現代物理學習小記4-生命的物理學基礎

現代物理學習小記(4)

--大宗師

5、生命的物理學基礎

前麵說過，宇宙的創生首先生成了氫和氦，其他的鐵元素以前的（包括鐵）的化學元素則都是由恒星內部的熱核反應生成的。任何恒星，其核心都能合成碳、氮、氧等元素，所以氫、碳、氮、氧元素在宇宙中是非常普遍的，數量也非常的高。這些元素中，碳元素尤其特別，碳原子有四個自由電子，其電子失去的能力（還原性）和得到電子的能力（氧化性）相當，又由於碳原子隻有兩個電子層，所以活潑性又比同族的矽、鍺、錫、鉛要強，碳可以和眾多的元素產生化學反應，生成眾多的具有各種各樣物理化學屬性的化合物。碳鏈的長度可以由2個至數千個不等，這使得碳骨架成為了許許多多種有機化合物的基礎，因此能夠形成複雜多樣的千變萬化的不同物理化學屬性的高分子有機物（比如蛋白質分子、DNA分子）。

生命的基礎是多樣性，隻有有了多樣性，才有自然選擇的可能，才能使得生命出現自組織行為，出現生命的演化。而正是碳元素，使其生成的有機化合物具有了這種多樣性，提供了生命的可能的物質基礎。除了多樣性，生命形態必須能從外界環境中收集、儲存和利用能量。而在碳水化合物中，碳原子由單鍵連接成一條鏈，碳水化合物的一係列氧化步驟會釋放能量，產生水和二氧化碳，碳不僅為生命提供了物質基礎，也提供了能量基礎。

時間和空間無限漫長、廣闊無垠的宇宙，為宇宙中所有的元素都提供了各種各樣的條件與機會，碳以它在宇宙中的數量和分布，尤其是它能生成的巨量的從簡單到複雜各種各樣的無機物、有機物而顯得非常突出。直到現在為止，人們還沒有搞清楚生命是怎麽由非生命產生的，還不太清楚其中的物理、化學機製，但無數的事實似乎暗示人們，生命是從高度複雜的有機物中湧現出來的，而似乎隻有碳元素與其他宇宙中普遍常見的元素諸如氫、氮、氧化合，才能夠在相對平常，不太極端的條件下生成極其複雜、多樣又相對穩定的化合物族群，其他的元素似乎很難勝任類似的創建複雜、多樣、穩定程度類似的化合物族群的工作。曾有人研究矽元素是不是也具有類似碳元素的能力，但矽元素質量大，多了一個電子層，使得矽相關的化合反應需要高溫、高壓，而在這種嚴酷的條件下，其他的大多數化合物都不穩定，這就很難在高溫、高壓條件下造就極其複雜、多樣又相對穩定的化合物族群。所以，即使碳不是生命的物質、能量的唯一基礎，也是首選，在宇宙中的生命絕大多數可能都將是碳基生命。

前麵說過，超新星爆炸、中子星碰撞拋出的物質，死亡的恒星的物質，彌漫於宇宙空間，這些恒星的灰燼裏麵有大量的氫、碳、氮、氧等元素，一旦條件具備，這些氫、碳、氮、氧等元素就會產生各種各樣的化學反應，就會生成五花八門的碳基無機物和有機物，甚至產生高級複雜大分子譬如氨基酸和核糖核酸，也就是說早在新的恒星係統形成之前，通往生命的旅程就已悄然開啟。從這個意義上講，地球上的生命開始於外太空，而不是開始於地球。進一步的甚至可以這麽講:生命在我們的宇宙之中其實相當平凡、普遍，是宇宙演化的必然。