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复杂生命的起源 [:1700000009]
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复杂生命的起源 第一部 问题
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复杂生命的起源 [:1700000010]
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1 什么是生命？
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42台巨大的射电天文望远镜耸立在加利福尼亚北部灌木丛生的山区，它们组成了松散的“艾伦”望远镜阵列：扫视天空，全神贯注，夜以继日。白色的碟状天线如同一张张没有表情的脸，全体凝视着天外遥不可及的某一点，就像一群渴望回家的外星入侵者在此集结。这幅奇异的景象似有深意。望远镜阵列属于“搜寻地外文明计划”（SETI）。半个世纪以来，该组织一直致力于扫描太空，寻找地外智慧生命的踪迹，至今仍一无所获。即使是SETI的支持者们，也不对它的成功抱太多希望。然而，热情并未因此消退。几年前拨款资金用尽时，他们直接求助于公众，很快“艾伦”望远镜阵列就恢复了运作。在我看来，SETI的探索象征着人类为自己在宇宙中的处境无限困惑，也象征着科学本身的脆弱。这样通天彻地、近似科幻的技术，却被用来证明一个科学基础薄弱、近乎天真的梦想：我们在宇宙中并不孤独。
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即使SETI的望远镜永远找不到地外生命，它的努力仍然很有价值。我们不能把射电望远镜倒过来使用，但可以把其中的科学思路倒过来，由此产生强大的冲击力。我们到底在寻找什么？宇宙中其他的智慧生命应该和我们一样使用电磁波吗？它们一定是碳基生命吗？它们是否依赖水和氧气？这些问题，其实不是在思考可能存在的外星生命，而是在思考地球上已知的生命：为什么地球上的生命会是这样？SETI的望远镜就像一面反射镜，把问题抛回给地球生物学家。科学之精要，在于能够提供规律。比如物理学中最迫切的问题在于，为什么物理定律是这样的？使用什么样的基本规律，才能推演出宇宙中已知的各种物理特性？生物学的规律性远弱于物理学。尽管生物学规律不需要像物理定律那样严密普适，演化生物学的预言能力还是弱得令人汗颜。关于演化的分子生物机制和地球的生命历史，我们已经积累了海量的知识，但对其中的规律性仍然知之甚少。在生命的历史中，哪些部分事出偶然？如果在另一颗行星上演化，生命可能会经历完全不同的轨迹。而哪些部分又由物理定律和约束条件决定？
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并非科学家不够努力。一大批诺贝尔奖得主和生物学巨匠都活跃在这个领域，然而以他们的学识和智慧，甚至也远远不能达成共识。40年前分子生物学发端之时，法国生物学家雅克·莫诺（Jacques Monod）在他的名作《偶然性和必然性》中悲叹，生命在地球上的起源是一次异乎寻常的偶然事件，人类在空荡荡的宇宙中绝对孤立。莫诺书中的最后一段结合了科学与形而上学，充满诗意：
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上古的神契不复存在；人类终于认识到，他在无知无觉的浩瀚宇宙中孤立无助，他的出现只是偶然的产物。何为他的天命，何为他的职责，更是无从索解。仰视天国的信念，还是沉入现实的混沌？他只能独自抉择。
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也有人提出对立的观点：生命是宇宙化学的必然产物。在每颗条件适宜的行星上，生命都会迅速产生。那么，一旦行星上有了生命，接下去又会如何演化呢？科学家们再一次无法达成共识。生命可能受制于有限的系统工程方案，无论始于哪里，演化的路径最终都将汇聚到有限且相似的形式。因为有重力的限制，飞行动物的体重应该较轻，而且都会有类似翅膀的器官。生物应该都由类似细胞的部件组成，依靠这些微小的单元把自身内部环境与外部世界隔离。如果此类约束条件主导着生命的发展，那么，外星生命很可能十分类似于地球生命。另一方面，生命的演化也可能由偶发事件决定。生命是什么样子，可能纯属随机结果，由全球性灾难事件的偶然幸存者决定，比如地球生命史上导致恐龙灭绝的小行星撞击事件。假设我们把时钟拨转到5亿多年前的寒武纪，也就是化石记录中的“生命大爆炸”刚刚发生之时，然后重新开始——那个平行世界会与我们的世界相似吗？也许是巨型章鱼满山乱爬呢。
