地球上的生命是如何起源的？生命是从水中进化而来的吗？

靠前章　地球之水

宇宙中的水

没有什么比水更能全面地描述人类与物质世界的相互作用。水以其独有的特质，成为所有生物有机体在时光变迁中不断进化的核心要素。与此同时，它也深刻地影响着人类社会对水的感受，影响着人们如何看待水，如何理解水所承载的含义。在察觉到水对生命创造过程所起的推动作用后，很多社会团体得出了“地球上所有的生命形式都源于水”的结论。随着时间的推移，这一解释成为了众多“生命起源之谜”的谜底。可是，水和生命，最初是如何出现在地球上的呢？

水以多种形态（组成成分）存在于宇宙之中。人们认为太阳系源于45亿年前一团以氢为主要成分的气旋。近来，在一个距我们100亿光年之外的黑洞附近，天文学家发现大量飘浮的水蒸气云团，经过估算，其所容纳的水量是地球上海洋的140万亿倍。有些天体上似乎存在某种形式的“水圈”，人们认为木卫三“盖尼米德”和木卫二“欧罗巴”厚厚的冰层之下藏着深不可测的海洋。

1876年，意大利牧师彼得罗·塞奇发现火星上存在一些运河（意大利语canali）。天文学家乔凡尼·夏帕雷利于1877年绘制出了这些运河的地图，并将意大利语“canali”翻译成英语的“canal（运河）”。受此影响，一些天文学家，如美国天文学家帕西瓦尔·洛厄尔，坚信这些运河是由某种智慧文明所创造。

直到20世纪六七十年代，太空探索中拍摄出更加清晰的照片之后，这个诱人的想法才失去拥趸。现如今，人们认为，这颗红色星球上大部分的水都被封印在冰冻层和永久冻土层之下。

那么，地球何以成为这样一颗蔚蓝星球，分布着浩瀚无际的海洋，点缀着密密麻麻的水系？地球又何以拥有孕育出灿烂多姿的生命形式的“水圈”？就在天文学家们为“开凿运河的火星人”兴奋不已之时，瑞典科学家斯凡特·阿伦尼乌斯提出：生命的种子要么以“辐射胚种”为载体，随光束从宇宙到达地球，要么就是附着在陨石上被带到地球的微生物或孢子。直到最近，人们仍相信，水是随着频繁的陨石雨而降临到正处于成型阶段的地球上的。但是，根据英国天体物理学家马丁·沃德的观点：

《地球》，露丝·巴拉巴什作品，2002年，纸上水彩

近期研究结果表明，在彗星与地球上，水的同位素比即水与重水（氘是氢的同位素）的比值是不同的。现在人们认为，小行星上可能存在大量的水，对大约40亿年前的所谓的“晚期重轰炸”产生了影响，或许这就是地球上多数水的由来。

即使到了今天，关于地球之水的起源，科学界仍未达成共识。不过，查尔斯·达尔文和路易斯·巴斯德提出的观点，倒是为化学进化提供了引人注目的愿景：阳光和放射能提供了充足的热量和能量，创造出了水。而氨基酸、一氧化碳、二氧化碳、氮和其他有机物经过活跃的相互作用，又形成了具有新陈代谢和繁殖功能的细胞。

乔凡尼·夏帕雷利于1888年绘制的火星“运河”地图

水的属性

大约20亿年前，光合作用创造出含有氧的大气环境，多细胞生物从此得以生长进化，地球上的生物群（动植物）一次次迸发：从寒武纪海洋化石中的花体贝壳，到漂亮的侏罗纪猛兽，一直到能够想象出火星运河的两足裸猿。但这颗蔚蓝星球上发现的最古老的细胞源于海洋深处。

在绝大部分历史时期，地球上的生命都栖息在水中。它们在深邃的海洋中酝酿了近40亿年，4.5亿年前才终于上岸。如此看来，关于文化与历史的多重解释印证了“水就是生命”以及“所有生命都源于水”的观点是正确的。尽管关于其他星球的研究对此类观点提出质疑，如英国科普作家菲利普·波尔写道：

近来得到确认，至少还有一个星球上存在丰富的有机分子。这些星球上的河流或者海洋中充满着非水液体，比如土卫六上的液态烃。这使得人们开始关注甚至迫切地思索：水，究竟是不是构成生命的唯一且通用的基质；或者，水是否只存在于我们的星球之上。

