第四节 宇宙、太阳系、地球与生命的起源

宇宙的起源、太阳系的起源、地球的起源及生命的起源，是现代自然科学所研究的几个基本问题。对于这些问题，我们的圣哲和先知虽然很早就开始探索，但至今人们仍在不停地追索其奥秘。

一 宇宙的起源与演化

（一）宇宙概况

我们所居住的星球叫地球，是太阳系的一颗普通行星。太阳系的中心天体是太阳，一个半径约70万公里，表面温度达6000开尔文的气体球，其核心温度高达1500万开尔文，进行着氢聚变为氦的核反应，同时放发出大量的光和热。太阳系有八大行星，依次为水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星。在火星和木星之间运行着几十万颗小行星。太阳系中质量较小的天体还有彗星和流星。

银河系是由群星和弥漫物质集成的一个庞大天体系统，夜晚晴空中可以看到它像一条横亘天际的光带。银河系的发光部分直径约7万光年，最大厚度约1万光年，像一个中央突起、四周扁平的旋转铁饼，又像一面透镜。太阳是银河系中的一颗普通恒星，处在距轴约3/5的地方，太阳系以250公里/秒的速度绕轴旋转，2.5亿年转一周。银河系中大约有2000亿颗恒星，因此银河系是一个恒星系统。恒星之间相距很远，离太阳最近的比邻星也有4.3光年远，为太阳直径的3000万倍。除恒星外，银河系中还有不少由气体和尘埃组成的团块，称为星云。有的星云含有大量分子，称为分子云，常常是形成恒星的场所。银河系之外还有数以10亿计的庞大天体系统，与银河系属同一结构层次，统称星系。人类肉眼可见的最远天体——仙女座星系就是其中之一，它距银河系225万光年，是与银河系大小相当的星系中距银河系最近的一个。星系在宇宙中的分布是不均匀的，有的成双，有的成群，大的星系团甚至包含有千百个星系。

（二）宇宙的起源

宇宙有没有起源和终结，它是永恒的还是演化的？这是除宇宙的结构以外一切宇宙理论所要回答的一个根本问题。各种文明都有自己关于宇宙起源的看法。中国有盘古开天地的传说，西方有上帝创造世界的神话。至于创世以后的情形，虽然在中国古代文献中有共工努触不周之山，撞断天柱的传说，后来又有女娲补天的故事，但在很长一个历史时期中，“天不变、道亦不变”的宇宙观由于符合封建统治者的利益而得到广泛传播，成为社会上占统治地位的思想。一些闪耀着智慧火花的看法虽曾相当接近真理，但由于观测水平所限，未能发展成科学的理论。直到17世纪以后，各门自然科学的飞速发展，特别是康德太阳系起源学说、达尔文物种起源学说等的提出，不断冲击这一僵化的自然观的地位。直到20世纪，以众多观测事实为依据的科学的宇宙起源和演化理论才正式宣告诞生。

1924年，弗里德曼在广义相对论的框架下，从理论上论证了宇宙要么膨胀，要么收缩，绝不会保持静止状态。1929年美国天文学家哈勃，发现了星系的谱线红移和星系离开我们的速度成正比，这正好是宇宙膨胀的图像，它所反映的是整个宇宙的运动，打破过去人们认为宇宙是静止不动的观点，为宇宙膨胀的理论研究和实践观奠定了基础。1948年美国天文学家伽莫夫等人把宇宙的起源和化学元素的起源问题结合起来进行研究。他认为：宇宙大约在100多亿年以前是一个高温高密状态的“原始火球”。在“原始火球”里物质是以基本粒子形态出现，在基本粒子相互作用下，“原始火球”发生了大爆炸，向四面八方均匀地膨胀着，物质密度从密到稀，温度从高到低，直到今天的状态。此理论与现今的观测事实相符合。

（三）宇宙的演化

关于宇宙的演化问题，大爆炸宇宙论认为，随着宇宙的不断膨胀，辐射温度从高到低，物质密度从密到稀地演化着，物质成分也随着发生变化。在探索过程中有一个思想是把化学元素的形成演化联系起来，把宇宙的各种物质形态的形成和发展统一在宇宙膨胀这个前提条件下。为此，可把宇宙的演化过程分为四个阶段。

