【现货速发】生命通史

前言：我们从哪里来

“我们从哪里来”？这是人类在对自身的思考中一定会提出的问题。不管是哪个人类种群，也不管是在什么时代，提出这个问题时人类的知识水平如何，都一定会想到这个问题，并且会在当时人类的认识水平上来回答。我们不能准确地知道人类是从什么时候开始问这个问题的，但是毫无疑问都是开始于人类在科学知识上还相当有限，而且相信和崇拜神的力量的年代。在这些时代背景下给出的答案自然会充满神话色彩，譬如中国的女娲造人，古希腊的普罗米修斯造人，古希伯莱的典籍中的“创世纪”等等。
这些故事都是先有神，后有人，而且是神按照自己的形象创造了人。用泥捏人也很容易理解。用水调和的泥细腻可塑，干后形状固定，早已经被人用来烧制砖瓦和陶器，而且被用来塑造神像和人像。看看庙里那些栩栩如生的用泥塑的人物和神灵，就知道人类不仅能够用泥土塑造出人，而且还根据人的形象塑造出神。这些体型巨大，色彩鲜艳的神的塑像一经造成，也就被赋予了精神的力量，使得无数人相信它们具有超自然的神力，而对它们顶礼膜拜。而且东方人造的神像东方人，西方人造的神像西方人。即使在今天，你如果到寺庙去，仍然可以看香火鼎盛，有大量拜神的人。所以神造人的想法，实则是人造神想法的逆向思维。
不过神创论并不是对生命起源这个问题真正的回答。既然神能够创造人和各种生命，神就比人“神通广大”，不仅有人的智慧和能力，而且有超过人的智慧和能力。“神”其实就是在想象中被扩大了的“人”。要想知道“人”的来源，也就必须知道“神”的来源。这只不过是把“我们从哪里来”的问题推到“神从哪里来”的问题而已。
人的生命是短暂的。即使人能够活到100岁，也不容易察觉到生物物种的变化。“种瓜得瓜，种豆得豆”，人老年时吃的蔬菜和年轻时并无不同，老年时从河里捞出来的鱼也和小时候一样，老年时看见的鸡也和小时看见的鸡相同。人一代一代地繁衍，生出来的还是人，就连人们供奉的神也多少年不变。这自然会使人觉得物种是不变的。就是相信人和各种生物是神创造的人，也认为他们被神创造出来后，就一直是这样，只有繁衍，没有变化，就像典籍里说到那样，人被创造出来就是“管理海里的鱼，空中的鸟，地上的牲畜，和全地，并地上所爬的一切昆虫”。至于人本身，和人管理的鱼、鸟、牲畜、昆虫，都是不会变的。
既然物种不会改变，对于“我们从哪里来？”的问题，也可以有另一种思考，就是各种生物，包括人，不是谁创造出来的，而是“自来就有，一直这样”，也就是没有起始的。佛教就是这样认为的。按照佛教的说法，这个世界是没有起始，也没有结束的，只有因果循环。生命也是这样，“一切世间如众生、诸法等皆无有始”（《佛光大辞典》），所以根本没有“我们从哪里来”的问题。
所以无论是神造人，还是佛教认为的人“自来如此”，根本不去想各种生物是怎样来的，都觉得物种是不变的。但我们只要多思考一下，就会发现事实和这个看法相反。只要看看我们周围的许多动物和植物，就会发现它们不可能是“自来就有”的。例如人们喜爱的金鱼，就有150多个品种。颜色有红、橙、紫、
蓝、黑、银白、五花等；头型有虎头、狮头、鹅头、高头、帽子头和蛤蟆头；眼睛有正常眼、龙眼、朝天眼和水泡眼。多数金鱼的尾巴还是双尾，双尾中每片尾巴的形状、结构和鲫鱼的单尾基本一致，说明它是由单尾加倍而来的。有这些特点的金鱼显然不是“自来就有”，存在于自然界中的，它们在野外也根本不能生存。科学研究表明，金鱼起源于我国食用的野生鲫鱼。金鱼*初产于中国浙江，然后传至世界各地。它首先由黑灰色变为红黄色，成为“金鲫鱼”，然后再经过不同时期的家养，由金鲫鱼逐渐变成为各个不同品种的金鱼。金鱼的例子表明，物种是可以变化的。
与金鱼类似的是锦鲤。锦鲤有9大品系，100多个品种。野生的鲤鱼和野生鲫鱼一样，是黑灰色的，而且背部的颜色比腹部颜色深，这样无论是从水上看还是从水下看，都不容易被发现，所以是一种保护色。而锦鲤却因为色彩鲜艳而成为观赏鱼。但是锦鲤鲜艳的颜色并不适于在野外生存，因为极易被天敌发现。所以锦鲤和金鱼类似，是由野生鱼类在人工饲养的条件下变化而来的。与金鱼不同的是，锦鲤和野生鲤鱼一样，都是单尾，说明金鱼从单尾到双尾的突变在锦鲤形成过程中未曾发生过。
狗的种类也很多。世界犬业联盟（FCI: Federation Cynologique Internationale）公认的狗就有337种。它们在大小、形状、毛色、习性上相差极大，按功能分可以分为牧羊犬、狩猎犬、工作犬（带路、追踪、畜牧、运输、警卫等）和玩赏犬。这么多种狗也不可能是“自来就有”的，而是人类从狼培育而来的。除了金鱼和狗以外，其他家畜家禽如牛、羊、马、猪、兔、鸡、鸭、鹅、鸽，人类栽种的庄稼、果木、花卉，也都有许多自然界中没有的品种。
