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到这里，六个要素已经明确了三个：复制、碳和能量。那么区隔化呢？这又是一个浓度的问题。生物膜由脂质组成，而脂质的成分是脂肪酸或异戊二烯（如上一章介绍，连在一个甘油的头部）。脂肪酸分子的浓度超过一定阈值后，会自发形成细胞状的囊泡；如果继续“喂”进更多的脂肪酸，囊泡还会膨大、分裂。我们又一次需要持续供应有机碳和能量，来驱动新的脂肪酸分子生成。要让脂肪酸和核苷酸这些分子在水中聚集得比消散得更快，就必须有某种集中的机制，比如物理性的聚集导向，或者天然的区隔化结构。这样才能局部增加这些分子的浓度，让它们形成大尺寸结构。满足这些条件时，囊泡的自发形成就不足为奇了：物理上这是最稳定的结构，因为这样会增加总体熵。我们已经在上一章介绍过这个原理。
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如果确实能够持续供应活化的原料，这些简单的囊泡就会自发生长、分裂，因为它们受到表面积与体积之比的限制。想象一颗球形囊泡，算作一个原始的“细胞”，里面包裹着多种有机分子。它会因为吸收新的物质而生长，膜吸收脂质，其他有机分子进入细胞。我们现在让它倍增：表面积倍增，内容物也倍增，会发生什么？你会发现，表面积倍增后，体积增加了不止一倍，因为表面积与半径的平方成正比，体积（容积）与半径的立方成正比。但是内容物只增加了一倍。所以，除非内容物的增加速度比膜的表面积（也就是膜物质分子数目）更快，否则囊泡会瘪成哑铃形状。而这种形状差不多已经是分裂近半的状态，持续下去就会形成两个新的囊泡。换句话说，算术级增加物质会导致细胞结构不稳定，继而导致分裂和细胞数目倍增，而不是单纯地长大。一个生长的球体，迟早都会分裂成两个较小的泡泡。因此，活化碳前驱物流入，不仅会形成原始的细胞，还会促成最简版的细胞分裂。没有细胞壁的L型细菌正是使用这种出芽生殖方式来分裂。
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表面积与体积的比例问题，同时也限制了细胞的大小。这个问题的实质是反应物的供给与废物排泄的速度问题。尼采曾经说过：只要人类还需要排便，就不会自以为是神。但事实上排泄是热力学定律的必然结果，即使是神也不会例外。任何化学反应要继续向前进行，就一定要移除终产物。这个道理并不比火车站的人群运动更复杂。如果旅客上车的速度比进站的速度慢，那么很快，进站的旅客就会在月台上拥塞。细胞内的情况类似：新的蛋白质的合成速度，取决于反应前驱物（活化氨基酸）的送入速度，以及废物（甲烷、水、二氧化碳、乙醇，无论是哪种放能反应）的移除速度。如果反应废物无法排出细胞，这就会阻止产生它们的反应继续进行。
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对于原始汤理论来说，废物的移除问题又是一个根本的缺陷。因为在原始汤场景中，反应物和废物全都“腌”在一起。汤里的化学反应没有“向前”进行的动力，也没有力量来驱动新的化学反应。⑤同样，当细胞越长越大，它也就越接近一锅汤。因为细胞的体积增加得比表面积快，所以当细胞变大时，通过划分内外边界的膜把新的有机碳送进来以及把废物送出去，二者的相对速度都会下降。一个大西洋那么大的细胞与足球那么大的细胞没有本质区别，都是绝对无法存在的。它会变成一锅汤（你或许认为鸵鸟蛋就和足球一样大，但是占了鸵鸟蛋绝大部分体积的卵黄囊基本上只是一个食物堆，在蛋里面发育的胚胎细胞其实非常小）。生命诞生之初，有机碳的自然输送速度和废物的移除速度，必然决定了细胞的尺寸会很小。可能还需要某种物理导流，让自然形成的持续水流带入前驱物，同时带走废物。
