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宇宙自然生命简史:42 奢侈的海鲜和生命的起源

科学有故事 2018-02-06 22:24:29 阅读:

宇宙自然生命简史:42 奢侈的海鲜和生命的起源

可能很多人会以为海洋处处都充满了各种生物,其实,不同地方的海洋差别很大,大约只有十分之一的海洋是天然丰饶的。绝大多数的海洋生物都喜欢生活在浅海域,因为这些海域温暖、阳光充足,滋生了大量的有机物,它们是食物链的基础。比如,珊瑚礁海域,只覆盖了海底约 0.1% 的面积,但全世界大约 25% 的鱼类生活在这些海域。但是,令人胆寒的是,珊瑚正在大片大片地死去,这被称为珊瑚白化,死去的珊瑚颜色会变白。根据《科学美国人》2018 年 2 月刊的一篇文章报道,我们现在正处在第三次全球珊瑚大白化事件中,前两次分别发生在 1998 年和 2010 年。但是,从 2014 年开始持续至今的这次是持续最久、影响最大的白化事件,全球已经有超过 70% 的珊瑚礁遭到破坏。据报道,大堡礁 2/3 的珊瑚已经死亡或者严重白化,而且情况还在进一步恶化。我们正在眼睁睁地看着珊瑚离我们而去。过去 30 年,全球已经有约一半的珊瑚消失,研究人员估计到 2050 年将只剩下 10% 。珊瑚白化的罪魁祸首已经被确认是全球变暖导致的,珊瑚对海水温度极为敏感。我们现在急需解决方案,非常急,因为后果将是极其严重的。

另外,海洋也并非想象的丰产。我们以澳大利亚为例,虽然它的大陆海岸线长达 35877 公里,境内海域面积超过 41 万平方公里,海上的专属经济区更是有 1000 万平方公里,超过了它的陆地面积,可以说,没有哪个国家能拥有比它更多的海浪和沙滩。然而,想不到的是,澳大利亚在捕鱼国里面竟然排不进前 50 名。实际上,它是一个海鲜净进口大国,超过 70% 的食用海鲜是进口的,主要来自亚洲。这是因为,澳大利亚的领海与它的国土一样,大部分是荒漠(但昆士兰附近的大堡礁却是一个显著的例外,那里是极为富饶的海域)。也正是因为土地的贫瘠,导致内陆径流往大海注入的营养很少,又导致了海洋的贫瘠。

即便是生命茂盛的海域,也往往对干扰极为敏感。在上世纪七十年代,澳大利亚的渔民加上一小部分新西兰的渔民在澳洲的大陆架发现了一种不知名的鱼,它们大群大群地生活在水下 800 米深处。这种鱼叫做鳟连鳍鲑,味道鲜美,数量庞大。渔民们迫不及待地开始捕捞,一年要捞 4 万吨。接着,海洋生物学家发现了一些令人惊讶的事情。这种鲑的寿命超长,成长得极慢,有些甚至能达到 150 岁。说不定你吃过的哪条鱼出生在维多利亚女王时期。正是因为它们生活的海域是那么的贫瘠,所以为了适应环境,它们选择了慢悠悠的生活方式,有些鱼一生只产一次卵。显然,这样的种群是经不起干扰的。遗憾的是,等我们认识到这一切时,它们的数量已经急剧减少了。即使是我们精心的管控,如果还能恢复的话,那也是几十年后的事情了。

然而,在别的一些地方,对海洋的滥用决不是粗心导致的,而是肆意妄为。许多渔民为鲨鱼“切”鳍,把它们的鳍割下来后再扔回水里,仍凭它们悲惨地死去,至于为什么这么做,我想大家都知道,为了吃鱼翅嘛。根据澳大利亚特别播报网 SBS 的信息,说明一下,SBS 相当于美国的 NPR,信息基本可信。2014 年全球的鱼翅贸易总额达到了 4 - 5.5 亿美元,被非法捕捞的鲨鱼数量在 2600 - 7300 万头之间。因为鲨鱼捕捞在很多国家都是非法的,所以统计数字可能会有出入。目前,鱼翅是最昂贵的海鲜产品之一,通常每公斤的零售价为 400 美元,而鱼翅干的价格可以达到每公斤 700 美元。在美国的唐人街,一碗鱼翅汤的价格平均 65 美元,在上海的高档海鲜餐厅,一碗大排翅的价格在 500 - 800元,当然也有几千上万一碗的极品。鲨鱼越大,鱼翅价格越高。与鱼翅的一两值千金相比,鲨鱼肉的价格低得可怜,只有每公斤 0.8 美元。所以,渔民们捕到鲨鱼后,总是把鲨鱼鳍切下来,把鲨鱼扔回海里。全球的鱼翅交易直接导致了世界范围内鲨鱼种群的减少。全球鲨鱼市场大多不受监管,最受捕猎者欢迎的 69 种鲨鱼中有一半濒临灭绝。

