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在某种意义上来说，是不平衡缔造了生命，生命力就是负熵力。

所有美好和不美好都终将不可持续，你所要做的，就是尽全力感受这样的动荡，尽全力展现这样的动荡。

第六章 生命的起源

生命是如何在地球上诞生的？这是今日科学最令人兴奋的一个领域——就像西部大荒野，充满各式概念、理论、推测，甚至是数据，有待我们探索。这个领域的范围太过庞大，在此无法就细节一一着手，所以我会将讨论范围限制在几个和化学渗透性的重要性有关的观察上。但为了帮助大家了解，且让我先快速地说明一下这个问题。

生物的演化有很大一部分要仰赖天择的力量——因而也要仰赖特质的遗传，天择才得以筛选。今日我们的遗传基因是由DNA构成；但DNA是一种复杂的分子，不可能凭空出现。更何况，DNA在化学面上是沉睡的，没有活力，这点我们在前言部分就曾提过。请回想一下，DNA除了编写蛋白质的密码之外，什么也没做，就连这件任务也要靠一种比较活泼的中介物质RNA才能完成，各种形式的RNA会将DNA的密码转录成蛋白质的胺基酸序列。大体上，蛋白质是实现生命的活性成分，它们有各色各样的结构和功能，可以满足生物体的多种需求——别以为这很简单，即使是最简单的生命形式，也有五花八门的需求。个别的蛋白质逐渐被天择打磨成为可以满足特定任务该有的样子。而首要的任务，就是复制DNA，并用DNA当模板制造RNA，因为没有遗传的话天择就无从进行；而蛋白质虽然有种种光荣事迹，其中却不包括遗传，它们结构上的重复性不够，无法成为优质的遗传密码。因此遗传密码的起源成了一个鸡生蛋还是蛋生鸡的问题：蛋白质演化要靠DNA，但DNA又需要蛋白质才会出现。这一切究竟是怎么开始的呢？

今天这个领域的人大都接受一个答案：居中牵线的RNA曾经扮演过中心的角色。RNA分子比DNA来得简单，化学家甚至可以在试管里把它拼凑出来，我们因此能够相信，它或许曾在地球上或是在宇宙中自发性地形成。科学家曾在彗星上发现过许多有机分子，包括RNA的一些组成零件。RNA能以类似DNA的方式自行复制，因此成为一个可以被天择筛选的复制性单位。它也可以直接拿来表现蛋白质（今天它的作用之一正是如此），因此它在模板和功能性间架上了一座桥梁。RNA跟DNA不一样，不是沉睡的化学分子——它会折叠成复杂的形状，并能催化某些化学反应，就像酶一样（RNA构成的催化剂叫做核酶）。因此，钻研生命起源的学者点出了一个初始的「RNA世界」。在这里，独力自行复制的RNA分子受到天择的筛选，慢慢累积复杂性，直到更强大，更有效率的组合（DNA和蛋白质）取代了它们。如果这趟短暂的巡礼勾起了你的兴趣，使你胃口大开，我向你推荐杜维的《演化中的生命》，那会是绝佳的入门作品。

即便道个理论如此优雅，「RNA世界」仍有两个严重的问题。第一，核酶的催化功能并不是很多，而且催化的效率也很一般，它们有能力实现这复杂的世界吗？这里有个大大的问号。对我来说，与其拿它们来当原始催化剂，不如用矿物质还比较称职。今天许多酶的中心位置都看得见金属和矿物质的踪迹，包括铁、硫、锰、铜、镁，和锌。在这全部的案例中，催化酶反应的都是矿物质（专业术语叫辅基），而不是蛋白质。蛋白质能帮助提升效率，但无法导致反应发生。

更重要的是第二点，一个关于能量和热力学的计算问题。复制RNA也是「功」的一种，因此需要能量的输入。而RNA并不稳定，很容易被分解，因此经常会有能量的需求。这些能量是从哪来的呢？据天体生物学家所言，早期的地球上有丰富的能量来源，陨石撞击、电暴、火山喷发的高热，或是水面下的海底热泉，以上只是一小部分。不过，很少有人讨论这些种类各异的能量要怎么转换成生命可以利用的形式——这些能量都无法被直接利用，到今天依旧如此。最合理的说法或许是过去数十年间曾一度流行的「原生汤」。各种形式的能量煮出了一锅「原生汤」，再透过发酵作用转换成生命可利用的形式。

