第十三章 碳基生命
“大家好，我是Max生命实验室的赵老师，今天给大家讲讲碳基生命。”
“人们在研究外星生命的过程中，提出了生命的多样形态概念，推测可能存在着多种形式的生命，比如我们的星球，都是碳基生命。
所谓碳基生命(carbonbasedlife)——以碳元素为有机物质基础的生物。地球上所有的生物都是碳基生物，包括人类在内都是以碳和水为基础（核心元素为碳，介质为水)，以核酸/蛋白质(以氧为基础的)生物。因为构成碳基生物的蛋白质，作为遗传物质的嘌呤和嘧啶等物质都是烃衍生物，所以称作碳基生物。
由于碳原子有四个自由电子，其电子失去的能力（还原性）和得到电子的能力（氧化性）相当，又由于碳原子只有两个电子层，所以活泼性又比同族的硅、锗、锡、铅要强，碳链的长度可以由2个至数千个不等，这使得碳骨架成为了许许多多种有机化合物的基础，因此能够形成复杂多样的高分子有机物（比如DNA分子），为生命的形成提供物质基础，并为自然选择提供可能。”
“老师，碳基生物如何利用外界能量的呢?”有同学问。
“只要是生命形态，就必须从外界环境中收集、储存和利用能量。碳基生物储存能量的最基本的化合物是碳水化合物。在碳水化合物中，碳原子由单键连接成一条链，由酶控制的碳水化合物的一系列氧化步骤会释放能量，废弃物产生水和二氧化碳。碳基生物体内的分子大多因含有的碳原子的不对称性使其出现左旋或者右旋，正是这个特点使得酶的专一性能够被充分发挥，碳基生物体内的酶能够依照分子的形状和左旋右旋对特定的反应进行催化，识别和规范自身大量的不同新陈代谢进程。但是碳基生命体的分子结构是很不稳定的，难以承受高温、低寒、病菌的侵蚀和射线的照射。”
“老师，碳基生命的特点是怎样的呢?”有同学问。
“复杂多变，化学反应速度及时。”
“老师，碳基生命是如何形成的呢？”
“达尔文在《物种起源》中提到过，地球生命的诞生，是一场复杂的化学反应。
1953年，美国芝加哥大学的科学家StanleyMiller和HaroldUrey，联合进行了一项模拟早期地球生命形成过程的实验。在实验中，通过甲烷、氨气等来模拟地球的早期气体，之后，通过电流来模拟闪电，结果显示，构成生命的重要物质——氨基酸等，都在这个过程中产生。
前段时间，科学家也再次证明了“闪电”对于早期地球生命演化的重要性，认为闪电轰炸地球的时候，高温让化学反应变得更加激烈。
随后，在上个世纪80年代，伴随着深海探索的深入，当热泉口被发现的时候，一些研究者又提出了地球生命的起源，来自于深海的热泉口之中，高温促使了化学反应，最终形成了RNA和DNA的混合物质，也是地球上最早的生命。
说白了，就是碳原子组成了蛋白质分子链，之后构成了地球上最早的生命体。此后，生命的演化事实上就是基因突变的过程，特别是新物种的产生。”
“老师，听说已经发现宇宙中存在大量碳基复杂分子?”
“嗯，是的。科学家在研究金牛座分子云的过程中，发现了大量的多环芳烃，这是一种在地球上通过高温燃烧才会形成的化合物，一般来说，它们的存在，都与高温环境有关。
然而，这片发现多环芳烃的分子云，却还没有开始形成新的恒星，这意味着，这里的温度并不高，这个发现也让科学家们有了新的思路：恒星、行星上的碳分子，或许都是来自于分子云之中，简单来说，就是当它们还未形成的时候，多环芳烃就已经存在了。
研究者表示，多环芳烃可能参与了星球上生命形成的整个循环，只不过，目前还无法确认它到底是如何参与其中，又是如何进行化学反应的，但是可以肯定的是，复杂的碳基分子遍布宇宙，一定和生命有关。”
“老师，那是否表示宇宙到处都是碳基生命呢？”有同学问道。
“如果生命只能诞生在岩石星球之上，那么，宇宙中的生命形式，或许只能是碳基生命。可能一些朋友会说，或许宇宙中还存在硅基生命，然而，从科学的角度来说，硅是无法取代碳，通过化学反应，形成硅基生物的。
“老师，为何这么说呢？”
“因为生命的演化是一个非常复杂的过程，对于环境的需求是很苛刻的，拿碳来说，可以变成多个化学形式，并且形成碳循环，可是硅，却无法进行生化反应，不能变成生命，只能变成石头。”
“老师，那人工智能不就是硅基生命嘛？”又有同学问。
“人工智能的产生，本身就是由人类创造出来的，而不是自然环境中产生的，这意味着，在自然环境中，硅基生物无法独立产生的，包括在实验室的环境中，科学家们曾经多次尝试模拟环境产生出硅基生物，结果都证明，根本就无法构成生命。”
“接下来谈谈地球生物的分类：
人们根据地球生物的相似程度（包括形态结构和生理功能等），把生物分类为七个等级：界、门、纲、目、科、属、种。