根据专业海事信息资料库劳埃德的数据显示,2007 年运营的工业级捕鱼船共有 23000 艘,再加上 200 多万艘小型渔船。有些拖网船大得像一艘巡洋舰,带在后面的拖网大得足以网住十几架大型客机。有些渔船甚至利用侦察机从空中锁定鱼群的位置。

据估计,每一网下去,大约会有四分之一的鱼属于“无意之物”,也就是不需要运上岸的鱼,要么是因为太小,要么是因为鱼种不对或季节不合。有一位观察员对《经济学人》杂志说:“我们依旧处在黑暗的蒙昧年代。我们只是把网一撒,然后再看看能捞上点什么。”每年大约有 2200 万吨这样无意捕捞的鱼被倒回海中去,只不过绝大部分都是以尸体的形式。每收获 1 公斤的虾,就会有 4 公斤的鱼或者其他海洋生物遭受灭顶之灾。

北半球大部分的海床每年都要被拖网彻底侵袭7次,没有什么生态系统能抵抗如此强度的干扰。多数人估计,北半球海洋中至少三分之二的物种处于过度捕捞的状态。其它地方的情况也好不到哪儿去。在新英格兰近海,原先大比目鱼多到什么程度呢,一艘渔船每天可以捕捞 9000 多公斤。但是今天,大比目鱼在美国的北海岸几乎绝迹了。

不过,没有什么鱼的命运比鳕鱼更惨。在 15 世纪末,探险家卡伯特发现,在北美的东部沙洲中鳕鱼的数量多得难以置信。沙洲是一种浅水域,像鳕鱼这样的在水底觅食的鱼类最喜欢生活在沙洲中。卡伯特在报告中惊叹说,鳕鱼的数量是如此之多,简直可以用篮子直接捞。有的沙洲面积很大,马萨诸塞州近海的乔治亚沙洲的面积超过了它比邻的那个州。而纽芬兰近海的大沙洲面积更大,几个世纪以来,那里的鳕鱼一直是密密麻麻的。人们总觉得这些鱼是取之不竭的,当然,事情并不如人们以为的那样。

到了 1960 年,在北大西洋产卵的鳕鱼,估计数量就已经减至 160 万吨。三十年后的 1990 年,这个数字估计只剩下了 22000 吨。2006年,美国《时代》杂志也关注了鳕鱼的命运,文章中说大西洋鳕鱼的数量已经减少到了人类开始捕捞前的不足一成。从商业的角度来说,鳕鱼已经灭绝了。《鳕鱼》一书的作者库尔兰斯基(Mark Kurlansky)在这本精彩的历史书中写道,“渔民们把它们抓了个精光。”而大西洋很可能永远地失去了鳕鱼。大沙洲于 1991 年禁捕鳕鱼,但据《自然》杂志的报道,一直到 2002 年的秋天,数量也没有回升的迹象。库尔兰斯基说“fish”这个词原意就是指鳕鱼的鱼肉和鱼条,但后来就被黑线鳕所取代,再后来又被红大马哈鱼取代,近来已经指的是太平洋绿鳕了。现在嘛,他无可奈何地说,“fish”就是指“还剩下的任何鱼”。

其它海鲜的情况也好不到哪儿去。在罗德岛附近的新英格兰渔场,过去总是能捕到重达 9 公斤的龙虾,有时甚至能达到 13 公斤。如果人类不去骚扰它们,它们可以一直活上个几十年,有人说是 70 年,而且不停地长大。但是如今,已经很少有大于 1 公斤的龙虾被抓上来了。《纽约时报》上曾有篇报道说,“生物学家估计,龙虾在长到法定的最小尺寸,也就是 6 岁左右,它们的 90% 会在一年之内被抓干净。”尽管捕获量日渐减少,新英格兰的州政府和联邦政府还在用税收政策鼓励(某种程度上是强迫)渔民们购买更大的渔船,更彻底地扫荡海洋。今天,马塞诸塞州的渔民们只能捕捞长得极丑的盲鳗,这种鱼在远东还有点市场,但它们的数量也在日渐减少。

