第一節 生命的起源

張開基

	第一節 生命的起源 file:///C:/Users/user/AppData/Local/Temp/images/BULLET05.GIF 自然科學中可以分為物質科學和生命科學，物質科學中介紹的是物理學、化學、天文學與地球科學等，這些都是宇宙自然的基本原理，它可以說放諸四海而皆準，俟之百代而不惑的道理。但是這些基本概念，是以物質、物體為中心，並未涉及生命（life）。生命科學（life sciences）是以科學的方法來探討與生命有關的各種事實與現象，並希望瞭解生命的基本原理與概念。           在我們的生活環境當中，我們看到許多有生命的東西，例如蟲魚鳥獸、花草樹木，有的我們稱之為動物（animals），例如蟲、魚、飛鳥、走獸之類[url=]（圖1-1）[/url]，有的稱為植物（plants），例如稻、麥、高梁、甘蔗、玉米、梅、蘭、菊、竹之類[url=]（圖1-2）[/url]。有的個體很小稱為微生物（microorganisms），如細菌、真菌、藻類、原生蟲、病毒體等[url=]（圖1-3）[/url]。這些都是有生命的東西，所以稱之為生物（living           things）。而沒有生命的東西，如礦物、沙石、空氣、水等稱為無生物（nonliving things）。          生物和無生物看起來很容易區別，因為生物生機活潑，具有生命，無生物則毫無感覺[url=]（圖1- 4）[/url]。但是有時候也相當混淆，不易區分，尤其是牽涉到生命力的時候，則區別還真不易。例如已知最小的微生物叫病毒（virus），在所寄生的生物體外時，它是不活動的結晶體[url=]（圖1- 5）[/url]，也就是一些特殊的化學成分，依相當嚴謹的物理排列所形成的個體，沒有生命的特徵，與無生物一樣。但是當它進入寄主細胞時，它會用寄生細胞的酵素系統（或稱脢，enzyme system），幫助它存活與繁殖，也會有遺傳基因的突變和重組，這時顯現出完整的生命特徵，所以它是生物。病毒只是一個例子，有許多情形，有生命與無生命之間的區別，不是那麼明確而易見的。          人體身上的微生物          file:///C:/Users/user/AppData/Local/Temp/images/BULLET05.GIF生命的特徵 那麼，「生命的特徵是什麼」？有些什麼特殊的性質才可以說一個物體是有生命呢？ 所有的生物都有下列共同的特徵：特殊的組織（specific organization）、感應性（irritability）、運動（movement）、代謝（metabolism）、生長（growth）、生殖（reproduction）和適應（adaptation）等。 （一）特殊的組織           生命的最小單位稱為細胞（cell）。任何生物，它都有一定的外貌，也就是大小、形狀、構造而這些大小、形狀、構造都是由不同的細胞所組織起來的。細胞是很特別的個體，有不同的形狀和功能，一些低等生物是由單一細胞組成的，例如細菌、酵母菌等。還有很多生物是由多細胞組成的，例如人類、植物，整個生物體便是所有細胞之協調整合出有機能的個體，這些高等生物是由幾千萬、幾兆萬的細胞所組成的。           每種細胞都有其一定可辨認的大小、形狀，具有質膜（plasma membrane），可將其細胞內的物質與外邊環境分離。內有細胞核（nucleus），為細胞之主宰，核內有控制生命的遺傳物質—基因(Gene)，為一切生命現象最原始的動力。有些簡單的生物，如細菌，細胞內並無具有膜圍起的小胞器（organelles），這時候細胞沒有核膜後，就沒有定型的細胞核了。           高等動植物由細胞組成組織（tissues），不同的組織又組成器官（organs）、不同的器官又組成系統（organ system），最後形成個體，例如人類的呼吸系統便是由鼻子、氣管、肺、橫隔膜等組成，而每個器官就有不同組織。這些體制是非常嚴謹與整合的，這樣生物才會有效率地運作[url=]（圖1-           6[/url]，[url=]圖1-7）[/url]。                   （二）感應性 生物對外界的刺激與變化的反應極其敏感，如物理的或者是化學的刺激，舉例而言，人對熱度、濕度的提高便有敏感的反應。一般引起生物反應的刺激有光（包括其強度、波長、方向）、溫度、壓力、聲音等。而對化學成分的反應也極其靈敏，高等生物有些細胞還特別分化（differentiation）成不同的細胞，以分別感應各種不同的刺激，例如眼球視網膜上之桿狀細胞及錐狀細胞，就是專門對光有感應的，鼻腔內黏膜細胞和舌上的味蕾對化學剌激有特別的感應。 生物的感應性是非常靈敏的，其靈敏度常精確到不可思議的地步。有些物理或化學變化，常常在機器、儀器都無法測出來的時候，生物的感應已經明顯的感應出來了，這種例子很多，例如嗅覺，抗體的反應等。                           [url=]鹿聽音樂[/url] （三）運動 高等動物的運動都靠肌肉作用，較低等的動物如海綿、珊瑚、水螅、牡蠣及一些寄生蟲，則靠絨毛（cilia）或鞭毛（flagella）來運動[url=]（圖1- 8-1）[/url]          [url=]（圖1-           8-2）[/url]。微小的細菌也靠鞭毛或其他的機制來運動，植物的運動比較不顯著，但是植物細胞一樣有運動的特徵，例如向日葵的向日移動，不過這些植物的運動和感應是一起的[url=]（圖1-           9-1）[/url] [url=](圖1-9-2）[/url]，有些植物如銀杏、蘇鐵、蕨類等，他們是具有精子的，會像動物的精子一樣游向胚珠。                             （四）新陳代謝 生物至高特性之一便是能吸收與分解各種化合物、合成複雜的物質，經過多方向的化學變化以形成新的細胞（新陳，anabolism）。並使存在於分子內之位能轉變為動能和熱量，方可將已形成之複雜的物質，例如蛋白質、脂肪、醣類和核酸等一步一步地分解，產生能量和簡單的物質（代謝，catabolism）。這兩種作用密切的結合在一起，稱為新陳代謝（metabolism），從而構成動態的生命現象。事實上所有的生命現象便是靠新陳代謝而彰顯出來，無生物絕不可能有新陳代謝的。 （五）生長 人類從初生時幾公斤的體，成年後有幾十公斤，甚至幾百公斤，這便是生長。生物的生長，因生物體質量的增加，可由細胞本體的增大，也可由細胞數目的增多。對於微生物而言，因為每個細胞雖然也會從小長到大，不過大小之間差別並非如動物一樣大，所以微生物的生長有時候是指他們個體數目的增加，例如在澄清的肉湯因為細菌的生長而變得混濁，那就是因為細菌數目的增加。測量生長是生命科學重要的一環。 （六）生殖 生物會繁殖後代，細胞會分裂為二，沒有新陳代謝，生物不能稱為<活的>，沒有生殖，<活的>生物也不能活到下一代。生殖能將原有之種族特性維持下去（species conservation）。生殖的過程因各種生物不同，由細菌的分裂生殖（binary fission）到高等生物的卵與精子之彼此結合成為受精卵，或在其他生物中稱為結合子（zygotes）。受精卵然後再分化發育，這是生物之極為精采的部份。 （七）適應 生物有高度的適應能力，生物當感應到外界的變化時，從細胞、器官和個體都可能產生對應的變化，來適應環境。透過生物的突變（mutation）和適應環境過程中所產生的篩選，因而產生了生物的演化，那就是大家所瞭解的天擇（natural selection）。因此生物能變化形性以配合所屬的環境，但是限制生物分佈的因子很多，如水、光、溫度、食物其他生物種種，而沒有一種生物能適應所有的環境。所以生物因地區不同而有顯著差異[url=]（圖1- 10）[/url]。同樣地，太陽系之星球中，至今為止只知地球有生物存在。原因無它，因為限制生物生存的因子很多，只有地球適合生物之演化。 file:///C:/Users/user/AppData/Local/Temp/images/BULLET05.GIF自然生成學說（Spontaneous Generation Theory）           無論看得到或者微小到看不到，我們對於現存的生物的特徵是很容易瞭解的，我們要問的是：生命是如何形成的？