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牢牢锁住……眨眼间就好像被蜘蛛捕获的昆虫一样，碳
原子和氧原子分离了开来，最终和氢一同进入了生命的
长链……它进入了血液，不断地迁徙。叩响每一个神经
细胞的大门后进入其中，碳原子被排挤了出去。这个细
胞是一个大脑的一部分。其实正是我的大脑……这个细
胞和细胞中的原子在一个从未有人描述过的伟大而微小
的运动中控制着我的书写。它……引导着我的手在纸上
画上一点，对，就是这里，句子后面的这个标点。＇2＇
碳具有可形成与其他原子相连的长链或环的几乎独一无二
的能力。我说“几乎”是因为还有其他一些原子也能形成类似
的链或环，但远不如由碳基产生的分子来得多样化。“硅”是
一个最接近的例子。它有些特征与碳颇为相似，但由于硅原子
之间的键比碳键要弱许多，所以它只能组成长度仅为５到６个
原子的稳定链。
此外，硅也没有碳的另一种惊人的特殊属性。碳能和其他
碳原子或合适的原子组成多重键。这大大加强了它的多样性，
使之能形成大量不同类型的分子，其中有些分子相当大，含有
数百万个原子。相对而言，硅却不能与同类型原子组成多重键，
也很少能和其他原子以多键的形态存在。
因此，尽管有些科幻作家在描写基于硅的生命形态方面做
了不少出色的尝试，但事实上这几乎是不可能的。原因非常简
单，以我们目前的化学知识来看，硅无法形成那么复杂的分子。
碳是这个宇宙中能形成生命砌块的独一无二的原子。
也许你会想，这是不是过于盲目自信了呢？事实上，我根
本没有离开过地球，人类也仅仅到达过月球，对我们这个小小
太阳系中其他行星的探索也不过处在用简单机器探测的起步阶
段而已。究竟为什么我敢下此断言呢？
这个问题的答案对于理解如何用科学的方法推测其他行星
上的生命至关重要。科学理论中极为基本的一条就是“普适性
原理”，它说明了宇宙的同一性——或者换一种说法，“这里
发生什么，那里也会发生”。举个例子，我们不可能莫名其妙
地错过了与碳相似的另一种原子，因为这样一种原子不可能填
进元素周期表——以某种精确的模式列出宇宙中所有不同元素
的精确位置与相互关系的分类方案②。
图 2 碳基分子和硅基分子的比较
元素周期表是一个世纪以前由俄国化学家门捷列夫（Dmitry
Ivanovich Mendeleyev）依据元素特性创制的。 他把各种元素按
它们的特性置入相互关联性的模式中——这个网格状的系统被
称为“族”和“周期”。随着原子量的变化，原子的大小也不
同，表中并没有给任何特异的元素（也许这样的元素只有在猎
户座里才会发现）留下“空位”。”此后几十年里，表格中的
空缺逐渐被填补了上去，科学家还扩展了表的长度，但他们始
终没有发现过应插入表的中部的未知元素③。
这样迂回一番是为了要说明，只有碳原子才能形成“生命
分子”这样的大分子，例如，像DNA（脱氧核糖核酸）和RNA
（核糖核酸）这样巨大的分子结构，或者甚至较小一些的分子，
如组成前两者的核苷酸等）除此之外，还有蛋白质、酶及其他
维持细胞运作的生化物质。由于宇宙具有的同一性，这样的情
况在“这里”和“那里”都是一样的。
那么这些生化物质又有什么用呢？它们究竟又有什么特别
之处呢？
这些生化物质有着极为广泛的功能，从提供所有生物的每
个细胞运作所需的能量，到完成生命不可或缺的部分——繁殖。
在经历了漫长的进化过程以后，数以千计的这类生化物质均能
以惊人的高效完成各自特定的任务。其中最复杂的任务可能是
由一组特定的大型生化物质通过一系列精密的步骤将遗传信息
从上一代传至下一代。
正如我在本章开头所说的那样，具有复制能力、能在复制
过程中将遗传信息（它还具有变异能力）传递给后代，也许是
我们定义生命的最清晰的方式。在这个过程中需要许多大型有
机分子和生化物质。基于这一原因，很难想象某种生命形式，
特别是某种高级的智慧生命，能以碳元素以外的任何其他元素
为其化学构架的基础④。
好了，既然我们已经明确“生命”的核心在于一代代地复
制和变异，认识到那些生化物质在这一机制中起到了关键作用。
那么，它们又是如何具体参与其事的呢？
其实很简单：所有的生物都是通过印在每个细胞中的遗传
蓝图将特征信息传给下一代的。每个个体的模板全都不尽相同。
正是它区分了猴子和青蛙，区分了斯瓦辛格（Arnold Schwarzenegger）
和布莱尔（Tony Blair）。这种蓝图被称为遗传密码，它由一系
列微小的基因组成，而这些基因又由一种非常大的生化物质——
DNA（脱氧核糖核酸）的片段组成。
遗传学的历史由来已久。19世纪中期，奥地利修道士孟德
