科普丨《科学的七大支柱》：从原子到宇宙，揭示科学发现中的生命密码

从原子到宇宙，揭示科学发现中的生命密码。

 点击进入喜马讲书频道页>>>

【延伸阅读】激活理性，养成科学思维>>>

精华笔记 

本书作者是约翰·格里宾，他是一位天体物理学博士和科普作家，曾撰写过50多本科普作品。在《科学的七大支柱》一书中，格里宾阐述了七个他认为对于宇宙运行与生命诞生极为重要的科学道理。这七大科学支柱可以归纳为三个主题，分别是“原子”“分子”以及“生命”。

一、原子

在“原子”尺度涉及七大科学支柱中的三个，分别是原子的内部结构，恒星的成分以及各种元素的创造。

古希腊时期德谟克利特首次提出了“原子”这一概念。1803年，英国化学家约翰·道尔顿提出了更为科学的原子论。1897年，物理学家汤姆逊通过阴极射线实验发现了电子，并揭示了原子内部的复杂结构，向人们证明原子内部其实还有更微小的组分。

1909年，卢瑟福通过带电粒子轰击金箔的实验，提出了一个全新的原子模型，即“核壳模型”。在这个模型中，原子的正电荷和绝大部分质量集中在中心的‘原子核’里，而电子则围绕它外旋转。后续研究发现，原子核由质子和中子组成，原子核中有不同数量的质子就会形成不同种类的元素。

在宇宙大爆炸之时，就诞生了氢和氦，其他元素则是由恒星通过在内部发生核反应而形成的。

以碳元素为例，在恒星的内部，当温度和压力足够高时，两个氦原子会相互碰撞，结合形成一个铍。虽然铍非常不稳定，但在其存在的短短时间中，第三个氦原子就会碰上去，与铍结合，最终形成一个碳原子。

等到恒星的生命末期，有些恒星会发生巨大的爆炸，创造出更极端的环境，从而形成更重的元素。恒星的巨大爆炸，还会把它内部生产出的各种元素抛洒到宇宙之中。

二、分子

有了各种原子与元素，它们就可以来组成分子。在“分子”的领域，所涉及的科学支柱分别是有机分子的组成以及分子间的相互作用。

19世纪以前，人们普遍认为构成生物体的物质就是有机分子，这些有机分子含有“生命之力”。德国化学家沃勒1828年用化学方法合成了尿素，推翻了“生命之力”的说法。

对于生命来说，蛋白质的基本成分氨基酸分子也是可以通过实验合成的。

1953年，斯坦利·米勒和哈罗德·尤里两位科学家，在实验室中模拟地球早期的环境，居然生成了各种有机分子，其中还包含了氨基酸。这项实验揭示了构成生命的化学物质可以从简单的无机物中形成。

除了有机分子本身的存在，以“氢键”为代表的分子之间相互作用，也为生命诞生创造了必要的条件。所谓“氢键”是指不同水分子中的氢、氧原子之间会形成一种相互作用。

当水开始结冰时，水分子的运动速度变慢，使得氢键的连接可以稳定地存在更长时间，从而使水分子们排列成有规律的稳定网络结构。与液态水相比，冰中的水分子会更远离彼此，使得冰的体积比同重量的水要大，从而让冰浮在水面之上。而这一现象对水中生命的生存至关重要。

此外，氢键的存在还能提高水的比热容，从而让海洋帮着地球维持相对稳定的环境温度；脱氧核糖核酸（DNA）和蛋白质等分子内部能保持稳定，也要依靠氢键。

三、生命

“生命”这一部分讲述的科学支柱是关于遗传物质形成与工作机制。

遗传物质有两种，分别是DNA和核糖核酸（RNA）。遗传物质分子从何而来，目前有两类猜测。第一种猜测认为在地球早期的条件下，有机分子可能会自发形成构成遗传物质的成分。另一种猜测是，遗传物质的组成分子可能来自太空。因为，天文学家在遥远的星云中发现了核糖分子的原料，而核糖则是DNA和RNA的基础组成。

此外，有学者估算，每年小行星光顾地球，所携带而来的有机物质重量可以达到300吨。小行星的到来可能会带来生命所需的有机分子。

对于遗传物质的作用机理也已经开展了各种探索。比如，克里克和沃森发现DNA具有双螺旋结构。DNA分子由两条长长的分子链组成，这两条链则由核苷酸组成。每个核苷酸包含一个磷酸基团、一个糖分子和一个碱基。碱基是构成遗传代码的关键部分，它有四种类型，分别由A、T、C和G表示。在DNA的两条链中，A和T配对，C和G配对，从而形成碱基对。

DNA的主要功能是复制自己。当复制过程开启时，DNA的双螺旋会被打开，两条链分开。此时，“DNA聚合酶”会登场，这种酶沿着DNA打开的单链移动，按照碱基配对的规则，找到相应的碱基并把它们连在一起，从而形成新的链。

DNA的另一大功能就是指挥蛋白质合成。每一种人体的功能往往都需要特定的蛋白质来实现，而DNA则像是一个手握无数蓝图的设计师。当身体需要制造一种蛋白质时，DNA就会找到对应的蓝图，RNA则会从DNA中读取出这些信息，然后迁移到细胞里的核糖体位置。随后，RNA会指挥核糖体按照特定的顺序来组装氨基酸，从而得到身体所需要的蛋白质。DNA、RNA以及蛋白质之间的这些精妙配合，保证了生命体正常地生存与繁衍。

总之，自然界中七大科学支柱共同作用，为生命的出现搭好了舞台。

书名：《科学的七大支柱》

作者：约翰·格里宾

撰稿人：圆的方块（理工科博士，科普作家）

编辑：阿柑

主播：路琨

制作：匀绮工作室

监制&运营：郑涵 孙嘉悦

总编辑：赵雅楠