不过，至少在地球上，多细胞生物确实依赖于水的独特属性。那么水究竟有哪些属性呢？首先，水具有结合性：水分子一端带有负电荷，另一端则带有正电荷。这使得水分子不仅能够互相吸引，也能广泛地与其他多种物质结合形成复杂分子。但是，与水的全部物质属性一样，这个过程是可逆的：水也可以解离，释放出其所结合的各种物质。水的这种分离与重组的特性，使其成为“万用溶剂”，能够携带其他化学物质，诸如氧和营养元素。这些化学物质随之进入生物体内，比如人类自己的体内，并被留在那儿。

一颗即将撞击地球的小行星

当然水的这一特性也意味着，它很容易受到污染，会将有害物质而非有益物质带入体内。好在这种结合能力还有一大优势，就是水可以辨别废物与毒素，并将它们排出体外，使它们离开生物体内部的“水文”系统。

含有氧化铁矿物的水体，位于西班牙韦尔瓦省的里奥廷托（红河）

水作为溶剂的特性对进化过程至关重要。它溶解了很多地球早期大气中的简单有机化合物，助其形成更加复杂的化合物。靠前个有生命的细胞即能够自我复制的细胞，形成了显微镜下可见的水生植物（浮游生物）。这些水生植物漂浮在洋面上，依靠阳光获取生存的能量。而当多细胞生物进化后，它们的生存则仰赖于体液系统，身体内部的水使得营养物质的吸收和废物的排出成为了可能。血液中含有的可溶解的液体多于其他物质，因此歌德（1749—1832年）将血液描述为地球上最复杂的混合液体。水的“结合”能力还使得电化学传输成为了可能。水把血液和其他重要的化学物质运输到大脑，为大脑神经元提供了电势，因此，水确实可以称得上是“意识流”。

19世纪的罗纳冰川

水的分子结构也造就了其最具辨识度的物质特性之一：物理形态的转变，从固态（冰）转变为液态，再从液态转变为气态。这些转变体现在宏观和微观的各个层面上：在居家环境中，体现在水壶、冰箱和冰柜之间，将这种转变投射到地球上，对应着冰川融水，或流经大地，或蒸发为云。水的形状变化具有可逆性，水的运动也具有永恒性：水在流动，顺着斜坡蜿蜒而下（同样归因于其分子结构），在溪流中打起漩涡。它逐风起波澜，随风泛涟漪。它不知不觉地蒸发到稀薄的空气中。水的身体介于透明和不透明之间，随着光线而闪烁。因此，水以运动和变化为特征。

版画《埃及生育之神》，英国艺术大师威廉·布莱克在瑞士画家亨利·弗赛利之后印制，灵感来源于伊拉斯谟·达尔文写于1791年的诗作《植物园》，画面展示了古埃及神祇阿努比斯向天狼星求雨的场景

水还具有更加微妙、缓慢且细微的运动形式：其分子结构能够产生毛细作用，因此水可以浸透、渗透并穿透其他物体。地下水上升使地球土壤保持湿润和肥沃，使植物能够将养分吸收到其内部的液体输送系统中。此处存在水对维持生命做出的另一重大贡献：在蒸发和蒸腾作用下，水通过其保持湿润的能力，能够维持所有生命的体液平衡。从更高的层面来看，水的比热与汹涌的洋流一齐使海洋温度保持稳定，否则海洋的温度将发生剧烈变化，对无数依赖海洋生存的物种也不再仁慈。

《海马齿苋与负子蟾》，昆虫学家玛丽亚·西比拉·梅里安绘制，创作于约1701至1705年间

望格雷瀑布，新西兰一座26.3米高的瀑布

水平衡对地球大气至关重要，对湿度、降水等自然现象的形成亦然。正如英国作家迈克尔·阿拉贝所说，“天气主要由一种或多种形式的水构成”。大体来看，水在温度和压力的作用下，在地球上不断改变形态，变换行踪，在这儿以雪的姿态出现，在那儿又化身为倾盆大雨。一年中，至少有一段时间，不会出现在赤道低纬度地区。除了温度以外，雨水是否会降落以及其降落的速度，对所有有机物来说至关重要。

