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「我想」，达尔文曾经在笔记本中，潦草地写下这两个字。就这两个字而已，旁边还描绘一株生命树的草稿；那是一八三七年，仅仅是从小猎犬号之旅回来一年后而已。二十二年之后，在《物种起源》第一版里面，多了一张更为精美的生命树图画，这也是书中唯一的一张图画。生命树的概念，几乎就是达尔文思想的中心，而且从那时开始，也一直是演化生物学的主流。因此，当它被宣称有误时，自然会是一件相当令人震惊的消息。二○○九年，适逢《物种起源》出版的一百五十年纪念，《新科学人》杂志就曾经在一月号，用斗大的字体强调这件事。不过纵然杂志封面极尽吸引读者之能事，内文本身却相对低调保守得多，而且有其论证。诚然，就某种程度来说，生命树确实有误；但是这意思并不是说，达尔文对科学的最重要贡献，也就是天择机制的演化理论，也是错的。我们顶多只能说，他当时所有的遗传学知识，极为有限。但这也不是什么新鲜事，我们早就知道，在达尔文的年代，无人知晓DNA、基因与孟德尔定律；更不知道细菌会把基因传来传去，所以他等于是带了一副深色墨镜在看遗传学。但是这一切都无损于他的天择理论。因此，就技术上来说，这本杂志的封面虽有其道理；但是在深层的意义上来讲，却大大误导。

若要说这篇文章达成了什么，那应该是让大家看见一个非常重要的议题吧。生命树的概念，根基于假设遗传是「垂直的」，也就是说父母透过有性生殖，将基因的拷贝传给子代。每一代每一代，这些基因几乎都在同一个物种之间流传，而物种之间极少有交集。同一个物种若被区隔成好几群，各自繁衍的话，就会出现愈来愈大的差异；因为它们彼此之间的交流愈来愈少，随着时间过去，新「种」就会诞生，这就形成了生命树的分支。细菌则比较难懂。因为它们没有跟真核生物一样的有性生殖，所以也不会有一样明确清晰的物种分类。要去定义细菌的「种」，一直都是个大问题。不过真正的问题在于，细菌会借着「水平」基因转移，把自己的基因散布出去；也就是说，它们除了把整套基因，往下传给子代细胞以外，还会把一小撮基因，像撒零钱一样，传给周围其他的细菌同伴。不过这些现象都没有颠覆天择，它们仍然是「代代相传，伴生着差异」，只不过造成「差异」的方式，比我们以前所知道的，要更复杂多元。

水平基因转移盛行的程度，让我们能够知道些什么，变得大有问题。这个问题，就跟物理学里面的「测不准原理」一样基本。在分子生物学兴起之后的现代纪元，你所看到的任何一棵生命树，都是根据分子谱系发生学家渥易斯，精心挑选出来的一个基因所绘制的。这个基因，就是负责转录「核糖体小次单元RNA」的基因。渥易斯主张（而且有其理论根据），这个基因属于万物共有，而且极少（就算真有的话）透过水平基因转移，被传来传去。因此，可以用它来代表细胞唯一且真实的「种系发生」情况。就某方面来说，如果从一颗细胞分裂出一代又一代的子代细胞，那么这些子代细胞，确实都会跟亲代细胞，有着一样的核糖体RNA，这是没错的。但是，如果在许许多多世代之后，这些细胞其他的基因，都被水平基因转移换掉了呢？当然在多细胞生物中，这情形很罕见。在多细胞生物中，我们可以去分析一只老鹰的核糖体RNA（译注：这个步骤，科学家称它为「定序」），定序（sequence）的结果会告诉我们：这是一只鸟类。然后我们可以据此推测，这个动物有喙、有羽毛、有鸟爪、有翅膀、会下蛋……等等。这是因为透过垂直遗传，在核糖体RNA的「基因型」（genotype）跟个体的「表现型」（phenotype）之间，可以维持高度关联性。所有这些负责「鸟类特征」的基因，都算是核糖体RNA演化之旅上的旅伴。它们一代又一代的并肩同行，虽然经过长久的时光后，必定有些许改变，但是绝少有剧烈的变动。

现在假设水平基因转移，占了主导地位。当我们再去定序「核糖体RNA」，结果出来一样显示：这是一只鸟类的基因。然而，这只「鸟」却有一个身体，六只脚，眼睛长在膝盖上，全身长毛，会下如同蛙卵的蛋，没有翅膀，叫声却像鬃狗。这听起来当然很荒谬，然而，这正是当我们分析细菌基因的时候，所会遇到的问题。跟这些四不像的怪兽，面对面直接对视，其实是家常便饭，只不过因为细菌的体积实在很小，外形也相对简单，所以我们没有被吓到惊慌尖叫。但是，从基因上来看，细菌几乎全部都是嵌合体，其中有些更是怪兽中的怪兽，它们的基因支离破碎，就像我说的「鸟」一样。从基因的角度来讲，这确实值得让我们大惊小怪。单从它们的核糖体基因型来看的话，实在很难去推测这些细菌，过去曾经长什么样子，曾过着怎样的生活。

如果测定「单一基因」的序列，没有办法告诉我们这些细胞从何而来，那这种分析还有什么用处呢？其实，随时间远近、基因转移速率的不同，在某些情况下，定序还是有其用处。如果水平基因转移的速率很慢（像植物、动物、许多原生生物，还有某些细菌），而且只要我们小心不要跨足到太久以前，那么在核糖体RNA基因型跟细胞表型之间，就会有很高的相关性。但是如果水平基因转移的速率很快，那么这样的相关性就不存在了。比如说，从核糖体RNA序列上，看不出变种的致病性大肠菌跟无害的大肠菌之间，差别在哪里；让大肠菌变成具有侵略性的，是从其他地方获得的基因。而不同株的大肠菌之间，其基因体的差异，可高达百分之三十，这可是人类跟黑猩猩之间差异的十倍之多呢！但是，我们却还是认为它们在分类上属于「同一种」！对于要了解这些小杀手来说，从核糖体RNA的亲缘关系，所分析出的资讯，恐怕是最不重要的事了。反过来说，即使水平基因转移的速率很低，但是时间一久远，相关性一样会消失。这也就是说，要知道细菌如何在三十亿年前生活，几乎是不可能的事，因为就算基因转移的速率很低，但是在这么长的时间之内，它们的基因恐怕也已经被替换过好几次了。

所以，尽管经过精心设计，绘制出来的生命树还是错了。我们一直希望能够找到一个办法，重建所有细胞彼此之间的亲缘关系，这样才能推测每一个物种，如何从其他物种演变过来；然后一直追溯所有生物的关系，直到起点，最终让我们可以拼凑出，地球上所有生物共同祖先的基因组成。如果真的做到这一点，那我们就可以知道，这个最后共祖细胞的所有特征，从它的细胞膜组成，一直到它生存在怎样的环境下，甚至它靠着吃哪些分子过活。但是我们却无法知道得这么详细。马丁做过一个惊人的测试，视觉效果相当矛盾，他称之为「神奇的消失树」。他选了四十八个「所有生物都共有的」基因，为每一个基因都画一棵生命树，借此来探讨五十种细菌，以及五十种古菌之间的亲缘关系。在最高的树梢上，根据这四十八个基因，对这一百种细菌所做的分析，都显示出一样的亲疏远近关系。而在靠近树根的地方也一样，四十八个基因的分析结果都显示出，最初的分岔，应该是介于细菌跟古菌之间。换句话说，这个万物最近共祖，我们又昵称为「露卡」，就是细菌跟古菌的共祖。但是当我们想看细菌与古菌族群，稍微深入一点的分支部分时，却发现四十八个基因显示出完全不同的结果。四十八个基因居然可以画出了四十八棵不一样的树！这结果可能是肇因于技术上的问题（因为地质时间久远，讯号被磨耗光了），也可能是因为水平基因转移（垂直传递基因形成的模式，被四处任意传播的个别基因摧毁了）。我们不知道原因是哪一个，而目前看起来，似乎也无法得知。