原生汤的概念曾在五〇年代获得实验支持，当时米勒和尤里两位研究人员以电极火花模拟闪电，将其导入含有氢气、甲烷和氨的气体混合物中，他们相信这些成分能够代表地球早期的大气环境。他们成功制造出丰富多样的有机分子，包括一些生命的前驱物，比方说胺基酸。他们的概念之所以失宠，是因为没有证据能够证明地球大气曾经含有这些成分，更遑论含量是否充足；而且现在我们认为当时的大气氧化力较强，在那样的大气环境中要形成有机分子，比在实验条件下困难多了。但彗星上发现的丰富有机素材又带我们绕回原地。有许多的天体生物学家热衷于把生命和宇宙扯上关系，他们主张原生汤可能是在外太空煮好的。然后，在距今四十五亿到四十亿年前之间，发生了长达五亿年的大规模小行星轰炸（月球和地球就是在这次事件中被打出了满身坑洞）。而这段期间，地球收到外太空慷慨馈赠的大量食物：原生汤。如果这样的汤确实存在过，那或许生命是从发酵一锅汤开始的。

然而，要把发酵作用当做最初的能量来源，还是会有一些问题。首先，正如我们所见，发酵作用不同于呼吸作用或光合作用，不会将质子泵送到膜的另一面。这造成了时间上的断层问题。如果所有用来发酵的有机物全都来自外太空，那在四十亿年前，小行星大轰炸结束之后，营养来源应该就会渐渐告罄。如果没有在耗尽所有可用原料之前发明出光合作用，或是任何其他从元素制造有机物的方法，那生命就会慢慢走向消亡。而在这里我们就碰到了一个时间轴上的问题。化石证据的迹证显示，地球上的生命至少在三十八亿五千万年前就出现了，而光合作用则是在三十五亿年前到二十七亿年前之间演化出来的（虽然最近有人质疑这些证据）。考虑发酵作用和光合作用之间的断层（这之间甚至没有任何中间步骤，看不到任何演化光合作用未果的失败者），这长达数亿甚至到十亿年的空白，就显得很尴尬。在没有其他能量来源的情况下，光靠小行星送来的有机分子能撑这么久吗？在我听来不太可能，特别是考虑到当时没有臭氧层，紫外线的照射很容易把复杂的有机物分解掉。

其次，如果你以为发酵作用简单而原始，那你就错了。这样的认知反映出我们的偏见，以为微生物的生化反应很简单，而这也是不对的；这种想法可以追溯到巴斯德的观点，他将发酵作用描述成是「无氧的生机」，暗示了它的单纯。但我们也曾看见巴斯德承认他对发酵作用的功能「毫无头绪」，因此他不能下定论说它是简单的。发酵作用至少需要一打的酶，而做为第一个，因此也会是唯一的能量供应方式，它可以被视为拥有不可化约的复杂性。我刻意使用了这个词汇，因为曾有一些生化学家用这个字眼，来主张生命的演化需要造物者的指引——生命的复杂性无从简化，必定是按照某种「智能设计」才有可能存在。我不同意这个观点，任何演化生物学家也都不会，然而只要有反对意见，我们就必须解决，而且有些时候异议也反映出我们的问题。以发酵作用来说，在RNA世界，没有其他能量供应的状况下，要演化出这些环环相扣的酶，而且还形成一个有功能的单位，真的让人很难想像。但是请注意，我特别强调了「没有其他能量供应」。我们要寻找一个符合「可以化约的复杂」的能量生成方式。所以，我们要对付的问题，不是发酵作用怎么会在没有其他能量来源的状况下演化出来，而是帮助它演化的能量是从哪来的。如果光合作用在稍晚才出现，发酵作用又太复杂，不可能在没有能量来源的状况下自行演化，那我们还有呼吸作用可以列入考量。呼吸作用有办法在早期地球演化出来吗？一般人否定这个问题的理由是，原始地球上的氧气非常少（请参考我的另一本书《氧：建构世界的分子》，其中有相关的讨论），但这并不构成障碍。呼吸作用还有其他的形式，可以用硫酸盐、硝酸盐甚至铁来取代氧——而这些作用都会泵送质子穿过膜。也因此，它们的基本机制和光合作用就更为接近，这暗示两者之间有可能有中间步骤。请注意，这里我说呼吸作用的出现早于光合作用，就像沃柏格在一九三一年所提出的一样。因此我们面临了一个问题：呼吸作用也有「不可化约的复杂性」吗？我会主张它不是，相反的，它几乎是原始地球环境下不可避免的产物。但在研究这件事之前，我们要先继续说明为什么发酵作用不是原始的能量来源，以下将进入最后一个，致命的反驳。