1．基本粒子形成阶段

这个阶段是在大爆炸后第1秒钟内，宇宙便进入基本粒子阶段，主要是强子和轻子的形成和湮没。在这个阶段中，又可分为几个小阶段：（1）从演化时间的零秒到10 -36秒的阶段，这时宇宙的温度很高，物质密度也很高。物质存在形式不明。有人认为轻子、夸克（层子）和质子是这个阶段产生的。（2）强子生成阶段。随着宇宙膨胀，温度继续下降，在宇宙演化时间为10 -8秒时，这时进行强相互作用的基本粒子是强子，也包括介子和重子。（3）轻子起主导作用的阶段。当大爆炸发生后10 -2秒，宇宙的温度下降到开氏1000亿度，物质密度下降到1011克/厘米3时，宇宙物质成分主要以电子、中微子等轻子为主，因而起主导作用的是轻子。由于这个阶段不断进行理化反应，因而产生大量光子和中微子，当温度降到开氏10亿度时，辐射（光子）占优势，宇宙演化进入第二阶段。

2．元素起源阶段

当大爆炸发生后1秒钟时，宇宙中物质的密度降到107克/厘米3，宇宙处于辐射为主的阶段。在辐射的后期，实物也发生很大的变化，当温度下降到109开尔文时，中子开始与质子合成重氢（氘）、氦等核素，于是形成几种化学元素，由于原子核是核子合成的，因此，这个阶段又称核合成阶段。

在这个辐射阶段中，随着空间的不断膨胀，实物密度下降比辐射密度下降慢，到了一定时候，实物密度占优势时，宇宙便从辐射阶段转入实物阶段。

3．实物阶段

大爆炸后约1万年，温度约为开氏几千度到1万度时，实物密度大于辐射密度，宇宙进入了以实物为主的阶段。这个阶段的时间最长，大约经历200亿年，至今我们生活在这个阶段里。由于辐射减退后，宇宙中主要是气状物质，实物不再受辐射的影响，在引力作用下，有些气体逐渐凝聚成气云，形成原始星云，进一步演化为原星系，最后收缩并产生了各种各样的星体和星系，成为我们今天所观测到的宇宙。

4．未来阶段

宇宙未来的演化趋势与宇宙模型有关。国内外有些学者根据爱因斯坦广义相对论的观点，提出了宇宙未来发展趋势的各种模式及其各个解。现在我们主要介绍三种模型，即开模型、平模型与闭模型，每一种模型都表示宇宙未来演化的趋势，这三种模型都认为现在的宇宙是膨胀的宇宙，但对膨胀的结果（或去向）有不同看法（解）。开模型和平模型认为宇宙将一直膨胀下去，随着恒星和星系内部核燃料的耗尽而走向灭亡，宇宙将变成一个黑暗的世界；闭模型认为宇宙膨胀到体积最大后，开始收缩，温度随之回升到越来越高，终于又恢复到原来的“原始火球”状态。如此循环往复，无穷继续下去。有人称它为有生有灭、再生再灭的振荡式宇宙。

关于宇宙未来的演化，究竟是属于哪种模型，迄今仍在研究和探索之中。

（四）星系的演化

星系是包含千亿颗恒星的天体系统。一般认为，星系是由原星系演化而来，但原星系是怎样产生的呢？有两种不同观点，有人认为是从弥漫物质中产生的，称为弥漫说。另有人主张是从超密物质中产生的，称为超密说。当前，以弥漫说较为盛行。其大意是，约在100亿年前，当宇宙温度降低到几千度时，电子和离子复合成气态物质；当发生某种非均匀扰动时，有些气体凝聚成气云，形成原星系，进而收缩演化成星系。研究星系演化的基本线索就是从形态和结构出发，对星系演化进程加以分析。这个问题，目前虽已提出多种假说，但和星系的起源一样，还没有得到很好的解决，仍在进一步探索中。

