生命8大发明

　　距今35亿年前的地球曾是简单微生物的领地而今，数十亿种生物居于地球之上生命是如何创造奇迹的？其中自有窍门

　　1.DNA

　　生命之源

　　为什么是个大发明？

　　这种位于细胞中心的长链分子包含了能让所有生物运行和复制的程序。

　　工作原理？

　　程序是用四种“字母”，即核苷酸编写而成，它们依次排列成DNA分子。三个“字母”组成一个“单词”，几个“单词”连接起来成为基因。每个基因被激活后，就会开始生产特定的蛋白质。蛋白质既是生物体内的砖块也是建筑工人：有些蛋白质用于构建细胞，有些则能协调化学反应，帮助细胞吸收能量、产生能量、实现运动……DNA还能自我复制，也就是说，它能制造出一个自己的副本。在繁殖过程中，生命程序经过复制后传递给后代。以某些单细胞的原始生物为例，繁殖依靠分裂：母细胞一分为二成为两个子细胞，各自继承一份生命程序。

　　对于生命的意义？

　　DNA堪称生命基石。原始生命出现的条件是拥有躯体（细胞）和头脑。好吧，所谓头脑，就是DNA！正是因为有了DNA，首个版本的细胞才有了活力，也就是说，它成为了独立自主的生物，有能力从外界获取必需的成分用于机体运转、自我复制以及繁衍后代。更加出乎意料的是，这个完美机制中的一个小瑕疵竟然促成了生命的多样性……错误（即“变异”）有时会潜入传给后代的DNA。程序出现变化，通常会减弱细胞的活性，甚至将细胞杀死。然而，变异有时也会诱发有趣的革新。这种革新本是偶然产物，却随着时间推移，实现了DNA的进化。想象一下，生活在沸水中的原始微生物突然被带到冷冰冰的环境中。其中某些会因为变异而获得新基因，得到抗寒的能力。于是这些个体在新环境中幸存下来，经过一代代地繁衍，期间可能还有新的突变，它们获得了新的属性，可以更好地利用生存环境，最终演变成和热水中的表亲截然不同的新物种。DNA的变异使生物得以测试不同的程序，环境则会做出选择，只留下能够适应的生物。这种机制重复了近40亿年，造就了我们这颗物种丰富的星球，从毒蝇鹅膏菌，到棕榈树、蝴蝶，甚至还有……你！

　　2.光合作用

　　加足能量

　　为什么是个大发明？

　　地球拥有一些简单且充足的资源，比如：光、水、二氧化碳，光合作用这个化学过程能利用它们制造能量分子。它使得细菌这种单细胞生物得以在全球各大洋的海面上蔓延，但扩散深度只限于水下15米，因为再深，阳光就很难抵达。不过这已经非常了不起了。因为在光合作用发明之前，这些区域几乎没有任何生物。更古老的细菌要从氨或硫化氢中攫取必需的能量。相对于水和二氧化碳，它们的分布极其有限，只存在于某些特殊地区，如大洋深处的热泉。

　　工作原理？

　　蓝细菌在进化过程中偶然获得了叶绿素。这种能把细胞变成绿色的分子对光线超级敏感。叶绿素能将太阳能转化为化学能。细胞就利用这种能量打碎水和二氧化碳的分子，并将打碎的分子重新组合，产生蕴含丰富能量的葡萄糖。

　　对于生命的意义？

　　光合细菌取得的成功为地球上的生命带来了翻天覆地的变化。因为在光合过程中，有机体会释放氧气。要知道在35亿年前，这种气体可是稀罕物。更加糟糕的是，氧气对于当时大多数的生物而言无异于一剂毒药。大量出现在水和大气中的氧气杀死了数十亿种微生物，并且把那些对氧气“过敏”的物种赶到了大洋深处或地下。大规模的“氧化运动”在20亿年前发生，由此诞生了一批能够在氧气中生存的新兴微生物。其中一些甚至开发出了特殊系统，能将氧气转化为能量！这些微生物就是目前地球上所有动物的远祖。氧气在大气中增加还产生了另一个重大的后果：形成了臭氧层，从而保护我们免受太阳紫外线的伤害。危险的紫外线能摧毁DNA，所以此前，地球表面没有任何生机。