我们其实对支配海洋生物的真正动力是一无所知的。在过度捕捞的海域,它们的数量要比本该达到的数量要少;而在天然赤贫的海域,它们的数量却比想象中的要多得多。比如在南极南部的海洋中,大约只生长着全世界 3% 的浮游植物。这个数量少得可怜,但是,它们却似乎支撑着一个极复杂的生态系统。我们大多数人可能从未听说过食蟹海豹这种动物,但它们实际上是数目最多的海豹科动物,按照维基百科的说法,它们的数量最少有 700 万头,最多可能达到 7500 万头,从这个相差悬殊的区间也可以看出人类对它们有多么的陌生,它们生活在南极地区的浮冰上。此外,还有 60 多万头韦德氏海豹,至少 20 万只帝企鹅,以及大约 400 万只阿德利企鹅。很难想象食物链是怎么平衡的,可是,却运转良好。虽然名叫食蟹海豹,但它实际上并不吃螃蟹。食蟹海豹的主要食物是磷虾,而它也是豹形海豹的美餐,80% 的食蟹海豹幼崽会被豹形海豹吃掉。

兜了这么一大圈,我其实只是想表达一个观点,那就是,我们对地球上的这个最大的系统其实所知甚少。但接下来,你会听到,一旦我们开始谈论生命本身,处处都是未知的东西,尤其是,生命到底是怎样出现的。

1953 年,芝加哥大学的一位研究生,叫米勒(Stanley Miller),他找了两个长颈瓶,一个里面装了些水,代表原始海洋;另一个里面装了混合着甲烷、氨气和硫化氢的气体,代表地球上的原始大气。他用橡皮管子把长颈瓶连接了起来,然后在瓶子里面打电火花,模拟闪电。几天以后,瓶子中的水变成了黄绿色,里面出现了氨基酸、脂肪酸、糖以及其他有机化合物。米勒的导师,诺贝尔奖获得者尤里(Harod Urey)看到后非常兴奋,他说:“我敢打赌,上帝就是这么干的。”

当时的新闻报道让人觉得,只要有人用力摇一摇瓶子,生命就会从里面爬出来一样。然而,半个多世纪过去了,生命的起源依然是一个迷,远远低于我们的预期。今天的科学家已经相当确信,地球早期的原始大气与米勒和尤里实验中的差别很大。其实,制造氨基酸并不是问题的关键,真正的关键是——蛋白质。

如果你把很多的氨基酸排成一溜,你就会得到蛋白质。蛋白质究竟有多少种,没人能搞清,光是在人体中就有几百万种之多。每一种都是一个小小的奇迹。如果仅从概率法则上来考虑,蛋白质就根本不该存在。为了制造蛋白质,你需要把氨基酸(在这里我用一个老掉牙的比方,把它称为“生命的砖块”)按照一定的顺序排列,这很像用字母来拼写单词,仅有的不同是这些由氨基酸构成的词汇表中的单词往往超级长。例如,拼写一个英文单词 collagen(胶原蛋白),只需要 8 个字母按正确的顺序排列即可。但是,如果要制造一个胶原蛋白,则需要把 1055 个氨基酸按照某种顺序精确排列。但是,这里面有一个明摆着的问题:没有人在“制造”胶原蛋白。这就是问题的关键所在,胶原蛋白是自己制造了自己。没有人指引,也没有人安排,胶原蛋白就这么自发地形成了,于是一切不可能发生的事情接踵而至。

过去有很长一段时间,生物学家和化学家们都觉得这个特别不可思议,因为 1055 个分子能够自我建造成胶原蛋白的机率是零。这种事情怎么看都不会发生。为了让你理解这个机率是啥概念,我给你打个比方。现在你想象有一台老虎机,但是把它的宽度加长到 27 米,然后把通常只有 3 到 4 个的转轮替换为 1055 个,每个转轮又装上 20 个不同的图形符号(每一个图形表示一种氨基酸)。现在想象一下你要转多久才能把这 1055个图形排列成一个特定的顺序?实际上,永远都做不到。即使你把转轮的数量减少到 200个,这也是最典型的蛋白质所包含的氨基酸种类,那么这200 个图形排列成某个特定顺序的概率是 10260分之一。(1 后面 260 个零,这个数字比宇宙中包含的所有原子数目还要多得多。)这种想法的问题在于,他们把蛋白质当成了直接出现的,而没有意识到,蛋白质也是从更简单的化合物一点一点的演化出来的。