比起人工养殖的动物和植物变异的例子，自然界中生物物种的变化要大得多。这可以从不同时期生物留下的化石看出来。这有点像城市的考古发掘。现在中国就是一个大工地，人们在开挖地基的时候，常常会挖掘到过去城市的遗址。越是接近地表的地层，年代和现代越接近，越在下面的地层，时代越久远。比如*上层的是清代的街道遗址，下面是明代的，再往下依次是元代、宋代、唐代、隋代、汉代、甚至秦代的。生物的化石也一样，越是往下的地层，埋藏的生物化石越古老。如果检查不同地质时期的生物化石，就会发现它们随着地层的变化而变化。越古老的地层中，生物的形式越简单。*古老的生命形式埋藏在约38亿年前的地层中；单细胞的真核生物（具有细胞核的生物）出现在16亿至21亿年前的地层中；简单的多细胞生物出现在约10亿年前；复杂的生命形式在约5亿年前出现；而人类的*古老的化石只有约200万年的历史。这说明物种不是不变的，而是从简单变成复杂，从低级变成高级，*后产生了哺乳类动物，其中又产生了灵长类动物，*后才产生了人。既然鲫鱼可以变成金鱼，狼可以变成各种不同的狗，野生稻可以变成高产水稻，为什么复杂的生物就不可以从比较简单的生物变来呢？1859年，英国生物学家查尔斯·达尔文（Charles Robert Darwin，1809—1882）根据他在航海考察中对大量生物及其变种的观察，提出了生物演化的观点。在他的《物种起源》（The Origin of Species）一书中，达尔文认为地球上的生物是由少数的共同祖先，经过变异和自然选择而来的。这个理论阐明了地球上所有生物之间的发展关系，是理解生物多样性的基础。达尔文当时主要是根据各种生物的外形和构造来推断出他的结论的，随后发现的生物的细胞结构和在分子水平上高度的一致性有力地支持了他关于生物演化的思想。
在神造生物的故事中，人与其他生物之间，以及其他生物的不同种类之间，是不需要什么共同性的，神造它们什么样就是什么样。孔雀和菊花，蝴蝶和菠菜之间，好像就完全没有共同性。而如果复杂生物是由简单的生物演变而来，那么复杂生物就一定会带有简单生物的一些特点，也就是生物之间有共同性。所以生物之间有没有共同性，也是检验神创论和生物演化论的一个指标。科学研究表明，地球上的生物是有共同性的，首先被发现的共同性就是细胞构造。
在显微镜发明之前，人们是不知道细胞的。细胞的大小从1微米到几十微米，而在30厘米的距离（人们观察物体细节的距离，也是阅读时离书或屏幕的距离）上，人眼的分辨率是100微米左右，自然看不见细胞。在这种情况下，人们也会认识到高等动物（如牛、羊、狗、猫、兔等）和人的构造有相似之处，比如都有四肢，都有头部，头部都有两只眼睛、两只耳
朵、两个鼻孔、一个嘴巴，而且位置安排和人相当。它们也有心、肺、肠、肝、肾等器官。但是人和蝴蝶好像就没有什么共同之处，和花草树木好像更是完全不同的生物。但是到了16世纪中期，显微镜出现了，人们才发现原来地球上所有的生物，无论大小形状，简单还是复杂，都是由大小类似的细胞组成的。细胞的形状和功能虽然不同，但是基本的结构却是相同的。对于真核生物来讲，就是都有细胞膜，细胞核，细胞器，比如所有的真核细胞都含有“线粒体”作为细胞的“动力工厂”。
就凭这一点，神造人就有点麻烦了，决不是像神话里面说的，神往人泥胚的鼻孔里“吹一口气，有了灵，人就活了”那么简单。比如人就是由大约60万亿个细胞组成的，而且这些细胞还分为200多种类型，包括神经细胞，皮肤细胞，肌肉细胞，肝脏细胞等等。要让泥胚变成活人，必须在吹气的那一霎间，泥土变出亿万个结构精细，功能各异的细胞来才成。
不仅如此，泥土的成分主要是硅酸盐，组成泥土的元素主要是氧、硅、钙、铝。而组成人体的元素却主要是氧、碳、氢和氮。这四种元素就占人体重量的96%。神要从泥土造人，不仅要从泥土变出细胞来，还必须有在吹气的那一瞬间，把硅、钙、铝变成碳、氢、氮的本事。这是现今***的科技也办不到的事情。
生物化学和分子生物学的发展，更是从分子水平上揭示了地球上生物的高度统一性。例如地球上所有的生物都用磷脂组成细胞膜；都用脱氧核糖核酸（DNA）作为遗传物质；用同样的四种核苷酸（脱氧腺苷酸、脱氧鸟苷酸、脱氧胸苷酸和脱氧胞苷酸）组成DNA；用同样的密码子为蛋白质中的氨基酸序列编码；遗传单位都是“基因”（为蛋白质编码的DNA片段和它的“开关”）；使用同样的20种氨基酸来组成蛋白质，从DNA的序列到蛋白质中氨基酸的序列都使用信使核糖核酸（mRNA）作为中介；都使用三磷酸腺苷（ATP）作为“能量通货”，都用葡萄糖作为主要的“燃料分子”，都使用“三羧酸循环”作为化学反应的中心枢纽等。所有这些共同性都证明了达尔文当年的想法，即地球上所有的生物都出自同一个“祖宗”，因此所有的生物都是或近或远的亲戚。
