生命的起源

《生命的起源》#

作者 刘大可

序幕钟表匠与石头#

“类比只有偶然性，没有必然性”，两个无关的东西在某个方面像，仅此而已，不能证明别的方面也像——乌鸦是黑漆漆的，隐约泛着金属般的光泽，煤炭也是黑漆漆的，隐约泛着金属般的光泽，那又怎样呢，难道看见乌鸦会飞会下蛋，就说煤炭同理，也会飞会下蛋吗？

生物的代谢活动往往会制造一些有颜色的物质，这些物质可以被统称为色素。而色素之所以有颜色，就是因为它们会吸收某种频率的光，将其短暂地转变为化学能，生物如果能够及时地捕捉到这些化学能，也就感知到了光。

眼睛的进化历史要远远长于人类这个物种的进化历史，甚至长于所有脊椎动物的进化历史——它至少要追溯到所有两侧对称动物的共同祖先身上。这个共同祖先突变出了一个控制眼睛发育的关键基因PAX6，数亿年来，这个基因都没有明显的变化，把哺乳动物的PAX6 基因切下来放在昆虫身上，昆虫照样长出正常的眼睛。

复眼对运动极其敏感，昆虫可以分辨每秒240帧的动画，达到人眼的10倍，这同样带来了显著的生存优势——你想徒手抓苍蝇，那可难极了。

第一章原始浓汤？#

40多亿年前的原始大气并不像“原始有机汤”假设的那样，是还原性的氢、氨、甲烷等物质，而是以二氧化碳和氮气为主的中性大气，这让米勒-尤里实验从根源上受到了质疑。

原始有机汤假说还有一个重大的理论破绽：要让小分子有机物形成大分子有机物，再形成生命，必须先让这些有机物达到相当高的浓度，并且维持这种浓度，否则那些诱人的化学反应在统计上根本就不会发生

从小分子有机物到大分子有机物，再到类似细胞的有机物复合体，最后到真正的细胞，需要持续数百万年的稳定环境，闪电当然达不到这样的条件，陨石坑也同样不具有这样的稳定性。而且，一切生化反应都非常脆弱敏感，所以孕育生命的环境不仅要稳定，还要足够温和。而闪电、火山活动、强紫外线都太过暴戾，它们虽然能够促使无机物转化成小分子有机物，但仅此而已，那些小分子胆敢长大一点，立刻就会被这些能量打碎。

第二章黑烟囱？#

万物生长靠太阳，实际上是生物利用光合作用将太阳能固定下来，为生物的各种活动供能。如果有其他的能量获取来源，是不是太阳也就不是必需的了万物生长靠太

黑烟囱的热液中富含甲烷、硫离子、亚铁离子、氨还有二氧化碳，而生活在烟囱附近的微生物，就会利用这些物质，构造各种各样千奇百怪的氧化还原反应，获取能量，制造有机物

它源源不断喷发出来的矿物质具有丰富的催化活性——铁、锰、锌、铜，直到今天都是所有细胞里最重要的微量元素，与多种新陈代谢所需的酶有关

卡尔·波普尔，也就是那个提出“可证伪性是判断一个理论是不是科学的标准”的科学哲学家，也对这个与生物化学结合得更加紧密的生命起源理论青睐有加。

第三章还是白烟囱？#

亚铁+2价，二硫-2价二硫化亚铁（FeS2）

科学就是科学：无论综合的道路还是分析的道路，都立足于可观察、可检验的客观事实，白烟囱假说中的任何一个细节，也都会坦诚地接受包括实验在内的一切事实的检验，不断地修正进步——科学从来不幻想掌握任何真理，我们只是不断地逼近事实，逼近那40亿年前的事实。

第四章生命是什么？#

生命是维持在非平衡态上的物理系统，这通过从环境中汲取“负熵”实现。

前半句中所谓“平衡态”，是指一种“泯灭了一切差异，而变得处处均匀”的状态——绝大多数物理系统，如果没有得到专门的维护，没有从外界获得物质和能量的支持，那么它的任何运动都会使自己更加接近这种平衡态。

生命活动非但不会泯灭系统内部的差异，不会把自己变成一团均匀的物质，而且会维持各种尺度上的差异，形成复杂而有序的结构。

汽车的机械活动是汽车报废的原因，而生命活动不是衰老和死亡的原因。恰恰相反——这恐怕会颠覆绝大多数读者的认知——生命活动的结果是永恒。

熵是系统混乱程度的度量，物理学上常用S表示，而当一个系统的熵达到了最大，就会泯灭掉一切差异，变得处处均匀，也就是薛定谔的前一句话讲述的那种“平衡态”。

系统如果是孤立的，或者所处环境的熵已经达到了最大，那么这个系统的任何运动都不会减少自己的熵”——是的，这就是热力学第二定律的具体表现，有时也叫“熵增原理”

生命为什么总能维持很低的熵？拿这句话和热力学第二定律对照一下，答案已经没有备选项：因为生命不是孤立的，而且它所处的环境的熵也没有达到最大。

吸收低熵原料，排出高熵产物，使整个生命系统维持低熵状态

“新”带有较低的熵，“陈”带有较高的熵。

新陈代谢的真谛，既不在于物质，也不在于能量，而在于熵增的转移，生命摄入了较低熵的物质，又排放了较高熵的物质，把熵增的趋势转嫁给了外部环境，自己就可以在热力学第二定律的眼皮子底下维持很低的熵，但如果将人和环境视为一个整体，我们又会发现，蕴含了生命的孤立系统，熵不会减少，完全符合热力学第二定律。

既然“熵”度量了系统的混乱，那就用“负熵”度量系统的秩序好了——事儿就这样成了，“生命是什么”的大问题有了“负熵”这个深入人心的回答。

耗散结构是一类不断与外界交换物质和能量，而维持在非平衡态上的物理系统。

凡是盯着流水发过呆的人，都会注意到绕过障碍物之后水流会出现漩涡。实际上，如果障碍物的形状比较规整，我们还常会看到两个漩涡一摇一摆周期交替地伸展下去，形成一种独特的有序图案，它被称为“卡门涡街”

那离开漩涡后的水流重归平稳，这又是什么过程呢？按照这里的逻辑，混乱的水流是高熵的，平稳的水流是低熵的，对水流来说这是一个熵减的的过程？如果在一个包含了这条水流的孤立系统里，是谁获得了这些熵呢？

进入漩涡的是低熵的水流，离开漩涡的是高熵的水流，漩涡获得的一定是负熵。所以这些漩涡同样是典型的耗散结构。

生命是一个控制系统，它的控制对象是它的自身，它的控制效果是令自身持存。

我们就不得不承认生命才是已知世界里最了不得的控制系统。生命体内充满了各种各样的调节机制和反馈机制，它们让构成自身的各种物质全都遵照一套严密的规则，在恰当的位置上发生恰当的反应，生命正是因此得以持存

一个控制系统一定是低熵的，而精确的控制行为一定会增加外界环境的熵，所以如果一个控制系统的功能就是维持自身，就必须一边摄入低熵的物质，一边释放高熵的物质，结果就是“汲取负熵”。

追问生命的起源是什么，我们先要回答耗散结构是怎么来的，再来回答生命作为一个控制系统是怎么来的。

热力学第二定律之后，非平衡热力学的研究还揭示了一个更加普遍的“熵增最大化定律”II：排除外界影响，一个变化的热力学系统不但会向着熵最大的状态发展，还会向着熵增最快的状态发展。

因此，一个热力学系统如果具有显著的熵增潜力，却因为某种“障碍”不能顺利实现熵增，就可能突变出某种耗散结构，加快熵增的速度。

所谓“燃点”，就是随机运动已经足够剧烈，淀粉分子普遍失去稳定性，很快产生了大量的自由基。自由基与氧此起彼伏的反应产生的能量来不及消散，于是累积下来，打碎了更多淀粉分子，制造了更多的自由基，终于形成一种滚雪球般的链式反应，释放了可观的能量，发出了光和热。

生命作为一种耗散结构，最初的起源也势必符合这个具有普遍意义的回答：原始地球上的某个环境中存在一些关键的物质，蕴含着显著的熵增潜力，但这些潜力却因为某种障碍无法充分释放。于是，那里的物质就在随机的化学反应中形成了某种耗散结构，奠定了生命的雏形。

