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什么是活着？

它是一个冷血的杀手，身怀精心算计好的熟练技巧，这可是磨练了数百万年的成果。它可以干扰生物复杂的免疫监视系统，也可以像个双面谍一样，悄然隐身在背景中，毫不引人注意。它可以辨认细胞表面的各种蛋白质，像个内部工作人员一样的贴上去，打开进入细胞内部圣堂的入口后，精准无误的直驱细胞核，让自己混入宿主的DNA中。有的时候，它可以匿迹其中不动声色好几年；其他时候，则会毫不犹豫地出手，破坏宿主的生化系统，利用它来复制出好几千个自己的替身。它会将这些替身穿上伪装的脂质与蛋白质，把它们运送到细胞表面，撑破细胞而出，让它们开始重新开始另一轮狡狯的破坏攻击。它们可以只把细胞一个接着一个杀掉，也可以造成毁灭性大流行，把人类一个接着一个地杀死。又或者，可以在一夜之间，瓦解海洋中蔓延几百公里的藻华。尽管大部分的生物学家，都不把这些「病毒」（virus ）视为有生命的，但是它们可是一点也不在乎。

为何我们不认为病毒是「活着」的？因为它们没有独立而主动的代谢机能，必须完全仰赖宿主。这就带给我们一个问题：代谢能力，是生命必要的属性吗？大家都会不假思索的说：「是」，但是为什么？若说病毒使用环境中唾手可及的材料，来自我复制，我们又何尝不是？我们吃其他的动物与植物，呼吸空气中的氧气。一旦把人类与环境隔绝，举例来说，把一个塑胶袋套在头上好了，那我们最多只能活几分钟而已。论者大可说，我们也跟病毒一样，是寄生于环境之中。植物也是如此。植物依赖我们的程度，其实跟我们依赖它们的程度差不多。为了要透过光合作用来制造有机分子，让自己生长，植物需要阳光、水跟二氧化碳（CO2 ）。不毛的沙漠跟阴暗的洞穴，都不适合植物生长；同样的，缺少二氧化碳，植物也无法生长。植物之所以从不缺乏二氧化碳的原因，是因为动物（以及真菌还有数种细菌），会持续地消化有机分子，把它们打碎、燃烧，最后形成二氧化碳，释放回大气中。人类大量燃烧消耗化石燃料，会为整个星球带来可怕的后果，但是对植物而言，它们却会非常感激，因为愈多的二氧化碳代表愈多生长。所以，植物也跟我们一样，寄生于它们的环境之中。

从这个观点来看，动物、植物跟病毒之间的异同，不过就是受惠于环境多少而已。在我们细胞里面，病毒可是像回到温暖的子宫里面一样受尽宠爱，这个世界，可以提供任何它想要的东西。因为周围环境中的资源是如此丰富，病毒可以让自己简化到不可思议的地步，梅达瓦爵士（Peter Medawar ）曾这样形容病毒：「就只是一片蛋白质外衣里面，包着一条坏消息而已。」与病毒完全相反的例子是植物，它们对周遭的环境需求非常少。只要有阳光、空气跟水，植物几乎可以在任何一个地方生存。为了要达到降低环境需求，驱使它们的内部系统就变得极为精致化。从生化学的角度来看，植物甚至可以从空气中撷取稀薄的原料，合成所有生长所需的物质。至于我们人类，则是介于两者之间。除了日常进食的需求以外，我们的饮食中还必须含有几种特定的维生素，如果没有的话，我们可能会死于像是坏血病这种可怕的疾病。人类没有办法从一些简单的母质中，自行合成维生素，因为在演化的过程中，我们丧失了生物祖先从原料合成维生素的整套生化工厂。如果没有外部支援维生素的话，我们也会像失去宿主的病毒一样，走向毁灭。

所以我们一样需要环境的支援，问题只是，有多需要？事实上，病毒跟某些寄生性DNA的关系，非常复杂。这些DNA的寄生虫，像反转录转位子（retrotransposon ，又叫跳跃基因，jumping genes ）这类的片段，总是让宿主睡不安宁，因为它们会自我复制，随意安插在宿主基因体里任一处。还有像质体（plasmid ）这种独立的环状DNA ，只带着极少基因，可以从一个细菌直接传给另一个细菌（透过非常小的连接管），因此可以完全无视外在环境。那么，反转录转位子、质体，还有病毒，它们算是活着的吗？它们全部都为了复制自己，会施展「目的性」十足的诡计，占尽周围生物环境的便宜。很显然地，在「活性的」与「没有生命」之间，是一段连续的光谱，硬要去画出一条界线，其实并没有意义。大部分人对于生命的定义，都着重在生物本身，而倾向忽略生命对环境的寄生性。比如美国太空总署对生命的「工作定义」就说：「生命是能够自给自足、同时进行达尔文式演化的化学系统。」这包不包含病毒呢？大概没有吧。不过这要看你如何解读那段模棱两可的「自给自足」。不过不管如何解读，似乎都没有强调，生命对于环境的依赖性。环境，从本质上来讲，是自外于生命的；然而我们将会看到，事实上根本不是这样，环境与生命，永远是携手并进的。

如果把生命跟它赖以为生的环境切断，会发生什么事？我们会死亡，还用说吗？我们不是活着，就是死掉。不过其实也并非总是如此。当病毒离开宿主细胞，缺少资源时，它们并不会马上腐坏然后「死亡」；事实上，病毒对外面世界的破坏，还满有抵抗力的。在每一毫升海水里面，病毒的数量是细菌的十倍之多，它们就静静的浮在那里，等待适当时机到来。病毒抵抗腐化的能力，跟细菌的孢子很像；孢子可以长达数年之久，维持着让任何生命迹象都暂停的状态。孢子也可以存活在永冻层中好几千年、甚至可以活在外太空中，而新陈代谢完全停滞。它们还不是唯一有这种能耐的东西，很多种子也可以，甚至一些动物如缓步动物（tardigrades ），也可以忍受极端环境，比如像完全脱水干燥的地方、辐射剂量高达人类致死剂量数千倍的情况下、深海底下压力极大的环境，或是完全真空的太空中；这些地方，一样既没有水也没有食物（译注：缓步动物属于缓步动物门，一般又俗称水熊虫）。

为什么病毒、孢子跟缓步动物，不遵守大自然的法则，由热力学第二定律所主宰的，因腐化而碎成一片片呢？或许，如果它们被宇宙射线直接烤焦，或是被公车碾过去，也是会碎成片片；但是在其他的情况下，它们却可以稳定地维持着无生命状态。这或许解释了一些，关于「生命」跟「活着」之间的差异。确切的说，孢子并不算是活着的，即使大部分的生物学家，都会认为它是「有生命的」，因为它们仍保有活过来的潜力。因为它们会活过来，所以它们没有死。因此，我认为我们对病毒，也应该一视同仁，因为一旦回到合适的环境下，病毒也可以马上开始自我复制。缓步动物也一样，生命跟身体结构比较有关（而结构一部分是由基因跟演化所决定）；但是要活着，也就是要有生长跟繁殖等行为，则跟环境比较有关；那是环境如何跟身体结构互动的问题。对于基因如何编码出细胞的各种成分，我们知之甚详，然而，对于物理性限制，如何主宰细胞的构造跟演化，却知之甚少。

能量、熵，以及构造

热力学第二定律主张，熵，也就是系统混乱的状态，只增不减。因此乍看之下，孢子或是病毒可以处于这么稳定的状态，实在非常奇怪。熵跟生命不一样，熵有非常准确的定义，也可以测量（如果你要问的话，它的单位是焦耳／绝对温度／莫耳）。假设我们拿一颗孢子，把它磨成粉，把它磨碎到分子状态，再去测量它的熵是否改变。结果呢？熵必定会增加吧？原本是一个完美有秩序的系统、是一个一旦找到合适的环境，就可以活过来的状态，现在却变成毫无功能的碎片，根据定义，现在应该是「高熵」。但是其实不是！根据生物能量学家巴特利（Edwin H. Battley ）的精心测量，熵几乎没有改变！这是因为，要计算熵的话，除了孢子以外，还有其他东西必须考量；我们必须把环境也考虑进去，而环境中也有一定程度的混乱。