怎樣才能形成有上述特徵的個體？推測生命形成最合理的機制之前，讓我們先瞭解一下，長期以來古人對生命形成觀念上的辯論。           早在希臘時期，人們相信生物是由無生物經過分解腐敗而後自然生出來的，尤其他們以腐肉生成蛆為例子，也以青蛙在田間出現是因為適當的氣候條件所致。尤其自1675年賴文虎（Antonie           Van Leuwenhoek）[url=]（圖1-           11）[/url]發現細菌以來，他們以肉汁會有細菌滋生，更是深信這種生命是自然生成的。這便是所謂自然生成學說（Spontaneous           Generation Theory）。人們對此深信不疑，包括大哲學家、甚至十八世紀初期的一部份科學家。其實當時東西方的想法是相同的，我們說「物必先腐而後蟲生」便是指腐敗的肉中會生出蛆蟲，觀念相似。西遊記描述孫悟空的誕生就是一種自然生成生命的觀念。                    有許多熱心的科學家包括Lazaro Spallanzani（1729—1799）、Franz Schulze（1815—1873）、Theodor           Schwann（1810—1882）[url=]（圖1-           12）[/url]、John Thydall、Louis Pasteur（巴斯德，1822一1895）[url=]（圖1-           13）[/url]等人的共同努力，終於把自然生成的學說推翻。           但是巴士德學所推翻的只是肉汁中的細菌不是自然生成的，肉汁腐敗乃因為空氣中的細菌進入而腐敗發酵的，巴士德的貢獻乃在於說明細菌的作用[url=]（圖1-           14）[/url]。而對真正的生命是如何形成，並沒有提出答案。 生命也許不會在我們現在地球的情況下發生，但是它可能在幾十億年前發生，因為那時的空氣與海洋與現在截然不同，生命極可能自然地發生。          file:///C:/Users/user/AppData/Local/Temp/images/BULLET05.GIF生命的起源之推想 那麼生命究竟是怎樣來的？這有許多不同的假設，有的說生物原來就有的，即於地球被形成的同時便存在的。但是這種說法與天文學家和地質學家的發現並不符合。因為地球形成約五十億年前，但是生物的起源，最早的藍綠藻化石，僅在三十億年左右，因此至少有廿億年的期間，地球沒有生物的存在。 也有一種說法，說生物是其他星球來的，隨著流星、隕石或其他方式來到地球。這種說法也很有問題，因為它只是將生命推到別的星球，對生命之形成仍沒有回答。再說太空中運行，其間環境如溫度的變化、輻射及大氣種種條件並不適於攜帶現在的生命形式。 那麼生命必然在地球上發生的，根據地質學、天文學之研究發現，及生物學、化學等之發現，我們推測生命形成的過程是如此的。 混沌初開、乾坤始奠 大約五十億年前，剛剛形成的地球是一個混混沌沌的熾熱熔體。所含有的種種元素（我們在這過程裡不能再追問這些元素是怎樣來的，我們必須接受元素是地球形成時就有的），不斷組合、分解、再組合。以後地球的岩石礦物慢慢的冷凝下來，許多元素原來是以原子狀態游離存在的，當溫度降低至各原子間可以形成穩定的化學鍵時，漸漸的形成了分子和化合物。例如氧和氫化合成水H2O，氮和氫化合成氨NH3，，但是那時的氧和氮並非游離的氣體，而是還原形態的化合物。但是由於日光，紫外線能夠充份的達到地面，且空中有放電的電能及放射性元素衰變時所發出的輻射能，大氣中具有充沛的能源。這些能量使大氣中、地球上的物質發生很多化學作用，使得氧氣和氮氣逸出大氣，同時使甲烷（CH4） 、氨、水、氮等氣體發生化學組合作用，而形成了簡單約有機分子。 簡單的有機分子又逐步構成複雜的有機分子，而這複雜的有機分子，更進一步的組成了有獨特性質的分子系列，當這些獨特性質能夠自己能複製（self- reproducing）自己的，也就是能夠利用周圍環境的物質而製造與本身構造相似的分子—這就是生命的雛型，也是最初生命的開始，當然這經過時數億年的演變而成。 