生命的涌现
人们通常认为，所有形式的生命体都源自一个共同的祖先。今天，有各式各样、品类不同的物种栖息在地球的每一个角落、每一个缝隙，小到细微的病毒、大到伟岸的动植物，而且所有形式的生命体都经历非常类似的基本生化过程。[31]这一点为生命共源说提供了明显的支撑证据。
至于最初的生命是在哪里、何时、又是如何涌现的，我们并不是很清楚。有人声称最早的生命体可追溯到约38亿年前，但这一观点已遭到质疑。但我们有坚实的证据说明，生命体至少有34亿年的历史。既然地球在45.6亿年前就已形成，那么由此经物理化学演化至最初的生命诞生可能时间很长，但也可能不是那么长。事实上，我们甚至不清楚最初的生命是在地球上涌现的，还是被某种恰好来访地球大气层的天体从别的什么地方带到地球上的。假如生命确是在宇宙别的地方发端的，那么我们对生命发端的时间、地点和方式也同样一无所知。不过因为最初的生命似乎特别适应早期地球的环境，那很有可能生命就是在地球上自发地涌现出来的。
假如生命确是在地球上涌现的，我们还是不清楚生命是否只涌现过一次。假如生命是从地球之外进入的，我们也不知道这种外来的闯入者是否只拜访过一次。因为所有形式的生命体似乎只有一个共同的祖先，那几乎不可避免的结论就是：任何与这一先祖竞争的生命形式——无论其是在地球上出生，还是从太空坠落的——都未能活到现在。换言之，从长远看来，地球上的条件不大符合另类生命体（假如真的有过另类的生命体）的生存需求。
最初的生命在地球上涌现之前，曾有过漫长的无生命复杂实体渐趋形成的过程。这一过程通常被称为“化学进化”（chemical evolution）。在物质和能流的影响下，例如阳光、火山活动、闪电和放射性衰变，越来越复杂的分子就形成了。这些分子也有可能来自外太空。这样，到了某个时间点，就开启了一个自组织的过程，并进而导致生命的涌现。
有足够量的液态水肯定是生命涌现及持续存在绝对必需的条件，因为没有水，维持生命所需的物质和能流就不可能存在。埃里克·蔡森对此曾解释说：空气过于稀薄，无法支撑复杂网络的涌现及其持续存在——今日所有生物体的细胞中都有复杂网络的链反应，而固态物又过于滞涩。只有水为我们所知的生命化学反应提供了合适的条件。[32]当然，也许有其他形式的生命体基于完全不同的化学反应，但即使这种形式的生命体存在，我们也一无所知。无论如何，直至今日，有足够量的液态水为地球上的生命及文化设置了极严格的限界。另外，足够量的液态水，比如大洋，对外来能流波动造成的温度波动有某种阻尼作用，因为水可以吸收大量的热能而不致水温大幅提升。这样会造成温度和压力相当稳定，有助于早期的生命体存活下来。这一点也不是什么新见。早在1871年，查尔斯·达尔文就曾提出，生命体可能就是在条件非常适宜的“温热的小水塘”（warm little pond）中涌现的。[33]
主张生命源于大洋还有另外一个原因：活性细胞中的平均含盐浓度（不是其具体组成成分）与现代大洋中的平均含盐浓度非常接近（古代大洋也应该差不多）。假如早期生物细胞的含盐浓度同周围的海水差别很大，那么由此产生的能量差异几乎马上就会把生物细胞杀死。当然，随着时间的推移，这种能量差异还会有所发展，尤其是生命体从海洋迁移到陆地以后。不过，到了那时，生命体已变得足够健硕，且已进化出防护手段，足以在最初的恶劣环境下保护细胞了。
目前最有可能成为生命开端的场景叫作“RNA世界”（RNA world）。在RNA世界，RNA分子可以自发地生成，既能携带信息，又可以催化重要的反应，包括自身的繁殖。这种RNA分子的集合可能催生了最初的活性细胞。支撑这一假说的证据是：如今，所有形式的生命体都不能缺少RNA分子，RNA分子有大有小，能够完成众多不同的功能。此外，RNA分子最主要的组块三磷酸腺苷（通常缩写为ATP）是所有细胞都要使用的主要的能量载体。不过有一点，我们还不清楚RNA分子最初是如何涌现的，因为RNA分子相对不是很稳定，且其自身的形成也需要一定的能量投入。也许早期的RNA还有某种尚不为人知的分子前身。[34]