二 太阳系的起源与演化

（一）太阳系的起源

对于太阳系的起源，科学家们提出以下一些假说。

1．旋涡说

法国自然科学和哲学家笛卡尔，于1644年提出了一个太阳系起源的旋涡说。他认为在太初混沌里，由于微粒物质逐步获得了涡流式的运动，各种大小涡流以及它们之间的相互摩擦，逐渐产生了太阳、行星、卫星等各种天体。

2．灾变说

法国生物学家步丰，于1745年第一个提出了行星形成的“灾变说”。他认为当太阳比行星先形成以后，曾经有一颗彗星“掠碰”了太阳，被碰撞的太阳一方面产生了自转，同时被碰的物质分别形成了行星和卫星。

3．星云说

德国哲学家康德，于1755年第一个提出太阳起源于星云的假说。他认为太阳系是由同一个星云物质在万有引力与斥力的作用下凝聚而成的。他的基本观点，被现代星云假说继承和发展。

4．星云假说

法国数学家和物理学家拉普拉斯，于1796年独立地提出了一个太阳系起源于星云的假说。他认为整个太阳系，是由一个气体星云凝聚而成的。这个学说强调了万有引力和角动量守恒定理在行星形成中的作用。他的假说发表后，轰动了科学界，与40多年前康德的星云假说联系起来，后来人们把他们的假说统称为康德—拉普拉斯星云说。

5．现代星云说

20世纪40年代以来，随着大量观测资料的发现，以及恒星理论的建立，有力地支持了太阳系起源的星云假说，世界各国天文学家先后提出了现代星云说20多个。1972年在法国举行国际太阳系研讨会，共选出五个有代表性的星云说，基本上肯定了星云说。

（二）太阳系的演化

太阳是宇宙空间千万亿个恒星中的一个。太阳系的演化，自然是恒星类天体所具有的演化过程。按星云说的观点，这个过程大致经历以下几个阶段。

1．引力收缩阶段（幼年期）

这个阶段的初期是快速收缩阶段，星云的密度较小。温度低的星云需要几万年甚至几百万年时间，收缩成一种似云非云、似星非星、没有发光的原恒星。原恒星经过一段时间，便进入慢收缩阶段，在慢收缩阶段，吸收仍占优势，这个阶段的主要能源仍是收缩时的引力势能。当排斥增强到能跟吸引接近平衡时，原恒星就变为能够发光的恒星。

2．主序星阶段（壮年期）

恒星完成了引力收缩阶段后，内部开始热核反应，释放大量能量，这时排斥与吸引势均力敌，恒星既不收缩也不膨胀，这是恒星一生最稳定、最旺盛的时期，其表面的温度和光度长期保持不变，恒星在这个阶段停留时间最长。现在的太阳正处在主序星阶段，它已在此阶段运行了46亿年，还要经历50亿年才进入下一个演化阶段。

3．红巨星阶段（中年期）

在主序星内部，中心是温度很高的氦核，氢核聚变为氦核的核反应最猛烈，当氢燃烧完后，中心剩下氦核。在氦核的外部是氢燃烧壳层，随着氢燃烧的范围不断增加，氦核也会不断增多，当它的质量为恒星的10% ～15%时，恒星开始收缩，一部分使内部温度升高，另一部分冲出外壳，此阶段氢聚变所释放的能量是红巨星的主要能源。由于核反应所需时间较短，所以恒星在此阶段运行的时间也短，像太阳这样的恒星在这个阶段只能运行几亿年。

4．高密星阶段（老年期）

这是恒星的衰亡期。恒星在新的条件下从原来排斥占绝对优势转化为吸引与排斥处于势均力敌的局面。由于恒星质量大小不同，分别形成白矮星、中子星和黑洞。这些天体虽然都是恒星演化的残体，但它们仍在演化，最后都变成弥漫物质，重新参加到新的宇宙循环中去。