這種生命物質形成的推想是有相當的證據的，至少它有下述三個實驗可以輔證上述的說法： （1）Harold.Urey和Stanley Miller：將甲烷、氨、氫與水汽（模倣地球初期的大氣成份），在一特殊的裝置裏，作強力放電的處理，結果發現產生了胺基酸分子（amino acid），胺基酸是蛋白質的組成單體。 （2）Sidney W. Fox等：將18—20種的胺基酸，混合加熱到熔點，可以製造有蛋白質特徵的錐狀構造。把氨基酸組合一起就成為蛋白質，而蛋白質就是生物中重要的組成份。 （3）Melvin Calvin等：以珈瑪射線（γ—ray）作用於模擬地球初期的大氣成分，結果發現產生了嘧啶（pyrimidines）和嘌呤（purines）等屬於核酸的物質，而嘌呤和嘧啶是遺傳基因的主要成分。 所以將這些蛋白質、嘌呤類、嘧啶類以及其他約有機物質，互相結合而形成一個能自己複製的構造—原始生命。 此類能夠自己複製的分子系是什麼呢？由於有嘌呤和嘧啶分子的存在，和生物化學中去氧糖核酸（Deoxyribonucleic acid, DNA），核糖核酸（Ribonucleic acid., RNA）的分子相類似。到目前為止，也只有這兩類分子能夠自行複製，因為遺傳學家已經證明這些是遺傳的基本物質，所以從這點就可以知道它是原始生命了。這些原始生命，可能乍生乍息，其間可能經歷過無數次的產生與解體，但是也許在某種情況之下，某種形式的生命系統，終於保存了下來。而這最初的生命系統和今日存在的生物濾過性病毒（viruses）極其類似。因為簡單的病毒，外邊是一層蛋白質，內部為核酸，它的構造完美、穩定並且具有自己複製的能力。 當然這種論說不是沒有不妥之處，至少到目前為止並不能夠以這種方法真正製造成原始的生命，但是這總是在目前的證據之下的合理推測，因為終究我們不可能複製地球當初的情境。 今日我們的濾過性病毒，必須寄生在其他生物中，利用寄主細胞中的酵素，以進行其生長、繁殖等生理機能。在生命最初形成時，這原始生命如何得到可以自行繁殖的酵素系統呢？，這些仍是未解決的問題。我們從許多證據可以發現，其演化的過程可能就是依照下列的過程的： （1）由無氧而有氧：最初的生命並不需氧的存在而生活，目前地球大氣中氧氣的主要來源有二，一是大氣中的水汽受到紫外線的作用而發生光解離（photodissociation），二是綠色植物光合作用所產生的。因為光合作用不可能早於細胞的出現，因而早期的細胞可能並不需要氧來生活，所以演化的過程一定是從無氧而到有氧。 （2）由無機而有機：前面所說明的實驗便是證明，生命的形成便是由無機到有機的例證。 （3）由異營（heterotrophy）到自營（autotrophy）：首先的生物是靠外面的有機物質以進行生長及繁殖，由於地球上的情勢發生理化，有機物質逐漸耗用殆盡，生命陷於困境，新的自養性生命才應運而生，自養就是自行製造有機物，例如光合作用。 由於原始生命物體的形成，當然經過演化，而最早的生物化石為具有細胞構造的藍綠藻類與細菌，由於這類生物細胞，構造極其簡單，沒有細胞核，DNA股索在細胞質中排列為線狀，細胞分裂時，沒有紡綞體發生，細胞質中各部份也沒有顯著的分工現象。有些有葉綠素，可以行光合作用，製造食物。 由於生命細胞的演化，向分工和特化兩個方向前進，慢慢複雜的演化而形成了今日複雜的生命世界。現在我們暫且把生命形成後的演化部份不談，先回頭來看細胞的基本物質和構造，及基本的生命現象把這些現象稍為清楚的概念後，再來談演化的問題，也許對這多彩多姿的生命世界會有更深一層的認識。

張開基