大洋很可能为最初生命的开启提供了物质和能流，尤其是通过海底的火山喷发，而且那时候这种海底火山的喷发异常频繁，这是因为起隔绝作用的地壳使地球的温度持续增高。直到今天，这种黑烟囱在大洋的多个地方还不时可见。之所以称其为“黑烟囱”是因为它们会冒黑烟。埃里克·蔡森认为，海底火山喷发为早期生命的维持提供了足够的能量，约为50×10–4瓦/千克的能量。相比之下，现代海底火山的黑烟囱只能产生10–4瓦/千克左右的功率密度，但这对以此为生的现代生物来说也还够用。[35]荷兰科学家弗兰克·尼尔在其2005年出版的专著《能量：进化的引擎》中将这种早期的体系称为“喜温体系”。[36]
美国微生物学家尤金·库宁（Eugene Koonin）和威廉·马丁（William Martin）于2005年提出，早期生命很有可能是在微温黑烟囱冒泡的多孔硅酸盐结构中形成的。在这种为数众多且相对受保护的气泡中——这里的气泡与细胞的大小相当——RNA分子可能开始了与其他分子的互动。硅酸盐结构多孔的墙壁也可能充当了催化剂的角色，因而使得生产更复杂的分子成为可能。[37]当这种满载形成中的生命因子的气泡四下流溢时，其分泌出的小气泡会融入海水，而海水周围有可能漂浮着一层蛋白质和脂类。这一过程可能持续了数百万年也未能最终形成生命体。但哪怕有一次获得成功，这种微小的气泡就可能演变成最初的活性细胞。提出这一机理的一个主要理由源自如下观察：今天，古细菌、原核细胞（prokaryotes）和真核细胞（eukaryotes）三大演化类群的主要分子机制是相同的，而其彼此不同之处在细胞膜和DNA的复制方式。最早的生命形式最初涌现时可能还没有脱氧核糖核酸分子或明晰可见的细胞膜，这些都是后来分别进化出来的。
生命的涌现意味着一种新的物质体系的问世，其特征是吸收外界的能流以提升自身的复杂度。随着时间的推移，吸收能流的过程一定由被动变成主动，直到某个时间点，早期生命体终于进化出一种主动从周围环境获取物质和能量的机制，这是当今各种形式的生命体依然还在做的。这本身是一次重大转折。不过既然维持自身的复杂性需要大量的物质和能量，也意味着生命体为此要不断地付出巨大努力，我们不禁疑惑：生命体为何不停止努力从而消失了算了呢？不可避免的结论是：生命体在涌现过程中进化出一种极强的内置驱力（in-builtdrive），就是要生而不灭。我至今还未弄清这种内置驱力的生化机制是什么。
但探问生命体这种求生的内置驱力背后可能的生化机制确是一个非常诱人的问题。生物细胞内部自发产生的自催化反应（autocatalysis）可能是这一生化机制的部分内容。自催化反应肯定致使机体感觉到对某种化学原料的需求，而后又在细胞中造就了物质和能量梯阶，物质和能量梯阶遂刺激机体进化出某种能够认识到这一梯阶的机制，该机制随后把知识化作行动，开始主动地从外界汲取上述化学原料。这种机制于是造就了有机体最早最古老的一种感觉——饥饿感。
我们还不清楚在初始条件都适宜的情况下，生命的涌现到底是不可避免的（如同星系、恒星和行星的涌现一样），还是各种难以置信的机缘巧合的产物。也许未来的空间探索会为这一问题的解答提供证据和些许的科学性。
如同最重的化学元素在超新星爆发中产生一样——重元素形成时一定要吸收能量，细胞要制造更复杂的分子也不能不吸收能量，而当这些分子解体时，能量又被释放了出来。由于生命体数十亿年来永不停息的劳作，在地球的某些地方便自发地积累起这种富含能量的生物分子，这种积累造就了我们今天还在使用的大部分化石燃料，甚至是所有的化石燃料。[38]