第三项反论，和地球上所有已知生物的最后共同祖先露卡（LUCA，Last Universal Common Ancestor的简写）的性质有关。一些有趣的数据指出，正统的发酵作用在露卡体内并不存在；如果发酵作用在露卡身上不存在，那便可以推测，自生命起源之后，凡是比露卡更早的生命形式，发酵作用也都不存在。这些数据的提供者是马丁，我们在第一部曾见过他。当时我们正在研究生命的三域分类——古细菌、细菌，和真核生物。我们看到，真核生物几乎确定是透过古细菌和细菌结合而诞生的。如果事实如此，那真核生物一定是三者之中相对比较晚近才演化出来的，而露卡就是细菌和古细菌两者的最后共同祖先。马丁便是采用了这个逻辑来思考发酵作用的起源。某种程度上，我们可以假设，细菌和古细菌所有共通的基本性质（例如通用的基因密码），都是继承自这名共同祖先；而所有主要差异，应该都是在那之后才演化出来的。例如光合作用（产生氧气）只有在蓝绿菌、藻类和植物身上发现。植物和藻类都只是沾光，它们行光合作用靠的是叶绿体，而叶绿体源自蓝绿菌。因此我们可以说，光合作用是在蓝绿菌身上演化出来的。最重要的是，光合作用没有出现在任何古细菌，或是任何其他种类的细菌身上，所以我们可以推断，光合作用的演化只发生在蓝绿菌身上，而且发生在细菌和古细菌分家之后。

同样的论点也可以套用到发酵作用。如果发酵作用是第一个演化出来的产能方法，那我们应该会在古细菌和细菌身上找到类似的生化途径，就像我们可以在两者身上看到通用的基因密码一样，都是继承自两者的共同祖先。相反的，如果发酵作用像光合作用一样，是之后才演化的，发酵作用就不会同时出现在细菌和古细菌身上，只会在一部分的分类身上看到。所以结果如何呢？答案很有趣，因为古细菌和细菌虽然都能发酵，但用来催化每个步骤的酶却不同。其中一些酶彼此之间完全没有关系。如果古细菌和细菌不是用同样的酶来进行发酵，那经典的发酵途径，应该就是在两域生物分家之后，才各自独立演化出来的。以上这就表示露卡不会发酵，至少就我们今日所知是不会的。而如果它不会进行发酵，那它一定是从别处得到所需的能量。我们被迫第三次做出同样的结论——发酵作用不是地球上最初的能量来源。生命必定是以别种方式开始的，原生汤的想法是错的，就算它没错，也跟生命起源扯不上关系。

第一个细胞

如果泵送质子穿过膜就像我所主张的，是生命的根本，那么基于同样的道理，它应该在细菌和古细菌身上都会存在。它确实是。细菌和古细菌都有呼吸链，呼吸链的组成也相似。两者都利用呼吸链泵送质子到膜的另一侧，产生质子驱动力。两者同样拥有ATP酶，其结构和功能基本上都很相似。