种（物种）是基本单元，近缘的种归合为属，近缘的属归合为科，科隶于目，目隶于纲，纲隶于门，门隶于界。
而在界之上，又加了个“域”。以下是国际上流行的三域分类法：
1.细菌域：
细菌域包括细菌、放线菌、蓝细菌和各种除古菌以外的其他原核生物。
2.古细菌域：
古细菌既与细菌（真细菌）有很多相似之处，同时另一些特征相似于真核生物，所以单独列为一域。
3.真核生物域：
真核生物（eukaryotes）是所有单细胞或多细胞的、其细胞具有细胞核的生物的总称，它包括所有动物、植物、真菌和其他具有由膜包裹着的复杂亚细胞结构的生物。
真核生物与原核生物的根本性区别是前者的细胞内有以核膜为边界的细胞核。因此以真核来命名这一类细胞。许多真核细胞中还含有其它细胞器，如线粒体、叶绿体、高尔基体等。
<1>原生生物界：
原生生物界KingdomProtista——真核原生生物界(Protista)的生物都是有细胞核的，且几乎是单细胞生物。某些真核原生生物像植物[如矽藻diatom)]，某些像动物[如变形虫(amoeba)、纤毛虫(ciliate)]，某些既像植物又像动物[如眼虫(euglena)]。
<2>真菌界：
真菌界KingdomFungi——生物的一界。本界成员均属真核生物，它是真菌的最高分类阶元。
<3>植物界：
植物界KingdomPlantae——生物的一界。能够通过光合作用制造其所需要的食物的生物的总称。
<4>动物界：
动物界KingdomAnimalia——生物的一界。该界成员均属真核生物，包括一般能自由运动、以（复杂有机物质合成的）碳水化合物和蛋白质为食的所有生物。动物界作为动物分类中最高级的阶元，已发现的共35门70余纲约350目，150多万种。”
“好了，今天就讲到这里，下课啦~”
(本章结束)
“人们在研究外星生命的过程中，提出了生命的多样形态概念，推测可能存在着多种形式的生命，比如我们的星球，都是碳基生命。
所谓碳基生命(carbonbasedlife)——以碳元素为有机物质基础的生物。地球上所有的生物都是碳基生物，包括人类在内都是以碳和水为基础（核心元素为碳，介质为水)，以核酸/蛋白质(以氧为基础的)生物。因为构成碳基生物的蛋白质，作为遗传物质的嘌呤和嘧啶等物质都是烃衍生物，所以称作碳基生物。
由于碳原子有四个自由电子，其电子失去的能力（还原性）和得到电子的能力（氧化性）相当，又由于碳原子只有两个电子层，所以活泼性又比同族的硅、锗、锡、铅要强，碳链的长度可以由2个至数千个不等，这使得碳骨架成为了许许多多种有机化合物的基础，因此能够形成复杂多样的高分子有机物（比如DNA分子），为生命的形成提供物质基础，并为自然选择提供可能。”
“老师，碳基生物如何利用外界能量的呢?”有同学问。
“只要是生命形态，就必须从外界环境中收集、储存和利用能量。碳基生物储存能量的最基本的化合物是碳水化合物。在碳水化合物中，碳原子由单键连接成一条链，由酶控制的碳水化合物的一系列氧化步骤会释放能量，废弃物产生水和二氧化碳。碳基生物体内的分子大多因含有的碳原子的不对称性使其出现左旋或者右旋，正是这个特点使得酶的专一性能够被充分发挥，碳基生物体内的酶能够依照分子的形状和左旋右旋对特定的反应进行催化，识别和规范自身大量的不同新陈代谢进程。但是碳基生命体的分子结构是很不稳定的，难以承受高温、低寒、病菌的侵蚀和射线的照射。”
“老师，碳基生命的特点是怎样的呢?”有同学问。
“复杂多变，化学反应速度及时。”
“老师，碳基生命是如何形成的呢？”
“达尔文在《物种起源》中提到过，地球生命的诞生，是一场复杂的化学反应。
1953年，美国芝加哥大学的科学家StanleyMiller和HaroldUrey，联合进行了一项模拟早期地球生命形成过程的实验。在实验中，通过甲烷、氨气等来模拟地球的早期气体，之后，通过电流来模拟闪电，结果显示，构成生命的重要物质——氨基酸等，都在这个过程中产生。
前段时间，科学家也再次证明了“闪电”对于早期地球生命演化的重要性，认为闪电轰炸地球的时候，高温让化学反应变得更加激烈。
随后，在上个世纪80年代，伴随着深海探索的深入，当热泉口被发现的时候，一些研究者又提出了地球生命的起源，来自于深海的热泉口之中，高温促使了化学反应，最终形成了RNA和DNA的混合物质，也是地球上最早的生命。
说白了，就是碳原子组成了蛋白质分子链，之后构成了地球上最早的生命体。此后，生命的演化事实上就是基因突变的过程，特别是新物种的产生。”
“老师，听说已经发现宇宙中存在大量碳基复杂分子?”