假如生命体确实是在海底黑烟囱造就的相对良好的环境中涌现的，那么此时的生命体一定从一开始便适应了这里的环境。因此，早期的生命体肯定特别依赖从地球深层释放出的地热能。不过，随着时间的推移，生命体又学会了以多种方式从自身所处的环境中提取能量，其中最重要的是中央恒星发出的电磁辐射。能够收获阳光使生命体摆脱了对黑烟囱的依赖，从而在广阔的大洋里、陆地上及天空中滋生繁衍。生命体究竟是如何学会这种本领的呢？详见下一章的讨论。
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[1] 分析行星大气层的成分以获取生命起源的线索，这是詹姆斯·洛夫洛克发明的研究方法，故而后来提出了盖娅假说，本书第五章对此有说明，详情可参阅其专著 (1987 & 2000)。
[2] 本章的科学数据有多种来源，涵括数世纪以来的天文观测、空间探测器和载人航天飞行发回的数据、岩石的年代测定和长期的地质学及生物学研究，包括生物化学。
[3] 有关宇宙中其他地方可能存在的生命的推测性概述，参阅Fox (2007)。
[4] 我们不能认为人类在宇宙中的邻里间出现了生命和文化现象就一定代表整个宇宙的发展也有不同阶段，可比较Aunger (2007a&b)。我们不能简单地把地球上涌现出生命和文化当作大历史演进的重要阶段，因为这样做无异于强化新形式的地球中心主义及人类中心主义。
[5] 第四章和第五章基于大量资料，其中有不少在正文中没有明确提及，因为那样的话，差不多每一句后面都要加缀长长的注释了。我个人认为最重要的通论性著述如下（按字母顺序排列）：Chaisson (2001 & 2006); Christian (2004); Cloud (1988); Drury (1999); Jantsch (1983); Lovelock (1987 & 2000); Lunine (1999); Priem (1993 & 1997); Smil (1999 & 2002); Ward & Brownlee (2004); and Westbroek (1992)。
[6] Lineweaver, Fenner & Gibson (2004), pp. 59-62.
[7] 星系的共转圈是指这样一个区域，即一物体环绕星系中心运转的角速度（angular velocity）等于所有环星系中心运转的角速度之均值，如此圈出的区域为共转圈。在银河系中，共转圈的半径大约为23,500光年（误差幅度约为4,200光年），太阳距离银河系中心约24,500光年。换言之，人类在宇宙中的邻居与共转圈非常接近。根据宇宙学家的说法，这一区域出现环绕星系中心运转的物体相撞的概率最小，也因此最适宜生命繁衍生息。参阅Mishurov, Zenina, Dambis, Mel’Nik & Rastorguev (1997), pp. 775-780。
[8] 可参阅Chown (2008)。
[9] Kant (1755).
[10] 可参阅Cloud (1988), pp. 10-15。
[11] 我自己的计算使用了如下数据：根据各种估算的平均值，地球上现有蓄水量为1.3×1021公升；1焦耳 = 0.239卡路里，而1个卡路里等于将1克水从15.5摄氏度提升至16.5摄氏度所需要的热量。
[12] 这里有关吸积热和分化热所取的值来自Priem (1997), p. 40。
[13] 可参阅Ward & Brownlee (2004), p. 49。
[14] Morrison, Morrison & The O.ce of Charles and Ray Eames (1994), p. 7.
