书城科普读物站在巨人肩上-从亚里士多德谈生物学
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第8章 中世纪前生物学的发展

公元前4世纪末或3世纪初亚历山大学派的希腊医生、解剖学家希罗菲卢斯把人体结构与大型哺乳类结构进行了比较。他认识到脑是神经系统的中枢,智慧的所在,并把神经区分为感觉神经和运动神经,把血管区分为动脉与静脉,认为动脉内是空气中的灵气与血液的混合物,而静脉内只流过血液。

公元前1世纪罗马人的版图不断扩大。由于他们比较重视实用,因此与农、医有关的生物学有一定的发展。生于小亚细亚帕加马、在罗马行医的加伦,在古代生物学中有光辉成就。他把希腊解剖知识和医学知识系统化,并把一些医学学派统一起来,是古代解剖学、医学知识的集大成者。他用实验方法证明流动于动脉内的是血液而不是空气。他的生理学贯穿着“元气”的思想。他同意埃拉西斯特拉塔的血液产生于肝脏的观点,认为血液是由食物的有用部分变成的“乳糜”从肠道经门脉进入肝脏,受元气作用变成暗色静脉血,元气也被改造成自然灵气。血液带着自然元气在静脉内通过涨落分布到全身组织,其中一部分经静脉主干进入内脏的右边。同时一部分血液内的不纯物质通过动脉样静脉运送到肺部蒸发到体外,另一部分通过心脏隔膜上的小孔,进入心脏的左边,静脉血遇到田气管和静脉样动脉带来的元气,两者混和产生颜色鲜艳的动脉血和活力元气。

加伦在从事外科治疗时,虽有机会接触到人体,但由于当时不准解剖人的尸体,他就对猴体做了很完整的解剖研究。著有《解剖纲要》16卷及《人体各部分的功能》等。加伦还做过切断中枢神经的实验,发现切断第1、第2节脊椎骨之间的脊髓,引起动物死亡;切断第3、第4节间的,则动物停止呼吸;切断第6节以下,发生胸腔肌肉麻痹,但并不妨碍膈肌运动,动物仍可继续呼吸。

公元11世纪初,阿拉伯医学家和哲学家伊本·西拿所著的《医典》是古代和穆斯林全部医学知识的汇合,是阿拉伯文化的最高成就之一,它作为欧洲大学医学教科书一直沿用到17世纪。12世纪植物学和动物学开始从医药、兽医方面独立出来。13世纪科学活动的重点移到了欧洲。在1200~1225年间,亚里士多德全集被译成了拉丁文。德国学者大阿尔伯特的动物学、植物学著作虽仍以亚里士多德的学说为基础,但已补充了许多新的观察事实。

随后,意大利成为中世纪最活跃的科学中心。14世纪初,意大利解剖学家蒙迪诺·戴·柳奇亲自解剖尸体,纠正了前人的一些错误,于1316年出版了《解剖学》一书,在阐述人体结构时也记述了器官的功能,使中世纪的解剖生理学达到了高峰。

众所周知,宇宙星体碰撞,使星体必然一而再、再而三地毁灭地表上的一切。由于被蒸发的岩石会使大海沸腾、陆地熔化,这对地表以下数十米深度的生物都是致命的。不过,如果我们继续往下,哪怕是特大的星体碰撞,这样的深度微生物恐怕也能承受。对远古地表的生命造成危害的另一个原因是紫外线辐射。由于没有臭氧层的保护,太阳光的照射对于生命来说无疑是致命的。而且,由于当时火山的喷发远比现在剧烈,火山喷发会产生大量的火山尘。大量的烟雾会引起气候的变化,星体碰撞也会产生气压的变化,这些都是非常剧烈的。可是,一旦到了地表以下,所有的一切都要稳定、平和得多。

除此以外,生活在地表以下还有一个好处,那就是生命所需的原材料随时都可以获取。直到今天,地球的地壳还稳定而持续地散发出氢气、甲烷、硫化氢以及其他还原性气体。这些正是有效合成生物分子所需要的化学物质。不过,如果是在地表以下,尤其是火山口附近,地壳会散发出极为丰富的易挥发性物质,这些物质的组成成分就是还原性化学元素,如黑色铁。同时,地下岩石和火山喷发物里还含有其他的滋养物质,如硫和镁。而且,海底玄武岩多孔,这就形成密密麻麻迷宫般的坑穴,有利于有机物质的聚集,也为催化化学反应提供了广阔的场所。总之,经实验证实,这一切形成了一个能产生极高的生物化学环境。不过,与米勒和尤里传统的实验控制相比,海底地壳因地热作用而产生的有机物质要丰富得多。

