河系中的恒星團又代表了什麼？難道銀河系是活的嗎？
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我們倒不這麼認為(但請考量一下蓋婭的理論，P224？？？：或許蓋婭本身便是終極的生命體，形成超蓋婭的部分個體！)我們對生命所下的定義，並不是僅僅需要一個更高層次的組織體。銀河系算是相當有秩序的，特別是螺旋星系，但是比起草履蟲，又有一段距離。而且從人類的角度來看，銀河系似乎缺乏了某種目標性。銀河系中，萬事變化的時間性可以從數秒（如單一恒星的塌縮）到數億年（整個銀河系轉一遍）不等。恒星間彼此的作用，通常要花上個數億年。如果生命能在這種近距離作用下發源—即如同地球原味湯中，分子的相互反應一般—那麼在以重力為基本時間單位（也就是恒星間單一反應發生所需的時間）的衡量標準之下，生命的誕生，似乎就在瞬間。所以假定地球上有重力生命的存在，他在地球形成後的數年，便已經發展成形。如果重力生命可能存在，它應當會出現在數十億個數十億年之後，而並非像電磁力生命所僅需的數十億年。
中庸的好處
我們已探討了依重作用力、電磁力、以及重力為本的生命。這些均是我們所熟知的基本作用力，但我們可能會受限於我們有限的經驗和想像力。在下面的章節中，我們將會討論電磁力下的生命，並多多探討存在於行星表面的生命。我們已經看過為什麼以電磁力為基礎的生命最有可能存在，當然對於其他種型式的生命，我們仍然要接受他們存在的可能性。而果真的如此，在我們希望發生交流的外星文明的名單上，又多出幾個候選人。
其實外星生命的存在不只限於行星上，其它如星際雲氣間、中子星上、整體銀河系中、或者是一些起源於行星，而今在星際間四處流浪的文明生命，都有其存在的可能性。並且，我們應當尋求與我們生命形態及文明發展相類似的外星生命。雖然這樣的決定有些偏執，但依照對宇宙發展階段的觀察，我們認為這種文明生命會比其他種類的外星生命較有可能存在。
就算將生命尋找的條件限制於與地球壽命相當的行星上，我們仍然會面臨各種不同的環境。在我們的太陽系中，便有如木星的阿摩尼亞雲及薩哈拉沙漠，火星的大峽谷到冥王星的冷凝甲烷。其他星系的行星中，也可能存在著多變的環境可以適合生命的發展。因此在並非絕對的限制下，我們在自已所屬銀河系的行星上便可以發現數百萬種的文明生命，而對整個宇宙而言，至少有數千萬億文明生命存在的可能。這個數字支持我們在尋求外星生命的任務中，能夠持續努力下去。
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結語
以原子交互作用而生成複雜分子的化學反應為基礎的生命，是以碳為結構的主要元素。只有碳原子可以和氫、氧、氮(及其他較不豐富的元素)鍵結形成含有各種訊息的高分子聚合體。矽也可以形成高分子聚合體，但是其活性太低，無法作為生命發展的基礎分子。由矽與氧相當高的親和性指出，在溫度低到足以支撐複雜分子的結構時，矽原子會相互鍵結而形成矽酸鹽（地球岩石的主要成分）。碳是化學生命體的重要元素，所以我們應該慶幸宇宙中碳的藏量相當豐富。
溶劑是生命所需的另一個要件，它是原子與分子交互作用，產生化學反應的流體煤介。水對物質的高溶解度，使它成為最受歡迎的溶劑之一。水的熱容，也就是汽化熱，使它在化學反應發生的適宜溫度範圍內，皆能以液態存在。同時，它的藏量極高，穩定性極佳，在在都突顯出它在地球生命發展過程中的重要性。
在某些特別的狀況下，阿摩尼亞或是甲醇是可以代替水來作為溶劑的，但我們仍然預期整個宇宙應當會依賴於例如水這樣相同的溶劑。而為了使溫度保持在水以液態存在的範圍內，行星會以近似圓形的軌道運轉似乎是相當合理的。
各種生命形態中，個體的差異性似乎是相當重要的。因為天擇是基於這種個體性的差異，才有適者生存的過程。
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除了化學生命外，至少還有兩種不同的生命型態：一種是基本粒子生命，由原子核在強作用力下所組成，它的生命期不到兆分之一秒；而另一種則是重力生命，它是由相距甚遠的巨大物體相互影響下所組成。在這種距離下，重力的作用是遠比電磁力、強作用力、或弱作用力來得強勢。
重力生命在大爆炸後的150或200億年，仍然是杳無蹤跡的，因為這樣的時間並不足使重力的交互作用產生比星系、星系團，以及恒星還要複雜的結構體。中子星生命或許真的存在，因為中子星表面的高溫及高密度使得各種原子核在幾分之一秒內便可以相互鍵結及斷裂。因為它們的時間規格是以兆分之一秒的十億分之一來計量，而且所通用的波長是具有極高能量的伽瑪射線，所以想要與這種生命交流是相當困難的。
就算是將生命形態限定在化學生命，行星表面也不是該生命唯一可能發生的位置。由氣塵所組成的星際雲氣或許可以形成極度複雜的結構，而在沒有再生的過程下，也能達到自我意識的形成。這種黑雲可以如同人類一般使用其內部的電流，將訊息傳達至中央“腦”部系統。因為雲氣內分子間的距離相當大，這使得形成這種複雜性所需要的長時間又再度成為一個障礙。
問題：
1. 為什麼在整個宇宙中，碳似乎是複雜分子結構的最佳基本元素？
2. 在架構大分子上，矽能夠替代碳嗎？理由何在？
3. 請由彗星、隕星、行星和恒星中含有大量矽酸鹽分子的事實，說明矽原子與氧原子間的親合性？而這個結果對於以矽原子作為主要結構元素來架構大而複雜的分子時，有什麼影響？
4. 水的高“汽化熱”及高熱量的特質，在作為生物體的溶劑上，有哪些優勢？
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5. 在冰凍時會膨脹的溶劑，其優缺點為何？
6. 與行星表面上生命的形成相比較，是哪種物理狀態使得生命不容易在高密度星際雲氣中發生？
7. 與地球上生物的生命期相比較，為什麼中子星上生命的生命期是如此地短暫？
8. 與地球生命相比較，以重力為基礎的生命，它的起源與進化為什麼這麼地緩慢？
進階參考資料