李瀚涛:能量的故事-----换一个角度看历史 (一)奇点与起点

没错,每次想起来奇点我就头晕。想使用正常智人的语言来形容“奇点”这个词儿是一件很困难的事情;事实上,用正常智人的大脑来思考这个词儿都经常要冒着突发高血压的风险。

吃一片我们公司著名的降压0号,(顺便说一下,这可能是宇宙中对智人血压控制有效率最高的药品)我接着讲。我们所处的宇宙在膨胀,这是无数天体物理学家证明的事实。那么倒推回去,昨天的宇宙比今天的宇宙要小一点儿,前天的比昨天的小一点儿......

数学家们说,要按这么推下去,那么在遥远的过去,总存在着那么一个时间点,宇宙曾经是小到了没法小了,从那个时间点开始,宇宙就会开始膨胀,或者说爆发,从而形成了今天的宇宙。那个时间点,或者说那个时间点上的那个“宇宙”,就是奇点。

奇点是一切的初始点,是宇宙诞生前所有物质和能量凝聚的一个点。物理学家们说奇点是空间无限小,质量无限大,曲率无限高的一个点,这句话我没弄明白,也不太想弄明白了;至于奇点之外是什么空间,从这个空间角度能不能观测到奇点,哲学家们的回答是:奇点之外,没有空间..........

关于这个时间点,物理学家,数学家和哲学家们很是有些争议:有人说是260亿年前,有人说是137到145亿年前。总之很久远就是了,这个不重要;重要的是,就在那一天那一瞬,奇点爆炸了。而我们这个宇宙的星辰之力和全部组份,几乎全部都来自于这一次爆炸;换言之,我们,地球,太阳和银河系的存在所依赖的所有物质和能量,几乎都是这次爆炸所制造和释放出来的。

恩恩,奇点爆炸,宇宙形成。这爆炸持续了多久呢?有人说是不到一秒,有人说是不到三分钟。N多世界上最聪明的科学家在试图把这一秒分成好多好多个毫秒,想去弄明白每一个毫秒都发生了什么。这不重要,重要的是,我们几乎是瞬间就拥有了一个宇宙,和几无穷尽的物质与能量。

质子、中子和电子从奇点逸出,宇宙间第一个元素---氢,就此形成。不稳定的氢原子在大爆炸的高温高压下部分两两组合,形成了氦。这两种元素在引力的作用下形成了恒星,而最早的恒星也几乎只有这两种元素。

同样不稳定的第一批恒星很快就纷纷爆炸,形成了超新星;爆炸的恒星的温度和压力达到了核聚变所需要的条件,于是原子们纷纷抱团儿,元素周期表上的其余重元素纷纷形成。需要指出的是,周期表上越靠后(也就是越重)的元素,形成所需要的温度和压力越高,(也就是需要爆炸更大的恒星)所以产量也就越低;依照“物以稀为贵”的原则,一般来说,在我们的地球上,越重的金属因为量少,所以价值昂贵,所谓“贵重”二字,其实就是这么来的,呵呵。

恒星们爆炸后重生,重生后爆炸,折腾了几十亿年,把元素周期表上的元素都鼓捣全了,就安生些了;在大约50亿年前,我们的太阳诞生了。不久之后,太阳系的八大行星也逐渐形成,其中很特别的一个就是我们的地球。行星们诞生的方式同样有很多说法儿,有说是从太阳分裂的,有说是被太阳引力俘获的,有说是太阳周边物质凝聚形成的,天文学家们至今仍然在吵。但是对于我们要讨论的重点问题:能量来讲,行星的诞生过程似乎没那么重要。

嗯嗯,地球诞生了。距离太阳的距离刚刚好,没远到冻成万年冰坨,也没近到烤成焦炭。从化学的意义上来说,就是地球的温度既没有低到让绝大多数化学反应都根本启动不了,也没有高到让绝大多数化学反应的产物都立刻就分解,稳定存在不了;并且地球上还有大量的地下和地表水可以做反应的溶媒,活活就是一座天生的无机化学和有机化学的实验室。