这是什么意思呢？基本上，这就是说，我们不知道哪一株细菌或是古菌，算是最古老的菌种。某一棵基因树可能暗示着产甲烷菌是最古老的细菌，另一棵树暗示不是。因此，实际上我们无法重建，最古老的细菌可能拥有过的特征。而且即使我们用了某些聪明的技巧，证明了产甲烷菌，确实是最古老的古菌，但是我们却无法知道，它们是否跟现代产甲烷菌一样，一直靠着制造甲烷维生。即便使用「把这些基因接在一起，去增强讯号」的办法，也无助于解决困境，因为每个基因都可能有不同的故事，因此组合出来的讯号，并无法代表任何事实。

但是马丁从这四十八个共有基因中所得到的结论，也就是在一棵生命树上，最早出现的第一个分歧，应该是介于细菌跟古菌之间，这倒是给我们带来一线希望。如果我们可以找出，哪些特征是所有细菌跟古菌所共有；哪些特征又是各自特有、是之后才出现在某些族群中的，那么我们或许有机会拼凑出露卡的「肖像」。不过，这样做很快就遇到另外一个问题：有些所谓细菌跟古菌所「共有」的基因，很有可能本来只存在于其中一群，之后透过水平基因转移，传遍所有细菌。基因有时会传遍全域生物，这并不稀奇。如果这种现象发生在演化早期，比如说，发生在那棵神奇的消失树，从树干到树枝中间空白的那一段呢？如此一来，这个基因看起来，就会像是透过垂直遗传，从共祖那里传出来，而其实并非如此。另外，愈是有用的基因，愈有可能在演化早期，被广泛地传播。为了要避开这种水平基因转移，把基因大量传播的现象，我们还是不得不回归到真正的共有基因，也就是所有细菌跟古菌里面，每一群细菌的代表菌种都有的基因身上。至少，这些基因透过早期的水平基因转移，被四处传播的可能性，会少很多。不过问题是，这样的基因，大概只有不到一百个，数量非常少，而透过这些基因所画出来的露卡，非常独特。

在第二章中，我们已经提过这个独特的露卡肖像。根据现有的资料，露卡已经有了蛋白质跟DNA：这些万物通用的遗传密码已经就绪、开始运作了；也就是说，露卡已经开始将DNA转录成RNA，再透过核糖体这些大家都需要的小工厂，去制造蛋白质。这些性能精良，用来读取DNA以及制造蛋白质的小机器，是由细菌与古菌体内常见的蛋白质以及RNA所组成。从它们的构造以及基因序列来看，这些小机器，应该在演化非常早期就开始分化，而且应该没怎么被水平基因转移，四处随意散布。还有一点，细菌跟古菌都使用化学渗透机制，都利用在膜两侧建立质子梯度，来合成ATP。 ATP合成酶跟核糖体一样，也是一个极度精巧而且一样古老的机器，而且也跟核糖体一样，被良好地保存在所有细胞体内。但是这个酶，在细菌跟古菌体内，结构略有差别；这个现象显示，ATP合成酶，应该也是从露卡这群共祖之一流传下来，同时并没有被水平基因转移，改变太多。所以ATP合成酶、核糖体、DNA还有RNA，露卡应该全部都有。此外，还有一些核心生化反应，像是氨基酸合成反应、一部分的克氏循环（Krebs cycle），在细菌跟古菌体内也都一样；代表露卡应该也有。但是除此之外，就没什么别的线索了。

这很重要吗？其实非常惊人。要知道在细菌跟古菌体内，用来复制DNA的酶，大部分都是不一样的。还有什么功能，要比这个更基础的吗？大概除了细胞膜以外吧？说到这个，细菌跟古菌的细胞膜，也是不一样的。还有它们的细胞壁也不一样。也就是说，关于这两层，将活细胞与环境隔绝开来的栅栏，细菌跟古菌，居然采用完全不同的方式。这样一来，我们根本无法得知，它们的共祖有怎样的膜。我们还可以继续列出它们的差异，不过现在够了。在前一章里面讲到活细胞的六项基本特质：碳流、能量流、催化剂、DNA复制、隔间，还有排泄。这些特质里面，只有前三个，在所有生物之间，有古老而深远的相似性，而且尽管如此，这些相似性也只局限于某些方面，等一下我会介绍。

对于这种现象，有几个可能的解释。其中之一是露卡可能每样东西都有两套，后来细菌遗失了其中一套，而古菌遗失了另外一套。这解释或许听起来很蠢，但是我们不能轻易否定。举个例子来说，我们知道将细菌与古菌的脂质混在一起，也可以形成结构稳定的膜，因此，或许露卡真的同时有两种脂质，而它的后代因为丢掉其中一种，而慢慢开始特化。不过这个解释，也许对某些特征来说讲得通，但是却无法适用全体，因为它会陷入一个我们称之为「亚当的基因体」的困境里面。如果露卡本来什么都有，而她的后代却开始瘦身变得精练，那么露卡一开始一定要有一套极大的基因体，要比今日任何一种原核生物的基因体都大才行。对我来说，这种说法根本是舍本逐末，这表示露卡本来应该很复杂，后代却变得很简单？而且为何所有的后代，每件东西都碰巧遗失一套呢？实在难以置信。所以来看看第二个可能。

另一个解释是，露卡其实是一个如假包换的细菌，它有细菌的细胞膜、细胞壁，以及DNA复制系统。后来不知道何时，其中一支后代，也就是第一个古菌，可能为了要适应极端气候，像是热液地区的高温，所以把所有的特征都换掉了。这可能是目前最被广为接受的解释了，但是这个解释一样有难以说服人的地方。如果这个假设为真，那为什么在细菌与古菌体内，用来转录DNA跟转译蛋白质的程序，如此之像，而只有复制DNA的程序不一样呢？而如果，古菌的细胞膜跟细胞壁，真的有助于它们适应热液地区的环境，那为什么其他的「嗜极端细菌」（extremophile bacteria，译注：适应极端环境的细菌），一样也生活在热液区，却没有把它们的细胞膜跟细胞壁，换成古菌的版本，或者至少是其他类似的东西呢？又为什么生活在土壤里面，或是海洋中的古菌，没有把它们的细胞膜跟细胞壁，换回成细菌的版本呢？事实上，在地球上许多角落，都有古菌跟细菌并存，但是，在这些地方，尽管水平基因转移可以横跨这两大域，它们的遗传跟生化机制，仍然是彻头彻尾的不同。要说这些非常基础的差异，是为了适应极端环境而出现，但是却是古菌限定版本，实在没什么说服力；同时，所谓为了适应极端环境的系统，到了其他许多地方却没换掉，不就显得非常不合时宜了吗？

现在我们剩下最后一种可能性。或许，这些看起来自相矛盾的现象，其实一点也不矛盾。露卡真的使用化学渗透，来操作ATP合成酶，但是它也确实没有现代化的细胞膜，也没有任何现代细胞具备的大型呼吸复合物，可以泵出质子。它确实有DNA，会使用通用的遗传密码，它会转录、会转译，更会操纵核糖体；但它确实也还没有发展出现代化的DNA复制技术。这个若隐若现的鬼魂细胞，如果生活在大海中，一点意义也没有，但是若是把前面讨论过的碱性温泉环境，也考虑进来，那就有点意思了。我们要从「细菌跟古菌如何在温泉区讨生活」出发，去寻找线索。它们之中至少有一些族群，可能靠着一种比较原始的代谢过程生存，我们称之为「乙酰辅酶A」路径，这条路径跟温泉附近的地质化学环境，有非比寻常的相似性。