说到这里，神造人的故事就越来越难以成立了。要真的变泥胚为人，不仅要用泥变出亿万个细胞来，把泥土中的硅、钙、铝变成碳、氢、氮，还必须让泥土变出DNA、蛋白质和人体的2万多个基因。即使神也是伟大的科学家，通晓所有这些知识，但是要让泥土做这样的转变，在科学上还是不可能的事情。当然相信神创论的人可以说，神是**的，这些困难都不在话下，宇宙中的自然规律也可以随意被神打破，神想做什么就可以做什么。我们尊重他们的意见，因为这已经不是科学上的争论，而是信仰的问题。我们写这本书的目的，也不是去思考神怎样造人和其他生物，而是从**的科学知识的基础上，探讨生物和它们复杂的结构和功能是怎么产生的。在过去的几十年中，人类对于宇宙形成和生命现象的研究取得了极大的进展，已经使得我们可以在分子水平上详细地论述生命的产生和演化的过程，回答“我们从哪里来”这样的问题。
在过去的几十年中人类对生命研究的一个重要进展，就是可以去研究各种生物的“设计手册”，即DNA中包含的全部遗传信息。这是生物*核心的“机密”，因为它规定了一个生物体该如何建造。在过去，对于DNA和蛋白质的研究虽然也取得了很大的进展，但是这些信息毕竟是片段和局部的。要更进一步研究不同生物之间的关系，就要全面系统地比较它们的全部遗传信息。这个“设计手册”在英文中叫做genome，在中文中叫做“基因组”。比较不同生物的基因组，看哪些基因保留了，哪些基因新出现了，哪些基因变化了，哪些基因消失了，就可以判断出生物之间的内在关系。
不过要测定一种生物，特别是复杂生物的基因组（即全部DNA序列）决非易事。比如人的基因组含有30亿对核苷酸，相当于人的“设计手册”是由30亿个字母写成的。这30亿对核苷酸分存在23对染色体中，相当于这本“设计手册”分为23本分册。1990年，美国的国立卫生研究所（NIH）出资30亿美元来进行这项计划，相当于每测1个“字母”预期要花1美元。按照当时的技术水平，一次DNA测序只能读出几百个“字母”，要把30亿个字母读完，还要把这些片段序列按照正确的顺序连接在一起，工作量可想而知。经过科学家们持续不懈的努力，这项工作终于在2000年完
成，并且作为对人类研究史上的里程碑，在2000年6月26日由当时的美国总统比尔·克林顿（Bill Clinton）和当时的英国首相托尼·布莱尔（Tony Blair）一起宣布。
随着DNA测序技术的不断改进，对人类和其他生物基因组的测定速度也越来越快。据美国生物和医学数据库（NCBI）的记载，目前已经完成测序的真核生物的基因组有2,491个，包括人、已经灭绝的尼安德特人、黑猩猩、大猩猩，长臂猿、短臂猿、狒狒、牛、马、猫、大鼠、小鼠、蜜蜂、果蝇、蚊子、线虫等动物的基因组，拟南芥、大米、田芥菜、葡萄、胶杨、红藻、绿藻等植物的基因组，以及酵母等真菌的基因组。初步完成的真核生物基因组有607个，正在进行的有4,427个。已经被测定的细菌基因组有11,506个、初步完成的有5,216个、正在进行的有12,702个。这就为系统地比较生物之间的遗传物质准备了条件。
对这些“设计手册”的比较分析表明，从低等生物到高等生物，所使用的蛋白质和为这些蛋白质编码的“基因”是一脉相承的，生物的发展在基因水平上有清楚的脉络。比如肌肉被认为是动物特有的，但是组成肌肉的基本成分，肌球蛋白（myosin）和肌纤蛋白（actin），在单细胞的酵母和变形虫中就有了。在这些单细胞的生物中，这些蛋白质就具有产生机械拉力的功能，用于细胞运动，细胞内的物质运输，以及在细胞分裂时形成环，环的收缩把细胞“勒”断为两个。动物的肌肉系统，不过是在这些基本的机制上发展出来的。我们现在的任务，就是要探讨生物*初的基因和功能是如何产生和发展的。
对陨石和星际尘埃的研究表明，它们上面常常含有许多有机物，包括组成DNA所需要的碱基和组成蛋白质所需要的氨基酸，说明生命所需要的分子可以在地球以外形成。作为地球上生命的介质，水，在宇宙中也普遍存在。比如彗星的核常常含有大量的水。木星的卫星欧罗巴（Europa），在表面的冰层下面有深达100公里的海洋。地球的“兄弟”火星上曾经有大量的水，还曾经在火星表面冲出数公里深，几十公里宽的河谷。就是在干燥的星球如月球上，水也在极地被发现。这些研究结果说明，生命的种子和形成生命的条件在宇宙中广泛存在。
许多生物演化史是根据年代先后，详细列出不同生物出现的时间点，例如什么时候鱼类出现，什么时候鸟类出现等。本书的目的不是要详尽地叙述这个过程，而是从分子及其相互作用的基础上，论述生命分子的出现和生物功能的形成，所以是从生命的“内部”来看生物的形成和发展。作者希望，从这个角度出发的论述能够带给读者对生命现象新的理解。在本书的附录中，我们还给出各章的主要参考文献，方便读者进一步阅读。附录中还有索引，帮助读者迅速找到感兴趣的内容。