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现在我们还剩下催化剂的问题。现代生物都以蛋白质（酶）为催化剂，但RNA也有一定的催化能力。麻烦在于，RNA分子已经是一种复杂的聚合物。RNA由许多核苷酸构件组成，每个核苷酸分子都必须先合成、活化，之后才能连接在一起形成长链。如果这些还没发生，催化剂就不太可能是RNA。无论导致RNA出现的过程是什么，它一定也驱动了其他简单有机分子的合成，尤其是氨基酸和脂肪酸。所以，早期的“RNA世界”一定非常“脏”，混杂着各式各样的有机小分子。尽管RNA确实在复制以及蛋白质合成的起源上发挥了关键作用，但认为“RNA自己忽然发明了新陈代谢”的理论仍属荒谬。那么，到底是什么催化了最初的生化反应？最有可能的答案是无机复合物分子，比如金属硫化物（特别是铁、镍和钼）。直到今天，在几种古老的、所有生物共有的蛋白质中，这些金属仍然作为辅因子（cofactor）存在。我们总是把蛋白质看作催化剂，但事实上，蛋白质只是加速了本来就会发生的反应，而决定反应本质的是辅因子。如果部分剥离蛋白质，辅因子会变成效率不高或针对性不强的催化剂，但它们的催化效果还是比没有催化剂好得多。它们的效率仍然取决于反应物通量。这些原始的无机催化剂，刚刚学会引导碳和能量流向有机物，但它们把原本海啸一般的能量需求降低到一条小河的水平。
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另外，这些简单的有机小分子（特别是氨基酸和核苷酸）本身也有一定的催化能力。如果有乙酰磷酸存在，氨基酸甚至可以直接连起来，形成短链多肽，即氨基酸短链。这种多肽分子的稳定性，部分取决于它们与周围分子的关系。疏水性的氨基酸如果和多肽与脂肪酸结合，可以维持得比较久；带电荷的多肽如果与硫化铁等无机矿物质簇结合，比如硫化铁，也会更加稳定。多肽与矿物质簇的自然结合，很可能会增强矿物质的催化能力，还可能因为复合体的稳定性在自然选择中胜出。设想一种矿物催化剂，可以促进有机分子的合成。有些合成产物与矿物催化剂结合会延长本身的寿命，同时马上改善这些矿物质的催化效率。从原理上看，这样的系统会让有机化学变得更加丰富、更加复杂。
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那么，怎样才能从头开始构建一个细胞呢？首先，一定要有大量的活化碳化合物，以及可以利用的化学能持续流入。它们流过原始的催化剂时，其中一小部分会转化成新的有机分子。连续的流入必须受某种方法的约束，让合成的有机分子可以累积到很高的浓度，包括脂肪酸、氨基酸和核苷酸，而且还不会妨碍废物流出。某些天然的管道或者区隔结构，有可能达到集流的效果，就像水车的集流水道一样，可以在缺乏酶的条件下提升流入的动力，从而降低对有机碳和能量的总体需求。只有当新的有机分子合成速度超过它们的消耗速度时，浓度才能增加，也才可能自我组装成细胞状的囊泡、RNA和蛋白质等结构。⑥
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显然，这仅仅是一个细胞的开端，只是必要条件，远不是充分条件。但是让我们暂且放下细节，先注意一个要点。如果没有大量的有机碳与能量流被引导流过无机催化剂，就不可能有细胞的起源和演化。我认为这个条件对于宇宙中任何地方的生命演化都是必要的。上一章我们讨论过热力学决定的碳合成化学的需求：要有连续的碳和能量流过天然催化剂。所有过去立论的生命起源可能环境（不考虑那些奇谈怪论），几乎都被这样的条件排除了：温暖的池塘（很遗憾，达尔文这次错了）、原始汤、微孔浮石、海滩、胚种论……但是仍有一个幸存者——深海热液喷口。它不仅没被排除，相反，还符合所有这些条件。深海热液喷口正是我们寻找的耗散结构：有持续的碳和能量流动，也有远离平衡态的电化学反应炉。
