1700000344
复杂生命的起源 [:1700000011]
1700000345
复杂生命的起源 2 什么是活着？
1700000346
1700000347
它是一个冷血杀手，无数代磨炼造就了它的诡诈。它像一位双面间谍，可以骗过警觉的免疫系统，神不知鬼不觉地融入内环境。它可以辨认细胞表面蛋白，并佯装成“自己人”锁定后者，再溜进细胞内部。它能精确定位到细胞核，并把自己嵌入宿主细胞的DNA。有时候它在那里潜伏很多年，好像根本不存在。有时候它会马上发作，破坏宿主细胞的生物化学机制，制造出自己的千万份拷贝。它用伪装的脂质和蛋白包裹这些分身，把它们送往细胞表面，再破膜而出，开始下一轮欺诈与毁灭。它可以杀死细胞，杀死人类，制造毁灭性的传染病大流行，或者一夜之间消灭绵延几百公里的海洋藻华。然而，大多数生物学家甚至都不把它算作活物。病毒自己根本不在乎。
1700000348
1700000349
为什么病毒不算活物？因为它自身没有任何新陈代谢能力，完全依赖宿主的能量生产机制。那么问题来了：新陈代谢活动是否是生命的必要特征？不假思索的回答是“当然是”。但根据是什么？病毒利用自身的周围环境复制。但人类也是如此：我们以植物或动物为食，我们呼吸氧气。如果把我们与周围环境隔离，比如头上套个塑料袋，几分钟内就会窒息而亡。可以说，我们寄生于我们所处的环境，就像病毒。植物也是如此。植物需要我们，正如我们需要植物。植物需要阳光、水和二氧化碳才能通过光合作用制造自身所需的有机物。植物在干燥的沙漠和黑暗的洞穴中很难生长，缺乏二氧化碳也不行。地球上的植物不缺二氧化碳，是因为动物（以及真菌和多种细菌）不断分解有机物，消化、燃烧，再把终产物二氧化碳重新排放回大气中。人类过量燃烧化石燃料可能给地球带来严重后果，但植物很有理由感谢我们。对它们来说，二氧化碳越多，生长就越快。所以植物和我们一样，也是寄生于它们所处的环境。
1700000350
1700000351
从这个视角来看，植物、动物和病毒之间的区别，只不过在于环境的慷慨程度。病毒进入我们的细胞，就像进了天堂，一个应有尽有的安乐窝。彼得·梅达沃曾把病毒形容为“一条外表包裹着蛋白质的坏消息”；它们能以如此简单的形式存在，正是因为周围的环境资源丰足。植物处于另一个极端，它们对环境的需求非常低，只要有光、空气和水，植物几乎能在任何地方生长。为了利用如此简单的外部条件生存，植物被迫发展出复杂精密的内部结构。植物的生物化学能力可以制造生存所需的一切有机物质，它们是真正的“餐风饮露”。①人类的情况介于二者之间。我们除了需要一般的食物，还需要摄入某些维生素；一旦缺乏，我们就可能遭遇维生素C缺乏病等恶疾。我们的演化祖先能用简单原料合成维生素，但我们不行，因为我们已经失去了这种生物化学能力。如果没有外部供应的维生素，我们就和没有宿主的病毒一样，注定灭亡。
1700000352
1700000353
所以，万物都离不开环境的支持，唯一的问题是，具体需要多少支持？与转座子（即跳跃基因）这样的DNA寄生物相比，病毒可谓极其复杂。转座子从不离开自己的安乐窝，只在整个基因组中到处复制自己。质粒（通常是微小的独立环状DNA，包括几个基因）可以通过纤细的连接管，从一个细菌直接传递到另一个细菌，无须武装自己来面对外部世界的风险。那么，转座子、质粒和病毒算是活物吗？它们都有某种微妙的“目的性”，都有利用生物环境复制自身的能力。很明显，从非生命到生命是一个渐变的连续体，非要在某个地方划清界限，没有什么意义。学术界对生命的定义大都集中在生物本身，而忽略了生命寄生于环境的本质。例如NASA对生命的“工作定义”②：生命是“一个自我维持的化学系统，能够进行达尔文式演化”。病毒包括其中吗？很可能不算，但这取决于如何解读“自我维持”这一模糊的表达。无论如何，这个定义没有强调生命对环境的依赖。环境一词从本身的词义来看，仿佛与生命界限分明；我们会看到事实并非如此。二者从来都密不可分。
1700000354
1700000355