解密「露卡」的崎岖之路

在整个生物世界中，总共只有六条化学反应途径，可以固定碳元素。所谓固碳，就是将二氧化碳这种无机物，转换成有机分子。六条路径中的五条都很复杂，而且都需要额外的能量来推动反应，其中一个例子就是使用阳光的光合作用。举光合作用为例，还有另外一个原因，那就是它进行卡氏循环（Calvin cycle）。透过卡氏循环，生物可以把二氧化碳转换成糖之类的有机分子；而这个循环只存在光合细菌身上（当然还有植物，因为植物抓了光合细菌，把它们变成叶绿体）。这意思也就是说，卡氏循环多半不是我们祖先的生化反应。因为如果露卡也会行光合作用的话，难道所有的古菌，后来都一起抛弃了这个非常有用的能力吗？这未免也太不明智了。因此，卡氏循环比较有可能是后来才跟光合作用一起出现，只在光合细菌身上演化出来而已。其他几条固碳反应路径，也都有差不多的问题。在所有的固碳反应里面，只有这一个反应，同时存在细菌跟古菌体内，那就是乙酰辅酶A路径。这也就是说，这反应很可能曾出现在它们的共祖身上。

不过其实这样讲并不完全正确。在细菌跟古菌身上的乙酰辅酶A路径，还是有一些奇怪难解的差异，晚一点我们再回来谈这一点。现在暂且让我们看一下，为何这条路径，有资格被认为是先祖反应（虽然谱系发生学研究，尚未肯定这种说法，但是倒也没有否定就是了）。使用乙酰辅酶A路径的古菌，叫做产甲烷菌，此外还有产乙酸菌（细菌）。有些生命树，会将产甲烷菌放在很早期很低的分支上；有些则将产乙酸菌放在很早的分支上；还有一些树，则把这两群细菌都放在比较晚期的分支上，因为有人认为，这种比较简单的细菌，代表生物经过专一化、精简化的演化过程，所以比较可能出现在演化晚期，而不是先祖时期。但是如果我们只能严守谱系发生学的研究，可能至今还深陷五里雾中，毫无头绪。幸好我们不需要如此。

乙酰辅酶A路径，由氢气跟二氧化碳开始，就是在上一章中我们提过，在碱性热液喷发区这两种分子都很丰富。我们也说过，透过 H2跟 CO2去合成有机分子的反应，是一种「释能反应」，会放出能量；原则上来说，这个反应应该会自动发生才对。但是实际上，这反应有一道能量障壁，让 H2跟 CO2不会很快发生反应。今日的产甲烷菌，利用质子梯度去克服这道能量障壁，而我认为，它的祖先应该就是如此。就先假设我是对的，总之，产甲烷菌跟产乙酸菌，都只利用 H2跟 CO2之间的反应来生存：光靠这两个分子，它们就可以获得生长所需的一切能量与碳分子。光是这一点，就让乙酰辅酶A路径，跟其他五条反应路径远远分开。地质化学家夏柯（Everett Shock），曾经说过一句名言来总结这个现象，他说：「这就像是有人付钱请你吃一顿免费的午餐。」这餐点或许并不丰盛，但是在热液区，却是全天无限供应。

还有，乙酰辅酶A路径，不同于其他反应途径；它很短，而且是直线进行。从简单的无机分子开始，只需要很少的反应步骤，就可以制造出所有细胞都有的核心代谢分子，这个分子就是乙酰辅酶A，它是个不算太大，但具有高度反应性的分子。你不需要担心这些专有名词拗口，「辅酶A」就是「辅助酶A」的意思，它是一个重要而万物通用的化学「挂钩」，它会钩住小分子，让这些小分子容易被其他酵素催化。不过这个钩子的重要性，远不及它钩住什么东西。在乙酰辅酶A中，它钩住的是乙酰基（acetyl group）这个小分子。乙酰基跟乙酸（acetic acid，就是醋里面的醋酸）同源，是一个简单的二碳分子，它在所有细胞的生化代谢反应中，都扮演举足轻重的角色。当乙酰基被辅酶A钩住时，会进入活化的状态（常被称为「活化的醋酸盐」，其实就是有反应性的醋），这让它很容易跟其他有机分子反应，因此可以驱动所谓的生合成反应。

因此，乙酰辅酶A路径可以从 H2跟 CO2分子出发，只透过几个步骤，就产生出活化的有机小分子，同时还会释出足够的能量，这些能量不只可以驱动核苷酸跟其他分子的合成，还足够把它们连接起来，聚合成长链的DNA、RNA、蛋白质等等的大分子。催化乙酰辅酶A路径前几步的酵素，带有含铁、镍跟硫的无机金属簇。可以把电子传到 CO2上面，把它变成活化的乙酰基。这些无机金属簇基本上就是矿物质，也就是岩石，它们的结构，跟沉淀在热液区的硫化铁矿物质差不多。碱性热液区所发生的地质化学反应，跟产甲烷菌以及产乙酸菌体内的化学反应，大部分都非常类似，事实上，用「类似」两字恐怕还不足以去形容。类似的意思是很相似，但是可能只是表面上相似而已。而这两者相近的程度，基本上应该被视为同一物才对：其中一套反应是另一套反应的始祖。也可以说，这是从地质化学演化出了生物化学，从无机物演变成有机生物，完全无缝接轨。化学家加纳（C. David Garner）说得好，「是无机元素使有机化学导致了生命之崛起」。

不过，产生乙酰辅酶A最大的好处，应该是这个分子，刚好就处于碳代谢与能量代谢反应的分岔路口。最早指出乙酰辅酶A跟生命起源有关的人，是比利时优秀的生化学家德杜维（Christian de Duve），时间是一九九○年代初期；不过那时候他是在太古浓汤假说的架构中提出，而非碱性热液里面。乙酰辅酶A不只可以驱动合成有机分子，它也会直接跟磷酸盐发生反应，形成乙酰磷酸盐分子（acetyl phosphate）。这个分子的重要性，虽然不及当前的生物能量货币ATP，但是在生命世界中，它仍被广泛使用，而且功能跟ATP差不多。在上一章我们提过，ATP不单只会释放能量，它还会驱动脱水反应，也就是说，从两个氨基酸分子或是其他的生物分子中，抓走一个水分子，让这两个分子可以连在一起，形成长链。我们也说过，在溶液中进行脱水反应的问题，就好像在水中想要拧干衣服一样麻烦，但是这正是ATP分子会做的事。而我们在实验室里面已经成功地证实了，乙酰磷酸盐分子，可以引起一样的反应，因为它跟ATP的化学性质基本上一样。这结果代表，乙酰辅酶A这种简单的硫酯类化合物，非常可能可以推动最原始的碳代谢跟能量代谢。

「简单的化合物？」也许你会这样问。乙酰辅酶A上面的乙酰基，因为只有两个碳，结构相当简单。但是辅酶A可是一个复杂的分子，它毫无疑问是天择的杰作，因此应该是演化后期的作品。所以，这一切只是循环论证吗？其实不是。因为科学家找到一个非常简单且「非生物性」的分子，可以算是乙酰辅酶A的相等物。乙酰辅酶A的反应性，来自于一个被称为「硫酯键」的键结，硫酯键的结构，就是一颗硫原子接上一颗碳原子，然后这个碳原子上还连了一个氧原子。它的化学式可以这样写：

