第一章　生命的前期準備

第一節　宇宙誕生和化學元素形成

說到生命的歷史，好像只和地球有關，因為生命是在地球上產生的。但是組成生命的物質，卻不是地球能夠制造出來的，也不是我們的太陽系能夠制造出來的。要知道組成生命的物質的最初來源，就要追溯到太陽系出現之前遙遠的過去，那就是宇宙的起源。

在20世紀20年代之前，人們認為宇宙是靜止的，就連科學巨匠愛因斯坦都這樣想。但是在1922年，美國天文學家埃德溫·哈勃（Edwin Hubble）卻發現，宇宙其實是在膨脹的，其他星系正在離我們而去，而且離我們越遠的星系，飛離我們的速度越快（圖1-1）。如果把這個過程反推回去，宇宙最初就應該是一個點。

在過去的幾十年中，科學家對物質在極高溫度和極大壓力下的狀態也已經有了很好的了解，因而能夠從理論上把宇宙膨脹的過程倒推回去，得出我們的宇宙來自137億年前的一場大爆炸的結論，并且能夠描述出大爆炸后千億分之一秒直到現在的100多億年中，宇宙發展演變的整個過程，包括組成生命的物質的形成。

宇宙大爆炸是從一個密度和溫度都極高的奇點開始的。爆炸瞬間產生多種基本粒子，如夸克。由這些粒子組成的高溫高壓的“粥”迅速擴張，溫度也開始降低。大約1微秒后，溫度降到約1000億攝氏度，基本粒子結合，形成電子、質子和中子。質子帶一個單位的正電，電子帶一個單位的負電，中子不帶電。質子和中子的質量差不多，而電子的質量只有質子的1/1840。

電子、質子和中子的產生，意義極其重大。夸克那樣的基本粒子只能在極端條件下（如宇宙大爆炸的瞬間和實驗室的對撞實驗中）游離存在，而電子、質子和中子卻可以在從1000億攝氏度的高溫到絕對零度（-273攝氏度）的溫度范圍內穩定存在，是組成現今世界上各種物質的粒子。它們的尺寸都很小，像質子和中子的直徑只有1.7飛米（1飛米是1厘米的1/（1×1013）），電子的尺寸可能還要小一些，但是總算是在可以想象的尺寸范圍內了。就是這三種微小的粒子，組成了現今多姿多彩的世界，包括幾千億個星系，比地球上沙粒數量還多的恒星，我們的太陽系、地球以及地球上的幾百萬種生物。

這看上去好像有點不可思議：區區三種粒子怎么能夠變出這么多花樣來啊？在兩千多年前，中國思想家老子在《道德經》中就說：“道生一，一生二，二生三，三生萬物”，道出了宇宙發展的總規律。現在我們就來看看這三種粒子是怎么生出“萬物”的。

質子雖然帶正電，彼此排斥，但是宇宙間卻有一種力，叫強作用力，可以把質子在中子存在的情況下結合在一起，形成由質子和中子組成的粒子團。在這里中子是絕對必要的，質子之間的排斥力太強，沒有中子的摻和，單純由質子是不能形成粒子團的。在所有的粒子團中，中子數都不能少于質子數，而且質子的數量超過20時，還需要越來越多的中子才能“沖淡”質子之間的排斥作用，使粒子團穩定。例如，質子數為20時，中子數也為20；質子數為40時，中子數為51；質子數為60時，中子數為84；質子數為80時，中子數高達120。質子數超過94時，它們之間的排斥力是如此強大，以至于再多的中子也不能使粒子團穩定了。質子數更多的粒子團可以在實驗室中被人工創造出來，但是它們都不穩定，會很快分解。所以在穩定的粒子團中，質子數只能從1增加到94，如果把1也算是“團”的一種特殊情況的話。

強作用力雖然很強大，但是作用距離非常短，只有在質子和中子相當靠近時才能起作用，所以只能在大爆炸后壓力和溫度都極高的時候發生。但這時宇宙正在迅速膨脹，溫度很快降低，質子和中子能夠結合為粒子團的時間很短，不過十來分鐘，在匆匆忙忙中只形成了含兩個質子和三個質子的粒子團，以及大量沒有結合、仍然是單個的質子。