生命现象是我们这个星球上至为复杂和有趣的自然现象，关乎我们人类对自身的认识。
　　《生命通史》不同于以前中外作者习惯采用的主要从外部形态、生物种类等宏观层面描述生物演化史的书写模式，而是以生物的各种功能的演化作为主要线索，揭示了能量摄取、信息传递、结构形成、运动、繁殖、感觉、摄食、防卫、意识……等各种功能的起源和演化历程。
　　《生命通史》不仅仅描述了生物体各种功能的演化史，同时更为重要的是呈现了功能演化的深层机制，即包括基因在内的种种分子层面上的不断演化，从“内部”揭示了生物演化的脉络，以及地球上如此复杂多样、缤纷绚丽的生物界在分子层面所具有的惊人的一致性。
　　生物在分子机制上具有高度的一致性和连续性，但其宏观结构和行为上又具有高度的差异性和多样性，这是几十亿年来地球生物旺盛的生命力和顽强适应能力的明证，也是用分子、原子作为文字而书写的地球生命的宏大史诗。
　　《生命通史》是生物演化的一部“内史”，所凭借的是20世纪后半期以来分子生物学迅猛发展的诸多成果，本书将这些有趣的发现从26000多篇前沿专业文献内筛选出来，通过较为生动简易的方式呈现给普通知识读者。