虽然在今天，呼吸作用比发酵作用复杂多了，但若是就两者的本质做比较，它则是简单多了：呼吸作用需要电子传递（基本上就是个氧化还原反应），一层膜，一个质子泵，和一个ATP酶；而发酵作用，需要至少十二个次第作用的酶。要在生命历史的早期演化呼吸作用，主要的问题是它需要一层膜（米歇尔本人也有意识到这点，他曾于一九五六年，在莫斯科的一次演讲中，讨论过这点）。现代的细胞膜很复杂，很难想像它们能够在一个只有RNA的世界里演化出来。当然，还有一些比较简单的替代品。但这些替代品的问题是，大多数的东西都无法穿过它们渗透。没有渗透性的膜会妨碍和外界的物质交换，进而阻碍代谢作用的进行，也因此扼杀了生命的可能性。已知露卡的呼吸作用似乎已有膜的出现，那我们是否可以从现代的古细菌和细菌身上推测，那是种什么样的膜呢？

在二〇〇二年，马丁以及格拉斯哥大学的罗素在伦敦皇家学会阐明了这个问题，而它的答案揭露了一个意义深重的惊人分水岭。细菌和古细菌的细胞膜，都是由脂质构成，但除此之外，就没有任何共通点了。细菌的膜脂质，是由疏水性（油性）的脂肪酸透过一种名为酯键的化学键，连接着亲水性（喜欢水）的头部所构成。相较之下，古细菌的膜脂质，是由异戊二烯这种分支状的五碳单元体彼此相连所形成的聚合物。异戊二烯单元体形成无数的交叉链结，使古细菌的膜拥有细菌所没有的坚硬质地。而且，这些异戊二烯链是用另一种化学键连接亲水性的头部，这种化学键称为醚键。细菌和古细菌膜上的亲水性头部都是由磷酸甘油所构成，但分别使用了不同的镜像异构物。彼此之间就像左右手的手套一样，不能互换。你可能会觉得这样的差别微不足道，但请记住，所有构成脂膜的成分，都是细胞运用特定的酶，经过复杂的生化途径制造出来的。既然这些成分不同，制造它们时所需的酶也会不同，用来表现这些酶的基因因此也会不同。

细菌和古细菌的细胞膜在构造和基本成分上有着根本性的差异，因此马丁和罗素得到了一个结论：最后共同祖先露卡不可能拥有脂膜。脂膜必定是它的后代后来各自演化出来的。可是如果它会实行化学渗透，就像我们所认为的那样，那么露卡必定拥有某种膜，它才有办法把质子泵送到特定一侧。如果这层膜的成分不是脂质，那它会是由什么构成的呢？马丁和罗素给了我们一个激进的答案：他们说，露卡可能拥有无机物的膜——一层薄薄的铁硫矿物所形成的泡泡，圈出了一个极微极小的细胞，里面装满有机分子。

根据马丁和罗素的说法，铁硫矿物催化了最早的有机反应，制造出糖、胺基酸和核酸，最终，或许还制造出了稍早说过，可以受天择筛选的「RNA世界」。他们的皇家学会论文对于当时可能发生的诸多反应，提出了详细的见解；不过我们会把讨论范围控制在和能量有关的部分，而光是这个部分，就已经够深奥了。

金甲部队

黄铁矿（愚人金）之类的铁硫矿物可能曾在生命的起源中扮演某种角色，这样的想法可以追溯到七〇年代，当时有人在海面下三公里处发现了「海底黑烟囱」。海底黑烟囱是深海热泉的喷口——巨大，抖动的黑柱，在海底的高压中被加热到极致，向四周的海水翻腾着「黑烟」。这些「烟」的组成物包括火山气体和矿物质，其中也含有铁和硫化氢，它们会在环境水域中形成铁硫矿物质的沉淀。最大的惊喜是烟囱里竟充满了生命，虽然这里温度和压力都很高，而且位在绝对的黑暗里。这里有一个完整的生态系，欣欣向荣，它们从海底热泉直接获取能量，明显不用依靠太阳。

铁硫矿物有能力催化有机反应，它们今天仍在许多酶的辅基中（如硫铁蛋白），实际进行着催化的功能。德国化学家魏特豪瑟（他同时也是一名专利律师）发展了一套理论：铁硫矿物可能在生命的诞生中扮演了助产士的角色。它在地狱般的黑烟囱环境中，催化二氧化碳还原成丰饶的有机分子，迎来了生命。这一系列精采的论文在八〇年代末到九〇年代期间发表。一位学者曾经惊呼，阅读这些文章时，感觉就像意外发现了一篇从二十一世纪末搭时光机来到当代的科学论文。