孢子是由相互作用、却又配合得恰到好处的部分所组成。它被一层油性膜（脂质）包覆着，把水分很自然的隔绝在外；这是不同分子之间的交互作用力使然。如果你把油性的脂质跟水混在一起，摇晃一下，脂质会自然地聚集成一种脂双层的膜状构造，形成许多小滴，把水包在小滴里面；为何会如此？因为这是它们最稳定的状态（译注：脂双层（lipid bilayers ）是脂质形成的双层构造，跟第一章提到细胞核的双层膜（nuclear membrane ）不一样。第一章提到的双层膜，每一层都是一片脂双层）。同样的道理，漂在海上的浮油，也会自然形成薄薄的一层膜，盖在海面上，绵延好几平方公里，造成严重的生态浩劫。我们常说，水跟油不互溶，这是因为分子之间的斥力与拉力，让它们比较喜欢跟自己人在一起，而不愿意跟对方互动。蛋白质也有类似的性质：带电比较多的蛋白质分子，会溶于水；不带电的蛋白质溶于油，这时我们会说它有「疏水性」（hydrophobic ），意思其实就是说它们「讨厌水」。当油分子自己聚集在一起，或是当带电的蛋白质分子溶于水时，会释放出能量：这时候的物质，在物理上就处于一种稳定而低能量的「舒适」状态。能量会以热的形式释放出来，而所谓的热，就是分子运动、互相碰撞，也就是分子失序的状态。这就是熵。因此，当油水自动分离时，会释放出热量，增加周围的熵。所以，若是从整体的熵来看，考虑所有分子之间的互动，当细胞被排列整齐的油性膜围绕时，虽然整体看起来比较有秩序，但是其实比起互相不溶的分子随意排列，要有更高的熵。

把孢子磨碎，整体的熵却几乎不会增加。那是因为，虽然压碎的孢子本身处于混乱的状态，但是它每个成分，现在的能量却比以前更高：油跟水混在一起、互不相溶的蛋白质被硬塞在一起，要维持这种从物理上来看「不舒服」的状态，需要消耗能量。如果物理上舒适的状态，会让分子把能量以热的形式，释放到环境中，那么不舒适的状态，则会反其道而行：它们要从环境中吸收能量，冷却环境并降低熵。在恐怖故事作家笔下那些令人打冷颤的情节，就很有这种味道：鬼魂、恶灵以及催狂魔，都会瞬间让周围环境变冷，甚至结冻；它们会吸走所有能量，来维持它们违反自然的存在。

在孢子的例子里，当把所有条件都纳入考虑，整体的熵几乎不改变。从分子的角度来看，形成了聚合物，可以将局部的能量降到最低，多余的能量，都会以热的形式，释放到周围环境中，增加环境中的熵。所以，蛋白质一般都会自己折叠成能量最低的形状：它们会把疏水的部分包在里面，远离会跟水接触的表面。带电的部分，会互相吸引或排斥，比如带正电的部分，会被带负电的部分固定住，这样可以维持三维结构的稳定性。因此，蛋白质总是会自动扭曲成特定的形状，虽然，有时候未必是好事。比如普里昂蛋白（prions ，译注：造成狂牛症跟人类库贾氏症的病原），就是本来完全正常的蛋白质，经过重新折叠之后，变成半晶质的构造；这个构造又可以作为模板，继续去折叠其他正常的普里昂蛋白，而整体的熵几乎一样。一个蛋白质，可能会有好几种折叠法，都处于稳定状态，但其中只有一种对细胞来说有用；可是从熵的角度来看，这几种折法几乎没有差异。或许，最令人惊讶的事实，莫过于一大锅散乱的氨基酸（组成蛋白质的材料），跟折叠好整齐漂亮的蛋白质成品，在熵上面，也几乎没有差异。解开蛋白质，让它们回到原本满锅的氨基酸状态，虽然会增加熵，但是，这样也会让疏水性氨基酸暴露在水中；这种违反自然的不舒服状态，会吸收环境里的热能，跟刚才一样，或许我们可以称其为「恶灵效应」。不过如果要说生命处于低熵状态，也就是说，比一锅散乱的原料，要来的更有组织，其实也并不完全正确。生命会有规则跟组织，其实并不仅仅只是因为环境中的熵增加了而已。

所以，当薛丁格说，生命从环境中「吸吮」负熵的时候，他的意思是，生命吸收了环境中的「秩序」。然而，即使一堆氨基酸跟折叠好的蛋白质，都有一模一样的熵，仍然有两个问题，让氨基酸未必会形成蛋白质，所以还需要加入额外的能量才行。

首先，一堆氨基酸不会自动自发地接在一起，形成一条长链。蛋白质虽然是氨基酸长链，但是氨基酸本身反应性并不好。细胞要先活化它们，才有办法把它们接起来。只有活化了之后，氨基酸才会接成一串链子。连接起来的氨基酸，会释放出跟刚刚活化时差不多的能量，因此，反应前后的熵会差不多一样。当蛋白质折叠起来的时候，能量会以热的形式散逸到环境中，增加周围的熵。因此，在反应前后两个相等的稳定态之间，有着一道能量障壁（energy barrier）。这个意思代表了，要形成蛋白质并不容易，但是要降解它们也不容易。要经过一番努力（用消化酵素），才能把蛋白质拆回原来的零件。我们必须要知道，有机分子倾向彼此作用、去形成一个像是蛋白质、DNA或是细胞膜之类的大分子，其实并不比火山岩浆在冷却后形成矿物结晶，要来得神秘到哪去。如果有足够具有反应性的材料，形成那些大分子，将会是万物最稳定的状态。真正的问题其实是，这些有反应性的材料，来自何处？

这就是第二个问题了。就算在今日的环境下，要找到一堆活化过氨基酸，也不容易。如果放着不动的话，活化的氨基酸会慢慢跟氧气作用（也就是「氧化作用」），然后变成一堆混合气体，像是二氧化碳、氮气、二氧化硫，还有水蒸气等。这也就是说，要形成氨基酸，首先要灌注能量进去，而当它们降解的时候，会把这些能量释放出来。这也是为何即使饥饿了好一段时间，我们仍然可以借着把肌肉里面的蛋白质分解，当作燃料使用来生存。这些能量并非来自蛋白质本身，而是来自燃烧蛋白质的零件，也就是氨基酸。因此，种子、孢子还有病毒，在今日这个充满氧气的世界中，其实并非全然稳定。随着时间过去，它们的组成分子，会慢慢地跟氧气反应（也就是氧化反应），长此以往，会渐渐侵蚀它们的结构与功能，最终让它们即使到了适当的环境中，也无法回春发芽。这样，种子就死了。不过假设改变大气组成，将氧气完全隔绝开来，它们确实可以永远维持稳定。在这个全球产氧的环境中，有机物其实是「失去化学平衡」的，它们平常倾向被氧化，除非我们主动地阻止氧化反应（不过在下一章里面，你会看到其实并非总是如此）。

所以在正常情况下（有氧气存在时），要从简单的分子，像是二氧化碳跟氢气，去合成生物原料像是氨基酸、核苷酸，需要消耗能量。接着，又要再消耗能量，去把它们连接起来，形成长链聚合物（氨基酸变成蛋白质，核苷酸变成DNA ）。在这些反应的前后，熵的改变极小。合成新的材料，把它们连起来，生长，复制，这样才算是活着。生长，同时也代表了要主动把细胞里各种资源，运进运出。所有这些行为，都需要持续的能量流动，也就是薛丁格说的「自由能」。他所提出的方程式，是一个既经典又简单的。这方程式将熵与热跟自由能连结在一起：