跟生命所需的原材料一样,能量也是一个必须考虑的重要因素。经计算,圣路易斯华盛顿大学的埃弗雷特·肖克已经得出深海热液喷出口附近的能量及热熵值。肖克解释说,“地下海水”和热液处于不平衡的状态,于是二者会相互运动、相互混合以趋更为稳定,这一过程会产生巨大的热动力,形成有机化合物。肖克同时发现,当温度在100℃~150℃之间时,这一过程所获得的能量达到最大值,而这一温度范围正是喜超高温生物生存环境的温度范围。

这些有机体不仅能随时获得巨大的化学能和热能,还能通过制造简单的有机化合物攫取能量。而有机化合物释放的能量则可以补偿合成缩氨酸等化学反应中的热动力亏损。人们常说,天下没有免费的午餐,但在热液中生活的微生物不但能吃上免费的午餐,还有人付钱倒贴给它。

尽管这些思想看起来很有说服力,但是,要证明生命开始于灼热的地表深处,其中最有说服力的证据并非来自化学,而是来自基因学。因为,现存有机体的基因可以说明其过去。因此,我们要弄清宇宙先祖的性质,必须仔细研究分子生物学。重建生命的树形图,决定不同微生物的演变历程。通过这种研究,我们可以推断,哪种类型的有机体演变时间最少,从而决定哪种生物最像史前最早的生命形式。研究结果证明,最早的生命形式极可能就是太古代生物。据推测,太古代生物构成了生命三大领域的其中之一。在很久以前,大约在38亿年前,它便从细菌和真核细胞等其他领域分离了出来。但是,太古代生物与大多数细菌和真核细胞极不相同,后者经历了巨大的基因变异,而前者的演变历程却非常缓慢。

在已知的众多太古代生物类属中,有些生物的基因演变是最缓慢的。这些基因演变极其缓慢的生物包括高温网菌和原生喜温菌。基因演变中产生返祖现象的生物,正是那些杂乱地生活在灼热的海底火山口以及地表以下温度极高的岩石中的有机体。我们可以从基因图中清楚地看到,与宇宙最古老的有机体最为相似的是地下深处的喜温生物。

也许,这并不让人感到意外。在漫长的地质时代里,地球的表面经历了巨大的变化,而地表以下所发生的变化则微乎其微。现在很多地方的地貌,如海底沉积岩以及海底喷发热液的火山口,与数十亿年前的状况相比,几乎没有什么变化。

如果生命的确是从灼热的地表深处产生的,那么它们完全可以继续在这些地方生存,直到今天。由于生存环境相对稳定,所以我们可以认为,与古老的祖先相比,这些生活在灼热的地表以下的生物几乎没有什么么差别。

在那灾变频繁的时代,为了能在这灼热而危险的星球生存立足,远古的生物可谓煞费苦心、殚精竭虑。它们生活在地下、海底,聚集在不断喷发热液的火山口附近,生活在这灼热的水域之中,这些微生物很可能就是远古生物的残留。

当微生物学家最初发现超级喜温菌属的时候,他们一致认为,这些菌属属于变异菌属。最初,它们生活在一些温度较高的特别小环境里,后来经过演变,它们逐渐适应了这种独特的环境,成为今天这种奇特的有机体。可是到了今天,有关证据却得出了与此相反的结论:微生物最初都是超级喜温菌属,可是到了后来,部分菌属逐渐演变,适应了低温的生存环境。现在地表以下还有一些地带,其生存环境与亘古时代极为相似。人们可以发现,那儿的生物仍然以40亿年前原始的方式生存繁殖。地下的生命从一开始便快乐地生活着。生命,是从深深的地下升起的。

生命源于灼热的地下,这一理论最先是由马里兰大学的杰克·科利斯在1981年提出来的成果,后来,托米·戈尔德写了一篇具有理论开拓性的文章,发表于1992年,题目是《灼热的地下生态圈》,使这一理论得以推广。我们可以看出,太古代生物中喜超高温生物的数量很多,而进化程度更高、构造更复杂的真核细胞生物中喜超高温生物的数量则相对较少。从细菌类生物来看,细菌类生物中喜超高温生物较少,喜低温生物较多,而更多的则是喜中温生物。从总体上看,各种生物的数量分布表明,真核细胞生物中最主要的是喜低温生物,只有一小部分后来适应了高温的环境,变成了喜高温生物。但太古代生物和细菌菌属则相反,它们一开始就喜欢高温,只是少部分后来经过演变,逐渐喜欢低温的生存环境了。

从太古代生物的基因构造来看,种种情形表明,太古代生物就是生活在灼热的地下的古生物的残留。如真果是这样,这些生物就可以给我们提供一幅图画,了解远古时代生命的情形,以及当时地球的具体模样。或许,我们不妨反过来说:如果太古代微生物的生活方式与我们对远古的知识相吻合,这无疑可以证明。这些有机体就是微型的时空舱,可以帮助我们回到遥远的远古……