宇宙中第一个生命的形态——关于人和宇宙的设想(3)
2014年1月29日星期三1. 引言
我们从前面的讨论中看到，一个“可知”的宇宙与一个生存其中的“能知”的智慧生命将可能形成一个共生再生的整体。这种互利的机制显然会在宇宙的反复运动中普遍化，使得相当数目的可知宇宙看上去在其中几乎是必然地发生生命从而导致智慧生命的出现。生命特别是智慧生命的出现应该是可知宇宙中第一重要的现象，第一伟大的事件，它将宇宙突变成为一个有趣的透明的活的宇宙。
那么，回到我们所在的这个宇宙。它是否可知？而我们人类又是否能知？这个宇宙是不是一个“透明活宇宙”？
这得找到证据。一个证明途径是，如果人类未来最终能解决上面提到的那个宇宙中第一重要的问题：生命起源问题，完全搞清楚生命是如何必然地在我们这个宇宙中发生进而导致人类出现，那当然就在最根本的意义上显示出宇宙的可知以及人类的能知。如果在此过程中又发现所发生的生命形式内容与地球上生命的形式内容相同，那自然就形成一个证据。
虽然我们不知道要多久才能等到证据，但作者相信最后是一个好结果。作者很多年前考虑过这样的问题：遥远的未来会搞清楚第一个生命从宇宙中何处出现，但不管在哪里发生，我们现在可能看到什么？即便是一些模糊的影子。这也许与上述问题有点关系，作者在此把有关想法整理出来，供感兴趣的人参考及修正。
2. 问题
最早生命或者说第一个生命是如何起源的，又是什么形态或形状？不失讨论的一般性，我们暂且假定第一个生命是从地球上发生的，虽然我们只能观察地球的现象与引用地球上的条件，但这并不影响我们感兴趣的结果。按照RNA世界学说，RNA可能是最早的生命，这蕴涵着这样的图景，最早的生命形态是线形分子即两个以上分子串联成的大分子。线形分子在几何上仅是一条空间曲线，从而形成最简单的组织。
我们也可以独立地从最基本的东西考虑起，我们想象从现在到过去观察生命历经的分子组织，所出现的组织在趋势上是越来越简单，我们最后看到什么？自然是线形分子，虽然现在不能确定最后看到的是否就是RNA分子，但必定线形分子无疑，因为再追溯下去就只有无组织的单个分子了。生命的特征是生长与繁殖，线形分子在形态上恰好具备这两个特征。线形分子在两端生长，向外延伸后仍然可以是一条线形分子。线形分子也可以在侧向俘获外界分子，这些被俘获的分子相互串连，就可以衍生出一条新的线形分子。因此，一个自然而然的假定随之而来，最早的生命是从线形分子开始的。
我们知道，生物线形高分子在自由状态下一般将形成螺旋形而不是直线形，有许多理论例如Helfrich的手征弹性链理论[W. Helfrich, Elastic theory of helical fibers, Langmuir, 1991, 7 (3), pp 567–568]可以解释这样的现象。这些理论自然也适用于最早线形分子生命的形态，但是这些理论主要是从物理学角度考虑问题。那么，我们有没有办法在地球环境下从生物学角度，从生命的两个最基本特征：生长与繁殖，来进一步观察最早线形分子生命的形态。回答是肯定的，对线形分子生命来说，生长意味着延伸，繁殖蕴涵着对称性，这种“可延伸的对称性”将为我们打开一扇观察最早生命的窗口。
3. 第一个生命的形态
作为生命，第一个生命或者简单地说最早的生命也必须有适应环境的能力，否则不能生存下去。一方面是对外界物理及化学环境的适应，在能量及物质的互动中进行生长与繁殖，我们假定最早生命当然也有如此的适应能力。另一方面是对外界生物环境的适应，对生物来说这是一个复杂的问题，但是对于最早的生命也只有最早的生命，这个问题变得简单，因为只有最早生命一种生命，最早生命的生物环境就是面临其它可能同时出现的最早生命的竞争。既然可以产生第一个生命，当然就有可能同时产生其它的生命例如被第一个生命繁殖的生命，这些生命都有机会与资格做为第一个生命，这些生命要互相适应，不发生冲突，才能使第一个生命得以生长与繁殖或者说“可延伸与被对称”。