Δ G = Δ H – T Δ S

这些符号代表什么意思？三角形的希腊字母Δ（delta ）代表了变化。Δ G就是「吉布斯自由能」（Gibbs free energy ）的变化。这个名字，是根据十九世纪伟大却避世隐居的美国物理学家吉布斯（J. Willard Gibbs ）来命名。这是一种「自由」的能量，可以用来作机械功，比如让肌肉收缩，或是任何细胞内部的运动，皆属此类。Δ H则代表了热量改变，热量会被释放到周围环境中，加热它们，同时增加熵。一个会放出热量的反应，必定会让反应系统本身冷却，因为现在系统里的能量比反应前要少。所以，当能量释放出来之后，从反应系统的角度来看，Δ H会是负值。T就是温度，它的重要性视环境而定。将热量释放到较冷的环境中，对这个环境影响很大，同样的热量，释放到较温暖的环境中，影响就比较小，这是因为同样的热量，相对于冷的环境来说，是比较大的输入。最后，Δ S就是系统里面熵的变化。当系统的熵减少、变得比较有秩序时，Δ S是负值；反之则是正值，系统也变得混乱。

基本上，任何自发性的反应，它的自由能变化Δ G ，必定是负值。对于维持生命所需的各项生化反应，加总起来之后，也必须如此。这也就是说，只有当Δ G是负值时，反应才会自动发生。要达成这个目标，或者系统中的熵要增加（系统要变得更为混乱），或者系统必须失去能量（以热的形式），或者两件事同时发生才行。既然如此，当系统放出大量的热到周围环境中，系统的Δ H呈现极大的负值时，局部的熵是可以增加的（系统内变得更为有秩序）。最重要的一点就是，要驱动生长与繁殖（而这就是生命！），一定会有一些反应，持续地将热量释放到环境中，让外界更为失序。想想看天上的星星，为了维持自身有秩序的存在，它们必须释放出大量的热到宇宙中。至于我们，为了维持生存，我们必须持续藉由呼吸作用释放产生的热量。我们持续利用氧气燃烧食物，排热到环境中。这些损失的热量并非浪费，它们是维持生命所必需。丧失的热量愈多，生物才愈可能变得复杂 。

情况适合的话，细胞里面所有的反应，都会是自发的，也都会自己发生，Δ G将永远是负值。从能量的角度来看，这一直都是能量下坡。然而，这也表示反应起点的条件，必须非常高。就制造一个蛋白质来说，这难以达成的起点，就是必须在很小的空间里，收集到足够活化的氨基酸。当它们连接起来并且折叠成蛋白质时，会释放出能量，增加环境中的熵。其实活化的氨基酸，只要有足够、适当且被活化的前驱物，是有可能自动生成的。而这些足够、适当且被活化的前驱物，只要在一个高度反应性的环境中，也可以自动合成。所以到头来，生长的力量，其实是来自环境中的反应性，这股力量不间断地流过活生生的细胞。对我们来说，这股力量就是食物与氧气，对植物来说，就是光线中的光子。活细胞利用这股持续不断的能量流，一边生长，一边抵抗倾向分解的命运。它们利用各种精巧的构造，来完成这些工作，而这些结构，基因决定了其中一部分。不管这些构造是什么，它们就是生长与繁殖的成果，也是天择与演化的成品。可是如果没有环境持续供应能量流的话，这些都不可能发生。

生物能量的范围相当狭窄，令人好奇

生物需要大量的能量来支持他们的生存。所有生物都使用的能量「货币」，是一个叫做ATP的分子，这是三磷酸腺苷（adenosine triphosphate ）的缩写（不过你们不需要去记这个名字）。ATP作用的方式，就像硬币之于吃角子老虎机一样。它可以让吃角子老虎机运作一次，然后机器会马上停止。这台「机器」，通常是一个蛋白质。ATP会改变机器的状态，有点像是把开关往上或往下推。对蛋白质而言，这个改变，通常是将它从一种稳定的状态，变形到另一种状态。要推回去的话，需要第二个ATP，就好像你要再投入第二枚硬币，才能让吃角子老虎机再动一次。想像一下，把细胞当成一座大游乐场，里面全部都是蛋白质机器，靠着持续投入硬币运作。一颗细胞，每一秒钟大约要消耗一千万枚ATP硬币呢！这是很惊人的数字。人体大约有四十兆个细胞，全部加起来的话，我们一天要用掉六十到一百公斤重的ATP分子！这大约跟我们的体重差不多重了。但是事实上，我们全身大概只有六十克的ATP ，因此可以计算出，每个ATP ，大约每一分钟会被「重新充电」一到两次。

重新充电是什么意思？当ATP被劈开的时候，会释放出自由能，可以改变蛋白质的形状，同时也释放出足够的热能，让Δ G维持负值。ATP通常会裂解成大小两部分，大的叫做ADP （adenosine diphosphate ，二磷酸腺苷），小的是无机磷酸盐（PO43- ）。无机磷酸盐就是肥料的成分，通常也写作Pi 。因此，要把Pi跟ADP重新组合成ATP ，需要消耗能量。呼吸作用，也就是用氧气燃烧食物，所产生的能量，就是用来把ADP跟Pi重新组合成ATP 。这就是帮ATP充电。这个永无止境的循环，可以写成下面这个简单的方程式：

ADP + Pi +能量⇆ ATP

跟其他生物比起来，人类并没有什么特别的。像大肠菌这样的细菌，每二十分钟就可以分裂一次，供应它们每分裂一次所需的燃料，大约是五百亿个ATP ，这约是大肠菌自身重量的五十到一百倍呢！它们合成ATP的速率，也比人类细胞快了四倍之多。如果把这些能量，用瓦特来表示的话，数字也同样惊人：我们每一克组织，要用掉两毫瓦的能量，如果以平均成人重量六十五公斤来算，就是一百三十瓦，大约比一般一百瓦的灯泡，要多一点点。这看起来好像并不多，但是如果从每克组织来看，这数量可比太阳放出的，多了一万倍（太阳只有很小一部分，无时无刻不在进行着核融合反应）。与其说生命是燃烧的蜡烛，还不如说是一座火箭发射器。

从纯理论的观点来看，生命一点也不神秘。它并没有违反任何一条自然律。每一秒钟流过细胞的能量，虽然极为庞大，但是同时间从太阳──以阳光的形式──倾泻到地球上的能量，却又比这些能量高了好几个数量级（因为太阳实在是太大了，所以尽管每一克的能量比较低，总量还是很大）。只要这些能量，能分出一小部分，来驱动生化反应，任谁都会认为，生命应该可以透过任何一种形式来运作吧？在上一章中，我们提过了，遗传资讯似乎没有什么基本限制；关于能量也一样，只要量够的话，如何使用似乎也没有任何基本限制。然而事实上却是，地球上的生命，严重地受到能量的限制，这才是最令人讶异的地方。

关于生命与能量的关系，有两件事情相当出人意料。首先，所有细胞的能量，都是来自于一种相当特殊的化学反应，我们称为氧化还原（redox ）反应，它的特征，就是电子从一个分子跑到另一个分子身上。氧化还原反应，其实是「氧化反应与还原反应」两者一起。它只是一个电子或多个电子，从一个供应者转移到一个接受者身上的反应。当供应者丢出电子时，我们说它被氧化了。这正是像铁这样的物质，跟氧气结合时所发生的反应：它们把电子传给氧气，让自己被氧化成铁锈。在生锈的例子里，接受电子的物质是氧气，我们说它被还原了。在呼吸跟燃烧的反应里面，氧气（O2 ）被还原成水（H2O ），因为每一个氧原子，都会得到一对电子（让它们变成O2- ），再加上两个质子，把电荷平衡到零。这反应之所以可以发生，因为在反应过程中会放出热，增加外界的熵。其实所有的化学反应，最终都会降低反应系统自己的能量，同时增加环境里的热量；铁或是食物跟氧气的反应，就是最好的例子，它们会放出大量的热（跟火一样）。呼吸作用会把反应所释放出来的能量，以ATP的形式，短暂地保留一部分下来，直到ATP再度裂解为止。ATP的能量，被储存在ADP-Pi的键结中，当这个键结断裂开时，能量就以热的形式释放出来。所以到头来，呼吸作用跟燃烧，所放出的能量是一样的，而介于两者之间，稍许延迟的，就是我们所称为生命。