魏特豪瑟构思，这些最初的有机反应发生在铁硫矿物的表面。他的想法似乎获得了演化树的支持，根据演化树，超嗜热生物（生长在高压焦热环境的微生物）不论是细菌或古细菌，都被划归在几个最古老的分类之下。然而，不久前这种遗传证据受到了杜维等人的质疑，而魏特豪瑟推测的反应也在热力学的基础上被拿出来批评。最重要的一点可能是，海底黑烟囱的故事没有办法解决稀释的问题。前驱物一旦在结晶体的二维表面上完成了反应，它们便会脱离，不受约束地扩散到海洋深处。它们不受任何牵制，除非它们不脱离表面；然而要在矿物表面的固定位置演化出讲求流动的生化循环，实在令人难以想像。

在八〇年代罗素提出了另一套想法，自此之后一直进行着修饰改良，并在最近开始和马丁合作。罗素对巨大、凶恶的黑烟囱兴趣比较低，他更有兴趣的是那些活动较轻微的火山渗漏口。爱尔兰的泰纳有个高龄三亿五千万年的黄铁矿矿床，该处就是这样的一个渗漏口。这些矿物形成很多笔盖大小的管状构造，还有泡沫状的沉积物，罗素推测，孵育最初生命的场所可能和这些矿物泡泡很相似。他说，这样的泡泡，可能是两种化学性质不同的液体混合时所产生的：一种是从地壳深处渗出，还原的、碱性的热水；还有一种是含有二氧化碳和铁盐，相对氧化、相对酸性的上层海水。两者混合的区域，会产生出形似显微泡泡的膜状铁硫矿物沉淀，如黑烟硫铁矿（Fes）。

这不只是个推测。罗素和他长久以来的合作者霍尔，在实验室进行了模拟。罗素和霍尔将硫化钠水溶液（代表从地球的脏腑渗出的热泉液体）注入氯化铁水溶液（代表早期的海洋）中，制造出一群显微层级大小的泡泡，一个个都是由铁硫矿物膜包裹而成（图8）。这些泡泡有两个引人注意的特征，使我相信罗素和霍尔思考的方向是正确的。第一，这些小泡细胞天生具备化学渗透性，外侧比内侧来得酸。这样的情况和雅根朵夫—乌里维的实验类似，当时这项实验证明膜内外的pH值差异就足以生成ATP。既然罗素的小泡细胞天生具备pH梯度，那么只差在膜上装个ATP酶就可以产生ATP，这在演化上当然会比变出整套有效的发酵途径简单不知几千几万倍！如果走向生命起源的第一步，需要的不过是一个ATP酶，那即使瑞克很有先见之明地将ATP酶描述成「生物学的基本微粒」，他本人也不会料想到这竟有更深一层的含义。

图8 拥有铁硫细胞膜的原始细胞。

（a）来自爱尔兰泰纳，高龄三亿六千万年的古老铁硫矿物（黄铁矿），此为其薄层切面的电子显微图。

（b）将代表热泉液体的硫化钠（NaS）溶液，注入代表富含铁的早期海洋的氯化铁（FeCl2）溶液。电子显微图中显示出实验室模拟下形成的构造。

第二，泡泡膜上的铁硫结晶能导电（今天仍存于线粒体膜上的铁硫蛋白也是如此）。从地函涌上来的还原性液体富含电子，而相对氧化的海洋则缺乏电子，使得膜内外建立起数百毫伏特的电位差——这个数值和今天细菌膜上所带的电压颇为相似。这电压会刺激电子穿过膜，从一个膜隔间流动到另一个。更重要的是，带负电的电子流动，会吸引内侧带正电的质子，创造出一个质子泵机制。

铁硫小泡不只提供了持续的能量来源，还可以被用来当做迷你的电化学反应器，催化基础生化反应，并使反应产物集中起来，不致扩散。生命的基本建材，包括RNA、ADP、简单的胺基酸和短肽链等等，可能都是借着铁硫矿物（或许还有沉积黏土）所具备的催化特性，透过魏特豪瑟所描述的反应被制造出来的，但它有两个好处是魏特豪瑟的黑烟囱所没有的——有膜可以浓缩产物（防止它们远远扩散到海洋深处），而且有质子梯度可做为自然的能量来源。