如果生命与自己适应的环境互相隔离，会发生什么？当然是死亡，非生即死嘛。但这个二分法并不总是成立。当病毒在宿主细胞外与生存资源隔离时，它们并不会马上腐坏和“死去”；它们面对外部世界的侵蚀时表现得十分坚韧。每毫升海水中，病毒个体的数量通常是细菌的十倍；它们静静等待自己的时机。病毒抵抗侵蚀的能力类似于细菌孢子。细菌孢子能够进入一种暂停生息的休眠状态，并保持很多年。在永冻土中，甚至外太空，细菌孢子能存活千年以上，不进行任何代谢活动。生物界还有很多其他“忍者”：某些植物的种子，还有水熊虫（tardigrades）这样的动物，都能忍受极端恶劣的环境条件，比如完全脱水、1,000倍人类致命剂量的辐射、高压的深海海底，或者是宇宙真空——全都没有食物和水。
1700000356
1700000357
为什么病毒、孢子和水熊虫没有崩坏，没有腐朽，没有遵从支配万物的热力学第二定律？也许它们最终会屈服，比如被高能宇宙射线直接轰击，或者被火车碾过。但除开这样的霉运，它们的假死状态几乎是完全稳定不变的。这些例子对我们理解生与死的区别有重大意义。严格地说孢子不算活着，尽管大多数生物学家都会把它们算作生命，因为它们保持着复活的潜力。能够回到生命状态，当然不能算死了。我找不到任何理由对病毒另眼看待：一旦出现合适的环境，它们也会“醒过来”，开始复制自己。水熊虫，真正的动物，不也就是如此吗？生命的实质在于结构（部分由基因和演化决定），但是生存（生长与繁殖）的实质在于环境，在于结构和环境如何相互关联。对于基因如何编码细胞的物质部件，我们的知识非常丰富；但是，物理限制条件究竟如何约束细胞的结构和演化？对此我们所知甚少。
1700000358
1700000359
能量，熵和结构
1700000360
1700000361
热力学第二定律的一个简单表述是熵（即“无序”）必然增加。因此，孢子或病毒能够保持如此稳定的状态，看起来真是不可思议。熵不是“生命”这样模糊的概念，它有精确的定义，能够进行量度（熵的单位是焦耳/开尔文·摩尔）。把一个孢子砸成粉，研磨到分子水平，再测量熵：当然应该增加了！一个曾经美妙有序的系统，有了合适的条件就能生长，现在成了一小堆杂乱的、毫无功能的碎片。看看熵的定义，现在更无序，所以熵应该更高嘛。错！能量生物学家特德·巴特利（Ted Battley）经过精密测量发现，熵几乎没变。原因在于，这个热力学系统的熵不仅仅由孢子决定，还需要考虑环境因素；而环境也有它本身的无序度。
1700000362
1700000363
一个孢子由紧密结合在一起并互相作用的一系列部件组成。因为分子间的物理作用力，油性（脂质）分子构成的膜具有自然疏水的特性。把混合的脂质搅浑在水里，会自发组成很薄的双分子层，形成包着水泡的封闭生物膜，因为这样是最稳定的状态（图7）。基于同样的原理，海上漏油会伸展成一层薄薄的油膜蒙在海面上，可能覆盖数千平方公里，导致大量海洋生命死亡。这就是我们常说的油水不相容，因为物理吸引力和排斥力决定了油分子和水分子会与“自己人”互相作用，排斥“异己”。蛋白质分子也有同样的行为模式：带有一定电荷的蛋白质分子溶于水，不带电荷的与油分子互相作用强得多——后面的这种特性叫作疏水性（hydrophobic，字面意思为“恨水”）。当油性分子互相抱住，而带电荷的蛋白质分子溶于水时，过程会释放能量：这是一种稳定、低能量的“舒服”状态。能量以热量的形式释放，而热的本质是分子运动、分子互相推挤冲撞、分子的无序——也就是熵。所以当油和水分离并释放热量时，熵实际上增加了。如果把所有这些物理过程计算在内考虑整体的熵，一张有序的、包裹着细胞的脂质膜，相对于一堆互不混溶的分子的随机混合物，前者的熵更高，虽然它看起来更加有序。③
1700000364
1700000365
1700000366
1700000367
1700000368
图7 脂质膜的结构
1700000369
1700000370