“嗯，是的。科学家在研究金牛座分子云的过程中，发现了大量的多环芳烃，这是一种在地球上通过高温燃烧才会形成的化合物，一般来说，它们的存在，都与高温环境有关。
然而，这片发现多环芳烃的分子云，却还没有开始形成新的恒星，这意味着，这里的温度并不高，这个发现也让科学家们有了新的思路：恒星、行星上的碳分子，或许都是来自于分子云之中，简单来说，就是当它们还未形成的时候，多环芳烃就已经存在了。
研究者表示，多环芳烃可能参与了星球上生命形成的整个循环，只不过，目前还无法确认它到底是如何参与其中，又是如何进行化学反应的，但是可以肯定的是，复杂的碳基分子遍布宇宙，一定和生命有关。”
“老师，那是否表示宇宙到处都是碳基生命呢？”有同学问道。
“如果生命只能诞生在岩石星球之上，那么，宇宙中的生命形式，或许只能是碳基生命。可能一些朋友会说，或许宇宙中还存在硅基生命，然而，从科学的角度来说，硅是无法取代碳，通过化学反应，形成硅基生物的。
“老师，为何这么说呢？”
“因为生命的演化是一个非常复杂的过程，对于环境的需求是很苛刻的，拿碳来说，可以变成多个化学形式，并且形成碳循环，可是硅，却无法进行生化反应，不能变成生命，只能变成石头。”
“老师，那人工智能不就是硅基生命嘛？”又有同学问。
“人工智能的产生，本身就是由人类创造出来的，而不是自然环境中产生的，这意味着，在自然环境中，硅基生物无法独立产生的，包括在实验室的环境中，科学家们曾经多次尝试模拟环境产生出硅基生物，结果都证明，根本就无法构成生命。”
“接下来谈谈地球生物的分类：
人们根据地球生物的相似程度（包括形态结构和生理功能等），把生物分类为七个等级：界、门、纲、目、科、属、种。
种（物种）是基本单元，近缘的种归合为属，近缘的属归合为科，科隶于目，目隶于纲，纲隶于门，门隶于界。
而在界之上，又加了个“域”。以下是国际上流行的三域分类法：
1.细菌域：
细菌域包括细菌、放线菌、蓝细菌和各种除古菌以外的其他原核生物。
2.古细菌域：
古细菌既与细菌（真细菌）有很多相似之处，同时另一些特征相似于真核生物，所以单独列为一域。
3.真核生物域：
真核生物（eukaryotes）是所有单细胞或多细胞的、其细胞具有细胞核的生物的总称，它包括所有动物、植物、真菌和其他具有由膜包裹着的复杂亚细胞结构的生物。
真核生物与原核生物的根本性区别是前者的细胞内有以核膜为边界的细胞核。因此以真核来命名这一类细胞。许多真核细胞中还含有其它细胞器，如线粒体、叶绿体、高尔基体等。
<1>原生生物界：
原生生物界KingdomProtista——真核原生生物界(Protista)的生物都是有细胞核的，且几乎是单细胞生物。某些真核原生生物像植物[如矽藻diatom)]，某些像动物[如变形虫(amoeba)、纤毛虫(ciliate)]，某些既像植物又像动物[如眼虫(euglena)]。
<2>真菌界：
真菌界KingdomFungi——生物的一界。本界成员均属真核生物，它是真菌的最高分类阶元。
<3>植物界：
植物界KingdomPlantae——生物的一界。能够通过光合作用制造其所需要的食物的生物的总称。
<4>动物界：
动物界KingdomAnimalia——生物的一界。该界成员均属真核生物，包括一般能自由运动、以（复杂有机物质合成的）碳水化合物和蛋白质为食的所有生物。动物界作为动物分类中最高级的阶元，已发现的共35门70余纲约350目，150多万种。”
“好了，今天就讲到这里，下课啦~”
(本章结束)
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