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深海热液喷口：天然的流式反应炉
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美国黄石国家公园的大棱镜温泉，让我想起《魔戒》中的索伦之眼——邪恶的黄色、橘色和绿色。这些鲜艳耀眼的颜色，来自细菌的光合作用色素；这些分子可以利用火山喷泉散发出的氢气或硫化氢作为电子供体。黄石公园的这些细菌会进行光合作用，所以对于生命起源的秘密并不能给我们多少启发，但它们确实见证了火山温泉的原始力量。很明显，这些坐落在四周贫瘠环境之中的温泉只适合细菌。如果回到40亿年以前，抹去周围的植被，露出光秃秃的岩石，很容易引人遐想：这片洪荒之地大概就是生命诞生的场所吧。
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然而这里不是。回到生命起源之时，地球还是一片水世界。也许那时狂暴的全球性海洋上有一些小小的火山岛，岛上有陆地温泉，但绝大部分热液喷口都深处海底。20世纪70年代晚期，对深海热液喷口的发现震惊学界，不仅是因为它们的存在（温水羽流现象早已让人猜到它们的存在）⑦，还因为没人预料到这些“黑烟囱”如此强力、活跃，紧紧依附在它们周围的生态系统又是如此丰富。深海的海床通常像沙漠一样，罕见生命的踪影。然而，这些摇摇欲坠的烟囱拼命喷出黑色的“浓烟”，滋养着各种前所未见的古怪生物：无嘴、无肛门的巨型管虫，大如餐盘的贝类，以及没有眼睛的盲虾。此处的生命密集程度，堪比热带雨林。深海热液喷口的发现是一个开创性时刻，对生物学家和海洋学家如此，对生命起源研究更是如此。微生物学家约翰·鲍罗什（John Baross）很快就认识到这一点，他成了深海热液喷口研究的先行者，密切关注着这些位于漆黑海底、远离阳光的喷口，以及这种化学不平衡环境带来的旺盛活力。
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然而这些喷口也很容易被误解。它们并不是真的完全不涉及太阳能。这里的动物生命依赖于与细菌形成的共生作用，而细菌以氧化黑烟囱中散发的硫化氢气体为生。这是化学不平衡最主要的来源：硫化氢（H2S）是一种还原性气体，与氧气反应会放出能量。这是上一章我们介绍过的呼吸作用机制：细菌利用硫化氢作为电子供体，氧气为电子受体，驱动ATP合成。但是，氧气是光合作用的副产物，在演化出光合作用之前并不存在于早期地球。生命在深海热液喷口周围的惊人喷发，实际上还是完全依赖太阳能，尽管用到的化学机制不是直接的。那么在40亿年前，这些喷口环境一定与今天截然不同。
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如果排除了氧气，还剩下什么？在中洋脊的板块扩张中心（或者其他的海底火山活跃区域），海水与岩浆直接作用，黑烟囱由此形成。海水透过海床向下渗透，进入浅层的岩浆库，瞬间被加热到几百摄氏度，混入大量熔化的金属和硫，变成强酸性。超热的海水被汽化压推回到上方的海洋中，会具有爆炸性的力度，而且会迅速冷却。黄铁矿（即“愚人金”）等细微的硫化铁颗粒马上就会沉淀，这就是那些浓密的“黑烟”（深海热液喷口的别名“黑烟囱”由此而来）。40亿年前，这些情况应该大致相同，但这种强大的火山能量并不能被生命利用。化学浓度梯度才是生命能量的关键，在这里也是问题所在。那时候没有氧气提供的氧化还原化学势作为动力，硫化氢和二氧化碳反应生成有机物质要困难得多，尤其在高温条件下。从20世纪80年代末开始，金特·瓦赫特绍泽（Günter Wächtershäuser），一位极具开创性，也出了名暴脾气的德国化学家兼专利律师发表了一系列论文，开创了黑烟囱研究的崭新局面。⑧他提出一套详细的反应机制，在黄铁矿表面把二氧化碳还原为有机分子，并将其命名为“黄铁矿拉力”（pyrites pulling）。