图中为辛格和尼科尔森（Singer and Nicholson）于1972年提出的脂质膜流体镶嵌模型的原始版本。蛋白质在脂质的海洋中沉浮，有一些被部分掩埋，另一些则贯穿整个膜。脂质分子本身由亲水性的头部（一般是甘油磷酸）和疏水性的尾巴（在细菌和真核生物中一般是脂肪酸）组成。脂质膜会自组织成为脂双层构造，亲水性的头部向外，与细胞质中的水分和外部环境互动；疏水性的尾巴指向膜内，与内部物质互动。这种结构是一个低能量的、物理上“舒服”的状态。尽管看起来很有序，形成脂双层的过程实际上会向环境释放热量，增加总体熵。
1700000371
1700000372
磨碎孢子而总体的熵几乎没变，是因为虽然磨碎的孢子自身更加无序，但它的各个部分现在处于更高能的状态——油和水混在一起，不混溶的蛋白质分子互相挤到一起。形成这种物理上的“不舒服”状态，需要付出能量代价。形成“舒服”的状态则会以放热的形式向环境释放能量；“不舒服”的状态正好相反，必须从环境中吸收能量，使环境变冷，降低环境的熵。恐怖小说作家对此有直觉式的领悟：幽灵、鬼魂和摄魂怪④一出现，周围环境就会变得寒冷，甚至冻结。这些东西吸收周围的能量来维持它们不自然的存在。
1700000373
1700000374
在孢子的例子中，如果把它所涉及的各种熵都纳入考虑，那么系统的总体熵几乎没变。从分子层面看，聚合物的结构使本身的能量最小化，以热量的形式向环境释放能量，并增加环境的熵。蛋白质分子通常会自然折叠成能量最低的形状。它们的疏水部分深埋在内部，远离蛋白质表面接触的水。正负电荷异性相吸，同性相斥，所以蛋白质带正电荷和负电荷的部分会互相固定位置，彼此平衡，使蛋白质的三维结构维持稳定。因此，蛋白质总是自发折叠成特定的形状，虽然这不总是好事。蛋白侵染子（prion，或称朊病毒）就是完全正常的蛋白质，自发重新折叠成半晶态结构，然后充当附近其他蛋白质重新折叠的模板⑤。总体熵几乎不变。一种蛋白质可能有几种稳定状态，只有其中一种对细胞有用，但不同状态的熵基本没有区别。可能最令人惊讶的是，一群无序的单个氨基酸（蛋白质的组成构件）组成的“浓汤”，与它们构成的完美折叠的蛋白质相比，总体熵也没有什么区别。如果蛋白质解折叠，回到氨基酸汤的状态，它自身的熵当然增加。但这样做会让那些原本掩盖的疏水氨基酸接触到水，而形成这种不自然的状态需要从外界吸入能量，降低环境的熵，让环境变冷，即所谓的“鬼魂效应”。把生命看作一种“低熵状态”，认为它比对应的有机物“浓汤”更加有序，这种观念并不完全准确。生命的组织和有序是以环境更加无序为代价的，而且后者付出的代价更高。
1700000375
1700000376
那么，薛定谔说过生命从环境“吸入负熵”（也就是生命以某种方式从环境中摄入秩序），这又是什么意思呢？关键在于，虽然氨基酸浓汤和对应形成的蛋白质，这两种状态的熵可能相同，但是蛋白质在两种意义上处于更不自然的状态，所以会消耗能量。
1700000377
1700000378
首先，氨基酸汤不会自发地串起来组成一条肽链。蛋白质就是由氨基酸组成的肽链（准确地说，肽链折叠成形之后，才算是蛋白质的形态），而氨基酸本身并没有自发互相反应的倾向。细胞首先需要活化氨基酸，它们才能进行反应，形成肽链。反应过程释放的能量，大致与活化消耗的能量差不多，所以总体熵基本保持不变。蛋白质折叠释放的能量以热量形式流失，增加了周围环境的熵。所以，在氨基酸浓汤和蛋白质这两个稳定状态之间，存在一道能量障壁。这意味着不但形成蛋白质需要克服它，降解蛋白质也需要克服这道障壁，需要注入一些能量（还要有降解酶存在）才能把蛋白质拆散成各个组件。有机分子互相反应并形成大型结构（不管是蛋白质，DNA还是生物膜）的倾向，并不比岩浆冷却时形成大型晶体的倾向更神秘。只要有足够多的活化组件，形成这些大型结构才是最稳定的状态。真正的问题是，这些活化组件是从哪里来的？
1700000379
1700000380