因此，长期以来人类一直发挥想象力，思考关于水从何处来的问题。古代社会认为，仁慈的神灵会在人们做好事的时候降雨以示嘉奖，会在人们行为不当时收回雨水（或降下惩罚性的雨量）。许多人认识到太阳与水之间存在着某种关联，常常将它们视为相互配合的神灵。

《四大元素：水》，阿德里安·科拉特，创作于约1580年

早期就有人运用唯物主义的力量从物质角度出发分析世界。中国人提出了五行学说：金、木、水、火、土；希腊人则有四元素说：土、气、水、火。希腊人同样对靠前实体的概念“Arche（本原）”产生了兴趣。古希腊哲学家赫拉克利特曾有句名言，用于形容时间的无情，即“人不能两次踏入同一条河流”。他认为火是万物的本原，是靠前实体。也有人认为靠前实体“Arche”由水和火共同构成。“科学之父”、米利都学派创始人泰勒斯提出了宇宙哲学理论（后来被亚里士多德采用），认为世界是从水里诞生的。

在思考水来自何处时，泉水似乎提供了有用的线索。早期学者受此启发，提出了水是从一个巨大的地下水库中涌出的，亚里士多德称之为塔耳塔洛斯，即地狱。柏拉图也认同这一观点，还曾设想过地下会有巨大的洞穴。这个关于江河和溪流来自地球深处的观念，一直持续到18世纪。

插图《沉默的世界》，阿塔纳斯·珂雪绘制于大约1664年

但也有确凿的证据表明，水是从天上来的。当时还没有大气层或水圈的概念，许多社会都有着关于天上与地下河流的丰富想象。古希腊人想象地球被旋转的水流包围，他们称其为“俄刻阿诺斯”，这一命名法则暗示人们，天上的世界与下面的大地及水景遥相呼应。在一系列关于宇宙学说的解释中，银河都被看作是一条河：古埃及人认为，有两条尼罗河，一条在地上，“另一条在天上，流过天堂，波光粼粼”。中国古代称之为“天河”或“银河”。阿卡德人称它为“深渊之河”，印度人则称它为“恒河河床”。中石器时代波罗的海地区的狩猎者认为世界有三层——天空、中部（地面）和地下世界，三者通过一条宇宙“河流”相互连通。而在澳大利亚的土著文化中，银河系闪烁的星辰被视为一道蜿蜒的“天河”，与星座交织在一起，勾勒出它们图腾般的轮廓。

透过各种文化视角，人们还发现了天体对水的影响。许多宗教认为水与日月神明有关。而关于水究竟是怎样来到地球的，则众说纷纭。例如，古玛雅人认为水和肥力有关，与这一想法类似，古希腊斯多葛学派在星辰理论中提出，露水具有魔力，随着月亮的光线来到地球。在这种信念的引导下，欧洲人收集露水，并用于早期的炼金术中，这种做法在欧洲农村一直延续到20世纪。古希腊医生希波克拉底甚至推测水和太阳之间存在物质上的联系，他认为水可以分为光明和黑暗，前者被太阳吸引并被太阳的能量抬升。他的蒸发作用实验奠定了可以通过实验揭示物质世界属性的理念。

这些早期的尝试，点燃了科学思维的星火。好奇心使然，人们对元素及其物质组成始终充满疑问。瑞士科学家菲利普·冯·霍恩海姆，他更耳熟能详的名字是帕拉塞尔苏斯（1493—1541年），他认为空气可以变成水。在人们认识到植物可以通过光合作用从大气中吸收二氧化碳之前，佛兰德化学家扬·巴普蒂斯塔·范·海尔蒙特（1579—1644年）加深了人们的这一信念，通过展示柳枝在只依靠雨水的情况下，5年里重量从2.3公斤增到了74.4公斤（从5磅增加到164磅）。因此他认为，水和空气是仅有的两个重要元素，而水既可以转化为有机物，也可以转化为无机物。

在农业领域获得了令人信服的证据后，该观点在之后的整个世纪中都占据着主导地位。直到18世纪，科学界才认识到水是由氧和氢组成的。许多人声称这一结论是他们首先得出的，但是人们普遍认为此殊荣（至少是最先发表）应授予一名英国人——一位神职人员，名为约瑟夫·普利斯特里。他于1774年公开了自己发现的一种新气体——氧气。与此同时，安东万·洛朗·拉瓦锡（1743—1794年）在巴黎向人们演示了水可以通过燃烧某种元素得到，他将这种元素命名为氢。原子学说创立者约翰·道尔顿（1766—1844年）首先提出了水的分子形式构想。他是一名物理学家、化学家、气象学家（也是贵格会教徒），出生于英格兰北部。在此基础上，瑞典化学家约恩·雅各布·贝齐里乌斯（1779—1848年）证明了，水分子中氢与氧的比例为2:1，并将水定义为H₂O或HOH。