他还提出了更具普遍意义的“铁－硫世界”理论，即铁－硫（FeS）矿物扮演了催化有机分子合成、启动生命的主角。这种矿物通常由亚铁离子（Fe2+）和硫离子（S2–）形成不断重复的晶格。直到今天，很多酶的核心仍然存在亚铁与硫化物形成的铁硫簇，包括一些呼吸蛋白都是这样。这些作为酶核心的铁硫簇结构，本质上与铁硫矿物的晶格结构完全一样，比如四方硫铁矿（mackinawite）和硫复铁矿（greigite）（见图11和图8）。因此，认为矿物质是生命起源的催化剂，好像又多了几分道理。然而，即便硫铁矿物是很好的催化剂，瓦赫特绍泽自己的实验也证明“黄铁矿拉力”反应机制其实行不通。只有用还原性更强的一氧化碳取代二氧化碳，有机分子才能生成。现实中没有发现任何生命是依靠“黄铁矿拉力”为生，这也证明实验的失败并非偶然，这个理论确实不对。
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图11 硫化铁矿物和铁硫簇
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这是马丁和拉塞尔于2003年绘制的图，反映了硫化铁矿物和生物酶中的硫铁簇之间密切的相似性。中间的小图显示了硫复铁矿一个重复的结晶格子单元；这个结构会不断重复，组成一个多单元的晶格。周围的小图显示各种嵌在蛋白质中的铁硫簇，它们的结构都很像硫复铁矿，或四方硫铁矿等同类矿物。灰色区域显示了每个酶大致的形状大小和它们的名称。每个酶通常有好几个铁硫簇，有些含镍，有些不含。
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黑烟囱环境中确实存在一氧化碳，但浓度只是痕量，完全无法驱动有机化学反应（一氧化碳浓度只有二氧化碳的百万分之一到千分之一）。还有其他不对劲的地方：黑烟囱喷口非常热，喷出来的热液温度高达250℃至400℃，但是海底巨大的压力使其不会沸腾。在这种温度下，最稳定的碳化合物是二氧化碳。也就是说，有机合成根本不会发生；相反，如果真有有机分子合成，也会很快被降解为二氧化碳。另外，有机合成在矿物质表面催化，这个概念也存在很大的问题。如果真是这样，要么有机物会附着在表面，阻断后续反应的发生；要么脱离表面，那么它们就会被黑烟囱喷出的强劲水流冲向大海远方，扩散速度快得不足以成事。黑烟囱本身就很不稳定，从生长到崩塌，生命周期最多只有几十年。这点时间实在不足以“创造”生命。它们确实是远离平衡态的耗散结构，也确实能解决一些原始汤理论无法解释的问题，但这些海底火山系统太过极端，太不稳定，难以滋养生命起源所需的、温和的有机碳化学反应。它们真正不可缺少的贡献，是让原始海洋中充满来自岩浆的催化性金属，例如亚铁离子和镍离子（Ni2+）。
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这些溶解在海洋中的金属，最终便宜了另一种海底喷口：碱性热液喷口。我认为，它们解决了黑烟囱生命起源理论所有的问题。碱性热液喷口与火山无关，所以没有黑烟囱那些剧烈的活动和变化，但它们有很多其他的特性，使其成为真正合适的流式电化学反应炉。它们与生命起源的关系，最早由地球化学家迈克·拉塞尔（Mike Russell）在一篇1988年发表在《自然》上的短文章中提出。整个90年代，他发表了一系列理论论文，发展出了一套独特的理论。后来，马丁以他独到的微生物视角加入热液喷口的研究。他和拉塞尔两人合作，指出热液喷口和细胞之间有很多出人意料的相关性。与瓦赫特绍泽一样，拉塞尔和马丁也主张生命起源是“自下而上”的化学过程，始于简单分子（如氢气与二氧化碳）的化学反应，与自养菌（autotrophic bacteria）的化学方式类似（自养菌使用简单无机分子合成它们所需的一切有机物）。他们同样一直强调铁硫矿物作为早期催化剂的重要性。这三位科学家探讨的都是热液喷口、硫铁矿物和自养性的起源，外人非常容易把他们混为一谈。实际上，这两套理论的差别如昼夜般分明。