　　3.有性生殖

　　成双更好

　　为什么是个大发明？

　　因为这种需要两个个体才能孕育后代的繁殖模式，能够创造出极为多样化的个体。需要证明吗？把你自己和你父母以及兄弟姐妹做下对比就行了……即使一家人有相似之处，也绝不会完全雷同！

　　工作原理？

　　有性生殖必须将父母双方的基因放在一起。因此，需要一些信使（生殖细胞）让基因相遇、融合，从而制造出混合了父母基因的后代。因为对于某个基因而言，后代是继承父本还是母本，完全是随机而定。结果，宝宝的DNA就是双亲基因独一无二的组合。理论上来说，一对人类夫妇可以孕育出70万亿个不同的孩子！

　　对于生命的意义？

　　生存环境总会发生变化，而有性生殖能让物种适应变化并且存活下来。举个例子吧。想象一种新的食肉动物入侵某片领域。既然有性生殖能制造出大量不同的个体，那么总会有几种猎物的皮毛具备更好的伪装效果。这些幸运儿更有机会逃脱食肉动物的魔爪。它们比同类活得更久，繁衍更多的后代，并把这种“幸运”皮毛传给孩子。经过数代繁衍，“保护色”会在所有猎物中普及开来。雌雄共同孕育后代的优点并不局限于让生物有快速适应环境的能力。无性繁殖的物种，其“后代”百分之百地拷贝了单个亲本，因此也继承了DNA中积累下来的所有瑕疵。这些变异尽管不会直接致命，却最终会导致某些机能障碍，甚至威胁到个体生命。有性生殖的优势便体现于此，它能部分校正基因错误。假设有个未来妈妈携带一个罕见的基因缺陷，爸爸携带的基因版本则是好的。那么，这对夫妻孕育出的孩子中，有些就不会继承到缺陷基因。简而言之，两人的结合能将健康的DNA传下去。至于携带上缺陷基因的后代，他们通常也会找到一个健康的伴侣。因此，他们的孩子中有部分是没有问题的。数代之后，缺陷基因的携带者就会渐渐消失在人口中。这种循序渐进的缺陷基因淘汰机制十分重要。否则的话，DNA中的错误就会不断累加，最后导致地球上的生命无以为继。

　　4.多细胞生命

　　多样性大爆发

　　为什么是个大发明？

　　因为这一发明促成了大型生物的出现，它们的躯体可以由数十亿个细胞组成，且相互之间协同合作——想想恐龙吧！我们的星球有30亿年的时间全为几乎不能被肉眼察觉的单细胞微生物所统治，多细胞生物的出现带来了翻天覆地的变化。

　　工作原理？

　　在多细胞有机体中，所有细胞都源自同一个母细胞的无数次分裂。这些细胞紧密相连又互相配合，确保机体的正常运转。尽管它们拥有相同的初始DNA，但在胚胎形成过程中可演变出不同形态，从而适应交托给它们的不同任务。因为每个细胞都只是部分基因表达的产物，具备特定的功能。有些负责消化，有些对抗细菌，有些参与有性繁殖或者为躯体输送氧气。一言以蔽之，多细胞开创了分工协作的先河！这有两大优势。其一，每个特定细胞能专营自己的工作；其二，其中一个细胞死去也不会危及到整个有机体的安危，其他同伴可以接替它继续工作。相反，一个细菌死掉，一个生命就消失了！

　　对于生命的意义？

　　多细胞生命的出现，使生物在漫长复杂化过程中表现出所有的创造力。随着岁月流逝，出现了特定的细胞组合，形成了最初的器官。这些器官进化得越来越复杂，能够胜任越来越多、越来越精细的任务：呼吸、消化、过滤，数量惊人的神经细胞组合成的大脑甚至能够“思考”！这些构造复杂的生命机器能够适应截然不同的环境，沙漠、森林、极地的浮冰等，提供应对之策：毛发或羽毛能抗寒，肺部能呼吸空气……这种进化为地球带来了大量的物种：藻类、真菌、苔藓植物、针叶树类、花卉、水母、软体动物、昆虫、鱼类、爬行类、鸟类、哺乳动物……热热闹闹的生物大家族为动物学家和植物学家带来了无限乐趣。