R-S-CO-CH3

在这里「R」的意思表示「其他的」分子，在乙酰辅酶A中，R就是「辅酶A」。右边的 CH3则代表一个甲基（译注：甲基跟 CO 接在一起就是乙酰基：-CO-CH3，所以才叫乙酰辅酶A）。不过其他化合物的R，未必需要是像辅酶A一样复杂的分子，它也可以简单如甲基，这样就变成一个小分子，硫代乙酸甲酯（methyl thioacetate）：

CH3-S-CO-CH3

这也是一个具有活性的硫酯类化合物，在化学性质上跟乙酰辅酶A一样，但是结构够简单，可以在碱性热液区，由 H2跟 CO2产生反应直接合成。胡伯（Claudia Huber）跟瓦赫特绍泽，曾经成功地用 CO 跟 CH3SH 合成这个分子。此外，硫代乙酸甲酯跟乙酰辅酶A一样，都可以直接跟磷酸盐反应，产生乙酰磷酸盐。因此，有人提出了一个假设，主张这个具有反应性的硫酯类化合物，一方面可以直接驱动新的有机分子合成；另一方面也可以透过合成乙酰磷酸盐，去释放能量，让新分子聚合，然后形成复杂的长链分子，像是蛋白质或是RNA等等。我们正积极地设计实验，用实验室里的桌上型反应器，去验证这个假设，并且最近才刚刚成功地做出了乙酰磷酸盐呢，虽然浓度并不高就是了。

这种原始的「乙酰辅酶A路径」，原则上，已经足以让原始的细胞，从碱性热液喷发孔的微孔结构里面开始演化了。我认为这有三个阶段。在第一个阶段，碱性热液微孔结构中形成的质子梯度，被带着硫化铁矿物质的薄壁分开，这种环境有利于简单有机分子合成。这些有机分子，流往热液出口的众多小孔时，会因为海水温度较低，而被热泳效应浓缩；接着，如同我们在第三章谈过，它们会变成效果比较好的催化剂。这就是生物化学的起源，这个过程会持续生产并浓缩有活性的前驱物，促进分子之间的反应，并形成简单的聚合物。

第二阶段则是在碱性热液的细小微孔结构里面，形成简单而有机的原始细胞。根据有机的分子之间的交互作用，形成这种简单而脆弱的细胞状耗散结构，应该是必然的趋势；这样的结构，这只不过是物质自我组织的本性，并不需要遗传基础，也还没有任何复杂性。我认为这些原始细胞，一样是靠着质子梯度，去合成有机分子的结构，只不过以前是隔着碱性热液喷发孔的岩石薄壁，现在则是隔着有机膜（比如由脂肪酸自动合成的脂双层膜）。这些过程都不需要蛋白质的参与，如前所述，质子梯度本身，就会驱使硫代乙酸甲酯跟乙酰磷酸盐的合成，因此也就会驱动碳代谢与能量代谢。这一阶段跟前一阶段，只有一处关键的不同：现在有机分子是在原始细胞内部合成；而驱动它们的，则是横跨生物有机膜的天然质子梯度。回头重读这一段，我发现自己不断地重复着「驱动」（drive）这个词。或许是因为我的字汇贫瘠之故，但是，其实真的也没有更好的词了。我所要传递的讯息，就是「这并不是被动的化学反应」，这些反应是被强迫、被推着走的，是被不断流入的碳、能量、质子等等所驱动。这些反应必须要发生，唯有如此，这些还原性、富含氢气的碱性热液，进入一种氧化的、充满金属的酸海中时，所产生的脆弱化学不平衡，才有可能消散。而也唯有如此，物质才能进入幸福的热力学平衡状态。

第三个阶段，才是基因密码的起源、是真正的遗传，它让原始细胞开始有能力，去复制跟自己大同小异的新细胞。最原始的天择，也就是完全依靠物质合成与降解的速率，来决定胜败，会慢慢演变成真正的天择：带有基因跟蛋白质的原始细胞，慢慢开始在碱性热液喷发孔的微孔结构中，为生存而竞争。演化的机制，最终让这些早期细胞，开始制造复杂一点的蛋白质，像是核糖体与ATP合成酶；结果这些蛋白质就这样，一路完好地保存到今日所有细胞中。我认为，「露卡」，这个细菌与古菌的共同祖先，应该是住在碱性热液喷发孔的微孔结构中。这意思也就是说，从最原始的无机物，一直到露卡诞生的三个阶段，应该都发生在这些小孔中。所有的事件，都是由隔着无机石头薄壁、或是有机膜的质子梯度来驱动。但是复杂的蛋白质像是ATP合成酶的出现，则要在露卡这段崎岖旅途的晚期才会发生。

我不拟在这本书中讨论太古生化反应的细节，像是遗传密码从何而来？或是其他同样难解的问题。这些都是货真价实的难题，而且已经有很多聪明的科学家投身其中去研究。答案虽然尚未可知，但是有供应充足而活化的前驱物，则是所有研究都预设的前提。举个简单的例子来说，根据分子生物学家柯普莉（Shelley D. Copley）、史密斯（D. Eric Smith）与莫洛维兹（Harold Morowitz）对遗传密码的起源所做的研究，他们推测，具有催化功能的二核苷酸（也就是有两个核苷酸连在一起的分子），有可能可以透过丙酮酸盐（pyruvate）这种简单的前驱物，去制造氨基酸。他们的理论架构很聪明，同时透过这些「注定会发生的化学反应」，也为遗传密码的出现，提供了一种可能性。对于有兴趣的读者，在我的上一本着作《生命的跃升》中，有为DNA的起源，专门写了一章，里面也稍微触及了这些问题。但是所有的假设，都理所当然的认为，核苷酸、丙酮酸盐，或是其他前驱物，会源源不绝地稳定供应。而我们在这里想处理的问题则是，到底是哪些力量，迫使生命在地球上诞生？我的论点则是，关于有机碳分子、能量，以及催化剂的出现，然后开始形成复杂的生物分子，一直向上发展出基因与蛋白质，最后出现露卡，这里面实在没有什么观念上难以理解之处。

靠着 H2与CO2维生的古菌，也就是产甲烷菌，它们体内的生化反应，跟我们在这里描绘的热液世界之间，有着完美的连续性，两者靠着「乙酰辅酶A路径」连接起来。这些细菌很明显地极度古老，它们隔着细胞膜，创造了质子梯度（等一下我会解释它们是如何办到的），也完整复制了原本在碱性温泉区可以自由取用的一切。质子梯度驱动乙酰辅酶A路径的方式，是利用一种嵌在膜中间的铁硫蛋白质，它叫做「能量转换氢化酶」（energy-converting hydrogenase），缩写是 Ech。这个酶会引导质子通过膜，把质子传给另一个叫做铁氧化还原蛋白（Fd）的铁硫蛋白质，然后把 CO2还原。在上一章中我曾假设过，隔着热液微孔铁硫薄壁的天然质子梯度，可以借着改变 H2与 CO2的还原电位，把 CO2还原。我猜，从奈米等级的尺度来看，这也正是 Ech 所做的工作。酶经常会在自己的蛋白质皱折中，也就是几埃的距离之中，精密地控制生理条件，比如改变质子浓度；因此，Ech 很可能也会如此。果真是这样的话，那么古早细胞所维持的原始状态，与现代产甲烷菌的生理状态，就有着牢不可破的连续性：原始细菌在脂肪酸形成的细胞膜中，嵌着许多硫化铁矿物，并让短短的多肽稳定地结合着来推动代谢；现代产甲烷菌则靠着基因编码，制造 Ech 这种膜蛋白，来推动碳代谢。