尔（Gregor Mendel）认识到代与代之间是通过他称为 “离散因
子”的东西——今天我们称之为基因——而遗传其特征的。他
发现每个个体从上一代那里继承两套完整的基因，分别来自父
母双方，在生物学上叫做“等位基因”。它们在复制过程中并
不发生任何变化，原封不动地从上一代传到下一代。使每个个
体不同的真正原因在于：每一个后代都从双亲两方各自的等位
基因中取一条，也就是说选中任一条的概率为50％，这样一来
就会产生4种组合，任何一种组合出现的概率为25％。 这种基
因的重组产生了多种多样的特征结果，如：肤色、体型、对疾
病的抵抗力，甚至酗酒的倾向性。
尽管孟德尔有了遗传物质的概念，但他并不清楚这个过程
在化学上是如何实现的。在孟德尔死后，大约过了70年，这个
谜终于被解开了。 在剑桥工作的沃森（James Watson）和克里
克（Francis Crick）发现基因由两股复杂的分子组成，这就是现
已广为人知的DNA双螺旋。
现已发现所有生物的每一个细胞中全都含有DNA。虽然它
是非常大的有机分子，但令人惊奇的是，构成DNA的基本化学
单位只有4种。它们分别是：A（腺嘌呤，adenine）、T（胸腺
嘧啶，thymine）、G（鸟嘌呤，guanine）、C（胞嘧啶，cytosine）。
它们数以亿计地散处于DNA分子结构中。这4种物质中的3种便
可以构成一个特定的代码或“词”， 这些由“3个字母”组成
的代码使单个的氨基酸能够按照指定的顺序组合成蛋白质。蛋
白质不单单是组成人体器官的必要物质，所有的生命都要依靠
蛋白质来提供自身所需的复杂化学物质。
使这一过程形象化的最佳办法，莫过于将一个细胞想象成
一大套百科全书。每一册书就是细胞中的一条染色体。人类的
每个细胞中都含有23对染色体，它们由极长并紧密盘绕的DNA
构成。人类身上的这套“百科全书”共有46册，每一册都有数
十亿的词汇量。
就像大百科全书的每一册都讨论大量不同的问题一样，每
一条染色体都控制着生物种种不同的物理特征。打个比方说，
眼睛的颜色就好比是“文艺复兴时期的经济理论”；毛发的类
型就是“第一次世界大战时期伦敦的双层公交车”，身高相当
于“鸭嘴兽的交配习性”。这本百科全书中的每一个条目就是
单个的基因。当然，每个条目都是由段落、单词和字母组成的。
依据我们的类比，段落就是基因中大段的DNA，而单词是DNA
中由3个“字母”组成的“词”（它为氨基酸编码）， 其中的
字母就是基本单元：A、T、C和G。
图 3 遗传密码与单词、书和图书馆的类比
除提供组成基因的必要物质外，通过在细胞中复制自身，
DNA同样也是生长过程中的重要媒介物。它就像是一块模板那
样产生自身新的拷贝。我们的这本“大百科全书”似乎可以无
限地复印和分送；你只要拆开它就能一份一份地复印出相同的
拷贝。但是正像复印一样，在这一过程中总有些小误差。这些
“小误差”被称为“变异”，它们可能是有益的，但也有可能
会产生不良后果。
在克里克和沃森对DNA结构具有独创性和开拓性的发现之
后15年，科学家们对于“大百科”中的“单词”的形成有了充
分的认识。他们发现在A、T、C和G这4种基本物质中，每次只
要3种即可正确定位氨基酸以形成蛋白质。这样一来，用4个不
同的字母，我们就可以得到64个不同的单词（长度为3）。 举
例来说， “G…A…T”就决定了一种特定的氨基酸——“天冬氨
酸。
然而，这并不是故事的全部。DNA并不是遗传机制中唯一
的生化物质。另一种同样重要的化合物叫做RNA（ribonucleic acid
的缩写，即核糖核酸）。它与DNA的关系相当近。让我们来再
看一看大百科全书和复印机之间的关系。大百科全书的书页通
过复印机复制。复印机扫描书页并用墨将书上的文字和图片在
另一张纸上重复展现出来。在生化反应中，将信息从原件传送
至复制件的正是RNA分子。这种特殊的分子可以被看成信息传
递者——它把DNA编码转送至细胞内另一种叫做“核糖体”（
类似于复印机中的实际复印部件）的生化“装置”中，由后者
来构造蛋白质。
整个过程也可以看成工厂中的一条生产线。DNA将“引物
核苷酸”——一种体内已预先制备好的有机大分子——正确地
连接起来制造出更多的DNA和RNA。用我们的类比来看，引物
核苷酸就像是机器的许多小部件，这些部件可以在机械车间的
装配线上拼装在一起。要完成这项工作，DNA还必须使用酶。
酶是另一种有机分子（蛋白质），它能促成某些化学反应的进
行（加快反应的速度，也就是说，它们是生化催化剂）。RNA
将DNA的设计指令转送到核糖体，核糖体用较为简单一些的化