	地球上生物的起源 緒 論 在這浩瀚的宇宙中，我們生長的地球是現今所知宇宙中最美麗地一顆星球，因為她是我們所探知的宇宙間唯一擁有生命的星球。這些生命以他們千變萬化的外觀，豐富了地球上一年四季的不同面貌，每當我們放眼四望時，我們就會發現各式各樣的動物、植物、一直到最簡單的微生物都以不同的外型與生活方式生長在這地球上。在這些多樣的生命形式中，雖然他們的外觀、生長的地方、生活習性、和行為或許都不一樣，但是，他們卻都具有一些生命的共同特徵，這些特徵使得這些生命不同於他們生長的無生命環境，也就由這些特徵使得生物在這宇宙中獲得他們特有的意義與地位，這些生命的共同特徵有些什麼呢？ 生命的共同特徵 要回答這個問題，只要比較一下活著的生物和無生命的石塊間有什麼不同，我們就能瞭解生命的特徵有些什麼。比如說，地球上的生物，不論是簡單的生物：如微生物，或是複雜的動物：如人；不論是動物還是植物；是一隻巨大的鯨魚還是一個用肉眼無法觀察的微小生物，他們都有一最基本的組成單位─細胞。石頭或一塊木板則沒有這種結構上的基本單位。這種結構的基本單位組成了地球上除病毒外的各種生命形式。由一個或多個細胞所組成的這個特性就是地球生命最基本的特徵之一；微生物是由一個細胞所組成的生命，植物、動物則是由多種不同功能的細胞所共同組成的生命。生命就藉由細胞的種種單一的或多種不同細胞的多種功能統合而活著。這些由細胞所組成的生物還具有其他何種特徵，使其不同於我們生活的無生命環境呢？讓我們再分析一下在我們日常生活中常見的動、植物甚或是我們人類自己的變化以瞭解活著的其它意義吧！種過花嗎？曾看過一株小小的植物變成大樹的過程嗎？這就是生命的另一個特徵─生長(growth)。當一個小生命被孕育出來後的第一件大事就是長大。不論她是植物是動物或只是一個單一的細胞都是如是。生長的目的無他，就是為了預備自己以進行其它的生命活動。這些生命活動有那些呢？小狗會隨著環境中的球兒跑，貓兒跳，餓了要吃累了要睡，怕了要躲。所有的生命形式都會這麼做，隨著她們的感應，依環境的變化而從事各種的反應。植物向著陽光的方向生長，微生物向著食物游走，我們也隨著本身的欲求，追求生存及舒適的環境。這種隨著環境的變化而反應、或移動、或改變其生理活性以適應環境的行為就是生命的另一特徵─適應(adaptation)。生命和無生命間最明顯的不同卻在於生命在長到一定的大小後，會依他們各自的遺傳藍本複製他們自己，細胞由一分裂為二，植物開花結果又長成一株新的植物，動物成雙成對，孕育出小獅子、小馬。他們的後代又依相同的方法孕育出擁有與他們祖先相同的長相、一樣的行為、一樣的長大、一樣的會再孕育出下一代相同生命。無生命的物質世界是無法完成這種世代延續永遠完不完的遊戲的。這種依據細胞內的遺傳信息由一變為二，複製他自己的行為就是生命的另一特徵─生殖(reproduction)。地球上的所有生命個體都會進行上述的這些行為，如生長、如繁殖、如移動、如依環境而反應等。所以，地球上的生命個體必須擁有他們自己特有的遺傳物質，擁有維持他們生活所需的各種代謝活動，以及擁有能獲得他們生活環境中的各式養分的能力，這些活動及能力使得生物得以生存在這個星球上。那麼，具有這些特徵的生物又是如何在這地球上出現的呢？又如何在其形態、生活外觀形式上變得那麼複雜而多變呢？現在就讓我們先回到孕育生命的溫床─地球上來吧！ 原始的地球 地球形成於約距現今四十六億年前的宇宙中。那個時期的地球和現在我們所居住的地球是完全不一樣的。地球的表面沒有一棵樹木，包圍我們地球的大氣中也沒有我們生活所需的氧氣；那時的地球溫度極高，大氣中只有二氧化碳﹝CO2﹞，水蒸氣﹝H2O﹞，一氧化碳﹝CO﹞，氫﹝H2﹞，和氮﹝N2﹞，除了這些主要的氣體外，還含有一些少量的氣體：氨﹝NH3﹞，硫化氫﹝H2S﹞，和甲烷﹝CH4﹞。因為那時的大氣中沒有臭氧可以吸收太陽光中的紫外線，所以那時的地球是直接的曝露在太陽的各種輻射線中。當地球的溫度往下降時，空氣中的水氣開始凝結而下起大雨，海洋因之而生；大雨的沖刷又將地殼中的各種鹽類沖入海洋。在這個時候的海洋，如果用簡單的話來說，是一鍋高溫鹹湯。 雖然，那時的地球上沒有氧；但是，我們都相信，最原始的生命是在這樣的一個環境中升起的。為什麼呢?因為在那原始的地球上擁有生命出現的最基本因子，它們是：能量─原始地球上是一個高溫的地方，各處都有激烈的閃電、暴風雨、火山運動、殞石的撞擊、和來自太陽的各種輻射線；建構生命基本的化學成分(碳、氫、氧、氮、硫、磷)；及無窮盡的時間。 生命的發生 現有的地球生命是由碳、氫、氧、氮、硫、磷所組成的有機化合物─蛋白質、醣類、酯類、核酸所建構而成的。