同时期的科学家们，如瑞典天文学家安德斯·摄尔修斯（1701—1744年）和马丁·斯特默（1707—1770年）研究了水的性质，确定了它的冰点和沸点。德国发明家丹尼尔·加布里埃尔·华伦海特（1686—1736年）通过测量发现，水的沸点会随气压不同而发生变化。在高耸的安第斯山脉上，水在较低的温度就能达到沸点，但需要很长时间才能煮熟鸡蛋。

《七姐妹（银河）之梦》，布面丙烯画，土著艺术家加布里埃尔·帕塞姆·努恩古拉伊（Gabriella Possum Nungurrayi）创作于2009年

图中显示了各种化学元素及其原子量，摘自约翰·道尔顿的《化学哲学的新体系》（成书于1808—1827年）

流动之水

除了将水当作元素进行解构外，科学家还一直设法了解水是如何在世界范围内进行循环的。现代水文学的核心观点推翻了“地下”假说，并提出水文循环的观点。维特鲁威在前基督教时代的罗马是一名建筑师和工程师，他找到了拼图中重要的一块。他认识到，地下水资源是通过降雨和融化的雪水进行补充的。但是，推荐连贯的水循环周期的科学构想是由达芬奇（1452—1519年）提出的，他将水描述为自然万物的驱动力，并清楚地认识到，水在世界河流体系中循环往复，运动不止。

这并不是说，在早期人类社会中，人们从未注意到水的周期性和季节性运动。例如，澳大利亚土著关于“彩虹”或“彩虹蛇”的概念，便为水在地上和地下的流动与圣地中生命的诞生之间的关系提供了清晰的图景。这种原始的想法，来自于当地人对降雨模式和水在地上和地下流动的具体理解。

虽然也可以说，这些想法来自于人们长期观察得到的经验性证据，但是这种本土的民族科学和水文神学的解释，往往无法与“水文学”等主流科学表述相提并论。尽管它们产生于特定的地理区域，也曾登上过全球舞台的中心。那些更主流的表述注重实验和证据。例如，在17世纪，法国科学家埃德姆·马里奥特和皮埃尔·佩罗特曾对塞纳河流域的降雨和河流流量进行了分析；英国科学家埃德蒙·哈雷通过计算得出，地中海蒸发的水量与该区域的地表径流相符。

这些科学发现都曾一度受到宗教宇宙学的限制。杰米·林顿强调了17和18世纪的基督教神学信仰和新兴的科学观念之间的重要关系，前者认为宇宙是上帝的大手笔，而相信科学观念的学者们则致力于掌握水文过程。基督教的“自然神学”建立在上帝掌控一切的假设之上，主张上帝操控着水的运动，雨期会按时降临，且雨量是可控的（除非——与早先的信仰体系相呼应——人类破坏了上帝制定的规矩而遭到惩罚）。

达芬奇对水流的研究，选自《莱斯特手稿》，1506—1513年

《古兰经》和《圣经》中都有类似的表述，把雨看作神明的恩赐。在古埃及及其周边地区不乏早期水文学方面的领先思想。然而，随着时间的流逝，发源于干旱地区的观点逐渐被北温带地区兴起的新观点取代，后者把上帝当作水的可靠来源，由此形成了水文循环新思想的核心观点。随着人们加深了对水在世界范围内流动过程的认识，各种水文学思想糅合产生了一个新的概念，华裔地理学家段义孚称之为“水文神学循环”。

在19至20世纪，随着理性科学与宗教信仰之间的分歧逐渐加大，人们不再信仰仁慈的指引之神，而是认同水文过程受大自然指引的世俗观点。因此，水文学家沃尔特·朗贝因和威廉·霍伊特将水循环描述为一项大自然的宏伟规划，似乎是水运动的必备“引擎”。