不论如何，在已经有了基因与蛋白质的现代环境中，Ech 是利用甲烷生成时产生的质子梯度，来还原 CO2。产甲烷菌也会利用质子梯度，透过ATP合成酶去直接合成ATP。所以，对现代产甲烷菌来说，质子梯度可以同时驱动碳代谢跟能量代谢；而在温泉区则可以免费提供带有质子梯度的环境。最早住在碱性温泉区的原始细胞，或许正是利用一模一样的机制，去推动它们的碳代谢与能量代谢。这论点听起来，可信度相当高。然而依赖质子梯度，会有它本身的问题，而且是非常严重又难解的问题。马丁跟我都知道，要解决这个问题，唯有一个方法。同时，这也让我们更深入看透了，为何细菌跟古菌，会在根本上不同。

细胞膜渗透性的问题

我们细胞里面的线粒体，它们的膜，对于质子来说几乎完全不能穿透。这一点是绝对必要的。如果线粒体奋力把质子泵出膜外，质子却马上又透过无数小孔漏回来，那可一点也不妙。这就像你把水打入一个水缸里，但是缸底却是一层会漏的网子一样糟糕。我们的线粒体，借着传输出质子来建立一条电流回路，而这层膜就像绝缘体一样：质子被打出膜后，大部分会从某个像涡轮一样的膜蛋白中间流回去，同时推动涡轮。如果这个膜蛋白是ATP合成酶，那从这个奈米机器中流过的质子，就会推动ATP合成。不过请注意，这一切的过程，所依赖的都是能主动运作的泵。如果我们把这些泵堵住，那所有动作都会戛然停止。这就是氰化物毒药的作用原理。如果你吞下一颗氰化物，它会马上堵住线粒体里面呼吸链中最后一个质子泵。当呼吸链的泵受到这样干扰后，剩下外面的质子，还会继续从ATP合成酶中间流回几秒钟，但当膜内外的质子浓度趋于一致时，所有的电流都会消失。虽说死亡跟生命一样都难以定义，不过当线粒体的膜电位，受到不可逆的崩解时，应该几乎就是死亡的同义词了。

那么，天然的质子梯度，要如何推动ATP合成呢？它会遇到跟「氰化物」一样的难题。想像在热液喷发隔间中，有一颗原始细胞，它靠着天然的质子梯度提供能量。细胞的一边，面对的是持续流过的海水；细胞的另一边则是持续流过的碱性热液。四十亿年以前，海洋可能呈弱酸状态（pH 5–7），而碱性热液则跟今天一样，大概是 pH 7–9 的碱性。这样巨大的酸碱差异，让 pH 的差异横跨了三到五个单位，也就是说，两侧液体的质子浓度，可能差了一千倍到十万倍之多。简单的来讲，就先假设一开始，在细胞里面的质子浓度跟温泉液里的一样好了。这样一来，细胞内外就形成了巨大的质子梯度，而质子倾向从浓度梯度高的海水，流往梯度较低的细胞内。不过除非有办法把流进来的质子搬走，否则在几秒钟之后，这个流动就会停止。有两个原因会让质子停止流入：第一，因为内外的质子浓度，很快就一致了；第二，除了浓度以外，还有电荷的问题。质子（H+）是带正电的，但是在海水中，它们的正电会被带负电的离子中和，比如被氯离子（Cl-）平衡掉。但是质子进入细胞的速率，会比氯离子要快得多，因此，大量进入细胞中的正电荷，将无法被负电荷平衡掉，这就造成了问题；细胞里面很快就会比外面带更多的正电，如此一来就会阻止更多的 H+继续流入。简而言之，除非有一个泵，可以把质子不断打出细胞，否则这种天然的质子梯度，将无法驱动任何反应。它们会进入平衡状态，而平衡，就是死亡。

不过有一个例外。如果这层细胞膜让质子难以穿透，那么质子流确实会停止，因为进到细胞里面的质子无法出去。但是如果这层膜是会漏的，那情况就不一样了。持续从海水进入的质子，可以从其他出口漏出去，虽然是被动的，但是至少可以透过渗漏的膜，流往细胞的另一侧。结果，会漏的膜反而比较不会对质子流造成阻碍。此外，从碱性热液流过来的氢氧离子（OH-），穿过膜的速率跟质子差不多。当它们碰到一起的时候，就会形成水（H2O），因此可以同时一并消除流入的质子跟正电荷。我们可以利用传统的电化学方程式，透过电脑模拟一颗假设的细胞，根据膜的通透性，来计算质子流入跟流出细胞的速率。我跟波明安可夫斯基所指导的一个博士班学生苏活（Victor Sojo），就在研究这个问题。苏活主修化学，也对于生命起源的大问题很有兴趣。我们测量了在稳定状态下，当质子浓度不同的时候，单纯因为细胞内外 pH 梯度的不同，所能获得的自由能（∆G）有何差别？结果计算出非常漂亮的结果。我们发现，膜对质子的通透性，是推动质子流入的力量。如果这层膜通透性很高，那么质子会进来得非常快，但是也消失得快，因为它们很快就会被用同样速率渗进来的 OH-离子中和掉。不过我们也发现，即使是通透性很大的膜，质子透过脂质膜直接进入细胞的速率，仍不及透过膜蛋白（像是ATP合成酶这种）进入的速率。这意思也就是说，质子流可以透过像 Ech 这种膜蛋白，来合成ATP或是来还原 CO2。如果把离子浓度差异跟电荷都纳入考量，再加上ATP合成酶这种蛋白质，我们发现只有通透性非常高的细胞膜，才有可能利用质子流来驱动碳代谢以及能量代谢。值得注意的是，根据计算，这些漏很大的细胞，在内外差了三个 pH 的情况下，就可以从天然的质子梯度，得到跟现代细胞借着呼吸作用所得到一样多的能量。

事实上，这些细胞可能会获得更多能量。想想看产甲烷菌，它们大部分的时间就是在制造甲烷，自然因此得名。平均来讲，产甲烷菌每产生一份有机物质就要制造四十倍的垃圾（也就是甲烷跟水）。所有借着合成甲烷所获得的能量，都用来泵出质子。产甲烷菌大约花掉将近百分之九十八的能量预算，借着甲烷生成作用，去制造质子梯度；大约只有百分之二的能量，用来合成新的有机物质。如果有天然的质子梯度，加上会渗漏的细胞膜的话，这些额外的能量浪费都是不必要的。它们可以得到一样多的能量，但是经常性开支却可以降低四十倍，这是非常明显的优势！想想看，如果你可以得到四十倍之多的能量！那活力可以远远胜过自己的后代。在前一章里面，我曾经讲过，原始的细胞会比现代细胞，需要更多的能量与碳元素，但是如果不需要依赖泵而活的话，那它们其实会有更多的碳跟能量来运用。

假设有一颗会渗漏的细胞，处于天然的质子梯度环境中。还记得我们现在已经身处于拥有基因与蛋白质的时代了。我们的基因跟蛋白质，是天择作用在原始细胞身上的结果。如果这颗会渗漏的细胞，可以利用天然质子流，去操作前面提过的 Ech，来推动碳代谢。 Ech 让 H2能够跟 CO2反应，去生产乙酰辅酶A，从此开始就可以制造所有所需的建筑材料。这个会漏的细胞，还可以利用天然质子梯度，去驱动ATP合成酶来合成ATP。当然它接着就可以利用ATP，去聚合氨基酸跟核苷酸，这样就可以合成蛋白质、RNA还有DNA，最后就有能力自我复制。还有很重要的一点，这颗会渗漏的细胞，并不需要消耗能量来泵出质子，所以即使使用的是几十亿年以前、尚未受到演化雕琢的低效能原始酶，它们仍应该能够好好地生长。