這些有機化合物的基本結構單位分別是胺基酸、單糖、酯肪酸及核?酸等。首次認為這些組成生命的最基本有機分子的單體可能有機會在上述的原始海洋中生成的學者是A.I. Oparin 和J.B.S. Haldane兩位先生。1950年代Stanley Miller 和Harold Urey兩位學者則真的將氫氣、甲烷、水及氨一起放在一密閉容器中，利用電極放電來模擬原始地球上的閃電當做反應所需之能源（圖一）。 當他們在反應一星期後，取出密閉容器中的產物分析，發現其中含有胺基酸和其它的有機分子。最近的實驗，科學家們改變了反應的氣體成分，結果生成了各種各樣的有機分子，其中包括有現存生命形式最重要的物質之一的DNA 和RNA的組成成分─各種含氮鹼﹝DNA和RNA是生物的遺傳信息的攜帶物質﹞。但是，就算有機分子可以在原始的海洋中生成，這些簡單的有機分子如何組成現存生物體內的巨分子﹝蛋白質，核酸，多醣﹞呢?最初的生物又如何由這些巨分子組成發生的呢？ 依據科學家現在的瞭解與實驗的証明，原始海洋經以億為單位的時光，累積了各式各樣的生命有機巨分子化合物的組成單體，這些巨分子的有機化合物的組成單體在黏土礦物表面上，經礦物表面上的鋅和鐵離子的催化作用行聚合反應，生物體內的巨分子於焉生成。最好玩的是，當科學家將這些生物巨分子溶於水中，在高溫高壓下一段時間後，在水溶液中出現了一種球形實體。這種球形實體被稱為protobiont(s)或protocell(s)。 這是一種有機巨分子的聚集而成的無生命產物，卻具有部份生命的特徵如：會'長大'，長到一定大小時會一分為二（分裂），一些簡單的代謝反應也會在這種球型的結構中進行，就如現今的地球生命。但是，它仍舊不是組成現有生命的細胞，他們仍不會依據自己的建構藍圖（遺傳信息）複製自己，因為他們仍不具有他們自己特有的遺傳信息。雖然這種初具生命雛形的小球體演變成組成生命的細胞的過程，才是地球上生命發生最重要的步驟，但可惜的是，對此我們所知甚少。最有趣的發現是，近二十年前分子生物學的研究發現，在較簡單的生物體內除了蛋白質分子可以進行生物催化作用（酵素）外，在一些情況下RNA分子也可以當成酵素。由於RNA分子在現有的地球生命體系中扮演著非常重要的角色，他可以是一種生命遺傳訊號的攜帶者（很多的病毒的遺傳訊息是由RNA來加以傳遞的）、他也是所有地球生命的遺傳訊號的傳遞給蛋白質合成系統的傳遞者（mRNA）與翻譯合成者（tRNA、rRNA）。所以當分子生物學家發現他也是一種生物催化物質（酵素）時，科學家提出了地球生命最早的世界應是由RNA所主導的世界，由RNA的世界再進一步演化到以蛋白質與DNA為主的世界，地球上的生命就在這過程中一步步的生成了。 雖然我們不知道他們變成細胞的確切過程，但是古生物學的研究卻告訴我們，地球上最古老的生物化石距今已有三十五至三十八億年了，由此可知，細胞早在三十五億年前就已經以多樣的形式繁茂的生活在這個星球上了。從化石的資料，除了可以指出，最原始的生命形式應是單細胞的生物外，這些古老的生命還具有什麼樣的特性呢？在我們討論最原始的生命形式可能擁有什麼樣的特性前，也許，我們應先瞭解一下，現有生命形式組成的最基本單位─細胞，他們的特性，以幫助我們想像生命的最原始情況。 現有生命的最基本結構單位─細胞 細胞是現有地球生命最基本的結構單位。我們可依據細胞的結構、生長的特性、及生理將他們加以分類。當然，最基本的分法是依其結構分。現在就讓我們認識一下細胞的長相吧！細胞是一由蛋白質及酯質共同組成的細胞膜所包被而成的實體；其形狀各異，有的為球形（如脂肪細胞），有的為橢圓形、桿形（如大腸桿菌），有的則為不規則形的（如神經細胞）。在細胞膜內的則是一充滿各種有機分子的膠狀溶液，我們稱其為細胞質。簡單的細胞在其細胞質中沒有其它複雜的結構，但細胞所需的所有物質﹝包括遺傳信息﹞及所有的生化代謝反應都一應俱全的存在於細胞質中或在細胞質中進行，這種細胞我們稱之為原核細胞(prokaryotes)。 