嗯嗯,地球诞生了。这颗小星星距离太阳的距离刚刚好,没远到冻成万年冰坨,也没近到烤成焦炭。从化学的意义上来说,就是地球的温度既没有低到让绝大多数化学反应都根本启动不了,也没有高到让绝大多数化学反应的产物都立刻就分解,稳定存在不了;并且地球上还有大量的地下和地表水可以做反应的溶媒,活活就是一座天生的无机化学和有机化学的实验室。

无机化学实验做多了,有机物质就产生了;有机化学试验做多了,氨基酸聚合成为蛋白质,核苷酸聚合成为核酸,单糖聚合成为多糖。这三个聚合产物凑在一起,(也有说是天上掉下来碰到了一起的)形成了封闭体系,能够自主摄取外部环境中的能量(主要还是太阳能)和物质,在内部完成足以维持这个体系存在的各种化学反应,并且逐渐具有了这个体系的自我复制的能力时,原始单体生命诞生了。(这话说得可真够累的。但是我实在是没法说得更通俗了,抱歉抱歉。)

从本源上讲,单体生命从诞生的那一刻起,主要就是为了六碳糖C6H12O6,这个东西。原始生命费力地把太阳能,水,和二氧化碳结合在一起存储起来,然后通过分解这东西来把太阳能释放出来,并转化为生命活动需要的能量。

原始生命诞生于大约38亿年前。历经如此漫长的演化和变迁,生命的形式和外观随着不同的演化分支延伸开来,但是能量代谢的方式却几乎始终如一。那就是制造六碳糖以蓄积太阳能的光合作用,以及分解六碳糖以释放太阳能的呼吸作用。

我真的不知道天上除了会掉下林妹妹和馅饼之外,还有没有可能掉下生命的起源来。但是可以说,地球生命的出现,就是为了太阳能而生的。生命体的主要任务就是摄取太阳能和外部物质,来完成自己封闭体系内的化学反应,并且复制传播这个体系到外部环境中去。

至于怎么摄取能量,最初的原始生命形成了分化:一部分是运动功能退化,自养能力加强,体内逐渐出现了细菌绿素乃至叶绿素,能进行光合作用直接吸收利用太阳能,最终成为植物的始祖;一部分是运动能力加强,异养功能加强,而自养功能退化,换句话说就是掠夺别的生物转化好的有机物(主要还是六碳糖),最终成为动物的始祖。

对能量的利用方式不同,直接构成了地球生命两大截然不同的生命方式的分水岭和甄别依据。

黑格尔的名言,“存在即合理”,恰如其分地阐述了生命产生的必然性。同时,生命的产生也极大地维护了原始地球的结构稳定性。没有地球就没有生命,但是如果没有了生命,地球也同样面临着存亡危机。

地球上的氧气几乎全部由光合作用的植物提供,如果生命消失,地球上的臭氧层也将消失,肆虐的紫外线将很快把地球扫射得体无完肤;更要命的是,大气层中如果没有了氧气,当天外来客访问地球的时候,地球所迎接的将不再是流星雨,而是实打实地完全非弹性碰撞,那种情况下时速5万公里,直径100米的小行星群完全可以直接把地球打散成N个月亮。

地球生命和她的地球母亲,实际上是生死相伴的。

正如奇点是我们所处这个宇宙的起点一样,原始生命的出现,是我们这个星球上的物种自主摄取、利用、存储宇宙能量的起点。很显然,能够适应环境,摄取和利用宇宙能量,完成自我复制的这种体系,比起任何一种单纯的化学试验产物来说,都更容易在一个星球上长期而稳定地存在。

从发展的眼光看问题,进步和变革是主旋律;从存在的意义上看问题,稳定是压倒一切的硬道理。那么,碳分子生命体以及她目前为止已知唯一的母星关于能量的一系列波澜壮阔的故事,就从这个起点开始了。

原创: 边走边唱 lihantao