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用望远镜搜索太空的计划，还承担着一个重要的理论目的。在行星生命研究中，我们的地球只是一个孤零零的样本。纯粹从统计角度来看，由于样本空间为1，我们根本无法得出结论，无法确定到底是什么约束着生命的演化。如果真是如此，本书或者任何关于演化生物学的书，都没有方法上的根基或存在的必要。然而，物理学的基本定律适用于整个宇宙，元素的性质和丰度也由此决定，也决定了化学的普适性。地球上的生命拥有许多奇妙的特征，例如衰老和性，这些都困扰着一代又一代最杰出的生物学家，他们费尽心力，只为求索其中的因果。如果我们能够从最基本的规律，即宇宙的化学元素构成，推演出为什么会产生这些特征，生命为什么是这样，那么，统计和概率方法的科学殿堂就会再次大门洞开：地球上的生命不再是孤立的样本。实际上，它们是在无限的时间跨度中不断演化的无限种生物。演化生物学的样本空间不是1，而是无穷大。演化论没有预见性，不能从基本规律推演出生物演化的过程。我当然不是否定演化论的正确性——演化论是正确的！我只是指出它的客观局限：它没有根据基本规律预见生物演化途径的能力。而本书的中心论点是，生物的演化过程中，确实存在着强有力的、能量方面的约束条件，让我们有可能从基本规律出发，推演出一些最重要又最基础的生命特征。在讨论这些约束条件之前，我们必须考虑：为什么演化生物学没有预见性？为什么能量方面的约束条件一直遭到忽视？为什么科学界此前几乎没有认识到这方面存在严重的空白？直到最近几年，演化生物学的前沿研究者才开始认清，在生物学的核心地带存在着一个幽深的断层，阻断了相关研究的进展。
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某种意义上，造成这个困局的罪魁是DNA。现代分子生物学，以及随之而来的各种DNA技术，肇因于物理学家薛定谔1944年的著作《生命是什么》。薛定谔在书中提出了两个核心论点：首先，生命以某种方式抵抗着宇宙万物趋于崩坏的趋势，在局部抑制熵增（混乱），以此对抗热力学第二定律；其次，生命能在局部逃避熵增的诀窍隐藏在基因中。他猜测基因物质是某种“非周期性”的晶体，其晶格结构不做精确重复，因此可以作为“代码脚本”——这是该术语首次应用在生物学语境中。薛定谔和同时代的大多数生物学家，都以为这种奇特的“类晶体”是某种蛋白质。此后，分子生物学研究突飞猛进，不到十年时间，克里克和沃森就推导出了DNA的晶体结构。1953年，他们在《自然》杂志上发表了第二篇论文，宣布：“……因此，我们有相当的把握认为，精确的碱基序列就是承载基因信息的代码。”这句话分量千钧，一举成为现代生物学的基石。当代生物学就是信息的科学，主流研究方法是在电子芯片中分析基因组序列，信息转移的概念赋予了生命新的定义。
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基因组是通往奇迹世界的大门。堆积如山的代码，单以人类基因组计数，就有30亿个字符之多，读起来像一部后现代小说。有条理的故事偶尔会出现在短短的章节中，其间夹杂着大段重复的文字和段落、空白页、意识流般的胡言乱语，还有怪异的标点符号。人类基因组中只有极少一部分代码（不到2%）为蛋白质编码，更大一部分是基因调控区域。至于剩下的部分是什么，平日里彬彬有礼的科学家一直为此争论不休。①对本书而言，这些细节并不重要。真正重要的事实在于，基因组包含着成千上万个基因的代码，以及更加复杂的基因调控区域。毛虫破茧化蝶，小孩长大成人，其间需要的一切化学物质和信号都由基因组提供、操纵。我们比较动物、植物、真菌和单细胞的阿米巴原虫后发现，其中在发挥作用的是同样的生物过程。我们会在大小和类型差异极大的基因组中发现同一个基因的不同变体，同样的调控因子，同样的“自私”复制因子（replicator），以及同样的无意义重复片段。洋葱、小麦和阿米巴原虫比人类拥有更多的DNA和基因。蛙和蝾螈等两栖动物的基因组，大小差异可达两个数量级：某些蝾螈的基因组比人类的大40倍，某些蛙类的基因组不及人类的1/3。如果必须用一句话概括生物基因组的结构限制，那只能说“怎么都行”。
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这点非常关键。如果基因组仅仅等同于信息，而基因组的大小和结构又没有根本的限制，那么信息也就没有限制。但这并不意味着基因组完全不受任何限制，有些限制还是很明显的。作用于基因组的力量包括自然选择和另一些随机因素：基因、染色体，乃至整个基因组的偶然复制、倒位、丢失，以及寄生DNA的入侵。所有这些因素加在一起会导致怎样的结果呢？这取决于生态位、物种间的竞争和种群数量等因素。从我们的立场来看，这些因素都是环境的一部分，是不可预测的。如果能够精确指定环境，我们也许能预测某个物种的基因组大小。但实际状况是，无尽多的物种生存在无限多样的微环境中：小到其他生物的细胞内部，大到人类都市，深至高压的大洋之底。与其说“怎么都行”，不如说“什么都有”。在各种各样的环境中，有多少环境因素作用于基因组，基因组就应该有多少种变化。基因组不能预言未来，只能记载过去。它们反映的是环境历史的影响。