較複雜的細胞在其細胞質中還有更進一步的結構，這些結構有：一個由膜所包被的核(nucleus)─用以儲存遺傳的信息；還有一些由膜所包被的細胞內的胞器(organelle):如粒腺體(mitochondria)─是專行細胞內呼吸作用以產生能量的胞器、葉綠體(chloroplast)─是植物體內專行光合作用的地方；另外還有一複雜的膜狀系統─內質網(endoplasmic reticulum)以為細胞內物質的運輸等功能。這種在結構上較複雜的細胞我們稱之為真核細胞(eukaryotes)。 這兩種細胞間主要的差別在於細胞核(nucleus)的有無，原核細胞沒有核，真核細胞則具有核的構造。原核細胞和真核細胞除核的有無是其主要的區分外，真核細胞內部擁有原核細胞所無的胞器及膜狀內質網，細胞中各種不同的物質和反應則分門別類的存在於不同的細胞區隔中。由原核細胞組成的生命為原核生物，真核細胞組成的生命為真核生物。現有的原核生物如細菌、藍綠藻；真核生物則為除細菌藍綠藻以外的其他地球生物皆是，如我們人類。 細胞也可以依其生長所需的條件來分類，如依據需不需要氧就可將細胞分成需氧細胞和不需氧細胞。需氧細胞需在一定的氧濃度的外 界環境中才能生長。不需氧細胞卻只生存於無氧的狀況下。所以由不需氧的細胞所組成的生物，我們稱其為厭氧生物(anaerobes)，由需氧細胞所組成的生物為好氧生物(aerobes)。但是，如果依細胞獲得能量的方式來區分的話，細胞則又可分為自營性(autotrophs)和異營性(heterotrophs)兩種。自營性細胞會利用太陽光來裂解含氫的化合物，如H2O﹝水﹞、H2S﹝硫化氫﹞，提供氫（還原力，reducing power）以合成它們自己所需的食物（碳水化合物）。在這過程中，裂解H2O﹝水﹞的會放出氧，裂解H2S﹝硫化氫﹞的則會釋放硫。這種利用光分解含氫化合物以生成有機化合物的過程即為光合作用。所以我們又稱這種自營性的生物為光合性的自營生物，這種生物可以直接將太陽能(光能)轉成生物可利用的化學能（還原力）。異營性細胞則利用環境中的有機化合物獲得生長所需的能量。有機化合物可以在氧的存在下被氧化以提供能量，這種反應我們稱它為呼吸作用(respiration)；有機化合物也可以在無氧的條件下去氫以提供能量，這種反應則為發酵作用(fermentation)。自營性細胞以光能合成有機化合物，異營性細胞以分解有機化合物所獲得的能量維生；所以生物也可以依此分為自營性生物和異營性生物兩大類，前者如植物，後者如動物。但是，細胞不論其為原核、真核；需氧、不需氧；或是自營、異營；所有細胞的化學組成都不外乎蛋白質、酯質、醣類和核酸。這些化合物的基本結構單位分別為胺基酸、酯肪酸及甘油、單糖、和核?酸。由此可以看出，現有生物皆可由原始海洋中的有機化合物組成。那麼，最原始的生命應類似於現存生命形式中的那一種呢？在我們對細胞的結構、生長條件及生理活性有一個基本概念後，現在，就讓我們想像一下吧！ 原始的生命形式 原始的生命形式是個什麼樣的呢？ 在回答這問題之前，讓我們先回憶一下，早期地球的物理條件，她是在無氧，高溫的狀態下，並在她的原始的海洋中充滿著各種鹽類及有機化合物。依據現有的證據，古早的化石中只有單細胞生物，我們猜測地球上的第一種生命形式應為一種單細胞的生物。在三十五億年前古老的化石中的細胞外觀，就應類似地球上現存的原核細胞，所以，地球上的第一種生命形式的結構不會比現有的原核細胞複雜。這種簡單的生命又靠什麼方式來獲得生長所需的能量呢？由於當時的水世界中充滿著各種有機化合物，陽光雖然也一樣垂手可得，但是因為現行的光合作用需要一完整而複雜的蛋白質與膜狀系統，原始的生命不應該一下子就擁有如此複雜的生化結構與反應，所以他們應是一種異營性生物(heterotrophs)，由生長環境中的有機化合物中獲得能量的供給。而其獲取能量的方式應為發酵作用，因為地球上還沒有氧。也就因為地球上還沒有氧，所以他們為一anaerobes.如果原始的生命是原核單細胞、異營性的厭氧生物，那麼如我們這種多細胞的好氧生命又怎麼可能在地球上出現呢？地球的物理條件允許嗎？ 氧氣的出現 在澳洲的默林灣有一種名叫作疊層岩（stromatolite(s)）的岩石柱狀物。它們分布在海邊，初看像是岩石，但卻會慢慢的長大。如果再仔細的觀察，在這些岩石的表面會有小小的氣泡生成。