朱钦士，四川省成都市人。毕业于北京大学生物学系生物化学专业，后取得荷兰阿姆斯特丹大学生物化学博士学位。研究领域广泛，包括生物能、酶的结构与功能、蛋白质的合成与转运、癌症与染色体、神经递质、基因表达的调控机制以及肝脏解毒系统等。在国外主要学术杂志上发表研究论文三十余篇。曾任中国科学院生物物理研究所硕士研究生导师和美国南加州大学医学院生物化学与分子生物学系副教授。曾为《科学网》《中国科普博览》《生物学通报》《科学》等杂志上撰写过多篇科普文章，并出版了科普著作：《上帝造人有多难——生命的密钥》（清华大学出版社，2015年，该书被评为“中国好书”），《纷乱中的秩序——主宰生命的奥秘》（科学出版社，2019年），参编了《十万个为什么》（上海儿童出版社第6版）。

自序/

**章　我们的宇宙是生命的摇篮
**节　碳元素是生命的核心元素 / 1
第二节　生命的原料宇宙中都有 / 4
第三节　原始细胞可以在自然条件下形成 / 7
第四节　RNA催化了*早的生命 / 10
第五节　水在宇宙中并不稀少 / 15

第二章　了不起的原核生物
**节　生命乍现 / 17
第二节　神通广大的原核生物 / 18
第三节　蛋白质催化原核生物 / 21
第四节　RNA和蛋白质的华尔兹 / 25
第五节　DNA取代RNA成为遗传物质 / 28
第六节　随机应变的基因调控 / 31
第七节　细胞的“墙壁”和“门户” / 33
第八节　氧化还原反应供给能量 / 36
第九节　“蓄水发电”合成ATP / 37
第十节　破解烧碳难题 / 41
第十一节　正转和反转的三羧酸循环 / 43
第十二节　发明光合作用 / 46
第十三节　“骨骼系统” / 53
第十四节　喧闹中的秩序 / 57
本章小结 / 59

第三章
更上一层楼的真核生物

**节　什么是真核生物 / 60
第二节　线粒体是关键 / 62
第三节　细胞核出现 / 64
第四节　组蛋白和染色体 / 68
第五节　端粒和端粒酶 / 69
第六节　“骨骼系统”和“肌肉系统” / 73
第七节　有丝分裂 / 82
第八节　“胃”和“回收中心” / 84
第九节　被收容的叶绿体 / 89
第十节　内质网和高尔基体 / 92
第十一节　蛋白质的“路牌” / 95
第十二节　对生物膜“动手术”的蛋白质 / 101
第十三节　膜系统是如何出现的 / 103
本章小结 / 106

第四章　　细胞分工的出现——多细胞生物
**节　单细胞巨无霸 / 108
第二节　演化为多细胞生物的各种尝试 / 109
第三节　生殖细胞和体细胞 / 118
第四节　干细胞 / 119
第五节　永生的生殖细胞 / 126
第六节　体细胞的衰老和死亡 / 130
第七节　细胞的程序性死亡 / 143
第八节　叛逆者——癌细胞 / 148
本章小结 / 153

第五章　　植物、动物、真菌的起源**节 　体外消化获得营养的真菌 / 157
第二节　体内消化获取营养的动物 / 160
第三节　超级生产者——植物 / 170
本章小节 / 186

第六章　巧夺天工的生物结构
**节　直接接触形成结构 / 190
第二节　远程控制生物结构 / 199
第三节　生物结构形成的各种理论 / 204
第四节　执行扩散性信号的基因 / 209
第五节　四肢的形成 / 212
第六节　眼睛的形成 / 221
本章小结 / 229

第七章　生物性史**节　从无性到有性 / 232
第二节　破解有性生殖的难题 / 236
第三节　细胞选择和异性选择 / 243
第四节　怎样避免近亲交配 / 244
第五节　孤雌胎生和世代交替 / 247
第六节　有性生殖的回报系统 / 248
第七节　求偶竞争 / 250
第八节　令人困惑的性染色体 / 252
第九节　决定性别的基因 / 253
第十节　男性会消失吗 / 255
本章小节 / 256

第八章　　　细胞的信号传输系统**节　蛋白质分子的信息开关 / 258
第二节　原核生物的信号系统 / 261
第三节　动物的单成分系统 / 269
第四节　动物的双成分系统 / 272
第五节　动物的多成分系统 / 275
第六节　动物的G蛋白-蛋白激酶A系统 / 279
第七节　传递信息的磷脂分子 / 282
第八节　神经细胞是信息的高速公路 / 285
第九节　神经细胞的信号输出 / 291
第十节　神经细胞可能是从上皮细胞演化而来的 / 294
第十一节　膜电位的演化 / 297
本章小结 / 301

第九章 病　毒
**节　种类和繁殖 / 303
第二节　病毒的起源 / 306

第十章　生物的防卫系统
**节　细菌的防卫系统 / 311
第二节　动物的先天免疫系统