那么，生命最基本的控制功能是什么呢？

第一项是“物质代谢”和“能量代谢”。它们控制了许多关键的生化反应的方向，借此，来自外界的物质被组织成了生命自身的结构，其他形式的能量转换成了生命可以利用的形式。

第二项是分子生物学的“中心法则”。

它规定了核酸要如何储存遗传信息，遗传信息又该如何表达为具体的蛋白质。

第三项是“边界控制”，这在前文刚有所涉及，但在生命起源问题中，它特指细胞膜的边界控制，或者说，是在追问最初的细胞膜是如何产生的，又是如何发展出选择透过性的。

自从进化生物学正式建立，“人类知道的一切生命形式，任何一个物种，都在进化上源自同一个祖先”已经成为生物学所有领域的普遍共识，其中很少再有什么可争议的事情。

为了之后的整本书讲述方便，我们从此就把“已知生命的最后一个共同祖先”简称作“末祖”，在其他中文科学读物里，这个概念大多会被叫作“露卡”，音译自“Last Universal Common Ancestor”的首字母缩写“LUCA”。

自由能就是系统当中可以用来对外界做功的能量——实际上，“熵”更直接的定义，正是“系统当中不能用来对外界做功的能量的总量”：

第五章难平的怪账#

丙酮酸解体的过程就发生在线粒体的基质内。在那里，它首先会被切掉羧基。所谓“羧基”，就是——COOH，在原子比例上可以看作1个二氧化碳加上1个氢原子。实际上，那个被切掉的羧基也会立刻转化成二氧化碳，剩余一个氢原子就与氧分子结合成水。丙酮酸被切掉羧基之后，剩下的部分就是乙酰基，乙酰基会继续发生一系列非常复杂的化学反应，彻底转化2分子二氧化碳，由此产生的氢原子，都会被拿去与氧气化合成水。

这一系列非常复杂的化学反应，被总称为“三羧酸循环”。从20世纪的30年代到50年代，共有3名生物学家因为揭示了它的机制而荣获诺贝尔奖。之后的研究还进一步确认了三羧酸循环就是细胞内一切物质能量代谢的枢纽，整套生物化学的中心。

整个三羧酸循环仍然不需要氧分子，没能释放出期望中的那些能量也就毫不奇怪了。是的，三羧酸循环产生的水和二氧化碳全都是有机物被催化分解的产物，而不是有机物被氧分子氧化的产物。

那这些电子的能量去哪了呢？

而那个电子则是“还原性”的本体，能量大得很，这三种酶会接力传递它，使它的能量逐渐降低，最后再传递给那个含铁的氧化酶。

这一整套通过传递电子，最终把氢和氧化合成水的大型酶系统，就叫作“电子传递链”。如图2—17所示，瓦尔堡发现的含铁氧化酶就是其中最后一环——“复合物IV”，而那三种配合工作的酶，就分别被称为复合物I、复合物II和复合物III。

既然找不到那个中间物质，何不干脆承认没有这个中间物质？既然找不到电子传递链与ATP合成的化学联系，何不承认二者没有化学联系？他一口否定了之前20多年的努力，旋即提出了一个鬼马狂想曲般的“化学渗透假说”（chemiosmosis）：电子传递链会把氢离子从线粒体内膜的内侧全都泵到外侧去，当这些氢离子渗透回内侧，就会像穿过大坝的水流，推动ATP合酶造出ATP。

在电压的驱动之下，每个氢离子都“渴望”穿透线粒体内膜，回到内侧去，但是线粒体内膜对氢离子的透过性极差，氢离子必须另外寻找一个洞口才能回到线粒体内部——这个洞口就来自ATP合酶。

ATP合酶制造ATP的原理竟然不是直接的“化学反应”，而是一种微观的“机械作用”！

有氧呼吸的氧化还原反应，原来并不是要直接合成ATP，而是要利用电子传递的能量，像汲水一样把氢离子泵出膜外，制造巨大的电压，再由此驱动ATP合酶，把ATP压制出来

末祖已经把化学渗透当作获取能量的主要方式，今天的细胞都是在此基础上修改电子传递链，以适应不同的环境。

回溯线索其一

这就是我们在回溯的道路上找到的第一条具体线索：生命起源之地很可能存在着普遍的氢离子梯度，可以实现最初的化学渗透

第六章传递生命的信息#

1962年的诺贝尔生理学或医学奖颁发给弗朗西斯·克里克（左）、詹姆斯·沃森（中）、莫里斯·威尔金斯（右），因他们“发现核酸的分子结构及其对生物中信息传递的重要性”。但实际上，第一个发现双螺旋结构的，是英国物理化学家和晶体学家罗莎琳德·富兰克林。因为是女性，她遭遇了许多严重的学术歧视，比如威尔金斯未经她的同意就把她的关键研究成果泄露给克里克和沃森，导致克里克和沃森后来居上，率先发表了论文。而到诺贝尔奖颁发时，富兰克林却已经死于癌症，因此失去了青史留名的机会。

细胞当然不知道自己的宏观位置——但是，它们知道了周围有什么物质，就知道该怎么做。

细胞只要掌握了周围物质的种类和浓度的信息，就等于知道了自己的宏观位置。而要掌握这类信息也不难：细胞内部和表面还存在着数不清的各种受体，每一种受体都能差异化地与某种物质结合起来，就好像一把钥匙开一把锁。对于每一种受体，那个与它匹配结合的物质，就被我们称为配体。细胞根据受体与配体的结合情况，就能知道与自己接触的细胞表面携带了什么物质。知道周围有哪些物质，知道那些物质的浓度有多高，当然也就知道自己该怎么做了。

一切生命活动能够维持秩序，归根结底，是因为细胞内的有机大分子能像机器里的齿轮、链条、连杆、转轴甚至电路板一样，以恰到好处的三维形态彼此配合，迫使所有的物质像输入计算机的数据一样，按照恰当的方式发生恰当的化学反应。

遗传信息大概可以分为三类：一类是记录所有蛋白质的氨基酸序列的遗传信息；一类是调控遗传信息的遗传信息；还有一类迄今为止没发现任何功能，十有八九是些垃圾信息。

遗传信息究竟是什么样的，它是如何记录氨基酸序列的，又是如何世代传递的？概括起来，只有4个字而已：中心法则。

◆ 中心法则涉及了两类物质：核酸和蛋白质，其中核酸又分成两种，即DNA（脱氧核糖核酸）和RNA（核糖核酸）； ◆ 细胞的完整遗传信息储存在DNA上，DNA可以把这些信息复制给新的DNA； ◆ DNA中的遗传信息经过转录，可以传递给新的RNA，再经翻译表达成各种蛋白质； ◆ 在某些特殊情况下，RNA也可把遗传信息复制给新的RNA，甚至逆转录给新的DNA； ◆ 各种蛋白质实现了各种生理活动，包括上述各种遗传信息的传递； ◆ 蛋白质中的遗传信息不能传递给其他物质。

在DNA上，每3个碱基构成一个密码子，每个密码子代表一种氨基酸，许许多多密码子依次排列下去，就编码了蛋白质的整个氨基酸序列。令人惊讶的是，时至今日，地球上的一切生命，用的都是同一套标准遗传密码。

RNA的骨架由磷酸与核糖聚合而成，4种碱基中的胸腺嘧啶（T）换成了尿嘧啶（U）。但U与T的结构差异也只是U比T少了一个甲基而已，这两个碱基在遗传密码中的含义是完全一样的。

回溯5条线索其二

遗传密码、信使RNA、核糖体RNA以及转运RNA，乃至整个中心法则，都必然源自末祖，也就很可能源自第一个细胞——这毫无疑问就是我们在回溯之路上的又一条具体线索，恐怕也是最醒目的线索。

RNA世界假说

RNA具有一种可贵的“全能性”：它一方面能像DNA一样用碱基序列编码遗传信息，足以成为称职的遗传物质；另一方面能像蛋白质一样折叠出复杂的三维形态，并展现出丰富的催化活性。那么，在细胞诞生之前，或许就存在着一个奇妙的“RNA世界”，其中的RNA千变万化，既能互相催化复制，又能在此过程中遗传变异。后来时机渐渐成熟了，RNA才把遗传的任务交给了更加稳定的DNA，把催化的任务交给了更加多变的蛋白质，自己则功成身退，只负责中心法则的衔接任务了。