我们设L是第一个线形分子生命，在外界提供的条件下L可以同时进行生长及/或繁殖。设L至少繁殖出一条与L相同结构及相同形状的线形分子L’，相对地，L’在相同的外界条件下也应该可以进行生长并且繁殖出L，L’也有作为第一个生命的机会与资格。这意味着，在外界条件作用之下，L、L’ 可以同时进行生长及/或繁殖，同为最早的生命或者说第一个生命。
形成线形分子需要条件。第一需要能形成线形分子的小分子，我们假定这些小分子是存在的，随机分布于环境。第二需要外界提供耦合小分子的能量(包括催化作用等化合条件)，能量强度要在一定的范围内，而且作为能量载体的物质粒子也要有恰当的物理与化学的特性例如起催化的作用。第一个分子生命从两个小分子耦合开始就需要这些条件共同出现，因为小分子很稀少，碰到一起的机会更少，外界作用的时空范围必须尽量大，作用范围越大，小分子被耦合的机会越多。如果在某一点p，形成线形分子生命L的两项条件均达最佳即条件好于或等于周围点，就可能在p的一个邻域内即条件起作用的范围内形成L或其片断。如果沿一条曲线C出现形成L的最佳条件，而且L的形状与C匹配即L一直位于C邻近，在C的邻域内就可能形成较长的L的片段直至整条L。因为小分子是随机分布的，它们可能在任何地方出现，这时外界作用的轨迹主要由能量状况决定。显然，如果存在一种占优势的能量作用轨迹，则与此轨迹匹配的线形分子就有更多的形成机会。
我们考虑最简单的情形也就是所有曲线中间状态的直线能量的作用。一个能源向外辐射出能量，每个方向的状况可能不同，如果某一时刻沿某一方向辐射出形成L所需的能量，则沿此方向就形成一条直线作用。地球上存在很多这样的直线作用，例如闪电、地热、放射性、海底火山等释放能量的过程都可能形成直线作用。以太阳为例，太阳作为地球的最大能源则在时空范围提供最多的直线作用。太阳通过紫外线、可见光线及红外线及其它物质辐射能量到达地球，通过任一点p的太阳光线是沿着太阳中心点与p的连线。每一条太阳光线的强度、成分可能不同，如果一条光线满足形成L的条件，沿此条光线就形成直线作用。
我们暂且假定，最早的生命就是在某种直线作用下产生的。在这种情况下，与直线作用匹配的线形分子就有更多的形成机会包括将短链连接成长链的机会。
我们设想在某条直线能量作用J的邻域G内观察到第一个线形分子生命L，则在G内应同时至少形成一条同形的线形分子生命L’。L或 L’沿J可以自由生长，L或 L’可能的生长轨迹形成一条沿J延伸的路径，仍记为L或L’。根据对称关系，L’ 也可在L的路径上生成，L则可在L’的路径上生成。因此，在J邻近至少有两条可形成L的路径。在这种情况下存在两种可靠的方式形成这种路径。一是平移，我们将L上的点平行J移动任一距离d形成路径L(T)。L(T)与L相差一个平行移动，两者同形且相对J有相同的位置，故仍在G内，位于J的邻近, 显然，如此得到的L(T)都有机会与资格作为L的路径。另一是旋转，将L以J为轴旋转任一角度w形成路径L(R)。L(R)也与L同形且相对J有相同的位置也仍在G内，位于J的邻近，显然，如此得到的L(R)也都有机会与资格作为L的路径。把平移与旋转组合进行，就得到所有的可能的L的路径。
如上所述，最早生命之间有自适应，即不会发生相互冲突与扼杀的现象，每一条线形分子生命都能生长与繁殖，这意味着：在纵向上路径的两端能不受阻挡地自由延伸以便线形分子生长，这也表示通过一点只有唯一的路径，或者说，两条路径相交则必重合。在侧向上，每一条路径四周不会被其它路径团团封死，不致失去繁殖的机会。
现在我们来求L的路径。首先有两个显然的路径满足上述要求。一个是在G内的平行于J的直线，另一是G内的以J为中轴法线的圆。问题是，除此之外还有哪些路径？
设L为非平行于J的直线也非垂直于J的圆，我们将L沿J平行移动即将L的所有点沿J平移一段距离，这时L平移轨迹形成一个曲面记为S(T)。我们又将L围绕J连续旋转，L旋转轨迹也形成一个曲面记为S(R)。
S(R)是一个旋转面，S(R)沿J平移一般将产生一个圆柱体或中空的圆柱体，显然，这些空间体中充满L的路径，因此存在L的路径被L的其它路径严密包围，无法与外界环境接触，这就与上述自适应要求矛盾。因此，如果L是分子生命，S(R)沿J平移必须形成圆柱面，记为S。这也表示S(R)或者是S或者是S的一段，从而推得L是S上的曲线即圆柱面上的曲线。当然，我们也可以从S(T)绕J旋转出发导出同样的结论。