三 地球的起源与演化

地球是太阳系中的一颗非常特殊的行星。由于它是人类生息繁衍的唯一场所，所以从科学探索的开始，这个特殊的天体及其周围的空间，就成为人们苦苦求索的重要对象。对地球及其起源、演化的认识至今仍在不断地发展之中。

（一）地球的起源

康德和拉普拉斯分别于1755年及1796年提出的星云假说，认为太阳系是由同一种星云物质在引力与斥力的作用下凝聚而成的，同时也说明了地球的起源，因为地球是太阳系的一个成员。但是，该假说还未能解决太阳系的结构和演化等问题。20世纪以来，国内外许多天文学家先后又提出了许多新星云说。大爆炸宇宙论认为，由“原始火球”在爆炸、辐射、膨胀过程中凝聚成的星云，经演化形成现在的各种天体。许多新学说和观测资料表明，地球起源是太阳起源过程中的一部分；地球所在的太阳系，是由宇宙大爆炸产生的残骸物组成的原始星云物质形成的，先由内圈后到外圈依次形成各类行星，形成的机制主要是星云旋转、引力作用和收缩凝聚作用。

由于温度对地球起源有直接影响，因此，需要从温度的角度对地球的起源作进一步说明。从温度来说，地球起源假说，又可分为“热”起源说、“冷”起源说两类。在“热”起源说中，有人认为，先形成的太阳由于某种原因将高温热气物质分逸出来，后来逐步降温积集形成地球和其他行星，也有人认为地球是一个从太阳中分离出来的“火球”，早期的地球是炽热的、处于熔融状态，后来经过冷却、降温才逐渐成为今天的地球。

“冷”起源说认为，地球是由冷的尘埃和星云聚集而成的，原始地球很冷，它的内部物质分化运动，是由于热量的不断积聚而开始的。这些热能来源于放射性元素的蜕变，原始地球重力势能的转变，陨石的冲击及潮汐摩擦等原因产生的，其中放射性元素所产生的热能是最主要的。随着热能的不断积聚，原始地球的温度逐渐升高，当升到一定的温度时，原来混杂在一起的各种化学元素发生分化，形成地球的不同圈层，从此地球开始演化。

（二）地球的演化

地球的历史迄今已有46亿年，它经历了两个显著的演化阶段。即地球演化的“天文时代”和“地质时代”。

1．地球演化的“天文时代”

所谓地球演化的“天文时代”，是指地球从诞生到原始圈层形成、发展、变化这一时期，其时间约持续10多亿年，它的主要特点是地球内部物质分异和圈层结构的形成。

根据“冷”起源说，原始地球是很冷的，后来由于放射性元素的蜕变，原始地球的重力收缩，以及地球快速旋转而引起的摩擦，加速了地球内部物质形态的转化和理化过程的进行。使原先混杂在一起的各种化学元素产生爆融分异，逐渐形成不同的圈层。在引力和热力（斥力）的作用下，地球内部比重大的铁元素向地心下沉，形成地核；比重较小的石元素上浮，形成地幔；较轻的元素从地幔分化出来，浮在地球表面，形成原始地壳。

在原始地球内圈层形成的过程中，原始地球外圈层也逐渐形成。

（1）原始大气圈的形成。原始大气圈几乎是同原始地壳在同一过程中形成的。在原始地球内部的物质分异和圈层形成过程中，一部分物质由于高温的作用，而产生一些挥发性气体喷出地面，便形成原始的大气圈，如二氧化碳、一氧化碳、甲烷及氨等。

（2）原始水圈的形成。原始水圈是由原始大气圈的水蒸气逐渐冷却凝成水滴降到地面，这就是雨水，雨水在地面流聚，汇成江河、湖泊、沼泽、冰川和海洋；雨水渗入地下，便形成地下河。水圈是地球表层的水体，由陆地水和海洋水两大部分组成，这些水包围着固体地球，形成连续的水圈。

（3）原始生物圈的形成。生物圈是地球表层生物生存和活动的圈层。地球的大气圈、水圈和地表上层，经过亿万年的演化，终于产生了生命，大量的生物集中在地表和水圈上层，在大气圈10公里高空、地壳3公里深处和深海也有生物存在，形成包围地球的生物圈，当地球生物圈形成后，地球就变成有高等生物活动的场所。