　　5.真菌和植物的结合

　　攻占陆地

　　为什么是个大发明？

　　联合到真菌的植物终于离开海洋、河流和小溪，在自由的空气中定居下来。对于植物而言，这是一个真正的挑战，因为所有生物的生存都有赖于水源。首先，水是最基本的成分，所有细胞器就都浸在水里，没有水，就没法进行化学反应。水还能以汁液的形式将养分送达植物各个部位。最后，水这种液体还是光合作用的原料，这种化学反应能产生糖分，为植物细胞提供养料。大约在4.75亿年前，最早一批植物开始占领沼泽、河床或暂时干枯的池塘。它们长出须根、假根，伸入地下数毫米，吸收地表下的水分。植物为了避免在烈日炎炎的照射下丧失宝贵的水分，会生成防水层。只是这种保护机制并不能保障植物在远离潮湿环境的情况下长期存活。只有和真菌达成联盟，植物才能坦然应对变化，在陆地上繁衍生息。

　　工作原理？

　　真菌的大陆历险要远远早于植物。它们的王牌武器是由细长的菌丝组成的网络，能够伸进土地，吸收地下水。然而，它们只能从其他生物的尸骸中攫取养分。起初，它们的养料可能来自死去的细菌残骸或者搁浅在河岸或海滩上的藻类，直到遇见了正试图登陆的植物。它们相互利用，达成寄生关系。真菌的细长菌丝可以渗入植物茎干，从中抽取葡萄糖！这种侵袭并不过分，因为植物也能从中受益……从长远利益来看，真菌也希望寄生对象能一直活下去，不停地制造葡萄糖。于是，它会通过自己的菌丝为植物供水。相较于没有被寄生的同类植物，被真菌寄生的会长得更加茂盛，茎干窜得更高，“孢子”就能飘到更远的地方。有些孢子甚至在远离潮湿地区后也能生根发芽，它们和真菌再次合作，存活了下来。幸而有了真菌的帮助，原始植物才能不断把孢子散播到更远的地方，扩大版图。

　　对于生命的意义？

　　陆地上的植物最初只有茎干，它们在历史长河中不断演变，长出了叶子、根部、枝条，创造出千姿百态的品种：苔藓、蕨类、木贼属、铁树属。曾几何时，放眼望去满是光秃秃石头的陆地在5000万年中渐渐被植物覆盖，为来到陆地上碰运气的动物提供了掩护和食物。

　　6.种子

　　生存胶囊

　　为什么是个大发明？

　　种子能让植物扩散到各种环境中，从高山到沙漠，从赤道绵延至高纬度地区。

　　工作原理？

　　花粉（雄性生殖细胞）能让位于茎干末端的子房（雌性生殖器官）受孕。子房培育出胚胎，在外面包裹上厚厚一层营养丰富的细胞，还有一个保护壳。这个整体就是种子。种子一旦成熟，风、水流、昆虫或鸟类就会把它带往远方。当它找到适宜生存的土地，就会裂开，释放出胚胎，后者依靠携带的养分生根发芽，长成独立的苗，此后就能自行从土中吸取养料，并通过光合作用产生能量。

　　对于生命的意义？

　　在种子植物出现之前，陆地上的植物通过孢子——含有植物DNA的细胞——进行传播。孢子一旦落地，就会发芽，长出心形叶片，即所谓的“原叶体”，它唯一的作用是形成生殖细胞：卵子位于心形凹陷处，精子则位于顶端。精子需要游动到卵子那里，才能让让卵子受孕，那么只有当原叶体浸泡在雨水或露水中时才可能实现。这种方式大大降低了原始植物的传播概率……随着最早的针叶树类和花卉的出现，这种限制消失了，因为生殖细胞直接长在了植物上，后者又能为其提供庇护和养分。受孕的种子甚至能到达远离潮湿环境的地区。种子具备多种优势：厚实坚硬的外壳是名副其实的生存胶囊，里面的胚胎可以睡上好几个月，甚至几年。种子不怕干旱、寒冷、碰撞、水流，能够毫发无伤地通过动物的消化系统。它被带到远离母株的地方，静静地等待天降甘霖或者气温上升，在无性命之虞的情况下发芽。这是一项天才发明，以至于现今有95%的植物依靠种子繁衍！那些仍对孢子不离不弃的植物，主要是蕨类和苔藓，却只能受困于沼泽地、灌木丛等潮湿地带。