合物（氨基酸）来制造蛋白质。利用这些蛋白质又可以制造出
更多的DNA、RNA和其他大分子，同时另一部分蛋白质以酶的
形式共同参与到细胞乃至整个生命体的维持运作中（包括所有
以上这些过程）。
图 4 DNA如何制造蛋白质
这可是一条自给自足的生产线。大脑是公司的总裁，每个
细胞的细胞核就是一个生产车间，而这些大分子则是机器，所
有的机器和它们的产品是用同样的零件制造出来的。这一切的
一切都由我们吃的食物来提供能量。车间由我们呼吸的空气来
通风，所有的过程都在水（或一种似水的溶液）中完成⑤。
整个过程相当清晰。它展现了生命维持自身运作的机理。
但是，在这个生命循环的生化过程中是否有些问题呢？想一下
生命的基本要素：生命的定义是能够复制并将变异的信息一代
代传下去或通过自然选择而进化的实体。进化是通过复制过程
中的遗传变异来实现的。遗传密码由DNA携带，DNA是在细胞
内利用RNA生产蛋白质的某种生化过程中产生的。不过，我们
陷入了一个左右为难的困境，如果说进化对“生命”乃是必不
可少的，而这个过程本身又要求一系列相当复杂的变化，那么
生命最初是如何产生的呢？从另一个角度来看，所有能够进化
的实体（按我们的定义就是“活的”）都要具有足够复杂的结
构来运作自身的遗传机制，从而实现进化过程——即便最简单
的细菌也是如此（这就是为什么细菌被认为是有生命的原因）。
但一种实体在没有进化的情况下又是如何变得如此复杂的呢？
它究竟是怎么开始攀上这进化之梯的呢？这是出名的“先有鸡
还是先有蛋”之类令人进退维谷的难题。幸运的是，这个看来
无法解答的谜却是有答案的。
直至17世纪，所有关于生命起源的思想都深深扎根于宗教
而不是自然哲学（现代科学的先驱）的基础上。神被视为所有
生命的缔造者；人类是由神通过一种无法（或是不该）了解的
神圣方法创造出来的。随着时光的推移，先后出现了一些试图
解释其中奥秘的理论。
“自然发生论”是最早的理论之一。从很久以前，人们就
注意到一些有机物，特别是像奶酪和面包这样的食物，表面常
常会无缘无故地长出生命来。例如，一块放置了几天的奶酪上
会长出霉茵来。同样的现象也会发生在面包和熟透了的水果上。
由此就引出了生命会“自然”产生的想法。
一直到1860年，这种想法的势头才得以遏制。巴斯德（Louis
Pasteur）证明如果将这些东西装入密封容器中， 它们并不会长
出真菌或其他可见的薄膜。即使面对这样的事实，那些“自然
发生论”的支持者们仍辩称，巴斯德只是证明了面包或奶酪上
自然产生的生命由于缺少空气而窒息并停止生长罢了。巴斯德
于是又接着说明真菌或细菌的生长是由于空气中不可见的孢子
或微生物引起的。有机物表面出现的那种生命形式正是细菌或
真菌的菌落生长到了肉眼可以观察到的地步，而空气、合适的
湿度和可靠的食物来源也都是促成这一切发生的必要条件。
几乎就在巴斯德的研究成果发表之际，自然发生论的丧钟
敲响了——达尔文（Charles Darwin）和华菜士（Alfred Russel
Wallace）几乎同时创建了自然选择的进化理论。在他的革命性
著作《物种起源》中，达尔文证明了生物是如何在一个漫长的
时期中，从简单进化到复杂，而且尽管奶酪上的生物非常简单，
它们决不是随意突然地产生的。鉴于当时的宗教敏感性，达尔
文在《物种起源》中并没有推测生命在地球上产生而不必借助
神的力量。他在书中写道：“造物主”呼出了“一种或几种生
命”。然而，当私下里与他的朋友和同事胡克尔（Joseph Hooker）
通信时，达尔文表达了自己真实的想法——生命从化学中产生：
“从充满了氨、硫酸盐、光、热、电等等所有这一切的某些温
暖的小池塘中诞生。”
自然哲学家试图依据早期的实验以自然发生论来诠释地球
乃至其他星球的生命起源。但是，所有的生命都必须经历进化
过程，从定义上来说都要在自然选择法则的支配下运作——它
们要卷入代代相传的遗传变异，并且必须变得复杂到能够参与
这种过程。虽然我们面临着“先有鸡还是先有蛋？”的问题，
自然发生论却不是这个问题的答案，它只是一条死胡同。
有一种避开了这一起源问题的理论叫做“胚种说”。它主
要由瑞典化学家阿雷尼乌斯（Svante August Arrhenius） 之倡导
而在19世纪大为流行。阿雷尼乌斯认为生命是从外层空间以孢
子的形式传到地球上的，他的这种理论得到当时多位著名科学
家的支持，其中包括杰出的物理学家亥姆霍兹（Hermann von Helmholtz）
和开尔文勋爵（Lord Kelvin）。从详细的模型中可以看到， 胚
种说提出“生命的种子”从一颗行星传至另一颗行星，当某颗
行星