有机大分子是由成百上千乃至上万的化学单体聚合起来的物质。然而形成这样的物质在热力学上是不利的，或者说，这些有机大分子重新水解成化学单体的反应，才是熵增反应。

对于绝大多数动物来说，背腹轴和前后轴也是由母体确定的。因为卵细胞在发育成熟的整个过程中，会从母体的卵巢组织中获得许多信息物质。这些信息物质就叫作“母源因子”，它们在未来的胚胎发育中占据着至关重要的“位置”。

母源因子从不同的方向进入卵细胞，必将在不同的位置上呈现不同的浓度。那么，当卵细胞受了精，开始分裂之后，在不同位置上分裂形成的子细胞必将继承不同种类和数量的母源因子，也就有了不同的分化命运。

母源因子毕竟是扩散来的，在卵细胞内不可能分配得那么精确，经过多次细胞分裂还会被打乱，并不足以确定每一个细胞的分化方向。所以，母源因子只负责在胚胎发育的极早期，趁着分布范围明确，先提纲挈领地钦定一部分细胞的命运，再由这些细胞合成更多更丰富的信息物质，进一步影响其他细胞，被影响的细胞一旦开始分化，又将释放出新的信息物质，影响更多的细胞分化。像这样层层深入，就把大框架划分得越来越精密，细胞的分化也就越来越精细了。

是不是意味着人类最多能实现同卵八胞胎？

在受精卵分裂出第8个细胞之前，任何两个细胞都没有区别，如果把其中任何一个细胞单独拿出来，它仍然会继续发育成一个小号的囊胚，最终发育出一个正常的胚胎。

椎实螺究竟是左旋还是右旋，取决于母体的基因型，而不是自己的基因型。母体是显性纯合或者杂合，那么后代就统统表现显性性状，是右旋的。母体是隐性纯合，后代就统统表现隐性性状，是左旋的。这种现象被称为“母性效应”，是遗传学上的经典案例。

我们的繁殖方式主要可以分为三类：卵生、无胎盘的胎生，以及有胎盘的胎生。

蛋白质，我们知道它是由许多氨基酸缩合成的链状物，说得更具体一些，就是α-氨基酸形成肽键后的缩合物。所谓“α-氨基酸”，就是在同一个碳原子上既连接了氨基又连接了羧基的有机物。

当一条长长的多肽链在空间中盘曲成了复杂的形状，有了生理活性，我们就叫它“蛋白质”。

在确定的温度下，多肽链的一级结构是确定的，折叠的过程就总是确定的，二级结构和三级结构也就总是确定的。

某些蛋白质实在折叠不好也是常事。此时，它们通常就会被某些“回收蛋白”识别出来，及时销毁，水解成氨基酸拿去制造新的蛋白质。而在极端情况下，某些蛋白质既不能正常折叠也不能回收，就会招致大麻烦——阿尔茨海默病、帕金森病和疯牛病，都与蛋白质不能正常折叠也不能正常回收有关。

第七章不可思议的亲戚#

氧含量逐渐降低的地方，深绿色的绿硫菌能适应50℃的水温，它们的光合作用不产生氧气，而是把硫化物氧化成硫酸，再把二氧化碳转化成有机物。

在世界各地，凡是盐浓度极高且光照充沛的浅层水体，都有可能变成粉红色。

这些微生物虽然都是原核生物，但它们并不都是细菌，其中的硫化叶菌、甲烷丝菌、盐杆菌和甲烷八叠球菌属于一个被称为“古生菌”（archaea）的独特群体，旧称“古细菌”，简称“古菌”。在如今的生物分类学上，域是最大的分类单元，古菌构成一个域，细菌构成一个域，真核生物构成了另外一个域，这三个域加起来，就涵盖了已知的一切生命。

实际上，我们会提出“古菌”这个概念，就是因为古菌与真核生物的关系更近，而与细菌的关系很远。或者说，末祖首先进化出了两群后代，一群是细菌的祖先，另一群是古菌和真核生物的共同祖先，由此再经过一段时间的进化，古菌和真核生物才互相独立。

然而在比较过更多的核酸序列之后，我们逐渐发现，并非某个共同祖先分别进化成了古菌域和真核域生物，而是古菌域内部的某一支进化成了真核生物。

细菌域和古菌域40亿年来都在一刻不停地交换遗传信息，或者说“杂交”，而真核生物的出现正是因为古菌在一次规模空前的杂交中获得了大量的细菌基因。

谈到那次“规模空前的杂交”，就涉及一个细胞生物学上日渐主流的内共生理论。在这个理论中，一些细菌因为某种原因钻进了古菌的细胞内，它们非但没有死亡，反而开始利用古菌细胞内的物质生长繁殖，定居了下来。而当其中的某些细菌死掉了，其DNA就会全部倾泻在古菌的细胞内，形成一次大规模的基因传递。这样剧烈的基因交换会让大部分宿主古菌暴毙，但在一些罕见的情况下，古菌却带着外来的基因挺了过来，发展成一种全新的细胞，也就是我们的真核细胞。这种新细胞不但有了细胞核，还有了一种专门负责有氧呼吸的细胞器，它就是当年侵入了古菌细胞的细菌。而后，又有一小部分真核细胞通过相同的途径俘获了另外一群能光合作用的蓝细菌，世界上就有了叶绿体。

回溯线索其三

末祖只有细菌和古菌两群直接的后代，那么，要分析末祖的性状，也就只需要比较细菌与古菌，至于占据了已知生命形式绝大多数的真核生物，完全可以不再考虑，这让回溯之路的负担瞬间减轻了95%以上。

如果某种极其复杂的结构同时出现在了细菌和古菌身上，就只有两种可能了：它们从末祖那里继承了这个结构，也就是遗传信息的“垂直传递”；或者，一方通过性行为，从另一方那里“学”来了这个结构，也就是遗传信息的“横向转移”。

既然“横向转移”在古菌域和细菌域如此频繁，那么是什么独特的特性区分了古菌和细菌呢？

在过去的半个世纪中，我们不断比较各种细菌和古菌的遗传信息，结果发现遗传信息的横向转移要比想象的更加广泛，更加剧烈，而且越是在进化早期，这样的事情就越是频繁。

菌和细菌都服从相同的中心法则，遗传信息在DNA、RNA和蛋白质三种物质间的流向和机制完全相同，甚至使用相同的标准遗传密码。

细菌和古菌用来转录的酶是同源的，也就是像各种鸟的喙一样，在进化上有同一个源头。我们还发现，用来翻译的酶，尤其是核糖体，也是同源的。

中心法则，转录和翻译系统都是同源的，但是DNA复制的系统存在巨大的差异

细菌和古菌用来复制DNA的酶系统虽然也有类似的地方，但整体看来却相当不同，甚至不同到了“完全相反”的地步。

细菌和古菌用来复制DNA的酶系统虽然也有类似的地方，但整体看来却相当不同，甚至不同到了“完全相反”的地步。

末祖会用怎样一套酶系统来复制DNA呢？

细胞膜看似化学渗透的关键，在细菌和古菌身上却大相径庭，干脆是由两种不同的物质组成：细菌的细胞膜和真核生物的细胞膜一样，主要由甘油二酯的磷脂构成，而古菌的细胞膜主要由甘油二醚的磷脂构成。不仅如此，细菌和真核生物的细胞膜都是双层分子，古菌的细胞膜的两层分子却经常连接起来，最后成了单层分子。

回溯5条线索其四

末祖有中心法则，但是复制DNA的酶系统并没有完善起来；末祖有化学渗透系统，但是细胞的膜系统也没有完善起来；后来，古菌和细菌在进化上分道扬镳，各自进化出了这两套系统，这两套系统当然也就大相径庭了。

根据后文，这两种路径分别是逆三羧酸循环和乙酰辅酶A路径。回溯线索其五

只有两套与物质能量代谢有关的化学反应被细菌和古菌共享。其中一套化学反应尤其吸引了我们的注意，它一方面与获取能量的方式有关，另一方面又与制造有机物的方式有关，更妙的是，这种关系恰好能够严丝合缝地嵌入白烟囱那错综复杂的毛细管道中去。这就是我们在回溯之路上找到的第五条线索，一条至关重要的线索，在它的牵引之下，我们就将进入新的一幕了。