假设S(T)仅是S的一部分，这表示L沿J平移形成S上一个条状区域T，T的边界是两条平行于J的直线j(1)、j(2)。这时必定存在L的一段线形L(0)，L(0)的两个端点q(1)、q(2)分别在j(1)、j(2)上。如果L(0)不是L的全部，则q(1)、q(2)中至少有一点将连接L的另一段线形L(0)*。我们沿J平移L，设在t时刻，L(0)及L(0)*平移到L(t)及L(t)*，显然，L(t)*将与L(0) (或L(t)与L(0)*)相交，通过一点出现两条不重合的路径，这又与自适应要求发生矛盾。这表示L(0)就是L的全部， L只能是有限长的，这与路径可自由延伸的假定矛盾。因此，当L是线形分子生命时，S(T)必定是S全部，L沿J平移将覆盖圆柱面S。
将L围绕J旋转一角度w到路径L(w)，再将L(w)沿J平移距离d到路径L(w，d)，如果对任何d，L(w，d)都不与L相交，这意味着L(w)所形成的S(T)没有覆盖S，与前面的结果矛盾。因此，必定存在d, L(w，d)与L相交，根据上述适应性要求，L(w，d)必与L重合，表明L(w，d)又回到原位置L，这就是说，旋转L所得线形与L只相差一个高度。
我们沿圆柱面S的一条直母线将圆柱面剪开展成一张平面，圆柱面上的曲线就变成平面曲线(注意，连续的曲线存在剪断的地方)。曲线在圆柱面上的旋转在平面上变成平移。上述L具有的性质意味着，如果我们平移曲线任意一段距离，所得曲线只要上下移动即可与原曲线重合。我们可以想象，对平面曲线，只有将所有弯曲磨平成为直线才有可能满足这个要求。平面上的直线对应的正是圆柱面上的圆柱螺线。我们来证明此点，取J为z轴作一个右手笛卡尔直角坐标系0-XYZ，可将L表示为：
x=rsint
y=rcost
z=f(t)
上式中r为圆柱面半径，t为任意实参数，f是t的函数。根据上面最后结果，L绕J旋转任一角度w后与原线形至多相差一高度，这意味着
f(t+w)–f(t)=d(w)
这里d(w)是仅与w有关，两边对t求导
df(t+w)/dt–df(t)/dt=0
注意存在等式
df(t+w)/dt=df(t+w)/dw
故有
df(t+w)/dw=df(t)/dt
令t=0，得
df(w)/dw=df(0)/dt
又令df(0)/dt=h，则有
f(w)=hw+c
式中h为常数，c为积分常数，这表示f为线性函数。
我们不妨取c=0，最后得
x=rsint
y=rcost
z=ht
当h等于零时为圆，h趋于无穷大时趋于直线，一般情形下为圆柱螺线，h>0时为右旋圆柱螺线，h<0时为左旋圆柱螺线。这就证明L为右旋或左旋的圆柱螺线。
我们来讨论一下这些解的意义。显然，圆的路径没有意义，因为在直径很小的封闭路径上L不能自由延伸，因此线形分子生命不会取这种形状。其次是直线路径，我们已经从物理理论知道生物高分子难以保持直线形，因此线形分子生命也不会取这种形状。直观上也能看到，线形分子上存在单键，单键可以自由旋转，这使得线形分子很难保持稳定的直线结构。余下就是圆柱螺线了，这样的线形分子是存在的例如DNA，因此我们得到结论，第一个生命或最早的生命是圆柱螺线形状，换言之，最早的生命必须有圆柱螺线的结构。
我们到这里终于看到，线形分子生命作为最佳生存能力的线形分子，应具有一定的形状，这就终于允许我们现在在数学形式上考虑问题，假定有一个最优形状使线形分子有最优生存能力。数学上可用两个参数描述空间曲线的几何形状，一个是曲率k，表述曲线偏离直线的程度，另一个是挠率τ，表述空间曲线偏离平面曲线的程度。假定L为最优线形，则L的每一点局部的形状都是最优的。而每一点形状最优意味着每一点都有相同形状，这又意味着所有点的k与τ相等，从而k、τ在曲线上为两个常数。在一个右手直角坐标系0-XYZ中，我们可将k与τ为常数的曲线表示为上述圆柱螺线形式，式中
r=k/(k²+τ²)
为圆柱面半径，
h=τ/(k²+τ²)
2πh为螺距。由此可以看到最优线形也只有圆柱螺线线形一种。这不但从另一个视角验证了上述结果，而且特别重要的是，这表明我们在寻找分子生命的过程中所做的假定特别是线形分子生命在直线作用下产生的设想，不会产生遗漏之处。