水文循环是水文学最基本的原理。水从海洋和地表蒸发，以水蒸气的形式，随大气循环在地球上空流动，然后再冷凝成为雨雪，被树木植被拦截，在地表形成径流，渗入土壤补充地下水，注入溪流，最终汇入海洋，并在海洋中再次蒸发，由此循环往复。

无论是否有人类活动的参与，这座由太阳能和地球重力驱动的巨型水力发动机都将运转不息。

因此，正如基督教自然神学论把水循环看作是上帝的杰作，使人们对干旱地区产生负面看法。在气候温和的温带地区进行的实验，印证了人们对干旱地区水文功能失调的看法。两者都提出了可靠的水循环设想，并假定干旱地区或降雨模式多变的地区一定犯了某些道德错误（并且必须改正），这对水的使用和管理的发展产生了重大影响。实际上，人类居住在高度多元化的水文环境中，也许已经成功地适应了当地的特定条件，也许正设法按照理想的水文状态，利用越来越丰富的指导性技术改变当地的水文条件，以克服极端生态环境带来的影响。

新西兰怀奥塔普一处水汽氤氲的温泉

水的局限

水呵水，到处都是水，却没有一滴能解我焦渴。

地球是一颗蓝色的星球，但是，地球上93.3%的水都是海洋，盐度各有不同。淡水仅储存在河流与湖泊之中，或是含水层、地下盆地或冰层里面。地球上最大的淡水储备位于除澳洲外其他各大洲的高山冰川中。世界上约三分之一的人口以及相当一部分动植物，都依赖季节性冰川融水生存。因此，气候变化导致的冰川萎缩会带来重大的水文影响。

此刻，冰川正在迅速消融。30年前，还能在海拔较低的山谷中看到它们缓慢移动的身影，听到它们吱嘎前行的声音。而现在，不过数十年的光景，这些冰川就已经融退到山峰的更高处了。

地下水存储于不同的水位，在土壤孔隙或岩石空隙完全饱和之后形成潜水面。在整个地质时期内，地下水通过冰川融水、融雪和季节性降雨得到补给，但主要由不断进入和退出冰河期所累积的化石水组成。因此，地下水超采（每年取水量多于补给量）意味着世界上许多地方的地下水位，以及潜水面都在下降，有时甚至会下降到人类无法触及的深度。大部分降水都会回到以海洋为代表的大面积水域中，每年1/4的海平面上升要归因于此。

亚里士多德的假设完全没错，海洋提供了许多甘甜的淡水，这些淡水来自于海水蒸发后凝结而成的雨水。如果按照体积来算，波尔·阿斯楚普和他的同事们估计，每年进入地球大气层的净蒸发量中约有430000立方米来自海洋，70000立方米来自各大洲。

但是，由于高山会截获部分云雾和雨水，到达地表的降水量大约有110,000立方米，因此，大陆每年可获得的水量的净值应在40000立方米左右。当然，在全球范围内，这些水量并非均匀分配。

位于新西兰北岛的贝塞尔斯海滩

新西兰库克山上的冰川

如此看来，地球这座行星的流体系统与它多样的有机生命形式没有什么不同。部分地区拥有的水量少于其他地区，尽管如此，水依然是成功维系生命的关键因素：所有生物都依赖于水在空气、土壤和细胞中的流动，所有环节都因水而相连。20世纪20年代，苏联地球化学家弗拉基米尔·韦尔纳德斯基从古希腊学者关于地球与水的性质的辩论中获得灵感，又受到德国数学家、天文学家约翰尼斯·开普勒（1571—1630年）的启发，提出的水文思想中巧妙地捕捉了这种联系。早在詹姆斯·洛夫洛克借古希腊大地女神盖亚之名，提出盖亚假说之前，开普勒就将地球描绘为一个由具有感知和互动能力的粒子组成的生命体。

新西兰岛海滩

韦尔纳德斯基强调，所有的生命形式都发源于海洋，而后移居到干燥的陆地上，水的流动将它们从本质上联系在一起。林恩·马古利斯、狄安娜和马克·麦克梅纳明等学者提出了有生命且相互联系的生物圈的想法，用来描述所有动植物的“共生起源”，一如麦克梅纳明所说，水联通了生物的“超级海洋”。在这片海域中，人类绝不会像巨人那样鼓起胸膛，骑跨在大地之上，而是以更加谦逊的态度，与无数其他的物种一起投身到更辽阔的生命洪流之中。