与鲸关系最近的动物是河马，尽管它们在各种层面上都没有很像。

鹰和隼是后一种情况的好例子。它们都是天空中的猛禽，长着钩子似的利爪和尖嘴，光看解剖结构，谁都会说它们是一类，绝大多数人甚至根本分不清二者。然而，从亲缘上看，鹰更接近猫头鹰，隼却更接近鹦鹉XII。

真核细胞用来复制DNA的酶系统的主要部分和古菌一样，膜系统与细菌一样。而ATP合酶竟然兼有两种，一种和古菌一样，出现在细胞质里，另一种和细菌一样，出现在线粒体和叶绿体里。而且说起线粒体和叶绿体，这两种细胞器实在像极了细菌，不但尺寸和细菌差不多，而且竟然有属于自己的DNA、核糖体和转运RNA。

1981年，波士顿大学遗传学教授琳恩·马古利斯，即天文学家卡尔·萨根的首任妻子，发表了一篇新论文《真核细胞的起源》XIII，系统总结了此前100多年人类对真核细胞起源的思考，提出了一个极富启发性的“内共生假说”。该假说认为，真核细胞并不是末祖的直接后代，而是一些原核细胞进入另一些原核细胞之后的共生“群体”，这个乍看起来非常“离奇”的想法竟然在之后的半个多世纪里得到了堪称全面的证据支持，也得到了反反复复的修正，已经成为目前最主流的关于真核细胞的起源理论。

第八章齿轮还是链条？#

六种固碳作用的名字一个比一个生硬拗口：卡尔文循环、逆三羧酸循环、乙酰辅酶A路径、3-羟基丙酸双循环、3-羟基丙酸/4-羟基丁酸循环、二羧酸/4-羟基丁酸循环I。

卡尔文循环毫无疑问是当今世界上最重要、最为人所熟知的固碳作用，因为它就是光合作用的“暗反应”。

逆三羧酸循环，就是某些细菌可以让这个齿轮倒着转，把各处收集来的二氧化碳和氢原子送进去，源源不断地合成出各种有机物。

这种固碳作用最亮眼的地方，就在于它的逆反应“三羧酸循环”如今广泛存在于一切需要氧气的细胞内，无论真核细胞、细菌细胞还是古菌细胞，都用它拆解最终的有机物。

新陈代谢中，糖、脂肪和蛋白质这三大营养物质的分解代谢殊途同归，都以乙酰辅酶A的形式进入三羧酸循环。同时，乙酰辅酶也可以为脂肪和固醇的合成代谢提供原料。

乙酰辅酶A包括两个部分：乙酰基和辅酶A。乙酰基就是乙酸除去一个羟基剩下的残基

所谓“乙酰辅酶A”，就是正在运送乙酰基的辅酶A

总的来说，乙酰辅酶A路径就只包括了四个步骤而已：第一步，把一份二氧化碳还原成甲基；第二步，把另一份二氧化碳还原成一氧化碳；第三步，甲基与一氧化碳相遇变成乙酰基；第四步，让辅酶A来装货。

第九章矿石与电流#

自由能变小于0，反应就是自发的，反之就不是自发的

实际上，任何一个化学反应，哪怕氢气在氧气中燃烧这样看起来简单的化学反应，都不是完整的分子按照化学方程式中的“配平系数”直接地反应起来，而一定要先在微观上解体成无数种“碎片”才能推进下去，所以任何一个反应都需要这份“另外的能量”。

要通过这道障碍只有两个办法：要么直接引入大量的能量，强行翻越障碍，比如萨巴捷反应的高温高压，要么就使用催化剂改变障碍的“地形”，比如产甲烷古菌和产乙酸细菌的酶和辅酶。

所以，如果要用传奇的措辞概括他们的理论，那么，在40亿年前的地球上，就是这些铁硫矿物催化了原始乙酰辅酶A路径，为生命的诞生积累了最初的有机物。生命诞生后也就沿用了这套乙酰辅酶A路径，作为最初的固碳作用。在那之后，所有的基本物质能量代谢都由这一套原型衍生而来，所以作为一份进化的遗产，时至今日，地球上的每一种生命，都还在细胞里面保存着一座座微型的白烟囱——血肉之躯里暗藏了一颗岩石的心。

至于这岩石之心具体由哪些铁硫矿铸成，罗素和马丁的回答是“硫复铁矿”，也就是四硫化三铁（Fe₃S₄）的天然晶体，尤其是掺杂了镍原子的晶体，如图3—9，那些铁硫簇像极了这种晶体的碎片。

趋磁细菌就比较新奇，这些细菌本来没什么亲缘关系，却不约而同地在细胞内制造了硫复铁矿的晶体微粒，并且把这些晶体微粒整齐地排列在细胞内。这是因为四硫化三铁与四氧化三铁一样，整齐结晶就会成为磁铁。

指南针顾名思义指的是南北，如何能指上下呢？这是因为地球磁场要在两极回归地心，所以除了赤道附近，世界各地的磁场都不会平行于地表，而是斜着插进地表。那么，细菌如果沿着磁场运动，也就不是单纯的南北运动，而同样伴随着上下运动了IV。

2015年，伦敦大学学院的化学部就在实验室里证明了硫复铁矿在相当温和的条件下能催化二氧化碳与氢气的反应，生成甲酸、甲醇、乙酸和丙酮酸，这就与斯特拉斯堡大学的实验一样，从产物上良好地吻合了乙酰辅酶A路径，而反应条件甚至更加理想VII。

2020年的3月2日，威廉·马丁与斯特拉斯堡大学的实验室，以及日本筑波的国家先进工业科学技术研究所生物生产研究所，三个团队共同测试了白烟囱里的硫复铁矿、磁铁矿、铁镍矿对氢气和二氧化碳的催化能力VIII，结果在模拟热液喷口的碱性环境下都成功产出了甲酸、乙酸和丙酮酸。并且，有充分的证据表明，这些矿物晶体的催化方式与铁硫簇的催化方式非常一致。

这种影响通常是因为酸碱性会改变化学平衡：还原剂交出电子后会带上正电荷，而碱性环境含有大量容易给出孤对电子的物质，比如氢氧根离子，能够使产物迅速达到电中性，稳定下来，离开反应，这会促进正反应的推进，也就让还原剂的还原性更容易表现出来了。反之，酸性环境会阻碍正反应的推进，也就削弱了还原剂的还原性。

一种物质表现出来的还原性与环境的酸碱性有非常直接的关系。总的来说，环境中的碱性越强，物质的还原性就显得越强，酸性越强，物质的还原性就显得越弱。

一种物质表现出来的还原性与环境的酸碱性有非常直接的关系。总的来说，环境中的碱性越强，物质的还原性就显得越强，酸性越强，物质的还原性就显得越弱。

尼克·莱恩大胆地提出，在碱性热液一侧，氢气会把一对电子交给铁硫矿，自己变成氢离子，再与周围的氢氧根离子结合成水。而那对电子经过铁硫矿传导到酸性海水的那一侧，还原了吸附在矿物表面上的二氧化碳，由此生成了甲酸、甲醛、甲醇等有机物。

对于那个2019年的矛盾，也就是有机物不应该聚集在酸性一侧的矛盾，尼克·莱恩又给出了新的解释：在白烟囱内部，液体在那些错综复杂、四通八达的管道内有着不同的流向，但总的来说，碱性热液在白烟囱内部以更快的速度向上喷涌，而酸性的海水会以缓慢的速度由周围向内部渗透，并且在内部被碱性热液带动，携卷着一边混合，一边向上涌出。所以有机物不管在哪一侧形成，最终都会进入白烟囱内部，钻进那海绵似的管道里面。

第十一章阴魂不散的“死胎”#

它从RNA指向了DNA，这一过程被称为“逆转录”，拥有这项能力的代表病毒“人类免疫缺陷病毒”（HIV）也更加可怕，它是艾滋病的元凶。

HIV的病毒内部包含了一些特殊的蛋白质，一旦进入人类的T淋巴细胞，这些蛋白质就能利用细胞内的物质和能量，把病毒的RNA逆转录成一条双链DNA，再钻进细胞核，把这条DNA嵌进人类自己的基因里。

病毒自身没有任何物质能量代谢的功能，完全不满足生命的热力学定义，所以在第四章结尾的地方，我们说它不是生命。

衣原体和立克次体虽然是细胞，但已经完全不能独立生活，必须潜入其他细胞内部，窃取物质能量代谢的各种成果，才能维持自身的生命，不断繁殖下去，这让它们的结构非常精简，直径零点几微米，体积只有一般细菌的1%左右。