因为电子跟质子，常常用这种方式结合在一起（但有例外），因此还原反应，也常常被定义成：氢原子的转移过程。但是其实从电子的角度来考虑，会比较容易理解还原反应。一系列的氧化还原反应连在一起的话，就像是把电子，从连成一串的携带者手中，一个一个传下去；这跟电子在电线里面流动，其实相差无几。呼吸作用就是如此：食物中的电子，并不会一下子就传给氧气，否则能量就会一下子全部被释放出来了。它会先被传给一个「踏脚石」分子，这个分子，通常是一种叫作铁硫簇（iron-sulphur cluster ）的小小无机结晶，里面有一个带正电荷的铁离子（Fe3+ ）；好几个铁硫簇，嵌在一个呼吸蛋白质中。

从第一个开始，电子会跳到下一个构造类似的铁硫簇，不过这次这个结晶比上一个又更「想要」电子。当电子从一个结晶跳到下一个结晶时，每个结晶都会轮流先被还原（先接受电子，Fe3+变成Fe2+ ），然后再被氧化（失去电子之后，Fe2+变回成Fe3+ ）。在这样跳过至少十五次之后，电子最后才会被传到氧气手中。各种生物生长的方式，像是植物的光合作用，与动物的呼吸作用，乍看之下好像没什么共通点；但是细细检视之后，会发现它们基本上都使用这种把电子传来传去的「呼吸链」系统。为什么会这样呢？生命理当可以由热能或是机械能驱动，或者是由辐射能、电能、紫外线……等能量驱动。可能性如此之多，但是所有生命，却都是由透过极为相似的呼吸链，由氧化还原反应所驱动。

生命与能量第二件出人意料的事情，则是关于这些能量，如何被锁在ATP分子键结中的详细机制。生命并不直接使用化学能，相反的，它们在一张薄膜两侧，制造质子的浓度梯度，然后去合成ATP 。等一下我们再来看看，这个机制是如何运作，以及它所代表的意义。现在先想想，还记得之前提过，这个奇怪的机制，完全超出科学家的预期吗？根据分子生物学家欧戈（Leslie E. Orgel ）的说法：这是自达尔文以降，最反直觉的想法了。今天我们对于质子梯度如何形成、如何维持、分子机制为何，早已了若指掌。我们也知道，使用质子梯度，是地球上所有生物的共通点，利用质子发电，几乎就跟通用遗传密码DNA一样，是生命最基本的模式。但是对于这个机制如何演化出来，我们却一无所知。看起来，不知道为什么，地球上的生命，似乎选择了一种，非常局限又诡异的产能机制。这个机制反映的是历史的怪僻？抑或是这个机制，因为比其他机制要优秀太多，以至于后来胜出？或者，更令人好奇的是，难不成这是唯一的出路？

让我们假想摇摇晃晃的跑进身体里面，拿心肌细胞为例好了，看看到底发生了什么事。这些细胞，靠的是从线粒体这种细胞的发电厂，源源不绝流出来的ATP ，维持规律的收缩。想像自己缩小成跟ATP分子一样大，从线粒体外膜上面一个比较大一点的蛋白质孔洞跑进去。你会发现自己身处于一个狭小的封闭空间中，像在轮船的轮机室一样，里面塞满了拼命运作的发烫蛋白质机器，一直绵延到视线的尽头。地面上则不断地冒着泡，许多像小球一样的东西，从这些机器里面射出来，但是在转瞬之间就消失无踪。这些就是质子，是带着正电的氢原子核！整个空间到处都是这些忽悠即逝的质子，快得让你几乎看不到。现在从这些巨大的蛋白质机器中间挤进去，穿过内膜之后，你就跑到线粒体中间了，这里叫做基质（matrix），这里的景象更惊人。你现在身处于一个大厂房里，但是四周的墙壁，却如波浪般不断摆动，从四面八方扫过你，让你头晕目眩。墙壁上镶满了不断旋转、哐当哐当的机器。小心头部！这些大机器虽然被深深镶在墙上，但是却会在墙上缓慢的四处漂移，仿佛是漂在海上一样。同时它们的机件，又以惊人的速度在工作：有的前后摆动，快到你几乎看不见，像蒸汽机的活塞一样；有的被快速旋转的机轴带着转动，快到好像随时会被甩出来似的。几万个这样子疯狂的机器，从四面八方伸出，永不休止地旋转着，语气激昂──如莎翁名剧马克白所说，却代表着……代表着什么意义呢？

你所处的位置，就是细胞的热力学中心，是呼吸作用的基地，也是线粒体的深处。食物中的氢原子，在此被拔出来，留下其他分子。氢原子首先被传给第一个、也是最大的一个呼吸蛋白：复合物I 。这个蛋白质复合物，其实是由四十五个不同的蛋白质所组成；每一个蛋白质，都是数百个氨基酸所连接而成的长链。如果ATP跟人一样大的话，复合物I的尺寸就像摩天大楼。但是这可不是普通的摩天大楼，它像是一台巨大的蒸汽机、是有着自己生命的巨大吓人玩意儿。接下来，电子会跟质子分开，被吸进复合物的一端，再从另外一端吐出来，整条长长的旅途，都在膜中间。电子被吐出来后，会被依序传给另外两个巨大的蛋白质复合物。全部加在一起，就是我们所称的呼吸链。每一个复合物，都有好几个「氧化还原中心」，可以暂时留住电子；在复合物I里面大概有九个。电子就在这些反应中心之间跳来跳去。事实上，从这些氧化还原中心彼此的平均距离来看，我们可以根据量子机率的规则推测，电子应该是透过某种量子力学魔术，从一个中心消失后，「穿隧」到另外一个中心再重新出现。只要两个氧化还原中心的距离没有太远，电子在一个中心里，就只看得见下一个中心。我们在这里，使用「埃」这个单位来测量距离，这大约是原子的尺寸单位。每个中心的距离，只要不超过十四埃，然后下一个中心，只要对电子的亲和力又更大一些，它们就会沿着这条路，一直跳下去，就好像顺着排列恰当的石头，一步一步地过河。电子会这样直直穿过三个巨大的呼吸复合物。除此之外，你也要注意一下这一条河。在终点，氧气分子的巨大拉力，会拉着电子不断往前跑；氧气对电子来说，有着极强的化学吸引力。这不是什么物理超距作用，它纯粹只是电子出现在氧气身上的机率，比出现在其他地方要大而已。这个现象，要归功于这一条用蛋白质与脂质组成的电线，是它们引导着电子流，从「食物」流向氧气。这就是呼吸链的世界。