这就带来了第二个问题：充满氨基酸的“有机汤”，且不论是不是活化的，在今天的环境中并不是一种自然存在。就算真有，最终也会与大气中的氧气反应，生成多种更简单的气体：二氧化碳、氮气、硫氧化物和水蒸气。也就是说，形成这些氨基酸首先就需要能量，降解它们则会放出能量。这就是为什么我们可以忍受一段时间饥饿，因为这时候我们会降解肌肉中的蛋白质来维持能量供应，而且真正放能的不是降解蛋白质的过程，而是产生自进一步分解组成它的氨基酸。所以，种子、孢子和病毒在今天的富氧环境中并不会完全稳定。组成它们的物质会缓慢地与氧气反应（即氧化），最终，它们的结构和功能会遭到侵蚀，即使外部条件变得适宜也无法再活过来。种子放久了是会死的。但是如果改变大气成分，比如去除氧气，它们就真的可以无限稳定了。⑥在如今这个世界上，因为生物体与全球的富氧生态环境“失衡”，它们总是会氧化，除非主动采取措施来阻止氧化过程的发生（下一章我们会看到，演化史上并不一直都是这样）。
1700000381
1700000382
因此，在通常条件下（即有氧状态下），从简单分子（例如二氧化碳和氢）开始生成氨基酸和其他生物体组件（例如核苷酸），这个过程总是会消耗能量。把它们组成长链或聚合物（蛋白质，DNA）也会消耗能量，尽管熵基本不变。这就是生命的基本活动：制造新的有机小分子，把它们组织起来，生长，繁殖。生长还意味着主动运输物质进出细胞。所有这些活动都需要持续的能量流入，薛定谔称其为“自由能”。他提出了把熵、热和自由能联系在一起的方程式，简单又经典：
1700000383
1700000384
ΔG = ΔH – TΔS.
1700000385
1700000386
这个方程式是什么意思呢？希腊字母Δ（delta）代表变化。ΔG即“吉布斯自由能”，以19世纪美国伟大的隐士物理学家吉布斯命名。这是可以做机械功的“自由”能量，比如驱动肌肉收缩，或任何细胞内的活动。ΔH代表热量的变化，热量被释放到周围环境中，使其加热并增加熵。在一个放热反应中，系统本身必然冷却，因为现在系统中的能量比反应前少。所以，如果热量从反应系统释放到环境中，ΔH作为反应系统的量度会是负值。T代表温度，它的影响取决于环境。如果一定的热量释放到较冷的环境中，对环境影响比较大；同样的热量释放到较热的环境中，影响较小。ΔS是系统熵的变化。如果系统的熵减少、变得更加有序，ΔS是负值；反之为正值，意味着系统变得更加混乱。
1700000387
1700000388
总的来说，对于任何自发的反应，自由能变化ΔG必须是负值。构成生命的所有反应，其总体效果也必须如此。也就是说，只有当ΔG为负值时，反应才能自发进行。要达到这个效果，要么系统的熵必须增加（系统变得更加混乱），要么系统必须以放热的形式失去能量，或者二者同时发生。这意味着当系统释放很多热量到环境中时，ΔH是很大的负值，这时局部的熵可以增加，系统可以变得更加有序。要点在于：如果要驱动生长和繁殖（这就是活着的表现！），就必须有某种反应持续向环境释放热量，让外界更加无序。想想宇宙中的恒星：为了维持自身有序的存在，它们向宇宙倾泻着天文数字的能量。我们则通过不间断的呼吸作用（利用氧气燃烧食物）向环境释放热量，以维持自身的持续生存。这些流失的热量绝非浪费，而是维持生命的必需。失去的热量越多，生命就越可能变得更复杂。⑦
1700000389
1700000390
细胞中所有的反应都是自发的，有了合适的起始条件就会自动发生，ΔG永远都是负值。从能量角度看，反应一直都是下坡方向。但这也意味着反应的起始条件必须非常高。要制造一个蛋白质，起始条件必须是在一个小空间里聚集了足够的活化氨基酸。这相当难达成。氨基酸在连接起来并折叠成蛋白质的过程中会释放能量，增加环境的熵。只要有足够、适当活化的前驱物，活化氨基酸其实也能自发生成。同理，这些前驱物在一个高度反应性的环境中也会自动合成。所以追根溯源，生长的动力其实来自环境的反应性，这股力量源源不绝地流过活细胞；对我们来说是以食物和氧气的形式，对植物来说是以光子的形式。活细胞利用这股持续的能量流生长，克服自身趋于分解的倾向。它们能做到这一点，依靠的是精巧的结构，而这些结构部分由基因决定。无论这些结构具体是什么（我们之后会讨论），它们本身都是生长与繁殖的产物，是选择与演化的结果；如果没有持续的能量流，它们就不可能存在。
1700000391
1700000392
生物能量奇特的狭窄范围
1700000393