但是这种渗漏细胞，也会因此被局限在原生地，变成完完全全依赖着碱性热液，而无法在其他地方存活。一旦有一天热液停止喷发，或是喷口转移到其他地方，这些细胞就完蛋了。更糟的是，它们很可能处于一种无法演化的状态。改善细胞膜的通透性，并不会带来任何演化上的好处。相反地，通透性比较小的膜，反而会因为无法排除堆积在细胞内的质子，结果反而摧毁质子梯度。所以任何细胞一旦发生变异，制造出「现代化」的不透膜的话，反而会被天择淘汰。当然啦，除非它们同时学会如何泵出质子，然而这件事也是困难重重。我们刚刚讲过，在一层会漏的膜上面泵质子，是没有意义的事情。而我们自己的研究也显示，即使细胞膜的渗透程度降低整整三个数量级，泵也不会带来任何好处。

让我细说，身处于质子梯度中的渗漏细胞，已经可以获得大量的能量，大到足以驱动碳代谢跟能量代谢。假设出现某个神秘的演化过程，很快地变出一座功能完整的泵，然后放到细胞膜上，会怎样呢？从获得能量的角度来看，这样一点好处也没有：不管有没有这座泵，细胞获得的能量都一模一样。把质子泵过一层会漏的膜，一点意义也没有，因为它们马上就会流回原处。即使把膜的通透性降低十倍，再试试看，结果还是没什么用处。如果把膜的通透性降低一百倍呢？还是没有什么用处；降低一千倍呢？仍然没有好处。为什么会这样呢？因为各种力量的影响，会达到一种平衡。虽然降低细胞膜的通透性，有助于泵的运作，但是同时也会让质子梯度难以维持，因而降低细胞的能量供应。除非可以把大量的泵，布置在几乎完全不透的细胞膜表面各处（大概跟我们今日的细胞膜一样），泵的好处才会出现。这是很严重的问题。在温泉世界没有选择的压力，让细胞需要去演化出现代化的细胞膜，以及现代化的质子泵。而没有演化动力，它们就不会出现。可是现代化的细胞膜跟泵，明明就出现了，那么到底哪个环节有错呢？

科学经常有着意想不到的结局出现，这里就有一个例子。我跟马丁一直在苦思这个问题，我们假设产甲烷菌会使用一种叫做「反向运输蛋白」（antiporter）的东西。我们所研究的产甲烷菌，实际上是泵出的是钠离子（Na+）而非质子（H+），但是它们还是会有质子累积在细胞里面的问题。这个反向运输蛋白，会用 Na+来交换 H+，就好像一座双向的旋转栅栏，或是旋转门一样。细胞每打入一个 Na+，就会吐出一个 H+。这其实是一座靠钠离子梯度来驱动的质子泵。不过这座泵并没有一定的运作方向。如果一颗细胞比较倾向泵入 H+而不是 Na+，那么反向运输蛋白只需要倒转运作即可。细胞每打入一个 H+，就有一个 Na+ 会被打出去。霎时间，我们就有了可用的工具。如果在碱性温泉喷口的原始细胞，演化出 Na+/ H+反向运输蛋白的话，它就好像有了一台靠质子推动的 Na+泵。每一个 H+进入到细胞里，就必须丢出一颗 Na+，理论上来说，一台反向运输蛋白，会把天然的质子梯度，转换成为生化的钠离子梯度。

那这样有什么帮助呢？我必须强调，这只是基于我们对蛋白质特性的了解，所做出的理论性推论，但是根据计算，这个蛋白质会改变很多事情。一般来说，脂质膜对于 Na+的通透性，比对 H+的通透性来说，要小了六个数量级；所以一层对质子来说极易渗透的膜，对于钠离子来说会极不容易渗透。我们每泵出一颗质子，它会很快地流回膜内，但是如果泵出的是钠离子，它不会那么快流回来。这也就是说，反向运输蛋白可以被天然的质子梯度驱动：每泵进入一颗 H+，就会排出一颗 Na+。只要这层膜对质子一直保持着通透性，反向运输蛋白就可以持续运作，把 Na+一直泵出去。因为这层膜不透 Na+，所以一旦被排出去，就会一直待在外面；或者，它要回来就必须透过某种膜蛋白，而不能直接穿过脂质膜流回细胞。这样一来，把 Na+流加入细胞机器一起运作，对事情就有帮助。

当然啦，这样会有帮助的前提是，那些驱动碳代谢跟能量代谢的膜蛋白（也就是 Ech 跟ATP合成酶），无法区别 Na+跟 H+有什么不同。这听起来很荒谬，但是让人讶异的是，竟然真的有这种事。有些产甲烷菌的ATP合成酶，可以同时被 H+或是 Na+推动，而效率几乎一样好。在无趣的化学字汇中，称呼这种模式是「偶发的」。出现这种现象的原因，很可能是因为，这两种离子的电荷数一样，而粒子半径也差不多。虽然 H+比 Na+要小很多，但是质子很少单独存在。当它溶在水中时，会跟水分子结合成为 H3O+，这样一来，半径就几乎跟 Na+一样大了。另一个膜蛋白 Ech，对于 H+跟 Na+的辨识度也是「偶发的」，原因应该也一样。这里最重要的一点就是，把 Na+泵出细胞外面去，并非全然无意义。首先，如果是靠天然的质子梯度来推动，那把 Na+泵出细胞根本不花一毛钱。而一旦细胞建立起钠离子梯度之后，Na+比较有可能透过 Ech 跟ATP合成酶这类膜蛋白，而不是透过脂质膜，回到细胞里面。这样一来，使用完全隔离的细胞膜，反而比较好，因为这样比较不容易出现短路。而结果呢？细胞将有比较多种不同的离子，可以用来驱动碳代谢跟能量代谢，如此，细胞把离子泵出去的投资报酬率会比较好。

这样一个简单的新发现，会带来许多意外的分歧。首先，把钠离子打出细胞，必然会降低细胞里面的钠离子浓度。我们发现许多细菌跟古菌的核心酶（比如说那些负责转录跟转译的酶），最适当的工作环境，都是在低 Na+浓度的情况下。这些酶，当初应该是在四十亿年前的海洋中演化出来，而彼时海中 Na+浓度，应该不会低到哪里去，所以这样的性质，无疑是天择筛选的结果。因此，反向运输蛋白可能很久以前就出现并开始运作，这样才能解释，为何所有细胞虽然从高 Na+的海洋中演化出来，却最适应在低 Na+浓度的环境下工作。