这条电子流，让周围一切都活了起来。电子在这条路径上跳跃着，它们专心一意地往氧气前进，并不留意紧贴在膜表面的这些机器，哐当作响地像个油井上面的抽油机一样。但是这些巨大的蛋白质复合物，可是充满了各种开关。当电子进入其中一个氧化还原中心时，附近的蛋白质会维持某种形状。当电子往前移动时，这部分结构就会随着改变，带负电荷的蛋白质会自我调整，带正电荷的也会跟进，整个弱键网路，就这样随时自我校正，结果让这个巨大的蛋白质大楼，瞬时变成新的形状。某处形状改变，会在别处打开一个大通道。接着下一颗电子进来，蛋白质形状又变回原来的样子。这种改变，每秒可以发生几十次。我们现在对于这些呼吸复合物的形状，研究得非常透彻，解析度甚至高到数个「埃」这么小，直逼原子等级。我们知道质子如何一边被束缚在带电的蛋白质上，一边与被固定住的水分子结合。我们也知道当蛋白质通道重新开放时，这些水分子如何移动。我们还知道，质子如何穿过那些不断开合的活动裂缝，从一个水分子传到另一个水分子上；当质子通过后，蛋白质会立刻猛然关上通道，防止质子回头，其惊险的程度，活脱是电影《法柜奇兵》里印第安纳琼斯博士的探险，不过是在蛋白质魔宫里。这台巨大、复杂、又机动的机器，从头到尾却只做了一件事：它把质子从膜的一边打到另一边。

每当一对电子，从呼吸链的复合物I通过时，四个质子就会被送到膜的对面。这对电子接下来会直接进入第二个复合物（严格来说是复合物III ，复合物II是备用选项），又会再把四个质子送到膜对面。最后，当这对电子到了呼吸链里面最后一个复合物时，它们终于发现了极乐世界（氧气），不过它们还要先把另外两个质子送过关，才能进入。每从食物中拿到一对电子，就有十个质子被送到另一边。这就是呼吸链（图9 ）。从食物到氧气的电子流中，大约有将近一半的能量，会被保存在这个质子梯度里面。这有力、精巧、巨大的蛋白质结构，全都只是为了将质子传输过线粒体内膜而已。每一个线粒体，都有好几万套呼吸复合物。每一个细胞，都有几百到几千个线粒体。全身四十兆个细胞中，总共有至少一千兆个线粒体，它们折叠起来的膜面积，摊开来大约有一万四千平方公尺，差不多是四座足球场这么大。它们的工作，就是不断地把质子传输出去，加起来，它们可以打出约1021个质子，相当于宇宙中所有的恒星数！噢对了，我是说每一秒喔。

不过，至此呼吸链的工作只完成了一半。另一半工作，则是使用这些能量来合成ATP13 。一旦质子从动态通道通过之后，通道就会立刻关闭，因此线粒体的膜对于质子来说，几乎滴水不漏。质子体积极小，它是最小的原子──氢原子──的核，所以要把它们挡在膜外面，绝非易事。质子可以轻易地穿过水，所以这层膜必须从头到尾绝对防水。质子也带电，它有一个正电荷。因此，把质子泵出膜，成就了两件事：第一，它在膜的两侧，制造了质子的浓度差；第二，它在膜的两侧，制造了电位差，外侧是正电，内侧是负电。因此，膜两侧有了电化学电位差，约莫是一百五十到两百毫伏特。因为这道膜非常的薄（厚度只有六奈米），在这么短的距离内，这是非常强大的电力。想像一下，再把自己的身体缩到ATP分子那么小，在这层膜旁边你所能感受到的电场强度，将会是每公尺三千万伏特，这相当于一道闪电，或是一千倍于一般家庭用电。

这一股巨大的电位势（electrical potential ），又称为质子驱动力，会推动一台最不可思议的蛋白质奈米机器：ATP合成酶。这台机器的目的，就是用来合成ATP ，但同时也是一台货真价实的旋转马达；当质子流过去时，会推动曲轴，然后旋转具有催化功能的蛋白质头部，借着这个机械力，去合成ATP 。这台机器作用的方式，跟水力发电厂的涡轮一样，被禁锢在线粒体内膜后方的质子，就像是被水坝挡住的水；当质子流过去，就如同水坝泄洪时，瀑布推动涡轮。这绝非充满想像力的修词，而是非常写实的描述，但即使如此，也难传达这台惊人机器的复杂度于万一。我们尚不知道，这台机器究竟如何运作：质子如何跟膜上的C环结合；静电力又是如何互动，让C环只会往一个方向旋转；旋转的环如何推动曲柄，改变催化剂头部的结构；这个开开关关的头部裂孔，如何紧紧抓住ATP跟Pi ，用机械力，强迫这两个分子结合成新的ATP分子。这些已经是奈米工程技术的最高等级，根本是一台魔术机器；我们所知愈多，就愈显得这台机器的神奇与了不起。有人甚至认为这台机器宛如见证了上帝的存在，但我可不认为如此。从它里面我看到天择的奇迹。但不论如何，它都是一台魔术机器。

每十个质子流过ATP合成酶时，上面的催化剂头部就旋转整整一圈，三个ATP分子就会被合成并释放到基质中。这个头部每秒可以旋转超过一百次。我之前提过，ATP是生物通用的能量货币；事实上，ATP合成酶跟质子驱动力，也是所有生命共有的。基本上所有的细菌、古菌，以及所有的真核生物（上一章我们讲过的三大域生物），都有ATP合成酶。只有很少数的生物依赖发酵作用而活。这种共通的程度，跟遗传密码可堪比拟。在我书中，ATP合成酶的地位，跟双螺旋DNA一样，都是生命的代表。因为这是我的书，所以我说了算。

生物学中心的拼图

质子驱动力的概念，来自一位二十世纪最低调、却也最具革命性的科学家，米契尔（Peter Mitchell ）。低调的原因，纯粹是因为他的领域，也就是生物能量学，在生物学刚刚进入DNA世界的时代，正处于一股逆流的状态（现在仍是）。华生跟克里克于一九五○年代，在剑桥所做出令人目眩神迷的发现，跟米契尔的研究几乎是同时。虽然米契尔后来也拿到了诺贝尔奖（一九七八年），但是他的概念到被接受，却走得备极艰辛。不像那完美的双螺旋，华生在一发现时就宣称：「因为太过完美以至于必然一定是真的」，事后也证明他们是对的；米契尔的想法，却是绝对的反直觉。米契尔本人虽极度聪明，但个性却易怒、好争辩。他在一九六一年发表了「化学渗透假说」之后，很快地就因为胃溃疡，而不得不从爱丁堡大学退休。这篇着名的论文，跟华生与克里克稍早、更为着名的那篇论文一样，也是发表在《自然》期刊上面。米契尔引进了「化学渗透」（chemiosmotic）来代表质子穿过膜的过程。他特别使用「渗透的」（osmotic ）这个希腊字，原文的意思，其实是「推动」，而不是我们熟知的「水分子穿过半透膜」这种现象。呼吸作用会循违反浓度梯度的方向，把质子推到浓度较高的薄膜另一侧，这就是化学渗透。

为了实用的目的，同时私人经济状况上也许可，米契尔花了两年的时间，整修了一座位于康沃尔郡波德民镇（Bodmin in Cornwall ）附近的庄园，作为实验室兼住所之用，然后在一九六五年成立了格林研究所。随后二十年之内，米契尔与其他一小群顶尖的生物能量学家，反覆验证化学渗透假说，结果却分崩离析。他们彼此之间的关系，一样充满对立与争执。这段时期在生物化学史上，被戏称为「氧化磷酸化战争」（ox phos wars ），因为ox phos就是氧化磷酸化（oxidative phosphorylation ）的缩写，也就是电子传给氧气分子、然后伴随合成ATP分子的机制。我们现在或许很难想像，即使到了一九七○年代，科学家对于前几页所说的各种反应细节，仍然一无所知。而这其中有许多部分，甚至至今仍是众科学家们聚焦的研究重点。