生命

这一切听起来难以置信吗？上一章中我曾暗示，生命的起源没有真核生物的演化那么不可能。想想现在发生在我们周围的事情。这样的环境条件在早期地球上肯定不会很稀奇。当时的火山活动推测是现在的十五倍。当时地壳更薄，海洋更浅，地球板块才刚刚形成。当时地表一定到处都是火山渗漏口，更不用说是比较激烈的火山活动。只要地壳深处产生的火山液体以及海洋之间，在氧化还原态和酸碱度上有所差异，形成数百万个铁硫膜包成的微小细胞不是问题——而这个差异确实存在。

在罗素的设想中，早期的地球就是一个巨大的电化学电池，仰赖太阳的能量氧化海洋。紫外线会分解水并且氧化铁。氢气被从水分子中释放出来，它们非常轻，地心引力抓不住它，因此便消散在宇宙中。相对于地函较为还原的状态，海洋变得愈来愈氧化。根据化学的基本原理，两者混合的区域势必会形成天然的细胞，而这些细胞本身就具备了化学渗透和氧化还原这两方面的梯度。当时潮汐变化很大，因为月亮刚形成时离地球比较近，引力也比较大，而海浪较大也会助长混合的进行。我们几乎可以确定这样的细胞确实在当时形成了，规模还很大。而且我们可以实际看到它们的地质学遗迹，出现在像泰纳这样的地方。从这里要进展到形成一只细菌还有很长的一段路，不过拥有这样的条件是个好的开始。

在当时，这样的必要条件不仅很有可能出现，而且还是稳定而持续存在的。形成这些条件唯一需要的就是太阳的力量，不用仰赖光合作用或发酵作用之类的麻烦发明。太阳要做的只是氧化海洋，而我们知道它一定会。天体生物学家考虑了各式各样的能量形式——小行星撞击、地热、闪电——奇怪的是，太阳的力量虽然在史前神话中常常出现，却时常被科学家忽略。正如杰出的微生物学家哈洛，在他的经典文章〈左右生命的力量〉（我替第二部下了同样的标题，向他致敬）里所说：「我们不禁怀疑，这遍布地球的能量巨河，在生物学中扮演的角色，比当代哲学所知的还要更重要：这倾盆而来的力量或许不只是让生命得以演化，还从虚无中召唤了它的出现。」

数十亿年来，太阳提供稳定的能量来源，替我们偿还亏欠热力学第二定律的债务。它创造了化学上的不平衡，并促使了天然的化学渗透性细胞形成。这些细胞的原始风貌，依然忠实地重现在今天所有细胞的基本性质上。有机的细胞和无机的细胞，都是靠着一层膜界定出它们的范围，实质地圈起细胞的有机成分，不让它们扩散到海洋中。它们两者的化学反应都由矿物质进行催化（矿物质在今天是以辅基的身分被嵌在酶中）。对两者来说，膜既是屏障，也是能量的载体。两者都是靠一种化学渗透梯度——外侧是酸性带正电；内侧则相对碱性，带负电——取得能量。两者都是靠氧化还原反应、电子传递，和质子泵来重建梯度。当细菌和古细菌终于离开它们的托育所，朝广阔的海洋展开冒险时，它们身上都带着彰显自己的出身，不容错认的印记。今天它们仍骄傲地展示着这个印记。

然而这个呼应生命起源的印痕，也是生命最重大的限制。我们可能会想问，为什么细菌没有演化成细菌以外的东西？为何细菌演化了四十亿年，却从未成功产生一个真正拥有多细胞，有智慧的细菌？说得更精确一点，为什么真核生物的演化是由古细菌和细菌结合而完成，而不能只由某一支有优势的古细菌或细菌，逐步累积复杂度就办得到的呢？在第三章里，这存在已久的谜题将会获得解答，我们也将从化学渗透这种产能方式的基本特质之中，明白为何真核的血脉能以惊人的势态开枝散叶，发展出植物和动物。

2024-07-06 16:35:47