跟我们原本的目的比较有关的改变，是反向运输蛋白可以在原本的 H+梯度外，又快速地增加了 Na+梯度这件事。细胞仍然需要靠质子梯度提供能量，因此它们还保有质子渗透膜；但是现在又多了 Na+梯度，而根据我们的计算，比起只依赖质子时，细胞又可以多百分之六十额外的能量。这会为细胞带来两大好处：首先，有反向运输蛋白的细胞，可以获得比较多的能量，因此比那些没有的细胞，可以更迅速地生长与复制；这很明显会让它们在天择竞争中，占尽优势。再来，即使天然的质子梯度降低，细胞也还可以继续生存。根据我们的研究，带有渗漏膜的细胞，可以在质子梯度为三个 pH 单位的环境中，生长的很好。三个 pH 单位的意思就是说，海洋中的质子浓度（约为 pH 7），比起碱性热液（约为 pH 10），要高了三个数量级。当细胞有了反向运输蛋白之后，可以从天然质子梯度获得比较多的能量，它们就可以在梯度小于两个 pH 单位的环境下生存；这让它们有办法扩散，并定居在更广的范围内，或是搬到邻近的热液系统处。因此，带有反向运输蛋白的细胞，应该会胜过其他细胞，也会在热液喷发孔演化并扩散。但是，因为它们仍是完全依赖天然的质子梯度而活，所以还不能离开热液喷发孔。还差一步。

现在情况进到一个关键点。有了反向运输蛋白，细胞尚不能离开热液喷发孔，但是它们已经准备好了。我们可以说，反向运输蛋白其实是一种「预先适应」（preadaptation），是助长之后演化发展，一个必要的第一步。反向运输蛋白的出现，是第一个有利于主动泵演化的因素，这件事相当出人意料（至少对我来说如此）。之前我曾经说过，用主动泵把质子打出渗漏膜，并没有好处，因为它们马上就会流回来。但是反向运输蛋白出现之后，好处也浮现了。当质子被传输出去后，有一些不见得会直接从脂质膜漏回来，而会从反向运输蛋白进入，同时把一个 Na+交换出去。既然细胞膜对 Na+的隔绝性比较好，那么当细胞花能量把质子打出去后，就会转换成膜两侧的钠离子梯度。每多打出去一个钠离子，它们就多一点点留在外面的机会。因此也可以说，现在每传输出一个质子，也就可以多一点好处，而以前则是毫无用处。因此，质子泵只有在反向运输蛋白存在的情况下，才会有用。

除此之外，当质子泵演化出来后，改善细胞膜的渗透性，也开始有点好处了。我再解释一次：要利用天然质子梯度，一定要有一层会渗漏的细胞膜才行。在这种膜上操作质子泵，没有任何意义。反向运输蛋白可以改善一些情况，因为它让细胞在天然质子梯度外，又可以额外多获得一点能量；但是它并没有办法，切断细胞对质子梯度的依赖性。但是有了反向运输蛋白后，运输出质子就开始有一点好处了，也就是说，细胞将可以少依赖一点天然质子梯度。而也只有在这种情况下，有一片渗漏比较少的细胞膜，会比较好。细胞膜少渗漏一点，质子泵的好处就多一点。愈改善，好处就会愈大，一直到现代化的质子隔离膜出现为止。而这应该也是史上第一次，一股持续性的演化动力，可以同时创造质子泵跟现代化细胞膜。演化到最后，细胞终于有办法切断它跟天然质子梯度的脐带：现在它们可以自由地离开热液喷发孔，奔向外面空旷而宽广的世界中。

这一组物理条件的制约，非常漂亮。从这种限制上去思考，它跟谱系发生学的研究方法不同，谱系发生学提供的答案很少，也很模糊；物理条件的限制，却可以把演化可能出现的步骤，按照顺序先后排列出来，从依赖天然质子梯度为始，到出现现代化细胞（横跨不透膜，自己制造质子梯度）为终。此外，这样的物理条件限制，还可以解释细菌与古菌当初如何分歧。虽然这两种细菌，都靠着「隔着细胞膜所产生的质子梯度」来生产ATP，但是这两种不同域的细菌，它们的细胞膜，从根本上来说就完全不同；外加上其他许许多多特征上面的不同，像是膜泵、细胞壁、DNA复制机制。下面我将一一解释。

为什么细菌跟古菌完全不同

这个故事讲到现在，我来帮它做个总结吧。在上一章中，我们从能量的观点来讨论，早期地球上哪些环境，可能导致生命出现？我们慢慢排除各种可能，最后锁定在碱性热液区，因为这里可以稳定地供应碳元素跟能源，同时还有矿物质催化剂、以及天然的微小隔间。但是这些热液有个问题：这里的碳跟能量，是以 H2跟 CO2的形式流进来，而这两种分子，本来并不容易发生反应。不过地质化学所造成的天然质子梯度、热液喷发孔微孔隔间的半导性薄壁，都有助于让分子横跨原本的能量障壁，发生反应。反应会产生如硫代乙酸甲酯（功能上等同于乙酰辅酶A）之类的活化硫酯类分子，就可以在有质子梯度的环境中，驱动碳代谢跟能量代谢。这些代谢反应所形成的有机分子，会堆积在热液喷发孔的小洞中。分子堆积在一起，有利于「脱水」反应进行，然后形成像是DNA、RNA以及蛋白质这样的复杂聚合物。在这里，有些细节被我刻意略过，像是遗传密码如何出现之类的问题；我只着重在观念上的论证，说明根据理论，这样的环境，可以制造出带有基因跟蛋白质的原始细胞。这样一群细胞，就成了完美的天择作用目标。我认为，细菌跟古菌的最后一个共同祖先，也就是称为「露卡」，应该就曾经住在碱性热液喷发孔的小孔中。它是这里众多简单细胞群中的一员，依赖着天然质子梯度而活，后来被天择筛选出来。天择会让复杂的蛋白质慢慢演化出来，像是核糖体、Ech 还有ATP合成酶等等。这些蛋白质，后来被保存下来，成为万物共有的特征。

原则上，露卡可以借着天然的质子梯度，透过ATP合成酶与 Ech，来供应自身碳代谢与能量代谢所需要的一切东西。不过这样一来，露卡需要有一层渗透性极高的细胞膜。它将无法演化出现代细菌跟古菌的细胞膜，因为那种完全不透的「现代化」细胞膜，将会摧毁露卡赖以为生的质子梯度。不过，后来出现了反向运输蛋白，改善了这种情况。这个蛋白质可以将天然的质子梯度，转换成生化的钠离子梯度，这样可以提供额外的能量，让细菌可以在质子梯度低一点的地方生存。这样一来，细菌就有办法扩散，并在原本站不住脚的范围内生存，也比较容易让族群开始分化。一旦细菌可以拓展到比较广的范围生存，它们就甚至可以开始「感染」邻近的热液系统；而在古早的地球上，碱性热液喷发孔在海底的分布，应该要比今日广泛得多，那时候许多地方都容易发生蛇纹岩化作用。

反向运输蛋白，同时也有利于质子泵的发展。最终，我们要来讨论一下一件奇怪的事，也就是关于产甲烷菌跟产乙酸菌，两者为何有不同的乙酰辅酶A路径。这样的差异，暗示了主动泵，应该是反向运输蛋白的帮助下，分别出现在两群不同的细菌身上，而这两群细菌，都是从共祖分化出来的。回想一下，产甲烷菌属于古菌，产乙酸菌属于细菌，这两种细菌，分别代表了原核生物的两大域，同时也是「生命树」上最最古老的分支。细菌跟古菌有非常相似的DNA转录跟转译系统、相似的核糖体、相似的蛋白质合成系统等等。但是它们也有一些非常基本的不同处，包括细胞膜的成分。我还提过，它们的乙酰辅酶A反应路径，虽然都是非常古老的反应路径，但是在细节上面却不一样。这两域细菌的相同与不同处，揭露了一些秘密。