从原始地球的诞生，到它内部和外部圈层的形成，大约经过10多亿年。从此以后，地球便进入“地质时代”。

2．地球演化的“地质时代”

所谓地球演化的“地质时代”是指从地球圈层和最古老岩石的形成，到现在的地壳运动和发展变化过程，其持续时间约30多亿年。

地球演化“地质时代”的主要特点是：地壳运动和海陆变迁促使地壳面貌发生变化之主要原因，是地壳的垂直运动和水平运动。

（1）地壳垂直运动。地壳垂直运动，是指地壳的某些部分垂直升降的运动。产生这种运动的原因，主要是地幔表层冷却形成地壳的过程中，因内软外硬及厚薄不一，在地幔的岩浆物质向地壳的冲压力和地壳物质的重压力的作用下，地壳处于不平衡状态，引起地壳垂直运动，使地壳产生褶皱、断裂、上升或下降，形成山脉和洼地等。

（2）地壳水平运动。关于地壳水平运动和海陆变迁的科学假说中，最著名的是“板块构造说”，它是在“大陆漂移说”、“地幔对流说”和“海底扩张说”的基础上，逐渐形成和发展起来的。地壳水平运动的创始人是魏格纳，其代表作是“大陆漂移说”。他认为，在地质历史上的古生代，全球只有一块巨大的陆地——联合古陆（也称泛大陆），周围是一片大洋；中生代以来，联合古陆开始分裂、漂移，逐渐形成现在的几个大陆和一些海屿，原始大洋则被隔开形成几个大洋和若干个小海。

（3）海底扩张说。这个学说是美国科学家赫斯于1961年提出的，该学说认为，海底的地壳是由海岭（即海底山脉）产生的，海岭是地幔物质的对流出口，地幔的物质不断地从这个出口溢出，遇冷凝固，新的海底就此产生。当海底地壳产生后，又逐渐向海岭两侧扩张，当这些不断扩张的海底地壳达到海沟时，就会重新被地幔所吸收。所以，海底扩张的过程，就是海洋地壳不断产生、转移、消失的过程。

（4）板块构造说。这个理论认为，地球的岩石不是一块整体，它的基本构造单元是板块，板块是由于深断裂的切割而形成的若干块体，板块的边界是转换断层、俯冲带和地缝合线等，火山、地震通常集中在板块的边界上。全球共划分为六大板块：欧亚板块、太平洋板块、美洲板块、非洲板块、印澳板块、南极板块等。

在上述板块构造说形成、发展的同时，我国地质学家李四光创立了地质力学理论。

四 生命的起源

20世纪自然科学发展史上的一项重大突破是科学家们发现了生命的奥秘，即揭示了生物遗传物质是核酸（基因），它负责生物的传种接代。接着，在20世纪50年代，美国生物学家詹姆斯·沃森和英国物理学家费郎西斯·克里克提出了DNA（脱氧核糖核酸）的双螺旋模型，在更深层次上揭开了生命之谜，并宣告了富有生命力的新学科——分子生物学的诞生，使人们对生命的起源与进化有了新的更高水平的认识。

（一）生命的本质

我们生活的地球是一个绚丽多彩的生命世界，地球上有100多万种生物，30多万种植物和10多万种微生物。尽管它们的大小不一，形态各异，千姿万态，各不相同，但它们有一个共同特点，即有生命，它们都有生长、发育、衰老、死亡的过程，也就是常说的“新陈代谢”过程。

生命的本质是什么呢？这是自然科学家和哲学家长期探讨的大问题。恩格斯在《反杜林论》中指出：“生命是蛋白体的存在方式。这种存在方式本质上就在于这些蛋白体的化学组成部分的不断自我更新。”著名的物理学家薛定谔曾经写了《生命是什么》一书，他是从物质的有序化角度阐述了生命的本质。