　　7.硬骨

　　战胜地球引力

　　为什么是个大发明？

　　硬骨让大型海洋脊椎动物在爬上大陆时不会在引力作用下立马趴下。拥有硬骨的早期动物是所有脊椎动物的祖先：从青蛙到人类，还有恐龙和猛犸象无一不在其中。在硬骨出现前，鱼类已经占领了海洋。但支撑起它们的是柔韧的软骨。为什么这些已完全适应了生存环境的动物会突然生出硬骨呢？答案出人意料：为了抵抗大陆植物和真菌造成的污染！上述生物的根须在伸入泥土的时候，会把岩石分解成细末。这些矿物微粒随河流进入大海，慢慢积聚，释放出一定量的碳酸钙、碳酸镁、磷酸钙和磷酸镁……如果含量较大，这些矿物质就会对鱼类的细胞产生毒素。为了清除毒素，海洋生物必须想出应对的法子，于是它们将矿物元素变成坚固的物质——硬骨。鱼类起初将矿物质排放在躯体周围，之后才将它融入内部组织，构筑起真正的骨架。

　　工作原理？

　　一开始的时候，骨质被用来制造鱼鳞或甲壳。盾皮鱼类就是在这种情况下诞生的，这些全副武装的鱼类蜷缩在用骨片组成的复杂护甲中。盔甲包裹住全身，能为肌肉和器官提供绝佳的保护。此外，硬骨比软骨和皮肤更加坚硬，可以支撑更大的器官，更强壮的肌肉。于是，出现了体型更大、肌肉更发达的鱼。但问题来了，甲壳如同牢笼：身在其中的动物没法长大啦……无脊椎甲壳类动物在当时遇到了相同的困境，它们自有解决之法。它们学会了蜕壳，也就是说它们能够摆脱已经变小的旧壳，穿上更加宽敞的新壳。只是甲壳是骨质的，蜕壳并非十拿九稳的事儿。有些鱼类改弦易张……不在身体周围积聚矿物质，转而在体内制造骨架。从出生之日起，沿软骨沉积的矿物质就会形成鱼骨。理论上来说，鱼的骨架在一生中会不断成长：随着动物长出新的肌肉，肌肉下面的骨骼就会利用体内或体外的碳酸盐以及磷酸盐自行延长、变粗。体内骨架的出现让体型更大的动物成了可能，也让它们的行动变得更加自由，因为它们不用再局限于甲壳之内。

　　对于生命的意义？

　　体内骨架随时间推移不断演变：有些变长，有些缩短，有些消失，有的则长出了新骨头。因此，有些鱼的鱼鳍渐渐具备了四肢的雏形，并在末端生出指头。起初，这些奇形怪状的“四足动物”可能利用进化的鱼鳍在它们出生的浅水区划水。不过，附肢会慢慢发生变化：它们的骨头变得厚实、坚固。四足动物于是开始在潮湿的河岸上行走，之后又踏上了陆地的冒险之旅。如果没有强壮的脚爪以及骨骼来支撑躯体，这些开路先锋是没法在陆地环境中坚持下来的。

　　8.肺脏

　　获取氧气的两个口袋

　　为什么是个大发明？

　　幸亏有了肺这种器官，海洋动物才能从空气中获取氧气。要知道，动物需要依靠氧元素来产生能量。但它们为什么要从空气中寻找氧气呢？既然水中也溶解有氧气，而原始鱼类也懂得依靠鱼鳃提取氧气？事实上，随着时间流逝，有些鱼类已经长出了和嘴巴相连的气袋。但这种气袋不是用来呼吸的……而是起到漂浮的作用。鱼类在气袋中存储空气，就像套上一个救生圈，能够轻而易举地在水面附近游泳。当它们需要重新潜入水下时，只要吐出空气就行。之后，这类器官演变成肺，能够从空气中攫取氧气，并将其输送到躯体的细胞中。首批获益者是生活在潟湖里的鱼类和四足动物。沙洲将潟湖和海洋隔开，因此那里是死水一片。因为没有海浪的冲刷，这类水域的氧气十分稀薄。肺就能让所有生物在水面上吸进额外的氧气，从而弥补水下氧气之不足。

　　工作原理？

　　对呼吸而言，存储空气的袋子并没有多大作用……肺部只有在和血管连接起来后，才能通过血液传输氧气，将它输送到有机体的所有细胞中。

　　对于生命的意义？

　　起初，肺让缺少氧气的水域出现了生命。之后，肺让最初的四足动物离开大海，踏上陆地。如果只有鳃，那它们不出几分钟就会窒息而亡，就像那些从海里捞上的鱼……

　　撰文/CarinePeyrières 编译/黄雅琴