核生物没有细胞核，它们的DNA也没有凝聚成染色体，而是形成了几个相同的大型环状DNA，大致分布在细胞的中心区域，被称为“拟核”。但拟核并没有囊括细胞的全部DNA，还有大量的小段DNA分散在细胞内部自由地复制着，被称为“质粒”。质粒可以携带各种各样的基因，给原核生物赋予了各种额外的代谢能力，比如对抗生素产生耐药性的基因就常常携带在质粒上。

“转座子”就是真核细胞基因组内的离奇结构了。在我们染色体DNA上，大量分布着一种特殊的序列，这种序列大都没什么生理功能，却可以从原先的位置上被剪切下来，再插入基因组的其他位置。

第十二章甲醛聚糖和热泳#

RNA世界假说要想成立，首先要解决RNA的起源问题。为此，我们需要把RNA拆解成三种主要的原料：磷酸、核糖和碱基。其中，磷酸是随处可见的无机物，不需要考虑。核糖可以来自一种甲醛聚糖反应，也非常可能在白烟囱的环境下自然生成。

就是生物课上被称作“核苷酸”的东西，你会注意到它们比RNA里的单体多了两个磷酸基，那是因为这两个磷酸基一旦水解就能释放很多的能量，这在聚合的时候推动了整个反应

甲醛聚糖反应是俄国化学家亚历山大·布特列罗夫（Aleksandr Butlerov，1828—1886）在1861年发现的，所以这个反应也会遵照惯例被命名为“布特列罗夫反应”（Butlerov reaction）。实际上，甲醛这种物质也是他在1859年发现的。

细胞出现之前，这些RNA的单体要怎样才能组合成上一章结尾处预言的，既能编码遗传信息，也能催化复制自己的神奇RNA呢？

对DNA上的每个基因来说，双链中的一条链叫作“编码链”，意思是它编码了遗传信息，但真正用来转录RNA的“模板链”却是那条没意义的镜像序列

所谓“热泳效应”，是指在温度差异的作用下，介质中的微粒会在统计上向着温度较低的方向扩散。

第十三章下落不明的圣杯#

RNA世界假说的核心内容，是RNA分子可以催化自我复制，由此打破遗传和代谢的两难。

蛋白质的多肽链可以盘成各种形状，因此产生了千变万化的催化能力，但RNA也有这个本事，也能够盘绕出千姿百态的三维结构，理应也具有丰富的催化能力。

DNA存储的遗传信息并非都有用，但是正如你的眼睛不可避免地要读到那些括号中的内容，然后在大脑里去掉它们，重新组织句子，最后获取那句话的意义，内含子也会不可避免地被转录到RNA里，然后再被设法剪掉，RNA才能发挥预期的生理功能。

在之后的研究中，切赫不但明确了四膜虫的RNA真的是自己剪掉了自己的内含子，还明确了就是内含子自己剪掉了自己。I当然，也不是只有四膜虫有这个本事，我们现在知道，任何一种生命的细胞里，都有一些内含子能把自己剪下来，我们把它们称为“自剪接内含子”。像自剪接内含子这样具有催化能力的RNA，就叫作“酶RNA”

切赫与奥尔特曼的发现证明了并非只有蛋白质才有催化能力，RNA也同样可以有，这项石破天惊的新发现让他们分享了1989年的诺贝尔化学奖。

要让RNA世界假说达到理论上的贯通，我们至少还要继续证明两件事。首先，我们要证明某些酶RNA能够以RNA为模板聚合出新的RNA，这样的酶RNA就被叫作“RNA复制酶RNA”；进一步地，我们还要证明某些RNA复制酶RNA能够复制自己，或者叫“自催化RNA复制酶RNA”

RNA世界假说如果是成立的，那么在它的起源之初，就更有可能是多个酶RNA相互协作、互相催化的热闹局面，这不但能大大加快反应，也能让整个系统更加稳定。

第十四章施皮格尔曼怪#

对于RNA世界的早期面貌，我们大致有了这样的构想：白烟囱里海绵似的毛细管道具有热泳浓缩的效果，这可以促使核苷酸随机聚合成RNA。后来，这些RNA中涌现出了具有催化能力的酶RNA，尤其是一些RNA复制酶RNA，它们构成了自我复制的团体，呈指数级扩增。

1965年，DNA重组技术的奠基人索尔·施皮格尔曼正在尝试人工扩增RNA。他在试管里加入了目标RNA、各种核苷酸以及从细胞里提取的RNA复制酶，放置在恰当的温度下一段时间之后，再把复制产物提取出来，投入新的试管，重新加入各种核苷酸和RNA复制酶，开始新一轮的复制。就这样循环往复了许多轮，施皮格尔曼惊讶地发现，无论最初加入试管的目标RNA是什么，经过许多轮的循环复制，最终的产物都是同一条218个碱基的RNAI——换句话说，在施皮格尔曼的人工扩增体系中，这条RNA就是“进化的终点”，依据发现者的名字，它被命名为“施皮格尔曼怪”（Spiegelman’s Monster）。

因为早在20世纪90年代，我们就发现细胞内存在着复杂的RNA干扰机制。凭借这些机制，细胞如果要抑制某种RNA的活动，就可以制造许多与它互补的RNA片段，散发出去，与那种RNA牢固地结合住，使其失去功能，甚至，某些片段还能与RNA酶配合工作，直接把那种RNA剪断。

类病毒是一种环状的RNA，而且这个RNA真就只是RNA而已，完全裸露着，不像病毒那样裹着衣壳和包膜。

这个世界上还有许许多多比病毒更小、更简单的感染性有机体，它们被统称为“亚病毒因子”。目前为止，我们已知的亚病毒因子可以分为三类：类病毒、“卫星”和朊毒体。

朊毒体，俗称朊病毒，非常特殊，是已知的唯一不含核酸的感染性有机体。顾名思义，“朊”是“蛋白质”的旧称，朊毒体就是一种“有害的蛋白质”。

朊毒体能重新折叠那些正常的朊蛋白，把它们都变成朊毒体，使细胞里的朊毒体越来越多。

中枢神经系统，尤其是大脑中的朊蛋白特别多，所以朊毒体对大脑的损伤就格外严重——疯牛病、库鲁病、变异型克——雅脑病，都是大脑被朊毒体严重损害的结果，死亡率高达100%。

朊病毒在不同的物种身上也多多少少有些不同，所以它们通常也不会通过猎物感染掠食者。

第十五章三个世界的变换#

封闭的脂质膜使得细胞有了边界控制，和外界进行有限的物质交换从RNA世界到细胞，最关键的变化是一层封闭的脂质膜，它们把一些大分子的RNA包裹起来，就形成了第一批原始细胞。

从RNA世界到细胞，最关键的变化是一层封闭的脂质膜，它们把一些大分子的RNA包裹起来，就形成了第一批原始细胞。

不但浪费了宝贵的核苷酸资源，更抹平了RNA团体之间的差异，削弱了自然选择的力量，降低了进化的效率。

碱基C并不是一种非常稳定的物质，它在水溶液里自己就会发生一种“自发脱氨反应”，直接变成碱基U。

真核细胞的基因组中有许多逆转录转座子，而在这些逆转录转座子中，有相当一部分就是细胞俘获的逆转录病毒，被我们称为“内源性逆转录病毒”。

迄今发现的各种内源性逆转录病毒一共占据了人类基因组的8%。这个数字远比看起来惊人，要知道，那些真正编码了蛋白质的外显子全加起来也只占人类基因组的1.5%。

对各种真核生物来说，内源性逆转录病毒都能占据基因组的10%左右V。

碱基配对靠氢键，而氢键对温度很敏感。在较高的温度下，所有的碱基对都会自行断开，双链也就被拆成了两条舒展的单链。当温度有所下降，碱基又可以重新配对。当然，此时的原配早就不知漂到哪里去了，单链要重新配对就只能随遇而安，在复制酶、聚合酶、逆转录酶的帮助下新造一条互补链。

PCR，也是现在新冠核酸检测采用的方法

温度如果忽升忽降，这个过程就会循环往复，溶液中的核酸也会因此不断扩增。实际上，这正是人类在实验室中大量复制某段DNA或RNA序列的标准做法，被称为“聚合酶链式反应”。