這些小氣泡經分析，發現就是需氧生物賴以生活的氧氣。 如果將疊層岩Stromatolite切開，我們就可以看到像樹木生長年輪般的層狀構造，顏色較深的一層是砂，顏色較淺的一層如用顯微鏡觀察，則為一些可行光合作用的細胞。小氣泡就是光合作用的產物。這種疊層岩stromatolite的化石礁岩則廣泛的分布在加拿大Great Slave Lake 和美國Lake Superior湖區，化石的年代都已經相當久遠。分析其中的細胞組成，與現有的stromatolite中的細胞很像，為纖維狀的細菌。這些原始的細胞外觀雖與現存的一些可行光合作用的細菌相似，但其與現存的stromatolite中的藍綠藻（cyanobacteria）一定不同，因為那時的大氣中還沒有氧。所以，在三十億年前或更早以前的stromatolite中的微生物應該是不需氧卻能行光合作用的一種細菌(anoxygenic phototrophs)，如紫色和綠色細菌。但不論其為何種細菌，地球上的氧氣因之得以生成。所產生的氧氣初期引發海洋中鐵的氧化作用，造成海洋中的氧化鐵的沈澱（這就是我們現在可以開採鐵礦的來源）；在經過二十幾億年的反應後，由這種原始行光合作用的生物所產生的氧氣得以以氣體的形式在地球的大氣中累積，需氧生物也因氧的出現得以演化發生。氧的出現其實對地球上生物的演化具有另一個重要的意義，就是臭氧的生成。臭氧能吸收太陽光中的紫外線，這種射線是一種高能的輻射線，對細胞言是一種亟具殺傷力的能量。早期的生物只能生活在像海洋、湖泊等紫外線無法直接照射的區域，臭氧的出現使得地球上的原始生物可從原有的遮蔽所海洋走上了另一個廣闊的生存空間中-陸地。 真核細胞的出現 如果我們說protobionts變成細胞的過程是地球上生命出現的關鍵時刻，那麼，真核細胞的出現則是地球生命由簡入繁真正的開始。為什麼這麼說呢?因為地球上的生物除藍綠藻和細菌外都是真核生物，包括除藍綠藻和細菌外的單細胞生物一直到所有的多細胞生物都是。由上面的介紹我們知道，真核細胞和原核細胞之間的差別只在於細胞內的結構。如果原始的生命是一種類似原核細胞的生物，真核細胞內的各種胞器必定是後來才有的，那麼是怎麼來的呢？依據科學家的研究發現，真核細胞內的胞器─粒腺體和葉綠體都具有他們自己的遺傳物質，類似任何一個獨立的生命個體；另一個發現則是在原核細胞的世界中也有具有與粒腺體和葉綠體相同生化功能的原核細胞；所以科學家提出了一個理論來說明真核細胞的來源，這個理論就是內共生理論。 他們認為真核細胞裡面的胞器原來為一獨立的原核生物，各具其特有的生化活性，不知怎的被另一個較大的原核細胞包裹吞食進入另一個較大的原核細胞中，在這吞噬的過程中吞噬的細胞除了吞進了另一個由自己細胞膜所包被的較小的細胞外，它也吞進了它自己的細胞膜，這個被吞進來的細胞與吞噬細胞經長時間的交互作用變成了吞噬細胞內的胞器，被吞進來的細胞膜進而將吞噬細胞內的遺傳物質包了起來成為了核；這些膜在細胞的其他部位則慢慢的形成了內質網，將細胞區隔成更小的區域。由這個理論，我們很容易的可以解釋為何胞器內擁有其獨立的遺傳物質並是由雙層膜所包被的事實，因為內一層膜為被吞噬細胞本身的細胞膜，外膜則為吞噬細胞的細胞膜。如果被吞噬進來的原核細胞的生化特性是行光合作用的細胞，則其成為真核細胞內的葉綠體；如果是行有氧呼吸作用的細胞則變成了真核細胞內的粒線體。現有的證據都支持這個理論，尤其是發現胞器內具有它自己的蛋白質合成系統時，更使得我們相信胞器原應為一獨立的生命個體。雖然內共生理論完美的說明真核細胞在演化過程中出現的可能，但是由真核單細胞如何再演化成更複雜的多細胞個體，這些多細胞個體又如何再行演化成為我們現今所知道的各種物種的過程，也許只有等我們瞭解物種演化的可能及其機制後才能進一步想像了。 但至少我們可以由化石及現有的證據知道，地球上的生物是由簡變繁的。在不同的時代，地球上擁有不同的物種，生活在其上，現有的一些生命在地球上生活的歷史很長，但我們人類在地球生命出現的歷史上，則是所有生物物種中最晚的了，如果我們將地球的生命由生成至今的時間以24小時來區分，人類在地球上出現的時間是晚上11點59分59秒。