38萬年之后，溫度降低到幾千攝氏度，這時又發生了另外一個意義重大的事件，就是帶負電的電子開始圍繞帶正電的質子（或者由質子和中子組成的粒子團）不停地旋轉，形成原子，這些質子和粒子團也就成為原子核。原子中電子的數目等于質子的數目，所以原子整體不帶電。一個電子圍繞一個質子旋轉，就形成氫原子，兩個電子圍繞含兩個質子的原子核旋轉，就形成氦原子，而三個電子圍繞含三個質子的原子核旋轉，則形成鋰原子（圖1-2）。由這些原子核形成的原子叫作化學元素，簡稱元素，意思是組成物質的基本因素，在性質上特別是在化學性質上彼此不同。

原子的性質是由原子核外面電子的數量決定的，而電子的數量又是由原子核中質子的數量決定的，與原子核里面中子的數量無關，所以是原子核中質子的數量決定原子屬于什么元素，例如，氫、氦、鋰這三種元素的原子核中分別含有一個、兩個、三個質子，它們的性質也不同：氫和氦都是氣體，但是氫能夠燃燒，氦不能燃燒，而鋰是金屬。原子核中的中子數稍多一點或者稍少一點，對元素的性質基本上沒有影響。例如，鋰的原子核可以含有三個中子或者四個中子，但是由于質子數都是三個，這樣形成的原子都是鋰原子。含有相同質子數和不同中子數的原子屬于同一元素，在元素排序時排在同一位置，所以叫作同位素。

在這個時候，宇宙里最多的化學元素是氫，其次是氦，它們之間的質量比約為3∶1，原子數比為12∶1，此外還有微量的鋰。組成我們身體的元素如氧、碳、氮、硫、磷等，此時還完全不見蹤影。在這樣的宇宙中，生命是不可能產生的。

幸運的是，宇宙中物質的分布不是絕對均勻的，而是有微小的濃度差異。由于重力的作用，濃度稍高地方的氣體就會把周圍的氣體吸引過來，使自己的質量增大，從而吸引更多的氣體，使這些地方的氣體濃度越來越大，最后凝聚成星球。這個過程需要很長的時間，所以第一批星球是在大爆炸之后2億年左右才形成的。

在這些星球內部，重力作用形成巨大的壓力，氣體壓縮也會產生高溫。高溫使電子脫離原子，讓原子核重新裸露出來，而高溫高壓又使原子核能夠彼此接近到強作用力能夠發揮作用的距離范圍內，因而能夠再次發生融合，形成含有更多質子的原子核，這就是第二次造元素運動，這個過程也被稱為核聚變。與大爆炸剛發生時短暫的造元素過程不同，這次造元素的過程是在星球內部發生的，沒有宇宙膨脹帶來的溫度和壓力降低的問題，而且原子核融合時還會放熱，維持星球內部的溫度和壓力，因此造元素運動能夠長期進行下去。不過能夠進行到什么程度，還要看星球的大小。

星球的質量越大，內部的溫度和壓力越高，就越能夠克服帶正電的原子核之間的排斥力，使它們融合，形成更重元素的原子核。星球質量小于三個太陽質量時，只能發生質子融合成氦核的反應，所以太陽是造不出氦以外的其他元素的。如果星球的質量大于三個太陽質量，就可以形成鈹和碳的原子核；星球的質量大于8個太陽質量時，就會形成氧、氖、鎂、硅等元素的原子核；如果星球的質量大于11個太陽質量，還會形成硫、氬、鈣、鈦、鉻、鐵、鎳等元素的原子核。所以質量巨大的星球就相當于是太上老君的煉丹爐，組成我們身體的元素就是在這些煉丹爐中生產出來的。

當星球內部的燃料耗盡時，核聚變停止，溫度和壓力降低，不能夠再抵抗星球外層向內的壓力，這時星球會猛然向內坍縮，坍縮時釋放的能量使星球爆炸，將這些新合成的原子核噴灑到太空中，而且在爆炸時的劇烈條件下，還會形成更重元素的原子核。由于星球外層的氫并不參與內部的核聚變反應，噴灑出去的物質主要還是氫，可以再次凝聚形成星球，太陽就是這樣的第二代或第三代星球。

因此，組成生物體的主要元素如碳、氧、氮、硫、磷、鈣等，都不是太陽系產生的，是過去比太陽大得多的星球死亡時，將這些元素同氫一起噴灑到太空中，再形成太陽系，包括地球。這些元素中的一些在后來形成了地球上的生物，所以地球上生物真正的老祖先是已經死亡的巨型星球。而且太陽系里面塵埃的組成和年齡并不相同，可能來自不止一個星球，所以我們多半還有不止一個祖先。不過它們在爆炸之后余下的部分已經變為中子星甚至是黑洞，很難觀察到，即使我們想祭拜它們，也很難找到。