在实验室里，相同原理的“对流式PCR”可以在25分钟之内把模板链扩增10万倍IX

因为链式反应效率太高，没有必要生产解旋酶来打开双链，所以只有在后期缺乏链式反应的环境中逐步发展出独立的DNA复制系统

如果温差产生的链式反应真的提供了DNA扩增的关键辅助，那么早期的逆转录细胞就很难进化出独立完整的DNA复制系统了，因为温度变化能像拆包装一样骤然撕开双链，而解旋酶只能像拉拉链一样从头到尾逐个打开双键，相比之下效率低得很，并没有什么明显的适应优势。而这又恰恰解释了第七章里尤金·库宁发现的疑问：复制DNA的酶系统，是在末祖分化成细菌和古菌，开始独立生存的过程中各自进化完善的。

至于末祖是如何分化成了细菌和古菌，细菌和古菌又是如何获得了独立生存的能力，这两个问题将会收拢迄今为止的整个故事，拼成一幅空前完整的生命起源图景。

第十六章遗传密码的秘密#

遗传密码是碱基序列与氨基酸的对应方式。具体来说，就是碱基每3个一组，构成一个“密码子”，对应1种氨基酸。碱基一共有4种，可以形成64个密码子，而细胞直接用于合成蛋白质的标准氨基酸却只有20种，所以遗传密码必然有所冗余，大部分的氨基酸都对应了多个密码子

所有已知的细胞和病毒，都是根据它建立碱基序列和氨基酸的对应关系的。

那为什么地球上所有的生命采用的是同一套遗传密码呢？是因为除了采用这套遗传密码（末祖）的都消亡了，还是地球上的生理环境决定了采用这套遗传密码？

后退无穷步非要假设外星病毒的遗传物质也是DNA和RNA，也用这4种碱基3个一组编码20种氨基酸，那也意味着超过1084种编码方案，这个数字恐怕比可观测宇宙中的原子总数还大，外星病毒与我们采用同一套遗传密码的概率实在太低了。

第一位碱基就对应了它们的合成原料，至于那几种原料就更有意思了，如果你除了丙酮酸就再没有听说过别的，不妨对照一下图2—13或者图3—2，就会发现这几种α-酮酸全都是三羧酸循环的成员。

密码子的第二位与对应氨基酸的亲水性有关。

所谓亲水性，就是氨基酸除去羧基和氨基之后，余下的部分是亲和水分子，还是排斥水分子，这是氨基酸最重要的性质之一。

密码子第2位是U的氨基酸总是疏水性最强，是A的亲水性最强，C和G居中，而C又要略强一点

至于密码子的第三位，它就是那种“冗余”的集中体现了：20种标准氨基酸里，有8种氨基酸的第三位密码子随便是什么都行，只有甲硫氨酸的第三位密码子必须是G。

镰状细胞贫血，就是患者的血红蛋白基因中有一个A变成了U，把原本编码了谷氨酸的GAG变成了编码缬氨酸的GUG——这就麻烦了：谷氨酸是非常亲水的氨基酸，折叠的时候本来位于蛋白质的表面，帮助血红蛋白溶解在红细胞的细胞质里；缬氨酸却是非常疏水的氨基酸，非常讨厌暴露在水溶液里。这种突变了的血红蛋白在氧气充裕的时候还好，一旦人体因为剧烈运动或者情绪紧张进入缺氧状态，它们的三维形态就会扭曲起来，然后一个个首尾相接地粘连成一长串。我们的红细胞原本是中间略扁的圆饼形，这下却被又长又硬的突变血红蛋白凝聚物撑成了镰刀形，不但运输氧气的能力大幅下降，还会卡在毛细血管的拐弯处，形成大范围的栓塞，肝脏、脾脏、红骨髓等毛细血管丰富的组织都将受到严重的损伤。

20世纪出现的第三种假说，是“协同进化假说”，这个假说并不认为遗传密码从一形成就会被“冻结”，而认为它与生命的一切特征一样，是在进化中变得复杂的。这个假说进一步提出，遗传密码的进化与氨基酸的进化有着紧密的对应关系。也就是说，最初得到编码的氨基酸并没有20种这么多，而只有区区几种，所以每种氨基酸都对应着许许多多的密码子。而当细胞合成了一种新的氨基酸，就会把某种氨基酸的密码子腾出来一部分，重新分配给这个新的氨基酸。

第十七章翻新忒修斯之船#

整个转运RNA的三维形态就像一只鸡大腿，反密码子长在大腿根的“反密码子臂”上，氨基酸结合在大腿尖的“CCA尾”上。

转运RNA毕竟是个RNA，不可能先天地带有氨基酸。在今天的细胞内，这两种物质是通过一类“氨酰转运RNA合成酶”（aaRS）连接起来的。通常，一个细胞有20种标准氨基酸，就同样有20种aaRS。然后，每种aaRS都能带着某种氨基酸，去寻找对应的转运RNA结合上去，给每只鸡大腿都蘸上正确口味的氨基酸，转运RNA和氨基酸的关系，也就确定了。

aaRS由3个域组成，C端域结合在转运RNA的受体臂和T臂上，反密码子域结合在反密码子臂上，催化域预先结合了一个对应的氨基酸，负责把氨基酸结合到转运RNA的CCA尾上。

aaRS与转运RNA的对应关系实在意义重大，所以在很多场合，各种aaRS与转运RNA的对应关系，就被称为“第二遗传密码”。

我们也大可以推测，转运RNA最初的时候就是前后两条，后来才因为某种原因头尾相接，连接成了一条。前面那一条为今天的转运RNA提供了反密码子，后面那一条负责为今天的转运RNA连接氨基酸，而内含子就是这两条RNA在连接时的冗余部分。

在20世纪末，人们就发现aaRS识别转运RNA的时候并不看重反密码子，而更看重迷你螺旋，甚至把迷你螺旋之外的部分全都彻底去掉，aaRS也能给大部分的琵琶腿蘸上正确的氨基酸。

第十八章自我组装的螺旋#

讨论热力学第二定律时，一个最常见的误解是“引力会对抗热力学第二定律，所以浑浊的泥水静置之后会上下分层，水都在上面，泥沙都沉淀到下面，从无序变得有序了”。但事实不是这样的，泥水沉淀分层的过程，同样是整个体系变得混乱的过程，因为泥沙颗粒的质量不知要比水分子的质量大到哪里去，在它们减速下沉、堆积的过程中，会通过直接的碰撞，把自身的动能和重力势能统统转交给周围的水分子，结果使水分子变得更混乱了。如果定量计算这个泥水系统的熵，你会发现沉淀一定伴随着熵增，如果有足够好的温度计，你甚至能测出这个系统的温度升高了。

最初，地质化学作用产生了RNA的单体，它们被白烟囱里的热泳作用浓缩起来，产生了越来越长的RNA。在随机序列的RNA中逐渐涌现出了一些自我催化的酶RNA，它们开始自我复制，相互竞争，开始了进化的第一个阶段——单纯的RNA世界。其中，一些RNA被脂肪酸的小泡包裹起来，成为第一批细胞，或者叫原始细胞。之后，一些碱基序列与氨基酸的生成反应关联起来，奠定了遗传密码的雏形。3’端是反密码子的RNA发卡形成的迷你螺旋，在原始的aaRS和CCA添加酶的催化下，它们有了CCA尾，也有了与反密码子对应的氨基酸。随后，迷你螺旋经历了一次重复加倍，成为原始的转运RNA。同时，另外一些L形螺旋出于热力学的稳定性，组成了多种结构，其中就包括蛋白质翻译系统，由此，RNA上的碱基序列开始变成蛋白质中的氨基酸序列，原始细胞进化成了核糖细胞，RNA世界由此发展成了联合世界。再往后，我们知道更多的氨基酸加入了编码，蛋白质变得越来越复杂，很快发展成了真正的酶。它们反过来以更高的效率催化了核酸的复制与表达，让细胞向着精密和复杂大踏步前进。而其中一项最关键的变化，就是逆转录酶的出现，它们把原本储存在RNA里的基因转移到了DNA的双螺旋中，大幅提高了细胞的基因组容量和遗传的稳定性，从此，原始细胞进化成了逆转录细胞，联合世界进入了逆转录世界。