米契尔的理论，为何如此难以被接受呢？一部分原因是因为，这理论远远超过我们意料之外。看看其他例子，DNA的构造就非常合乎逻辑：两股DNA互为对方的模板，然后DNA的核苷酸序列，又可以直接转译成蛋白质的氨基酸序列。相反地，化学渗透假说却古怪到了极点，而米契尔的解释，又像在说火星话一样。我们都知道，生命就是一堆化学反应，而ATP就是ADP加上磷酸盐。所以在那时候大家认为，要合成ATP的话，只要将磷酸盐，经过某个中间产物，再传给ADP即可。而细胞里面本来就充满了各种中间产物，所以只要找到一个正确的就好了。这花了科学家大概几十年的时间去研究。然后米契尔出现了，他眼中闪耀着狂热光芒，脑中充满疯狂念头，写着几乎没人看得懂的方程式，最后告诉大家：呼吸作用跟化学反应一点关系也没有，而你们在找的中间产物，甚至根本不存在；还有，电子流伴随ATP的合成机制，其实是由质子穿过一层滴水不漏的膜所造成的，这叫做质子驱动力。无怪乎，众人群起反对他！

这个故事是个传奇，是个很好的例子，显示出科学往往出现意料之外的结果，一如科学哲学家孔恩（Thomas S. Kuhn）对「科学革命」的看法，这例子活脱就是生物学里面的「典范转移」。现在这一切，已被清楚地记载在科学史教科书中。米契尔理论的细节，渐渐被研究到原子等级那样清楚，最后在沃克（John E. Walker）于一九九七年，因研究ATP合成酶而拿下诺贝尔奖时，达到最高潮。解开复合物I的详细结构，又是另一项更重要的成就。或许外行人会认为，这一切只是枝微末节，现在的生物能量学比起米契尔的时候，应该已经不再藏有演化的秘密了吧？其实不然，但这是可以理解的。有趣的是，米契尔并非是从呼吸作用的详细机制去思考，然后形成他那极端的理论；相反地，他是从一个更简单也更基础的角度切入，他问：细胞（他其实是指细菌）如何保持内部与外在的差异？从一开始，他就认为生物跟他们周遭环境，透过这层膜，紧密地连接起来，如胶似漆难以分割，而这也正是本书从头到尾的观点。米契尔认为这些反应步骤，对于生命的起源与存在，至关重要；这样的看法，在他之前，甚少有科学家体会如此之深。在他发表化学渗透假说四年前（一九五七年），在莫斯科一场探讨生命起源的研讨会上，他曾这样说过：

我无法只考虑到有机物，而不考虑它们的环境……严肃的说，这两者是旗鼓相当的两「相」，中间被一层膜既隔开又紧密相连，同时维持着机动性的接触。

米契尔所讲的这段话，比起化学渗透假说来讲，要更富哲学性，而化学渗透假说，从此萌芽。不过对我来说，这两者都一样有先见之明。现代生物学对于分子生物学之重视，同时也意味着，我们早已忘记米契尔所关注的主题，也就是「生物膜是细胞内在与外在必要的连结」。米契尔称此为「向量化学」（vectorial chemistry）：在这个空间中，不但发生化学反应，而且反应还有一定的方向性，深受环境的结构与反应物位置的影响。这不同于「试管中的化学」（test-tube chemistry）反应；因为在试管里面，所有的反应物都混在溶液里了。基本上，所有的生命都利用氧化还原化学，在膜的两侧制造质子梯度。生物为何要这样做呢？这个问题今日听起来，比起一九六○年代，或许没有那么突兀了，但这仅仅只是因为，我们已经听了五十年之久，老生常谈了；如果不是因此变得蔑视它，就是因为太过熟悉而失去兴趣。它被尘封在教科书中，早已不再成为问题。我们知道这些想法是真的，但对于这些现象为何形成，却不比以前更了解。这个问题基本上可以分成两部分：第一，为何所有的活细胞，都利用氧化还原反应来产生自由能？以及其次为何所有细胞，都利用在膜两侧产生质子梯度，来保存这些自由能？甚至我们可以直接问最根本的问题：为何是电子？为何是质子？

生命诚然就是关乎电子的作用

所以，为何地球上的生物，都利用氧化还原反应呢？这个问题可能比较简单回答。碳元素是构成所有我们已知生物的基础，特别是被部分还原的碳。用最抽象粗略的讲法，生命的「方程式」就是CH2O （暂时先不顾那些比较少量的氮、磷，以及其他元素）。以二氧化碳为起点的话（下一章会讲得详细一点），那么要形成生命，就必须将电子与质子，从像氢分子（H2 ）这类分子上，转移到CO2上面。原则上，电子的来源并不重要，它们可以来自水（H2O ）、硫化氢（H2S ）或是亚铁离子（Fe2+ ）。重点是它们会把电子传给CO2 ，而这就是氧化还原化学。附带一提，所谓「部分还原」的意思，是说二氧化碳（CO2）并没有被完全还原成甲烷（CH4）。

那么生命可以用其他的东西取代碳吗？这当然也不无可能，毕竟我们都很熟悉用金属跟矽晶片做成的机器人。那么碳元素比起其他元素，到底有什么独特之处呢？其实还真不少！每一个碳原子，都可以形成四个强力的化学键（bonds）；比起它的化学邻居矽元素所形成的键结来说，要强多了。这种键结，让碳原子可以连接出超乎想像变化多端的长链分子，特别是蛋白质、脂质、糖，还有DNA。矽元素在化学上，就无法如此多变了。尤有什者，大气中并没有气态的二氧化矽，可以与二氧化碳相匹配。我觉得二氧化碳就像乐高积木，可以从空气中被拔出来，一次把一个碳原子加到其他分子上面。而二氧化矽的话呢，呃……你是用砂子在盖房子。矽跟其他元素，可以被高等智慧生物（像我们）利用，但是却很难想像，生命要如何自我引导，从零开始利用矽元素。这意思当然不是说，在这无尽宇宙中，矽生命永远不可能出现，谁敢这样断言呢？但是从「可能性」与「可预测性」的角度来讲（这正是本书的主题），这种可能性实在是微乎其微。除了好用以外，在宇宙中，碳元素的含量，也比其他元素要丰富。因此生命理应根基于碳元素。

然而对部分还原碳的需求，仅仅只回答了一小部分问题而已。对大部分现代生物来说，他们的碳代谢跟能量代谢已经分家很久了。这两种代谢，只被ATP以及一小撮反应中间产物连结在一起，像是硫酯类（thioester ）中间产物，特别是乙酰辅酶A （acetyl CoA）这个硫酯类分子。但是基本上，这些中间产物，并没有一定要透过氧化还原反应才能制造。有少数生物，就可以依赖发酵反应生存，不过它们并非古老的生物；在这个领域中，也不特别引人注目。那么生命还可以从哪些化合物出发呢？科学家一直不乏各种聪明绝顶的提议。其中最受欢迎（但同时也是毒性最强）的异想之一，就是氰化物了。它可以经由紫外线，透过照射氮气或甲烷之类的气体而合成。这可行吗？在上一章我曾经解释过，根据锆石的证据显示，早期的地球大气中，似乎并没有太多甲烷。不过这并不是说，这种化学反应无法出现在其他星球上面。而如果它真的出现过的话，氰化物为何无法成为今日地球生命的能量来源呢？下一章我们将会回来讨论这一点，我认为有其他原因，让这些化合物出局。

换个角度来想想我们的问题：以氧化还原反应为基础的呼吸作用，有什么优点呢？事实上有很多呢！当我们谈呼吸作用时，还要把眼光放到人类以外的生物才行。我们从食物中获取电子，将它们透过呼吸链，传送给氧气。这里最重要的关键是，电子的来源与接受者，都可以被替换。虽说用氧气燃烧食物，从能量的观点来说，是最好的办法；但是根据呼吸作用的基本原则，其实生物还可以有更多种选择跟好处。比如说，即使不吃有机物质，也有办法存活。如前所述，氢气、硫化氢跟亚铁离子，都可以是电子供应者，都可以把电子送进呼吸链里；只要在呼吸链另一端的接受者，是一个够强的氧化剂，强到可以把电子拉出来即可。这个意思也就是说，细菌可以使用跟我们的呼吸作用里，类似的蛋白质机器，去「吃」石头、矿物，甚至是气体。下一次，如果你看到水泥墙上面，有一块变色的痕迹，这代表了水泥中隐藏了一群欣欣向荣的细菌族群；但同时也请想想，尽管它们看起来再古怪，所用来营生的，却是跟你我基本上一样的工具与设备。

