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论渐变与突变
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广告招租，e-mail:yesize@hotmail.com 本文论述了渐变和突变在宇宙演化中的作用，说明渐变和突变是宇宙进化的两种进化方式，两者相互联系，缺一不可。 宇宙从物质的创生，分子的形成和演化，生命的起源和进化，直到人类的出现，既是一个必然的过程，也包含着许多偶然的机遇。宇宙从原初发展到现在，是一连串渐变和突变导致的结果。 原子或分子形成后，它们要继续发展，也就是说要结合形成更大的原子或分子，则不能太封闭太稳定，必须保持一定的开放性和活跃度。当然，太活跃了也不行，那样就失去了稳定性和个性，也就失去了自身存在的基础。对于原子和分子来说，其活跃性和稳定性往往与能量密切相关，所以，原子或分子要结合成更大的原子或分子，对能量（或温度）则有一个限制要求：既不能太高，也不能太低。如果能量太高，物质间的斥力较大，要么分子与分子无法接近而不能结合，要么分子与分子结合并生成新的分子后又在高能的作用下立即分解掉；如果能量太低，物质分子就自我封闭起来，变得十分稳定，不易与其它分子作用。对低能的稳定分子，要使它们能与其它分子反应，则必须给它们以能量，使它们活跃起来。这个使它们活跃起来的能量就是化学反应中所说的阀能。分子只有达到了阀能值以上，才能与别的分子反应。或者说只有达到或超过阀能值不多的分子碰在一起时才会反应。例如，在常温下，一氧化碳(CO)和氢(H2)不可能发生反应，但是，如果将一氧化碳和氢混合在一起并加热至800℃时，它们将反应生成甲醇(CH3OH)。 对外表现出温度恒定的一个系统，其各个分子的能量并非是一样的。有的分子运动较快，能量较高，有的分子运动较慢，能量较低；而且每个分子的能量也不是固定不变的，它们经常在碰撞中交换能量，使运动快的分子变慢，运动慢的分子变快。玻尔兹曼（Ludwig Boltzmann,1844-1906）发现，系统不论怎么运动，其中的分子按能级分布的几率是不变的，并由公式P=e-Ei/KT所决定。Ei是所选定的能级，K是玻尔兹曼常数。如果一个系统有能级E1，E2，E3…玻尔兹曼公式则告诉我们，系统的每个分子处于这些能级上的每一个各有多大的几率。假定系统是一个只有3个能级E1，E2，E3（E1 E1 ------------- E1 ----*----*----- E2 -------------- E2 ----*----*----- E3 -*-*-*-*-*-*- E3 ----*----*----- 低温分布 高温分布 图1：能级与分子的分布情况 在一般温度下，当分子的数目特别多时，分子不会挤在一个能级上，也不会均匀地分布在每一个能级上。大约有一半分子的能量比平均能量大；比平均能量大一倍的占一定的比例；大两倍的也占一定的比例，但百分比较小；能量越大，所占的比例将越来越小。因此，在一个系统中，总有一定比例的分子的能量达到了阀能值。例如，在氢——氧混合系统中，即使在常温下，也有少量的氢、氧分子的能量达到了相互结合生成水的阀能值。但是由于处在这一阀能值的氢、氧分子特别少，达到阀能值的氢、氧分子相互接触的几率微乎其微，所以，在较短的时间内，氢、氧化合成水的几率几乎等于零。也就是说常温下，在较短的时间内，让数量有限的氢、氧混合气体反应生成水是几乎不可能的。但是，当氢、氧分子的数量足够多时，超过阀能值的氢、氧分子数将大大增加，它们相互碰撞和接触的几率也将大大增加，这时即使在常温条件下，也会有少量的氢、氧能够化合生成水。当然，即使氢、氧分子的数量不是很 多，只有少数分子达到了阀能值，但当给定的时间足够长时，它们相互碰撞的几率也会增加，少数氢、氧也有可能结合成水。 事实上，宇宙中的许多分子都是在时间的长河中，通过数量的积累（增加丰度）而不断演化的。这种以时间和数量为基础的演化实际上就是一种渐变。在渐变过程中，一些小分子在开始时，由于数量有限，处在高能量状态（达到阀能值）的分子数目也极少，所以，它们几乎不可能发生反应。但是，经过一定的时间，通过量的积累，一方面，随着数量的增加，能量足够高的分子就越来越多，另一方面，在时间上各种分子累计碰撞的次数也越来越多，所以，高能分子之间的碰撞几率也大大增加。由于这些高能量的分子已超过了阀能值，是一些活化了的分子，当它们与其它分子碰撞时就很容易与其它的分子反应、结合，形成大分子。