但不管怎么说,蛋白质的结构是极为复杂的。比如,一个血红蛋白虽然只有 146 个氨基酸的长度,这在蛋白质家族中只是一个矮子。但即便这样,它也包含了 10190 种可能的组合,这也是为什么剑桥大学的化学家佩鲁兹(Max Perutz)用了整整 23 年,差不多是他的整个职业生涯,来解码血红蛋白。如果说生命是从蛋白质开始出发的,那么想要通过随机事件来生成哪怕是一个最普通的蛋白质分子,也是不可能的。有一个经常被人们提到的比喻,说生命的出现这就像一阵旋风刮过垃圾场,然后留下了一架组装完好的大型客机一样。这个比喻的最早是出自天文学家霍伊尔(Fred Hoyle)。但这个比喻显然也留给了普通人对生命诞生的误解,虽然我们还未解开生命起源之谜,但我们至少已经知道它出现的概率不是这个比喻中说的那么小,甚至有些科学家认为只要具备最基本的生命环境,那么生命出现的概率就是 100% ,但是我们必须承认,到今天,这依然还是个未解之谜。

让我们继续讨论几十万、很可能是几百万种的蛋白质。它们每一种都是独一无二的,而且我们知道,这每一种蛋白质都关系到人类的健康和幸福。蛋白质要能起作用,除了要能把氨基酸按照正确的顺序组装起来之外,还得学会一种化学打褶的本领,也就是把自己折叠成某种特定的形状。然而,即使拥有了这一切完成复杂结构的本领,如果蛋白质不能大量地生产自己,那对生命也毫无价值。蛋白质确实也没有复制自己的本事,要完成这点,还需要另一种叫 DNA 的东西。DNA 是复制专家,它能在几秒钟之内把自己复制一份,但除此之外,它啥也不会干。在过去,生物界一直存在一个悖论,那就是:没有 DNA,就没有蛋白质;而没有蛋白质,更不可能有 DNA。它们似乎是为了互相支持对方而同时诞生的。类似于 DNA 和蛋白质谁先谁后的问题,早期的研究者们还有其他的困惑。例如,没有细胞,所有物质也不过就是一些有趣的化学物质;但如果没有这些化学物质,细胞也失去了存在的意义。戴维斯为此发出这样的疑问:“假如每样东西都是依赖另外的东西而存在的,那么这些由分子构成的社会最初又是如何诞生的呢?”打个比方来说,这就好像你厨房中的所有食材不知怎么地就自发地组合起来,自己把自己烤成了蛋糕。不仅如此,它们还会自我分裂,以生产出更多的蛋糕。这很像是一个奇迹。

但是,后来我们又发现了 RNA ,而且 RNA 下面还可以继续分出很多小类,现代的生物学家已经认识到 RNA 比 DNA 诞生的更早,DNA 和蛋白质都是 RNA 演化的产物,所以,这个悖论也就被自然消解了。但是,这也仅仅是解决了从 1 到 2 的问题,从 0 到 1 的问题依然没有解决。

现在,我请你假想一下,你取了构成一个人的所有原材料:碳、氢、氧等等,然后把它们放入一个容器之中,加上一点水,用力地摇一摇,如果从里面爬出一个完整的人来,那当然会令人无比震惊。其实,这基本上就是霍伊尔和其他一些人(包括特创论的支持者)所认为的蛋白质的一次性形成模式。这怎么可能呢?道金斯(Richard Dawkins)在《盲眼钟表匠》一书中写到,一定存在某种日积月累的选择过程,允许氨基酸聚集成团。两三个氨基酸因为某种简单的目的联结在一起,随着时间的推移,这些简单的结构又偶然撞在一起,因此又“发现”了一些更多的进步。蛋白质就在这样的进步中逐渐形成。

与生命相关的化学反应实际上普遍存在。可能我们离实验室中创造生命还差得很远,就像米勒和尤里那样搞搞,但是,宇宙却已经把这事干得足够多了。在自然界中,大量的分子聚在一起形成长链,我们称为聚合物。糖类也经常会聚合在一起形成淀粉。晶体可以做很多类似于生命干的事情:自我复制,对环境刺激做出反应,形成复杂的图案等。当然,它们不会成为生命,但它们却一再向我们展示,复杂结构的自然、自发形成是完全可信的自然事件。在宇宙中,或许并没有很多的生命,但却绝不缺少有序的自我聚合,从对称的雪花到土星的光环。

正因为大自然表现出了这种热爱聚合的强烈愿望,有些科学家认为生命的出现远比我们以为的更加不可避免。用比利时的诺贝尔生理化学奖得主迪夫的话来说,“只要条件合适,物质就一定会产生某种趋向。”迪夫认为这种合适的条件在每一个星系中都能发生 100 万次。

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