第一章　生命的前期准备

第一节　宇宙诞生和化学元素形成

说到生命的历史，好像只和地球有关，因为生命是在地球上产生的。但是组成生命的物质，却不是地球能够制造出来的，也不是我们的太阳系能够制造出来的。要知道组成生命的物质的最初来源，就要追溯到太阳系出现之前遥远的过去，那就是宇宙的起源。

在20世纪20年代之前，人们认为宇宙是静止的，就连科学巨匠爱因斯坦都这样想。但是在1922年，美国天文学家埃德温·哈勃（Edwin Hubble）却发现，宇宙其实是在膨胀的，其他星系正在离我们而去，而且离我们越远的星系，飞离我们的速度越快（图1-1）。如果把这个过程反推回去，宇宙最初就应该是一个点。

在过去的几十年中，科学家对物质在极高温度和极大压力下的状态也已经有了很好的了解，因而能够从理论上把宇宙膨胀的过程倒推回去，得出我们的宇宙来自137亿年前的一场大爆炸的结论，并且能够描述出大爆炸后千亿分之一秒直到现在的100多亿年中，宇宙发展演变的整个过程，包括组成生命的物质的形成。

宇宙大爆炸是从一个密度和温度都极高的奇点开始的。爆炸瞬间产生多种基本粒子，如夸克。由这些粒子组成的高温高压的“粥”迅速扩张，温度也开始降低。大约1微秒后，温度降到约1000亿摄氏度，基本粒子结合，形成电子、质子和中子。质子带一个单位的正电，电子带一个单位的负电，中子不带电。质子和中子的质量差不多，而电子的质量只有质子的1/1840。

电子、质子和中子的产生，意义极其重大。夸克那样的基本粒子只能在极端条件下（如宇宙大爆炸的瞬间和实验室的对撞实验中）游离存在，而电子、质子和中子却可以在从1000亿摄氏度的高温到绝对零度（-273摄氏度）的温度范围内稳定存在，是组成现今世界上各种物质的粒子。它们的尺寸都很小，像质子和中子的直径只有1.7飞米（1飞米是1厘米的1/（1×1013）），电子的尺寸可能还要小一些，但是总算是在可以想象的尺寸范围内了。就是这三种微小的粒子，组成了现今多姿多彩的世界，包括几千亿个星系，比地球上沙粒数量还多的恒星，我们的太阳系、地球以及地球上的几百万种生物。

这看上去好像有点不可思议：区区三种粒子怎么能够变出这么多花样来啊？在两千多年前，中国思想家老子在《道德经》中就说：“道生一，一生二，二生三，三生万物”，道出了宇宙发展的总规律。现在我们就来看看这三种粒子是怎么生出“万物”的。

质子虽然带正电，彼此排斥，但是宇宙间却有一种力，叫强作用力，可以把质子在中子存在的情况下结合在一起，形成由质子和中子组成的粒子团。在这里中子是绝对必要的，质子之间的排斥力太强，没有中子的掺和，单纯由质子是不能形成粒子团的。在所有的粒子团中，中子数都不能少于质子数，而且质子的数量超过20时，还需要越来越多的中子才能“冲淡”质子之间的排斥作用，使粒子团稳定。例如，质子数为20时，中子数也为20；质子数为40时，中子数为51；质子数为60时，中子数为84；质子数为80时，中子数高达120。质子数超过94时，它们之间的排斥力是如此强大，以至于再多的中子也不能使粒子团稳定了。质子数更多的粒子团可以在实验室中被人工创造出来，但是它们都不稳定，会很快分解。所以在稳定的粒子团中，质子数只能从1增加到94，如果把1也算是“团”的一种特殊情况的话。

强作用力虽然很强大，但是作用距离非常短，只有在质子和中子相当靠近时才能起作用，所以只能在大爆炸后压力和温度都极高的时候发生。但这时宇宙正在迅速膨胀，温度很快降低，质子和中子能够结合为粒子团的时间很短，不过十来分钟，在匆匆忙忙中只形成了含两个质子和三个质子的粒子团，以及大量没有结合、仍然是单个的质子。