形成的大分子又在新的基础上进行积累，当其高能分子的数量达到一定的程度时或经过足够长的时间后，便又与其它的分子反应、结合，又形成更大的分子。如此反复，最后，形成的分子就越来越大，越来越复杂。这也是为什么我们的宇宙中，越简单的元素（或原子、分子）越多，越复杂的元素（或原子、分子）越少的原因。在宇宙中，最轻的原子氢的丰度约为75%，次轻的原子氦的丰度约为25%，所有其他原子元素丰度的总和不到百分之一。 当然，自然界的进化不能仅仅靠上述这种以丰度和时间为积累的渐变过程来完成。一方面，有些反应的阀能值太高，例如氢聚变成氦则需要几亿度的高温，仅靠渐变导致反应进行几乎是不可能的；另一方面，如果自然界只有渐变，那么要使简单的小分子逐渐形成具有特殊结构和功能的蛋白质和核酸分子，则需要花亿亿年以上的时间。而我们的宇宙诞生至今只有150亿年，哺育生命的地球的年龄则更短，只有45亿年，所以，如果只有渐变，宇宙就不可能出现生命。因此，我们宇宙的演化，生命的形成及其进化，少不了突变。 突变往往伴随着一种灾难。因此，突变也是一种灾变。正是一连串的灾难，为分子的演化、生命的进化提供了能量和动力。在突变过程中，一些低能分子能够获得额外的高能量，变成超过阀能值的高能活化分子，使一定数量分子中的活化分子的数目大大增加，从而为活化分子相互碰撞并结合成大分子增添了机会。例如，上面提到的氢、氧混合气体，在常温下基本不会反应，但是假如有闪电在氢、氧混合气体中划过，那么氢--氧就会化合生成水，如果氢、氧气体的比例适当，还会发生猛烈的爆炸，在瞬间生成大量的水。因此，灾变可以大大加快分子演化和生命进化的速度。据有些科学家推测，生命的起源很可能发生在一场灾变之中。在原始大气中，主要成分可能有甲烷、氨、氢、一氧化碳、二氧化碳、氰化氢、硫化氢和水蒸气等，这些物质在火山、雷电和太阳紫外线等自然力的频繁作用下，有一些便结合形成氨基酸、核苷酸和单糖等一系列有机物，进而合成生命物质。 1953年，美国芝加哥大学的研究生米勒(S.L.Miller)用模拟实验证明了这一灾变过程。他在一个特制的烧瓶中注入水，泵入含有甲烷、氢和氨的混合气体，制造出一个“原始地球大气环境”。然后他模拟雷公电婆，不断地向“原始地球大气”放电，结果烧瓶中竟出现了20多中有机物，其中包括11种氨基酸。1956年，美国科学家福克斯(S.W.Fox)将一些氨基酸混合在一起，然后模拟火山爆发，给氨基酸混合物加热至160-2000C，几个小时后，他便得到了具有某些天然蛋白质性质的类蛋白。当然，任何灾变也需要一定的丰度作为支撑，没有一定的丰度灾变也难有所作为。 近年来，有关灾变在生物灭绝和生命进化中的作用的研究已成了热点。最引人注目的是关于恐龙的灭绝。一些科学家认为，在6500万年前，一颗相当于美国曼哈顿岛大小的小行星或彗星与地球相撞，使成千上万吨的尘埃和碎石进入大气层，笼罩着地球，遮挡了阳光，导致植物不能正常生长，结果以植物为食的恐龙等动物也不能生存。已故美国物理学家路易斯·阿尔瓦雷兹（Luis Alvarez）和他的儿子沃尔特·阿尔瓦雷兹(Walter Alvarez)为小行星或彗星撞击地球找到了一些证据。他们发现，在大约6500万年前的沉积土层中，铱元素的含量异常地高，铱是地球上罕见的重金属元素，只存在于地壳的深处，但在小行星和彗星上却大量存在。因此，他们断定在6500万年前有一颗巨大的小行星或彗星撞击了地球。[13]当然，有许多古生物学家对这种灾变理论提出了异议。 &nb sp; 然而，不管阿尔瓦雷兹父子的理论是否正确，但有一点是可以肯定的，那就是恐龙的灭绝确实发生在较短的时间内，因此，灾变导致恐龙灭绝的可能性很大。正是由于恐龙等爬行动物的灭绝，才为哺乳动物的发展腾出了空间，积累了能量，并最终导致了哺乳动物的繁荣和人类的出现。 在自然界中，灾变现象比比皆是。在宇宙之初，氢积聚成恒星，恒星坍缩而发生聚变，超新星大爆发；行星上的火山爆发、闪电；原核细胞吞噬细菌、蓝藻等形成共生体……等等都是灾变。正是这些灾变，使组成行星和植物、动物的原子与分子在极短的时间内被加工出来了。宇宙中的一次灾变就是一个进化的台阶。如果没有灾变，氢就不会聚变成重元素，氨基酸就不会合成蛋白质，恐龙就不会灭绝……人类永远也不会创生。 因此，宇宙的进化是渐变和突变共同作用的结果。没有渐变的积累，就不可能发生突变，没有突变的作用，就不会有进化的跃进。渐变中蕴藏着突变，突变中包含着渐变。
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