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图12 深海热液喷口
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“失落之城”中活跃的碱性热液喷口（小图A）与黑烟囱（小图B）之间的比较。两幅图中的比例尺都是一米。碱性热液喷口可以高达60米，相当于一栋20层大楼的高度。小图A上方的白色小箭头标出了一个固定在喷口顶部的探测器。碱性热液喷口的白色区域是最活跃的喷发区，但与黑烟囱不同，其热液不会像“黑烟”一样沉淀。这里的景象给人荒废的感觉（但是很有欺骗性，实际上这里生机盎然），因而得名“失落之城”。
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碱性热液喷口不是由海水和岩浆互相作用产生，而是通过一种温和得多的过程：岩石与水之间的化学反应。通过地壳运动从地幔中露出表面的岩石中富含橄榄石。橄榄石与水反应，会生成一种名为蛇纹岩（serpentinite）的水合矿物。这种矿物有着漂亮的绿色花纹，有点像蛇的鳞片。打磨抛光的蛇纹岩经常被用作公共建筑的装饰立面，和绿色大理石的用途类似，纽约的联合国大厦就是一例。形成这种矿物的化学反应有个拗口的名字——“蛇纹岩化作用”（serpentinisation），其实不过是指橄榄石和水反应生成蛇纹岩。这个反应产生的废物就是生命起源的关键材料。
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橄榄石富含亚铁离子和镁。亚铁离子被水氧化，会变成锈状的氧化铁。这是一个放热反应，伴随着大量氢气的释放，而氢气会溶于含氢氧化镁的温暖碱性溶液。橄榄石普遍存在于地幔中，所以这种反应大多发生在板块扩张中心附近的海床上。在这里，新拱上来的地幔岩石与海水发生接触。但地幔岩石很少直接暴露在海洋中，接触的发生是靠海水渗透到海床以下的岩层，有时深达数公里，海水就在那里与橄榄石发生反应。这种反应制造出温暖、碱性、富含氢气的液体，比持续渗透下来的冷水比重更小，因此会上浮回海床。然后它们又会被冷却，再与溶解在海水中的多种盐发生反应，产物在海床上沉淀堆积，形成巨大的热液喷口。
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与黑烟囱非常不同，碱性热液喷口与岩浆无关，所以位置不在板块扩张中心的岩浆库正上方，通常是在几公里外。它们喷出的不是超热液，而是60℃至90℃的温水。它们的形状不是大张口、直接向海洋喷出强力水流的烟囱，而是布满互相通连、迷宫一样复杂的微孔结构。它们不是酸性，而是强碱性。实际上，在这些特征发现之前，拉塞尔于90年代初期就根据自己的理论预言了它们的存在。在多次科学会议的争论中，拉塞尔都势单力孤，但充满激情，指出科学家们大都被黑烟囱强烈的活力所迷惑，而忽视了碱性热液喷口处安静的生机。直到2000年第一个海底碱性热液喷口区被发现，并命名为“失落之城”，其他科学家才开始认真对待拉塞尔的理论。“失落之城”的各种特征几乎完全符合拉塞尔的预测，包括它的位置在离大西洋中脊十多公里之外。也许是巧合，那时候我正在构思和撰写一本书，探讨能量生物学与生命起源的关系〔《氧气》（Oxygen），原版于2002年首次出版〕。拉塞尔的理论立即吸引了我。在我看来，他的假说最独特也最深远的意义，就是建立起了天然质子梯度与生命起源之间的联系。问题在于，具体的机制是什么？
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