38万年之后，温度降低到几千摄氏度，这时又发生了另外一个意义重大的事件，就是带负电的电子开始围绕带正电的质子（或者由质子和中子组成的粒子团）不停地旋转，形成原子，这些质子和粒子团也就成为原子核。原子中电子的数目等于质子的数目，所以原子整体不带电。一个电子围绕一个质子旋转，就形成氢原子，两个电子围绕含两个质子的原子核旋转，就形成氦原子，而三个电子围绕含三个质子的原子核旋转，则形成锂原子（图1-2）。由这些原子核形成的原子叫作化学元素，简称元素，意思是组成物质的基本因素，在性质上特别是在化学性质上彼此不同。

原子的性质是由原子核外面电子的数量决定的，而电子的数量又是由原子核中质子的数量决定的，与原子核里面中子的数量无关，所以是原子核中质子的数量决定原子属于什么元素，例如，氢、氦、锂这三种元素的原子核中分别含有一个、两个、三个质子，它们的性质也不同：氢和氦都是气体，但是氢能够燃烧，氦不能燃烧，而锂是金属。原子核中的中子数稍多一点或者稍少一点，对元素的性质基本上没有影响。例如，锂的原子核可以含有三个中子或者四个中子，但是由于质子数都是三个，这样形成的原子都是锂原子。含有相同质子数和不同中子数的原子属于同一元素，在元素排序时排在同一位置，所以叫作同位素。

在这个时候，宇宙里最多的化学元素是氢，其次是氦，它们之间的质量比约为3∶1，原子数比为12∶1，此外还有微量的锂。组成我们身体的元素如氧、碳、氮、硫、磷等，此时还完全不见踪影。在这样的宇宙中，生命是不可能产生的。

幸运的是，宇宙中物质的分布不是绝对均匀的，而是有微小的浓度差异。由于重力的作用，浓度稍高地方的气体就会把周围的气体吸引过来，使自己的质量增大，从而吸引更多的气体，使这些地方的气体浓度越来越大，最后凝聚成星球。这个过程需要很长的时间，所以第一批星球是在大爆炸之后2亿年左右才形成的。

在这些星球内部，重力作用形成巨大的压力，气体压缩也会产生高温。高温使电子脱离原子，让原子核重新裸露出来，而高温高压又使原子核能够彼此接近到强作用力能够发挥作用的距离范围内，因而能够再次发生融合，形成含有更多质子的原子核，这就是第二次造元素运动，这个过程也被称为核聚变。与大爆炸刚发生时短暂的造元素过程不同，这次造元素的过程是在星球内部发生的，没有宇宙膨胀带来的温度和压力降低的问题，而且原子核融合时还会放热，维持星球内部的温度和压力，因此造元素运动能够长期进行下去。不过能够进行到什么程度，还要看星球的大小。

星球的质量越大，内部的温度和压力越高，就越能够克服带正电的原子核之间的排斥力，使它们融合，形成更重元素的原子核。星球质量小于三个太阳质量时，只能发生质子融合成氦核的反应，所以太阳是造不出氦以外的其他元素的。如果星球的质量大于三个太阳质量，就可以形成铍和碳的原子核；星球的质量大于8个太阳质量时，就会形成氧、氖、镁、硅等元素的原子核；如果星球的质量大于11个太阳质量，还会形成硫、氩、钙、钛、铬、铁、镍等元素的原子核。所以质量巨大的星球就相当于是太上老君的炼丹炉，组成我们身体的元素就是在这些炼丹炉中生产出来的。

当星球内部的燃料耗尽时，核聚变停止，温度和压力降低，不能够再抵抗星球外层向内的压力，这时星球会猛然向内坍缩，坍缩时释放的能量使星球爆炸，将这些新合成的原子核喷洒到太空中，而且在爆炸时的剧烈条件下，还会形成更重元素的原子核。由于星球外层的氢并不参与内部的核聚变反应，喷洒出去的物质主要还是氢，可以再次凝聚形成星球，太阳就是这样的第二代或第三代星球。

因此，组成生物体的主要元素如碳、氧、氮、硫、磷、钙等，都不是太阳系产生的，是过去比太阳大得多的星球死亡时，将这些元素同氢一起喷洒到太空中，再形成太阳系，包括地球。这些元素中的一些在后来形成了地球上的生物，所以地球上生物真正的老祖先是已经死亡的巨型星球。而且太阳系里面尘埃的组成和年龄并不相同，可能来自不止一个星球，所以我们多半还有不止一个祖先。不过它们在爆炸之后余下的部分已经变为中子星甚至是黑洞，很难观察到，即使我们想祭拜它们，也很难找到。