同理，氧气在呼吸作用中也并非必要。一大堆氧化剂都可以表现得一样好，像是硝酸盐跟亚硝酸盐、硫酸盐跟亚硫酸盐。这份名单还可以列好长好长。这些氧化剂（会这么叫是因为，这些化合物的特性跟氧气一样），都可以把电子从食物或是其他物质中抢过来。不论是哪一种，这些电子从供应者身上跳到接受者身上时，所释放出来的能量，都会被存在ATP分子的键结中。如果把细菌与古菌所使用的电子供应者与接受者（又叫做「氧化还原对」，redox couples ），全部列成一份名单，那可以列出好几页之长呢！因此，细菌不只可以「吃」石头，它们还可以「呼吸」石头！相较之下，真核生物就相当可悲了。所有真核生物域的生物，所有的植物、动物、藻类、真菌与原生生物，基本上都使用同一套代谢反应，就好像它们是同一个细菌似的。

同时因为这些电子供应者与接受者，并没有那么热衷于发生反应，这也有助于让生物有更多选择。之前我们曾经说过，所有的生化反应都是自发的，而且都必须被周围高度反应性的环境驱动；但是如果环境中的反应性过高，那这些反应就会因为发生太快，无法将自由能留下来给生物利用。举例来说，大气中永远也不可能充满氟，因为这些气体，会马上跟所有物质发生反应，然后消失无踪。自然界许多物质，它们堆积的数量，都远远超过自然热力学平衡下的状态，这是因为它们的反应进行地很慢。氧气也是一样，有机会的话，它可以跟有机物质发生剧烈的反应，把地球上的一切都烧光；但是它们暴力的倾向，受到化学反应规则的节制，因而可以稳定地存在大气中亿万年。甲烷跟氢气这类气体，可以跟氧气发生更剧烈的反应（想想一九三七年的兴登堡号飞船意外），但是幸好，也是化学动力上的障碍，让这些气体，也可以在空气中共存好几年相安无事，维持着动态不平衡。同样的规则也适用于许多其他物质，从硫化氢到硝酸盐皆如此。它们可以被迫发生反应，然后释放出大量的能量，供细胞驱使；然而如果没有适当的催化剂的话，什么事也不会发生。生命控制了这些化学动力障碍，借此让熵增加的速度，快过其他方式。有人甚至因此将生命定义为：熵制造机。不论如何，生命之所以会存在，是因为有化学动力的障碍存在。生命专门敲碎这些屏障。老实说，如果无法在这些障碍上凿洞，利用被压抑在其后、物质巨大的反应性的话，生命几乎不可能出现。

许许多多的电子供应者与接受者，都可溶于水，性质也很稳定，同时不需大费周章就可以自由进出细胞。这些性质，代表了那些「满足热力学所需」的反应环境，可以经由那些重要的膜，被安全地带到细胞里面。这种特性，让氧化还原反应，比起热能、机械能、紫外线，或是闪电等能量，要更适合作为可被生物利用的能量流，因为更健康也更安全。

有点出人意料的，呼吸作用同时也是光合作用的基础。还记得之前说过，光合作用有好几种不同的形式吗？不论哪一种，都是由一个色素分子（通常是叶绿素）吸收太阳能（以光子的形式）之后，激发一个电子，把它送进一系列的氧化还原反应中心，最后传给一个接受者（通常是二氧化碳分子）。这个失去电子的色素分子，会非常乐意从周围环境里拿回电子，供应者的来源可以是水、硫化氢，或是亚铁离子。跟呼吸作用一样，原则上，这个电子供应者是谁，其实无关紧要。「不产氧」的光合作用，会利用硫化氢或是铁当作电子供应者，反应过后则会留下硫磺或是铁锈作为废弃物。产氧光合作用，则会选择一个难度高得多的对象当作电子供应者，那就是水分子，然后留下氧气作为废弃物。不过这里的重点是，这几种光合作用，很明显都是从呼吸作用演变来的。它们都使用一模一样的呼吸蛋白质、一样的氧化还原反应中心、一样会在膜两侧建立质子梯度，也用相同的ATP合成酶，整套工具都一模一样。唯一的差异只在于，光合作用发明了叶绿素这个色素分子。不过叶绿素却又跟另一个色素：血基质（haem）非常相似，而许多古老的呼吸蛋白里也都有血基质。自从可以从太阳中获取能量之后，世界确实整个改变了，然而从分子的观点来说，这不过是让电子可以更快流入呼吸链而已。

因此，呼吸作用的好处，在于它的多才多艺。基本上，任何一对「氧化还原对」（任何一对电子供应者跟接受者），都可以放在呼吸链两端，去产生电子流。从氨气中截取电子的蛋白质，跟从硫化氢中截取电子的蛋白质，虽然略有不同，但不过都是同一主题下的变奏曲而已。同样的，在呼吸链的终点，将电子传给硝酸盐或是亚硝酸盐的蛋白质，跟传给氧气的蛋白质，虽然不一样，却也是亲戚。依它们相似的程度，即使彼此互换也没有问题。这些蛋白质零件，都被嵌在共通的作业系统中，因此它们可以被混用、也可以适用任何一种环境。它们不只在原则上可以彼此互换，实际上，它们根本就常被随意弃置、传来传去。根据过去几十年的研究，我们知道水平基因转移（将一小组基因从一只细菌传给另一只细菌，就好像撒零钱一样），在细菌跟古菌之间颇为流行。负责编码呼吸蛋白质的基因，正好属于最容易被水平基因转移，而广为散布的一群。这些基因，组成了生化学家尼奇科（Wolfgang Nitschke）口中的「氧化还原蛋白建构套件」。您最近是否刚搬到一个新地方，比如海底热泉附近，那里充满了硫化氢跟氧气是吗？没问题，先生，这里有许多适合您的套件，请自便。这位太太，您把氧气用光了吗？没关系，这里还有亚硝酸盐。只要拿亚硝酸盐还原酶套件，插入基因中就好了。

这些因素意味着，氧化还原化学，对于宇宙中其他地方的生命来说，应该也同等重要。尽管我们还是可以想出许多其他能源，但是利用氧化还原反应来还原碳元素，加上呼吸作用的诸多优点，让我们其实不难理解，为何地球上的生命，会选择用氧化还原反应来提供能量。不过呢，呼吸作用的真实机制，也就是在膜的两侧制造质子梯度，又是另一个故事了。前面谈到呼吸作用的几项优势，像是呼吸蛋白质可以被水平基因转移传来传去、可以被任意混用、可以在任何环境下立刻开工，这些都根基于一件事实：大家的作业系统是共通的，而这个作业系统就是化学渗透耦合（chemiosmotic coupling ）。可是问题是，氧化还原反应并不需要跟质子梯度扯上什么关系。这两者之间，缺少可以让我们理解的关联。这理由或许可以解释，为何当初大家对米契尔的想法，会如此排斥；「氧化磷酸化战争」也才会缠斗这么多年。在过去五十年中，我们已经非常了解生命如何利用质子，但是如果我们不知道生命为何要利用质子的话，那就很难去预测地球上的生命演化，或是宇宙任何一处的生命演化过程。