产乙酸菌跟产甲烷菌一样，都利用 H2跟 CO2发生的反应，去制造乙酰辅酶A，其反应步骤非常相似。这两种细菌，都利用一种叫做电子分歧（electron bifurcation）的灵巧手法去推动质子泵。这手法最近才被德国优秀的微生物学家陶尔（Rudolf K. Thauer），跟他所带领的团队所发现；而这个现象，可以算得上是近几十年来生物能量学领域中，最划时代的突破了。这些隐晦的微生物，明明根据化学计量学的结果，是无法生长的，可是它们却完全无视理论，持续产生能量并且大长特长。为何如此？数十年来学界始终一筹莫展。陶尔现在已经正式退休了，不过他的众多发现，为这长年徒劳无功的解谜过程，画下了一个句点。演化往往比我们所设想的还要精明。基本上，电子分歧可以看成一种「能源的短期租赁」过程，所依赖的是欠的债可以马上偿还。之前曾提过，H2跟 CO2的反应，整体来说是一种释能反应（会放出能量）；但是这系列反应的前几步，是需能反应（需要输入能量）。电子分歧现象所促成的，其实只是把反应的后几步，当 CO2被还原时所释放出来的能量，挪用到前几步来而已。既然最后几步所释放出来的能量，大于前几步所需要的能量，多出的能量有一些会被用来制造质子梯度。整体来说，H2跟 CO2反应所产生的能量，是被用来将质子泵出细胞膜。

而关于这个反应最大的谜团，在于产甲烷菌跟产乙酸菌两者体内，对于电子分歧的反应路径，有着不同的「配线」（wiring）。虽然两者都依赖类似的铁－镍－硫蛋白质，但是反应机制却不一样，而很多参与反应的蛋白质也不同。产乙酸菌跟产甲烷菌，都会把 CO2跟 H2反应所释放出来的能量，转换成隔着细胞膜的 Na+或是 H+梯度；两者也都利用这个离子梯度，来驱动碳代谢跟能量代谢。不过虽然产乙酸菌跟产甲烷菌一样，也有ATP合成酶跟 Ech；但是产乙酸菌却不直接使用 Ech 去推动碳代谢。相反地，有些产乙酸菌，会把它当成 Na+或是 H+泵来使用。同时它们两者碳代谢反应过程，也迥然不同。由于这些不同处实在太过基础，以至于一些学者认为，搞不好两种细菌反应的相似处，并不是来自于共同祖先，而是趋同演化、或是水平基因转移的结果。

不过，关于这些相同处与不同处，如果考量到露卡确实是生活在「依赖天然质子梯度」的环境中，那就变得合理了。这样一来，质子泵演化的关键就在于，质子原本是从哪一个方向流过 Ech 的：它是自然地从 Ech 流入细胞内，去进行固碳作用；或者反过来，由 Ech 扮演质子泵的角色，把质子打出细胞呢？我认为，在远古的细胞体内，原本天然的质子流通过 Ech 时，是用来还原「铁氧化还原蛋白」，如此才能还原 CO2。两群细菌分家后，各自演化出质子泵。其中一群，也就是后来变成产乙酸菌的细菌，倒转了 Ech 的方向，它们透过氧化「铁氧化还原蛋白」所产生的能量，把质子运输出细胞外面。这样既简单又有好处，但是却马上出现了问题：以前用来还原二氧化碳的铁氧化还原蛋白，现在被用来帮助把质子运输出细胞。所以产乙酸菌必须另辟蹊径来还原二氧化碳，而且不能依赖铁氧化还原蛋白。它们的祖先找到了解药，那就是透过电子分歧这聪明的手段，让它们可以间接地还原 CO2。整个产乙酸菌的生化反应，其实就是根基在一个简单的前提下：当流经 Ech 的质子流方向反转时，带给产乙酸菌一个有用的质子泵，但同时也留给它一道难题去解决。

第二群细菌，也就是后来变成产甲烷菌的细菌，找到了另外一条路径。它们维持着祖先的习惯，仍然用质子梯度来还原「铁氧化还原蛋白」，然后用这个被还原的蛋白质去固碳。但是现在它们必须要从无中生有，来「创生出」一个质子泵。好吧，或许不是真的从无中生有，它们很可能只是改装了现有的蛋白质。目前看来，它们似乎是改装了某个反向运输蛋白，让它变成一台泵。基本上，这并不是太困难的事，但是有一个难题：哪里来的电力，让泵运作呢？为此，产甲烷菌发明了不一样的电子分歧手法。它使用了一些跟产乙酸菌一样的蛋白质，但是因为需求不同，连接的泵也不同，所以它用不同的方式连接。这两域细菌的碳代谢与能量代谢反应，一般认为是根据流经 Ech 的质子方向，而发展出来的。因为流动方向不同，而有两种选择，结果产乙酸菌跟产甲烷菌，分别做了不同的决定。

一旦细菌发展出了主动泵，它们就有动机去改善细胞膜的品质了。从以前到目前为止的每一步，细菌都还没有办法从「现代化」的细胞膜中，获得任何好处。要有现代化的细胞膜，必须把材料换成磷脂质（phospholipid），这很可能是有害的。但是当细菌有了反向运输蛋白跟质子泵，把甘油分子加到原本细胞膜的脂质上，就开始有好处。在这件事上，这两域的细菌，似乎是各自独立演化的，所以古菌采用甘油的一种立体异构物，而细菌则采用了它的镜像（见第二章）。

现在这些细菌都演化出了主动离子泵，同时也都有了现代化的细胞膜，它们已经可以离家出走，奔向宽广的海洋了。因为细菌跟古菌，是从住在碱性热液区质子梯度中的共祖细胞，各自独立演化出来的，所以后来它们发展出不同的细胞壁，来保护自身面对的新冲击，并不足为奇。而它们各自「创生出」DNA复制系统，也就理所当然。在分裂的时候，细菌会把它们的DNA黏在细胞膜上，一个叫做「复制子」（replicon）的地方，这步骤可以确保分裂出来的子代细胞，都可以拿到一份DNA的拷贝。因此，把DNA黏在细胞膜上的分子机器，以及DNA复制时的许多细节，多多少少都会受到「如何黏上去」的影响。因为两种细菌的细胞膜是独立演化出来的，这就解释为何它们的DNA复制过程如此不同。关于细胞壁也是一样，它的零件一定要从细菌体内，透过细胞膜上特定的小孔送出来。因此，要如何合成细胞壁，要看细胞膜的特性如何，所以两者的细胞壁「理应」不同。

现在，我们差不多接近尾声了。虽然生物能量学，并没有根据第一原理，去预测细菌跟古菌两者在基础上，应该会出现哪些不一样；不过从能量的观点去考量，确实可以解释这些差异「如何」、以及「为什么」会出现。原核生物的两大域，彼此之间的差异，跟需不需要去适应高温这种极端环境，一点关系也没有；这纯粹是那些为了产生能量，而必须维持渗漏细胞膜的细菌，后来分家的故事。细菌与古菌分歧的方式，或许无法根据第一原理去预测，但是关于这两域细菌，都使用化学渗透机制（也就是在细胞膜两侧制造质子梯度）这件事，倒是遵守着前两章所谈到的各种物理原理。不论是在地球上，或是在宇宙中任何一个角落，最有可能孕育生命的场所，大概就是碱性热液了。这种热液，迫使细菌使用天然的质子浓度梯度，最后迫使它们制造自己的质子梯度。在这样的脉络下，今日地球上所有的生物，都使用化学渗透机制，实在是理所当然。我认为宇宙中其他的生命，很可能也使用化学渗透机制。这意思也就是说，它们可能面临的问题，跟我们在地球上所面临的问题一样。在后面，我们要来看看，为何这种靠质子发电的普世需求，让复杂的生命注定十分罕见。

2024-07-06 16:48:55