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让我们再次考虑其他星球世界。如果生命的意义仅仅在于信息，而信息又不受到限制，那么我们就无法预测另一颗行星上的生命会是什么模样，只知道它不能违反物理定律。一旦出现某种遗传物质，不论是DNA还是其他什么东西，演化的轨迹就不再受到信息的控制，那么从最初的规律出发也无法预测生命的演化。最终会演化出怎样的物种呢？这依赖于具体的环境、偶发的历史事件，以及高明的自然选择。可是，我们回望地球时发现，这种说法对极度复杂的现存物种也许合理，但对于地球生命的绝大多数历史阶段而言，这并不成立。几十亿年以来，地球生命在基因组、历史和环境之外，仿佛还被另一些看不见的因素限制着。直到最近，地球生命的奇妙历史还远算不上清晰。容许我先勾勒出科学界最新的看法，并与现在看来有误的旧版本进行比较。
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生命最初20亿年的简史
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我们的行星已经存在了45亿年。地球诞生之初，太阳系也新生不久，创世的喧嚣逐渐平息，地球在长达7亿年间都承受着陨石大轰炸。月球的形成，很可能源于地球与一个火星大小的天体发生了剧烈撞击。地球的地质活动非常活跃，地壳和表面地貌不断翻新。月球则正好相反，其表面保持原貌，陨星坑忠实地记录了早期的大轰炸。研究人员对“阿波罗”号宇航员带回的月岩进行年代测定后也证明了这一点。
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尽管地球上找不到与陨坑月岩同样古老的岩石，但仍有一些线索能够为我们揭示早期地球的环境条件。现代的锆石（zircon，硅酸锆的细微晶体，比砂粒还小，存在于很多岩石中）成分分析结果表明，地球上开始存在海洋的时间点，比我们之前估计的早得多。通过铀同位素年代测定，我们发现，这些极其耐久的晶体有的形成于44亿～40亿年前，后来在沉积岩层中聚集成碎屑沉积物。锆石晶体就像微小的囚笼，困住化学杂质，能反映其形成之际周围的地质环境。早期锆石的化学成分表明，它们形成于相对较低的温度条件下，而且所处的环境存在液态水。这个时代的地质术语是冥古宙（Hadean Period），艺术复原图曾生动地把它描绘成炼狱般的世界：到处是喷发的火山和沸腾的岩浆海洋。通过锆石晶体获得的线索表明，真实情况可能大不一样，那很可能是一个更为平静的水世界，陆地面积有限。
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研究者过去认为，原始大气中充满了气态的甲烷、氢和氨，它们在某种条件下发生反应，形成有机分子。这个场景同样经不起锆石化学成分研究的推敲。多种微量元素（比如铈）以氧化物的形式存在于锆石晶体中。最早的锆石中铈含量很高，意味着当时的大气大多由火山喷出的氧化物构成，大气成分主要有二氧化碳、水蒸气、氮气和二氧化硫。这种混合物的成分与今天的空气大致相似，不同在于前者缺少氧气——直到很久以后，光合作用问世，氧气才丰富起来。从几颗零散的锆石晶体中阅读早已消逝的原始世界是什么样子，这可能让这些砂粒担负了太多重任，但总比没有证据好。这些证据一致描绘出一颗行星，与我们今天所知的地球惊人相似。偶尔的小行星撞击可能导致部分海洋蒸发，但不太可能影响生活在深海中的任何细菌（如果它们当时已经演化出现）。
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最早的生命证据同样薄弱，其中很多都发现于格陵兰岛西南部的伊苏亚和阿基利亚（Isua and Akilia）。那里已知最古老的岩石，大约形成于38亿年之前（见图2的时间线）。这些证据不是以化石或者活细胞产生的复杂有机分子（即所谓“生物标记”）形态存在的，只是石墨中碳原子的某种非随机积聚。自然界的碳元素以两种稳定的同位素存在，原子质量有细微的差别。②酶（活细胞中可以催化反应的蛋白质）稍稍偏好较轻的碳原子（碳－12），因此有机物中碳－12的浓度略高于自然状态。你可以把碳原子想象成弹跳的微小乒乓球，较轻的球弹得略快一些，更容易碰到酶，所以更容易转化为有机碳。相反，碳－13是较重的同位素，在自然界的全部碳元素中只占1.1%，更容易留在海洋中。当海水中的碳酸盐沉淀形成沉积岩（如石灰岩），碳－13就更容易在其中积聚。这种差异虽然细微，但具有非常稳定的一致性，通常被视为标识着生命存在的地质特征。不只是碳，还有铁、硫、氮等其他元素，也会被活细胞以类似的方式分馏。研究人员分析了伊苏亚和阿基利亚古老岩石的石墨成分，的确发现了这种同位素分馏现象。
