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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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碱性环境的重要意义
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碱性热液喷口提供了生命起源需要的所有条件。大量的碳和能量流入，由物理结构引导流过无机催化剂；同时，环境结构的约束让有机物可以积累起高浓度。热液富含溶解了的氢气，还有少量的其他还原性气体，包括甲烷、氨和硫化氢。“失落之城”和其他碱性热液喷口都具有微孔结构，没有大型的主喷口，沉积岩本身就像矿化的海绵，互相通连的微孔由薄壁隔开，壁的厚度介于微米和毫米之间，共同形成了错综复杂的迷宫，碱性热液在其中渗透（图13）。这些热液不像黑烟囱那样被岩浆加热到超热液状态，温度相当温和，不但适合有机分子合成，还减缓了流动速度。热液不像黑烟囱那样高速喷发，而是缓缓流过催化剂表面。这些喷口的寿命长达几千年以上，“失落之城”至少已经存在了十万年。按拉塞尔的换算就是1017微秒，他用的是对化学反应更有意义的时间单位。对于诞生生命的化学反应来说，这么长的时间的确足够了。
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图13 有机分子通过热泳效应高度浓缩
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小图A：“失落之城”的碱性热液喷口剖面图，显示微孔结构和薄壁。这种结构没有主喷口，而是互相连通的微孔组成的迷宫，孔径大小从数微米到数毫米不等。小图B：核苷酸之类的有机物，理论上可以通过热泳效应浓缩到起始浓度的1,000倍以上。小图C：在微孔结构中的对流和热扩散效应，如何造成热泳现象而浓缩的示意图。小图D：伦敦大学学院的反应器实现的实验室热泳效应。有机荧光染料（荧光黄）通过微孔陶瓷泡沫（直径9厘米）时被浓缩了5,000倍。小图E：荧光分子奎宁的浓缩程度更大，在这个实验中至少达到了100万倍。
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流过微孔迷宫的热液会高度浓缩有机分子（包括氨基酸、脂肪酸和核苷酸）。通过一种名为“热泳”（thermophoresis）的过程，这些分子的浓度能达到起始浓度的数千甚至数百万倍。具体原理有点像洗衣机中的小物件会集中卡在羽绒被套里面。一切都是动能变化造成的。在较高的温度下，小分子（洗衣机里的小物件）会四处乱跑，有一定的自由度向各个方向运动。当热液与外界液体混合、冷却，有机分子的动能下降，四处运动的能力也随之减弱（就像袜子被卡在被套里）。这样它们更难离开，所以开始在这些动能较低的地方累积（见图13）。热泳的效果部分取决于分子的大小。核苷酸这种较大的分子比小分子更容易被困住，而甲烷这种小分子很容易就从微孔系统中流失。总之，当热液持续通过这种微孔喷口系统，有机分子浓度会增加，而且不需要改变稳态条件（比如结冻或蒸发）就能达成这种效果；这个动态过程本身就是一种稳态。更有利的是，热泳效应会促进有机分子互相作用，在这些微孔中形成耗散结构。它可以让脂肪酸自发形成囊泡，还有可能让氨基酸聚合成蛋白质，让核苷酸聚合成RNA。这些作用的发生受浓度影响很大，任何增加分子浓度的过程，都会促进分子之间的化学作用。
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现实似乎不可能这么完美，这个假说确实还存在一些问题。今天，“失落之城”的碱性热液喷口是很多生物的家园，只不过大多数都是平淡无奇的细菌和古菌。它们会制造一些低浓度的有机物，包括甲烷，以及极少量其他种类的碳氢化合物。这些喷口在现代肯定没有创造出任何新的生命形式，甚至没有凭借热泳形成富含有机分子的环境。一部分原因是已经入住其中的细菌，它们会很有效率地把任何资源都搜刮殆尽。然而，另外还有更本质的原因。
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40亿年前的黑烟囱环境不会与今天完全一样，那时的碱性热液喷口也一定与现在有些不同。某些方面不会有什么变化，比如蛇纹岩化作用过程就应该一模一样：同样温暖、富含氢气的碱性溶液应该从地下涌向海床。然而那时的海洋化学与现在大不一样，所以会改变碱性喷口的矿物质成分。今天，“失落之城”喷口处的成分几乎全是碳酸盐（文石，aragonite），而后来在其他地方发现的相似喷口（比如在冰岛北部的斯特列坦，Strýtan）则由黏土构成。40亿年前的冥古宙时期会形成什么样的喷口，我们无法确定，但有两个主要差异一定会造成重大影响：没有氧气；大气和海洋中的二氧化碳浓度比现在高得多。这两点差异，会让远古的碱性热液喷口成为效率更高的流式反应炉。
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如果没有氧气，铁会以亚铁离子的形式溶解在水中。我们知道早期海洋中充满了溶解的铁，因为后来它们全部沉淀，形成了分布广泛的条带状铁矿构造（详见第一章）。很多溶解的亚铁离子来自黑烟囱，即火山型热液喷口。我们还知道这些铁会沉淀在碱性热液区域，不是因为有实物证据，而是因为化学定律使其成为必然，我们还可以在实验室中模拟这个过程。这种情况下，铁会以氢氧化铁和硫化铁的形式沉淀，成为矿物簇催化剂。直到今天，我们还能在很多碳代谢和能量代谢的催化酶中发现类似的矿物簇，例如铁氧还蛋白（ferredoxin）。因此，在没有氧气的情况下，碱性喷口的矿物质内壁应该含有催化性含铁矿物，很可能还混杂着其他的反应性金属，比如镍和钼（都溶于碱性溶液）。现在，我们已经很接近真正的流式反应炉：富含氢气的热液在微孔网络中流通，催化物质形成的孔壁结构能够浓缩和留住反应产物，并排出废物。
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