4. 若干推论
从数学角度我们还能看到圆柱螺线在形成上的优势。如果把一条圆柱螺线拆成任意片段，因为所有片段的k与τ都是相同的常数，只要把片段串联起来，无论次序如何，连成的都是与原来形状相同的圆柱螺线。一般在大自然中在路径上所形成的线形分子大多是较短的(从L的最后获得生命功能的长度来看，这些短链也可看作是“小分子”)，圆柱螺线的这个可任意装配的特性使它比其它线形更容易形成较长的线形。另外，圆柱螺线在旋转之下与原线形在纵向上最多相差一个高度，意味着无论从哪个方位观察线形，外界都看到相同的形态，这表示线形在侧向与外界有均匀的接触。同样，圆柱螺线线形在平移之下与原线形最多相差一个旋转角度，这表示线形在纵向与外界同样有均匀的接触。
现在可以说，上述最早生命的特征从数学上看可以从圆柱螺线的性质倒推出来。因此，现有的RNA、DNA、蛋白质分子自然继承了最早生命的特征。在地球初始环境中，产生最大直线能量作用的是太阳，我们不妨假定，最早的分子生命最大可能是从那些可在太阳光直线作用下形成的、而且形状在太阳光直线作用下能保持在光线直线附近的线形分子中产生的。
RNA世界学说认为RNA出现在DNA之前。那么，RNA是否为最早的生命？如果是的话，根据上述结果，RNA中应存在可在直线作用最大可能是太阳的直线作用下产生的圆柱螺线线形结构。在此值得一提的是，关于RNA在太阳光照下的特性，Mulkidjanian等人[Armen Y Mulkidjanian, Dmitry A Cherepanov, Michael Y Galperin: Survival of the fittest before the beginning of life: selection of the first oligonucleotide-like polymers by UV light. BMC Evolutionary Biology 2003, 3:12]模拟太阳紫外线对分子稳定性的影响，发现RNA在强紫外线照射下比其它分子更可能形成长链，而且紫外线可能有促进聚合的作用。如果RNA中不存在可在太阳光直线作用下形成的成分，则RNA必定由更早的生命进化而来。无论如何，RNA在时间上最靠近最早生命，据此，由RNA包含的结构我们推测，地球上最早生命是右旋的。
生命的起点被唯一地限制在圆柱螺线线形结构范围之内，说明生命没有任意性，这正是本文开头感兴趣的事，人类很可能就是我们宇宙中的那个智慧生命。同时另一个问题随之而来，自然界可以提供多少种圆柱螺线线形结构用以形成生命？假如在RNA、DNA之外存在另外的独立的分子结构能在某种直线能量作用下形成上述分子生命的圆柱螺线线形，如果没有物质上的竞争，此种结构一旦形成也可视为一种最早的生命，它应该会适应环境包括与其它分子生命的互动走上生物进化的道路。我们现在不知道是否存在此种结构，如果假定它存在，有一点可以肯定，最早的此种结构的生命也取圆柱螺线形状。
最后，我们不妨进一步想象，假定地球上最早生命是在太阳直线作用下形成的右旋圆柱螺线线形分子，我们推测一下，地球生命诞生地在何处？最早生命可以看作是一种朝着太阳生长的线形分子，这种生长与植物生长的不同点是没有固定的根。首先，平均来说，太阳直线作用最强烈的地方是在地球赤道，因此第一个圆柱螺线线形分子生命最可能产生在赤道附近。其次，我们观察旋向即右旋与左旋，如果在某个地方一种旋向比另一种旋向能更好地利用太阳作用，则这种旋向就有形成上的优势。我们做一个简单的实验，现在可以设太阳在地球赤道上空从东向西做视运动，我们站在北半球上，用手一面跟踪太阳中心一面伸出，手将做出一个右旋运动，这表示在此位置上右旋的线形分子比左旋的线形分子能更好的跟踪太阳视运动，这意味着右旋的线形分子有更多的形成机会。由此推断，地球上第一个生命的诞生地在北半球赤道附近。我们现在不知道它是不是宇宙中的第一个生命？但至少可以看到在地球上能够独立地诞生生命进而导致智慧生命——人类的出现。(2014年1月2日)