[15] 可参阅Gleick (1988) and Peterson (1995)。
[16] Kasting, Whitmire & Reynolds (1993), p. 108. 事实上，首先被提出来的是“太阳系中的生命适宜带”这一概念，后来才有了“银河系中的生命适宜带”概念。
[17] Ward & Brownlee (2004), pp. 15..
[18] 可参阅Westbroek (1992 & 2009)。
[19] 可参阅McSween (1997), p. 119及May, Moore & Lintott (2006), p. 108。
[20] Reeves (1991), pp. 73-74.
[21] 可参阅Budyko (1986) and Smil (2006), pp. 22.。
[22] 参阅Cloud (1988), p. 123。
[23] 比较Strangway (1970)。
[24] 可参阅van Andel (1994), pp. 90-94。
[25] Van Andel (1994), p. 126.
[26] 围绕这一观点并非完全没有争议。2005年，美国科学家田丰等人提出：早期大气层可能包含约40%的氢，但后来慢慢地又非常肯定地都消失在了太空。要知道，氢有助于生成生命体所需的化学原料。
[27] 相关概述可参阅White (1959), pp. 34.。例如，奥地利能源专家英格尔伯特·布罗达 (E. Broda，1975)和美国生物学家罗纳德·福克斯 (Ronald Fox，1988)撰有精彩的相关专著，其中将生命体看作一个能量驱动的过程。更晚近一些，可参阅瓦克莱夫·斯米尔同样精彩的有关大气层和生命形成的著述。
[28] 相关概述可参阅Hamilton (2008)。
[29] 我对生命的定义非常接近进化生物学家康拉德·洛伦兹（Konrad Lorentz）的相关论述：“生命是相当主动的作为，既要获取一定的能量，又要获得相当的知识，二者互有促进。这两个反馈循环非常有效，再加上彼此频繁的互动，遂成生命体有能力战胜异常强大但毫不留情的无机世界的前提，或曰道理所在。”转引自Chaisson (2001), p. 176。同时参阅Lehninger (1975), pp. 3-4。所有这些观念都让人想起埃尔温·薛定谔在《生命是什么？》（What is Life?, 1944年首次出版，2013年再版发行）一书中对生命特征的总结。在笔者的定义中，病毒还算不上生命体，但病毒与被其利用的细胞一道就成了生命体。
[30] Jantsch (1983), pp. 102-103.
[31] See, for instance, Smil (2006), p. 24.
[32] Chaisson (2006), p. 318-319.
[33] 根据网上《科学百科全书》（Encyclopedia of Science）(www.daviddarling.info/ encyclopedia/D/DarwinC.html)，“达尔文在写给植物学家约瑟夫·胡克（Joseph Hooker，1871）的一封信中曾设想过生命体的化学起源：‘人们常说最初生物体产生的条件已经具备了，可这样的条件不是一直都具备嘛！但如果（哦，好大的如果！）我们能够设想在某个温热的小水塘，里面有各种各样的氨和磷酸盐、光、热、电等，这样，蛋白复合物就可以通过化学手段制造出来，而后再进一步复杂化。要在今天，这种物质早就被一口吞掉或吸收了，但那时的情况不同，因为生物还没有最终形成。’不过他也认识到那个时代的科学还不足以讨论这样的概念，所以又补充说：‘其实现在谈论生命的起源还只能是胡思乱想；当然，人们可以讨论物质的起源。’”。
[34] 可参阅Pleij (1995); Whit.eld (2004); and Koonin & Martin (2005)。
[35] Chaisson (2001), pp. 169-170.
[36] Niele (2005), p. 8.
[37] Koonin & Martin (2005), Cairns-Smith (1995).
[38] 参阅Belderok (2008)。有关石油，尤其是天然气（甲烷），究竟如何形成还存在争议。有科学家主张二者的起源与生物无关，参阅Glasby (2006)。就甲烷而言，此说还有些可信，因为其他行星上也发现有大量的甲烷存在，比如木星，还有行星的卫星，比如土星的泰坦星（Titan）。甲烷不大可能是生命体制造出来的。