生命诚然就是关乎质子的作用

化学渗透耦合的演化过程，始终是一个谜。因为所有的生命都使用化学渗透作用，所以它一定在很早很早以前，就演化出来了。如果它是后来才演化出来的，那我们就很难去解释，为什么这个机制会万物通用。换句话说，质子梯度要如何完完全全取代了其他所有的机制？这种万物通用的现象极为罕见。所有的生物，都使用同一套遗传密码（除了很少数的例外以外，而这例子再次说明了万物通用是如何的罕见）。有一些生命最根本的处理程序，也是万物通用的，比如所有生物的DNA ，都要先转录成RNA ，再透过一台叫做核糖体的小机器，转译成蛋白质。但是这套程序，在细菌与在古菌体内的差异之大，令人咋舌。还记得细菌与古菌，是原核生物的两大域，它们都没有细胞核，也缺少复杂细胞（真核细胞）的各种行头。从外观上来看，细菌跟古菌完全一模一样，但是这两大域生物，在大部分生化反应与遗传机制上，却大相径庭。

以DNA复制为例，一般咸认为这个程序，应该跟遗传密码一样，是生物最基础的程序。但事实上，细菌与古菌复制DNA的详细机制，以及参与其中的各种酵素蛋白质，却完全不同。此外，在细菌外面，用来保护脆弱细胞的那一层坚硬细胞壁，两者的化学成分也完全不一样。细菌跟古菌的发酵反应生化路径也不同。甚至它们两者的细胞膜，对于细菌的化学渗透耦合来说，至关重要，因此又被称为「生物能量膜」，但是生化组成却不一样。换句话说，用来区分细胞内在与外在的屏障，以及用来复制细胞各项遗传物质的程序，并没有被保存地那么一丝不苟。对于细胞来说，还有什么事情，会比这些东西要更重要的呢？可是，相较于这些差异，化学渗透耦合却是万世一系。

这种极度基本的差异，指出了问题在于这两大域细菌的共同祖先身上。假设两域生物共有的特征，来自于两者共同的祖先；而不同的特征，则是两者后来各自发展出来，那么，这个共同祖先，该长得什么样子呢？你会发现这根本没有逻辑可言。从某些角度来看，它像是细胞的幽灵；从其他角度来看，像一个现代细胞，从另外角度来看的话……呃，它到底是什么呢？它会转录DNA 、会用核糖体转译出蛋白质、它有ATP合成酶、它也会一点氨基酸的生合成，但除此之外，在这两大域生物之间，就没有什么共通点了。

想想生物能量膜的问题。利用这层膜产生能量，是万物共有的特征，但膜本身却不是万物共有。有些人认为，这个万物最近共祖，可能有着细菌式的细胞膜，而古菌为了某些适应上的理由，才把这层膜换掉，或许是因为古菌的膜，比较适合住在高温的环境下。表面上看起来，这个假设满有道理，但是它有两个严重的困境。首先，大部分的古菌，并不极度嗜热（hyperthermophile），事实上很多古菌都活在温和的环境中，这让它们细胞膜中的脂质，并没有显得特别优秀；反过来说，非常非常多的细菌，都可以在温泉中活得很快乐，它们的细胞膜用来应付环境中的高温，一样游刃有余。其实在大部分的环境中，细菌跟古菌都比邻而居，而且常常还有很密切的共生关系。既然如此，为何其中一群细胞，会想去自找麻烦，只在某一次机会下，把细胞膜中的脂质全部换掉呢？而且，既然换掉细胞膜是有可能的，而细菌总是不断的在适应新环境，那为什么我们没有看到它们，在其他机会下，大量更换细胞膜呢？这样做应该会比重新发明一套细胞膜要容易吧？为何住在温泉中的细菌，没有演化出古菌的细胞膜脂质呢？

其次，也是比较明显的问题，显示细菌与古菌细胞膜的主要差异，似乎是随机产生的。细菌细胞膜使用甘油的一种立体异构物，古菌则使用另外一种（这两种互为镜像）。即使古菌真的为了适应高温的环境，把细胞膜中的脂质全部换掉，但是实在没有什么合理的理由，用一种甘油取代另一种甘油吧？这纯粹是任性而已。更何况，用来制造左掌形甘油的酵素，跟制造右掌形甘油的酵素，连边都沾不上。要从一种异构物迈向另外一种，首先细菌要先「发明」一种新的酵素（来制造新的异构物），然后即使这个新版的甘油，完全没有任何演化上的优势，每个细胞还是要全面淘汰旧的酵素（而且是运作完全正常的）。这根本难以置信。可是如果这两种细胞膜中的脂质，并不是由一种取代另外一种的话，那么这个万物最近共祖，原本到底有哪一种细胞膜呢？它的细胞膜，一定跟任何一种现代的细胞膜非常不同，这又是为什么呢？

至于化学渗透耦合，在很早很早以前就演化出来这种假设，也有很大的问题；第一个问题就是，这个机制太复杂了。之前我们花了很多篇幅，在解释那些巨大的呼吸复合物，以及ATP合成酶；它们都是难以置信的分子机器，有着各种活塞跟旋转马达。它们真的有可能是早期演化的产物，甚至早于DNA复制机制出现吗？我们一定会认为：当然不可能！但是，这只是纯粹情绪性的答案而已。ATP合成酶，其实不比核糖体复杂到哪儿去，而大家却都同意，核糖体必定很早就演化出来了。第二个大问题，涉及到细胞膜本身，而且又是跟「早期出现的东西，有没有办法这么复杂」这恼人的问题有关。在现代细胞中，只有当这层膜对质子完全不透的时候，化学渗透耦合才可能运作。但是在所有实验中所模拟出的，假设性原始细胞膜，却都显示它们对质子的通透性很大。要把质子挡在膜外面，可谓极度困难。所以问题就是，只有当这层膜不透质子时，再嵌上这些复杂的蛋白质，化学渗透耦合才有可能发挥作用，否则，它根本一无是处。所以，这些零件到底是怎样先演化出来的呢？这是一个典型的「鸡生蛋蛋生鸡」问题。如果你没有办法维持质子梯度，那有必要去学习如何传输出质子吗？而如果你不会传输出质子，那又何必去学习维持质子梯度呢？在第四章中，我会试着解答这个问题。

在第一章的结尾，我提了几个关于地球上生命演化的大问题。为何生命出现的如此之早？又为什么它们的外形会停滞不前好几十亿年？为什么在这四十亿年中，复杂的真核细胞只演化出一次？为什么所有真核生物都有数种令人费解的特征，而这些特征──从有性生殖、两种性别，一直到老化都是，却从来没有出现在细菌或是古菌身上？现在，我要再加上两个同等让人困惑的问题：为何所有的生命，都利用在膜两侧制造质子梯度这种方式，来储存能量？以及这种既独特又基本的技术，是如何（以及何时）演化出来的呢？

我认为这两组问题，是互相关联的。在本书中，我将论证：在地球上，自然界本来就有的质子梯度，在某个非常独特的环境下，驱动了生命的诞生。这个环境虽独特，但却几乎可以确定，是横跨宇宙普遍存在的，因为它只需要岩石、水跟二氧化碳就可以形成。我也要论证，化学渗透耦合限制了地球上的演化，让它只能进行到细菌跟古菌的复杂程度，长达好几十亿年。在某一场意外中，一只细菌不知怎么地，跑到另一只细菌体内，结果突破了细菌身上这无穷无止的能量限制。这种内共生关系，最后产生了真核生物，也让它们的基因膨胀了好几个数量级；这些基因，又成为让细胞变复杂的原始材料。我也要论证，宿主细胞与它内共生者（后来变成了线粒体）之间的亲密关系，是所有真核生物种种怪异特征背后的主要原因。在宇宙中其他地方，演化应该会沿着类似的道路发展，受一样限制的影响。如果我是对的（我从来不认为我会知道一切细节，但我希望至少大方向是正确的），那这些观点，就让生物学开始变得比较具有可预测性。有朝一日，我们或许可以根据宇宙任何一个地方的化学成分，去预测任何这些地方，生命可能的特征是什么。

2024-07-06 16:47:59