第二十章产业转移#

“逆向转运蛋白”正是打破僵局的关键。

至少在产甲烷古菌和产乙酸细菌的细胞内，能量转换氢化酶和ATP合酶不但能用氢离子的梯度制造有机物、合成ATP，也能用钠离子的梯度完成同样的工作VI。

逆向转运蛋白一方面促成了细胞膜的密闭性和电子传递链的出现，另一方面也启动了细菌域和古菌域在进化上的分野。

在今天的任何一个细胞内，其他金属离子的比例都与海水差不多，唯独钾离子与钠离子的比例却颠倒过来。哺乳动物神经细胞的钾浓度是150毫摩/升（即“mmol/L”），钠只有15毫摩/升；酿酒酵母细胞质的钾浓度是130毫摩/升，钠是79毫摩/升；即便是第七章里那些盐湖中的嗜盐古菌，也会在外界的钠浓度达到4摩/升的同时把细胞内的钾浓度同样增加到4摩/升，让细胞内的钾离子始终比钠离子更多。为此，细胞不惜消耗大量的ATP，持续不断地把细胞外面的钾离子吸进来，把细胞里面的钠离子泵出去，尤其是动物的神经细胞，直接用这种离子梯度在细胞膜上维持了被称为“静息电位”的电压，人类作为神经系统最发达动物，即便什么都不干呆坐在那里，全身10%以上的能量也会因此消耗掉。

第二十一章能量之源#

接合让原核生物可以把自己的基因到处传播出去，同时能到处收集自己没有的基因，大幅提高原核生物的适应性。比如让当代医学万分头痛的病菌耐药性问题就与原核生物的性行为关系密切：某个细菌突变出了抗药基因并不会独享这份优势，而会通过接合，把这个基因传递给自己遇到的其他细菌。而且比较惊人的是，与真核生物的有性生殖不同，原核生物的接合完全无视物种差异，不同物种的细菌之间，甚至细菌和古菌之间，都有可能欢畅地交换基因。那么，如果许多种抗药基因都通过性行为荟萃到了同一种致病细菌身上，一个天不怕地不怕，什么药也杀不死的“超级病菌”菌株就应劫而生了。

我们在原核生物的细胞膜上发现了许许多多专门分泌大分子物质的蛋白复合物，它们被统称为“分泌系统”，其中被称为“Ⅲ型分泌系统”和“Ⅳ型分泌系统”的两种特别值得我们注意，因为它们的核心结构都是酷似“碾子”的六元环，

Ⅳ型分泌系统包括了一整套跨膜通道，贯通了整个细胞膜和细胞壁，下方还有一对很关键的“蛋白质移位酶”，涂成了蓝色，也是六元环，被称为“TrwK”。在细菌准备接合的时候，这对TrwK会不断地转动，把很多蛋白质送到细胞膜外侧，堆积起来，组装成一条很长的管道，这条管道，就是性菌毛。

即便在今天的细胞里，都是既有一些ATP合酶负责合成ATP，也有一些ATP合酶负责泵出氢离子。比如真核细胞就同时拥有这两种ATP合酶：前者存在于线粒体内，也就是第五章里讲述的那种ATP合酶，我们称它为F型ATP合酶；后者则存在于高尔基体、溶酶体、液泡等细胞质的膜系统上，被我们称为V型ATP合酶。V型ATP合酶能在这些膜结构的腔体内注入大量的氢离子，营造出极端的强酸环境，分解掉各种不需要的物质，包括入侵细胞的细菌和病毒。甚至在某些细菌体内，还有一些ATP合酶不一定往哪边转，氢离子梯度大就合成ATP，ATP富余就泵出氢离子，像墙头草一样。

第二十二章分道扬镳#

我们遇到过两种基本的能量转换机制：最先是20世纪初发现的底物水平磷酸化，也就是一种物质把磷酸基直接“嫁接”到另一种物质上（参见图2—18）；然后是1961年左右发现的化学渗透，它利用电子传递链制造跨膜氢离子梯度，再催动能量转换。

电子分歧能把氢分子中的一对电子拆开，一个用来还原某种“高能物质”，一个用来还原铁氧还蛋白，等铁氧还蛋白驱动了物质能量代谢，再抽取一部分能量，用来补充已经消耗掉的“高能物质”。所以，电子分歧是一种“能量借贷”，它透支“未来要合成的有机物中的能量”，驱动“现在需要转移的电子”。

我们已经介绍了白烟囱假说关于生命起源的整幅图景。40亿年前，大地之父与海洋之母的结合之处，耸立着碱性热液喷口，在那错综复杂的毛细管道内，氢气与二氧化碳，还有硫、铁、氮、磷等元素，在氢离子梯度的驱动下结合成了数不清的有机物。在那脉搏般起伏的热泳效应中，它们凝聚出了自我复制的RNA团体，又被封装成了原始细胞，生命的元祖——最初的进化就这样开始了。在那之后历经三个世界的变迁，末祖渐渐获得了脱离天然氢离子梯度的能力，进入了自由的海洋，也因此分野出了细菌和古菌这两个有无限可能的谱系。它们最初只是围绕着白烟囱继续利用氢气和二氧化碳收获能量。但是从洋中脊的深渊到浅海的水面，原始海洋不同的深度中还存在着各种各样极富熵增潜力的氧化还原对，氢气与硫酸根、硫化氢与亚硫酸、二价铁与硝酸根……乃至阳光本身，细菌和古菌给自己的电子传递链不断引入新的成员，就能像第五章结尾处说的那样，适应各种各样的环境了。当然，它们也在此过程中进化成了各种各样的物种，各从其类，直到今天，事儿就这样成了。

许多种蛋白质的帮助下，每当解旋酶解出一个单链片段，这个DNA聚合酶就会从这个片段局部的3’端开始，先把这个片段的子链聚合出来。这段聚合完了，解旋酶也该解出下一个单链片段了。就这样重复操作，下面那个DNA聚合酶就会聚合出许多首尾相连的片段，这些片段就是冈崎片段。最后，一个在DNA上到处巡逻、负责修复DNA损伤的DNA链接酶会及时追上来，把所有冈崎片段全都连接成一条完好的子链，下面那条链的复制工作也就大功告成了。

细菌的解旋酶套在后随链上，而古菌的解旋酶却套在前导链上，这种根本性的差异非常不可能来自同一个进化原型。

我们发现了病毒的酶的多样性要远远高于细胞的酶的多样性，而且非常明显，细胞使用的几种酶是从病毒的酶那里衍生出来的

我们终于可以总结这幅DNA复制系统的起源图景了：末祖很可能是一个逆转录细胞，但也可能已经有了简单的解旋酶和DNA聚合酶，只是效率都不高。而在它们渐渐获得独立生存的能力，分化成细菌和古菌的过程中，一些病毒另外进化出了更加完备的复制DNA的酶系统，然后把这些基因横向转移到了细胞的基因组内，全盘取代了原来那套低效的酶系统。

有生民以来，人类作为已知世界里仅有的心智，每当思虑起无穷的未知，就如同驾着一叶扁舟漂浮在无垠的海面之上，海面之下却是一个巨大的黑影在逡巡徘徊。相信“神迹”或其他“神秘”，只是这个心智在软弱无助的时候转移了视线，不看那个黑影，又给自己编造了一个彼岸世界的安慰故事。但这安慰无论多么圆满，听上去多么高尚，黑影兀自还是黑影。一个强大起来的心智必然会勇敢地跃入水中，竭尽所能地看清一切。

终章梦境与星空#

生命绝不是一个纯粹的偶然，而只是一种实现了自我控制的耗散结构。而构成这种耗散结构的，又只是一些最平庸的岩石与海水。

2017年9月，为了避免“卡西尼号”上的地球细菌污染土卫二的海洋，干扰那里潜在的生命，它受命驶向土星，在那浓密的大气中焚毁了自己。

格列佛·跃升是我的名字，地球是我的故乡，深空是我的寓所，群星是我的归宿。

增章一我们为什么放弃永生？#

衰老是指生命自身产生的有害变化不断累积，使得新陈代谢不可逆地趋于迟滞，正常的生理功能因此衰退的过程，而这个过程具体到生命体的每一个细胞上，它的极致就是死亡。

负责制造新个体的细胞有机会不老死，其他细胞必然会老死。

而且，这个免于老死的赦免不只能让细胞本身免于衰老，更能让细胞一代一代无限地分裂下去，每一代都会有子细胞继承赦免资格。而那些得不到赦免的细胞哪怕能分裂，也只能分裂有限的若干代，而最后一代的子细胞全都会老死。