生命的特征就是活动，生命现象最本质的内容就是自复制（可以自我繁殖）和自组织。决定生物的生命蓝图就存在于染色体DNA中。DNA携带着决定蛋白结构的遗传信息（我们可以把这种遗传信息看做生命发育过程中的指令或命令），因此，它是最重要的生物大分子。

分子生物学的产生和发展，丰富和发展了恩格斯的科学预见。研究表明，生命的各种运动形式，主要表现为蛋白质和核酸的运动。分子生命学通过对生物体的蛋白质和核酸等生物大分子结构和运动规律的研究，来揭示生命的本质。

（二）生命的起源

恩格斯在《反杜林论》中指出：“关于生命的起源，自然科学到目前为止所肯定的只是：生命的起源必然是通过化学的途径实现的。”这里的“化学途径”是指化学进化。对于生命起源的化学进化过程，人们经过研究，一般认为主要分为以下四个阶段。

1．从无机小分子物质生成有机小分子物质

20世纪20年代，俄国生物化学家奥巴林和英国生物学家哈尔达内提出了在原始地球的海洋中存在有机分子“原始汤”的观点。人们想象原始汤是通过一些地球化学过程和各种能源对一种大气层的作用而形成的，这种大气层和木星大气层有些相似，主要是一些未氧化的气体甲烷、氨和氢。米勒在20世纪50年代初导演了一幕生命起源的“历史剧”，他让电火花（闪电）穿过一种被认为是存在于原始大气中的各种气体混合物，结果产生了水溶性有机分子。反应物甲烷中的碳，有不少于15%转移到相当有限的一组小分子中，这些小分子中就有组成蛋白质的20种氨基酸中的4种。必须承认，实验是令人难忘的。同样令人难忘的是20世纪60年代初奥罗所进行的实验，该实验表明氰化氢（HCN）分子能够进一步结合成腺嘌呤。米勒已表明在他的放电实验中产生了一种氰化氢，还产生了另外一种小分子——甲醛（CH2O）。早在100多年前，人们就知道甲醛分子能够结合并生成包括核糖（组成RNA的一种成分）在内的糖类。这些实验似乎提供了令人振奋的证据：生命可以在原始汤中通过简单的化学反应产生。以后的数十年间，类似于米勒的一些实验均证实了核酸的组分（核苷酸）和蛋白质的组分（氨基酸）在生命出现前的条件下可以合成。

2．从有机小分子物质形成有机高分子物质

有些学者认为，在原始海洋中，氨基酸、核苷酸等有机小分子物质，经过长期积累，相互作用，在适当条件下（如吸附在黏土上），通过缩合作用或聚合作用，就形成了原始蛋白质分子和核酸分子。现在，已经有人模拟原始地球的条件，制造出了类似蛋白质和核酸的物质。虽然这些物质和现代蛋白质与核酸相比，还有一定差别，并且原始地球上的蛋白质和核酸的形成过程是否如此，还不能肯定，但是，这已经为人们研究生命的起源提供了一些线索，在原始地球条件下，产生这些有机高分子物质是可能的。

3．从有机高分子物质组成多分子体系

根据推测，蛋白质和核酸等有机高分子物质，在海洋里越积越多，浓度不断增加，由于种种原因（如水的蒸发、黏土的吸附作用），这些有机高分子物质经过浓缩而分离出来，它们相互作用，凝聚成小滴。这些小滴漂浮在原始海洋中，外面包有最原始的界膜，与周围的原始海洋环境分隔开，从而构成一个独立的体系，即多分子体系。这种多分子体系已经能够与外界环境进行原始的物质交换活动了。

4．从多分子体系演变为原始生命

从多分子体系演变为原始生命，这是生命起源过程中最复杂和最有决定性意义的阶段，它直接涉及原始生命的发生。目前，人们还不能在实验室里验证这一过程，不过，我们可以推测，有些多分子体系经过长期不断的演变，特别是由于蛋白质和核酸这两大部分主要成分的相互作用，终于形成具有原始新陈代谢作用和能够进行繁殖的原始生命。以后，就由生命起源的化学进化阶段进入了生命出现以后的生物进化阶段。