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图2 生命的时间线
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这条时间线上列出了早期演化中的重要事件和大致年代。这些年代中有很多不确定性，存在争议。但绝大部分证据显示细菌和古菌出现于真核生物之前的15亿～20亿年间。
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这项工作的每一个方面——从岩石本身的定年，到标志着生命存在的碳微粒——都饱受质疑。而且现在的研究越来越清楚，同位素分馏现象并不是生命独一无二的特征。热液喷口中的地质过程也能造成这种现象，虽然程度更加轻微。即使格陵兰岛的岩石确实古老，而且确实含有同位素分馏的碳，仍然不是生命存在的确定证据。这也许有点令人气馁，但从另一方面看，也在意料之中。我的观点是，一颗“活跃行星”（即地质活动活跃的行星）与一个活细胞之间的区别，只在于定义方式的不同，并不存在明确、严密的界限。地球化学必然渐变到生物化学。以这种观点来看，我们不能分辨存在于这些古老岩石中的到底是地质现象还是生物现象，倒也恰好说得通。一颗活跃的行星上形成了生命，行星与生命本身也构成了难以分割的连续体。
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让我们快进几亿年。这个地质时代的生命证据更加可靠，且易于解读。澳大利亚和南非的古老岩石中含有外观非常像细胞的微体化石，虽然不太可能以现代方法为它们分类。这些微小的化石很多都含有暗示生命存在的碳同位素标记，更加稳定、明显。这表明这些微体化石是有秩序的新陈代谢，而不是随机的地热分馏过程造成的。而且，这些岩石中有些结构很像叠层石（stromatolites）。叠层石是一种由细菌构成的大型拱状结构，其中单细胞生物层层覆盖生长，掩埋在底部的层级逐渐被矿物质置换，继而变成化石，最终形成奇特的高达一米的叠层石质结构。除了这些直接的化石证据，32亿年前的岩层还存在大规模地质构造，面积可达数百平方公里，深达数十米，包括条带状铁矿构造和富碳页岩。很多人认为细菌和矿物属于不同的领域，分别是生命与无生命物质；其实，很多沉积岩都是大规模的细菌活动造成的。例如条带状铁矿构造，黑红相间的条纹美丽夺目，其来源就与细菌有关。远古的海洋缺乏氧气，大量二价铁溶于海水，而细菌的化学活动剥离了二价铁的电子，使其变为三价铁。不溶于水的三价铁（即铁锈的成分）附着在死去细菌的残躯上，大量沉积海底。这些富铁矿带为什么呈条纹状？至今还是个未解之谜。但是，同位素标记再次揭示了其中的生物影响。
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这些巨大的沉积构造不仅标志着生命，还揭示了曾经存在的光合作用。那不是我们平日所见的由绿色植物和藻类进行的光合作用，而是一种更简单的初期形式。在所有的光合作用中，光的能量都被用来从供体上剥离电子，然后电子再被“强加”给二氧化碳分子，形成有机分子。不同形式的光合作用使用不同的电子供体，来源各异，最普遍的是溶解态的（二价）铁、硫化氢或者水。各种形式的光合作用中，电子都被转移给二氧化碳，留下“废料”：沉积的铁锈，游离态硫元素（即硫黄）或者氧气。最难对付的供体是水，其能量要求远超其他物质。32亿年前，生命活动从水以外的各种物质中提取电子。正如生物化学家艾伯特·圣哲尔吉（Albert Szent-Györgyi）的诠释：生命不过是一个电子寻找归宿的过程。光合作用的最终形态（从水中提取电子）是何时产生的，学界还存在很大的争议。一些学者认为这是一起早期演化事件，但目前的证据表明，产氧光合作用出现于29亿～24亿年前，此后不久，地球就爆发了“中年危机”，全球地质和气候大动荡。世界范围的大规模冰川作用导致了雪球地球时期（Snowball Earth）的形成，接下来是大约发生在22亿年前的“大氧化事件”（Great Oxidation Event），陆地岩石被广泛氧化——地层中遗留下的铁锈色“红色岩床”证明当时的大气中存在大量氧气。甚至雪球地球本身的形成，也很可能是大气中氧含量上升所致：氧气能够氧化甲烷，把大气中这种强力的温室气体消耗殆尽，从而触发了全球冰冻期。③