我们的骨髓中有造血干细胞，皮肤中有表皮干细胞，脂肪组织中有间充质干细胞，消化系统也分布着各种干细胞，浑身上下里里外外有各种干细胞，甚至某些体细胞虽然不能分化，却也能多次分裂。但遗憾的是，所有这些干细胞和体细胞，都没有机会发展为新个体，因为我们所有的生殖细胞和候补生殖细胞早在胚胎发育的时候就已经注定了，其他任何干细胞、体细胞都不能越俎代庖。

人的卵母细胞早在胚胎发育第一个月就已经确定下来，然后进入漫长的休眠，从青春期开始，每个月激活一两个，那个绝经前排出的最后一个卵细胞，竟然可能休眠四五十年之久。而男性虽然在青春期之后时刻都在制造新的精子，但那些负责分裂出精子的精原细胞也同样是在胚胎发育第一个月就注定了的——所以别说阉掉睾丸的宦官了，哪怕仅仅是睾丸炎杀死了这些精原细胞，也绝不会有别的任何细胞临危受命、当仁不让，代替精原细胞发育成精子。

出生之后，哺乳动物几乎不再制造任何新的中枢神经细胞、骨骼肌细胞和心肌细胞了，这些重要的细胞一生中都在损耗减少。

卵巢刚刚在胚胎体内长出来的时候拥有200多万个潜在的卵母细胞，但是到出生的时候就只剩100万个左右，再等到青春期，就只剩30万个，而在每个月的排卵期开始前，都会有20多颗卵母细胞苏醒过来，但是它们中的绝大多数都会迅速地衰老凋亡，只有表现最好的那一两个能从卵巢里成熟排出，准备受精

真核生物都有一个先天的麻烦：它们的DNA主要封装成染色质，是线状的，而细胞用来复制DNA的酶系统又有一些先天缺陷，不能复制模板链3’端的一小截。所以，细胞虽然可以在细胞分裂的时候趁着DNA复制修复很多基因错误，却又顾此失彼，修复了中间，磨损了两头。

对此，真核细胞的办法首先是让DNA的两头更加“耐磨”。每条线状DNA的两头不安排任何基因，而是一大段无意义的重复序列。而且这段重复序列会与特殊的蛋白质结合起来，缠得紧紧的，好像鞋带两端的铁皮包头一样，这个结构就是著名的“端粒”，在真核细胞中，只要端粒尚未耗竭，DNA复制就不会伤及正经的基因。

真核细胞还会合成一种端粒酶，我们已经在图4—57里了解过它的工作原理，这是一种逆转录酶，由RNA和蛋白质组装而成。其中的RNA就是端粒那段重复序列的模板，蛋白质就在每次DNA复制之后根据这段RNA模板及时地恢复端粒长度。所以说，只要合成了端粒酶，真核细胞就可以无限地分裂，无限次修复，无限地绵延下去了。

在多细胞生物身上，正如上一步讨论过的，只有负责制造新个体的细胞可以无限地分裂，因为只有它们可以激活这个基因，获得完整的赦免。

其他细胞的端粒酶基因为什么就不能激活了呢？因为多细胞生物进化出了各种各样的“死亡基因”，它们以各种方式让细胞走向程序性的死亡，其中就有一类专门负责关闭细胞里的端粒酶基因。

多细胞生物体内任何两个细胞都有着完全相同的基因，所谓细胞分化，就是每个细胞都选择性地关闭大部分的基因，只在剩余基因的指挥下实现某些专门的功能。至于每种分化类型的细胞究竟要关闭哪部分基因，这又是由另外一些基因决定的。

一切多细胞生物，凡是必然老死的，都是灵活运动的；凡是长生不老的，就算没有固定在一处，也是极其迟缓的。

在进化中，绝大多数动物都从胚胎开始就命定了将来的生殖细胞。其中，卵细胞的产生会经历尽可能少的细胞分裂，然后就进入漫长的休眠，直到排卵的时候才重新激活，这就在最大程度上保住了核DNA与线粒体DNA的密切配合。

增章二生命的麦克斯韦妖#

酶与目标分子结合的部位被称为“结合位点”，通常是一些凹陷。我们在正文中说过，组成蛋白质的肽链会反复地盘曲折叠，形成相当精致的三维结构，所以结合位点的凹陷形状总是与目标分子的三维形状高度吻合，并且能与目标分子形成一些氢键、静电、疏水之类的相互作用。这是一个再显著不过的势阱了，每当目标分子在随机运动中撞到一个酶，就很有机会掉进结合位点的坑里去，恰似那个乱窜的台球掉进了沟里。不要担心目标分子和结合位点有缘无分掉不进去，细胞里的酶可以达到惊人的浓度，这就好比台球桌虽大，却也到处挖满了沟，目标分子只要遇上其中一个就会掉进去，开始下一步的适配了。

目标分子虽然到处随机运动，但如果能把某些酶固定在恰当的位置，就能让某些生化反应只发生在细胞内的特定部位上

细胞要怎样把各种物质送去恰当的地方呢？答案还是势阱和势垒，它们总能使随机运动的物质最终跑到该去的地方去。

RNA聚合酶催化的是可逆反应，它们没有不可避免的能量耗散，但要持续地计算就必须额外耗散一些能量；DNA聚合酶催化的是不可逆反应，所以每一步都伴随着不可逆的能量耗散，当然，这也保证了它们的速度和精度

麦克斯韦在1867年提出的思想实验中的假想存在，我们把它称作“麦克斯韦妖”。不可能把热量从低温物体传递到高温物体而不产生其他影响。 ——《热的力学理论——及其在蒸汽机和物体物理特性上的应用》，鲁道夫·克劳修斯，1850年

宏观上所谓的“温度”，就是微观上分子动能的平均值，平均动能越大，温度就越高。

布里渊精确计算了麦克斯韦妖的工作，发现小妖精消耗能量时产生的混乱绝不低于它测量时制造的精度。XVI没错，这正是“测不准原理”的具体展现，在微观尺度上测量单个分子的状态，任何测量者，不论是小妖精还是什么分子筛选机，都不可能同时确知分子的速度和位置。而这种微观上的测不准体现在宏观上，就是麦克斯韦妖的辛苦工作非但不能制造A、B两侧的温差，反而会均匀提高两侧的温度，这正是热力学第二定律最中意的结果。

计算会耗散能量的真正原因并不是消耗能量，而是无法收回消耗掉的能量，是计算元件无法仅凭自己恢复到计算前的状态——计算不可逆！

兰道尔初次总结了不可逆运算和能量耗散的关系XVII，这被我们称为“兰道尔原理”：任何不可逆的计算都会造成能量耗散，而且这种能量耗散有一个不可避免的最小值。

至于那个不可避免的最小值，兰道尔也明确地计算出来了，这被我们称为“兰道尔极限”： 1bit = kBTln2

在1981年到1982年，作为对可能性的理论探索，台球构型和布朗运动构型被计算机科学的先驱们提了出来，我们也因此有了疯台球的比喻。至于这一切理论探索的终极目标，那就是传说中的“量子计算机”，它从原理上完全可逆，当然就不受兰道尔极限的约束，而能够以极低的能耗支持惊人的计算量了。

DNA聚合酶已经明白无误地适用于不可逆的情形，RNA聚合酶则毫无疑问地印证了可逆的情形：RNA聚合酶虽然能催化可逆的反应，但它只有回退的时候才能实现这种可逆，如果要避免能量耗散而在前进和后退之间不断徘徊，那它就会停在模板链的某处，催化反应也就停止了。

生命作为一个控制系统，要在保证精度的同时持续运行，就必然向周围耗散能量，给环境带来熵增。也正是这份熵增的贡献，才让这个控制系统既维持了自身的低熵状态，又不会违背热力学第二定律。

点评#

推荐惊叹于作者的博学，为我们展现了如此广阔的一幅生命图景。虽然书中绝大部分内容都是我们人类对生命起源的一种演绎，人类也许永远不会真正知道在生命起始的“白烟囱”里到底发生了什么，但我们绝不会把这种未知归咎于某位神祇的杰作。正是人类对这种未知前仆后继的探索，才创造了我们今天精彩的生活。这是科学的魅力，也是人类文明的永续之源。

使用小悦记导出 | 2022年5月4日

生命的起源

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