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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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然而，究竟发生了什么反应呢？现在我们已经接近问题的关键。这就是高浓度二氧化碳的意义。今天的碱性热液喷口反应中相对来说缺乏碳，因为大部分无机碳都以碳酸盐（霰石）的形式沉淀，成为喷口的支撑结构。然而根据估计，40亿年前的冥古宙，二氧化碳浓度比现在高得多，可能高出100至1,000倍。首先，这么多无机碳供应使得这些远古的喷口结构发展不受限制；此外，高浓度的二氧化碳使原始海洋酸化，让碳酸钙不容易沉淀（这个现象今天正威胁着珊瑚礁，因为上升的大气二氧化碳浓度让当代海洋也开始变酸）。当代海洋的pH值大约是8，略呈碱性。冥古宙的海洋很可能呈中性或者弱酸性，pH值介于5～7，虽然实际的酸碱度并不完全由地球化学因素决定。高浓度的二氧化碳、微酸的海洋、碱性热液，再加上含有铁硫矿的喷口薄壁，这个组合才是关键，因为它们共同驱动了在其他情况下难以发生的化学反应。
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化学反应由两大原理支配：热力学与动力学。热力学原理决定了物质在哪种状态下更加稳定，如果没有时间限制，就一定会形成这种状态的分子。动力学影响反应速度，即在一定时间内反应会生成哪种产物。从热力学角度看，二氧化碳会与氢气反应生成甲烷。这是一个放热反应，至少在特定条件下会增加周围环境的熵，进一步促进反应。因此，如果有机会，这个反应会自动发生。这里的特定条件包括适中的温度，以及不能有氧气。如果温度升得太高，如前所述，二氧化碳会变得比甲烷稳定，热力学的“势”倒转，不利于反应发生。如果有氧气，氢气会更加亲和氧气，并与其发生反应生成水，夺去二氧化碳的反应伙伴。在40亿年前的碱性喷口，温和的温度加上无氧环境，恰好促进了二氧化碳和氢气反应生成甲烷。即使在今天，“失落之城”的喷口在有一定氧气的条件下也能制造少量甲烷。地球化学家简·阿门德（Jan Amend）和托马斯·麦科勒姆（Thomas Mccollom）更进一步。他们甚至计算出，在碱性热液环境中，只要没有氧气，热力学方面的趋势就是二氧化碳与氢气反应生成有机物。这点非同寻常：在这些条件下，且环境温度在25℃至125℃之间，以二氧化碳和氢气为原料合成全套细胞生命物质（包括氨基酸、脂肪酸、碳水化合物、核苷酸，等等）居然是放热反应。也就是说，达到这些条件时，二氧化碳和氢气应该自发反应，合成有机物质。细胞的形成会释放能量，增加环境的总体熵！
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但是还剩下一个大问题：氢气并不容易与二氧化碳发生反应。虽然热力学原理说它们应该自发反应，但氢气与二氧化碳即使混在一起也互不理睬，它们之间还有一道动力学障壁，阻止反应立即发生。要强迫它们开始反应，需要注入一定能量，点燃火花来打破隔膜。反应开始后，首先会形成一些部分还原的化合物。二氧化碳只能接受成对的电子，接受第一对变成甲酸盐（HCOO–），再来一对变成甲醛（CH2O），再加上一对又变成甲醇（CH3OH），最后接受一对电子成为完全还原的甲烷（CH4）。当然，生命并不是由甲烷构成的，而是部分还原态的碳化合物；从氧化还原程度来看，生命大致相当于甲醛与甲醇的混合物。这也就意味着，如果生命起源于二氧化碳与氢气的反应，就需要应对两道能量障壁。第一道需要跨过去，达到甲醛和甲醇的还原程度；第二道则绝不能跨过！好不容易诱导二氧化碳与氢气结合在一起，细胞现在绝不能让反应进行到底，生成甲烷。那样所有物质都会变成气体，流失消散，生命也就不复存在。而生命，似乎很清楚如何降低第一道障壁，以及保持第二道障壁的高度（只在需要能量的时候降低它）。那么生命在诞生之初，是怎么做到这些的？
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这才是真正令人费解的地方。如果二氧化碳与氢气的反应可以简单、经济地实现（经济意味着产出的能量要比投入的多），那人类早就这么做了。那将是解决世界能源问题的一大革命。想想看，模拟光合作用分解水，从而生成氢气和氧气，这是现成的技术，有驱动“氢能源经济”的潜力。但是，直接利用氢气作为能源有很多实际困难。如果能让氢气与大气中的二氧化碳反应，制造出天然气（即甲烷），甚至合成汽油，那该有多好！那样我们就可以继续在发电厂放手烧气，排放的二氧化碳与氢气反应消耗的二氧化碳达成平衡，大气二氧化碳浓度停止上升，人类还可以摆脱对化石燃料的依赖。全世界实现能量保障！很难找到比这个收益更大的技术了。但直到现在，我们也无法让这个简单的反应实现净能量输出，也因而无法进行经济利用。然而，这却是最简单的单细胞生物每时每刻都在做的事。例如产甲烷菌，就利用氢气与二氧化碳反应，生产所有需要的能量和有机碳。还有更难的问题：在活细胞出现之前，这反应又是如何进行的？瓦赫特绍泽认为，这根本不可能。他的说法是，生命不可能起源于氢气和二氧化碳的反应，因为二者根本就不反应。⑨确实，在实验室模拟条件下，就算把反应压力提高到几公里深海底的程度（热液喷口所在之处），还是不能迫使氢气与二氧化碳反应。这也是为什么瓦赫特绍泽起初会想出“黄铁矿拉力”这种理论，来代替这种“不可能”的反应。
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然而，这个反应还有一条可行之道。
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质子的力量
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氧化还原反应需要把电子从供体分子（在这个反应中的是氢气）传递给受体分子（二氧化碳）。一个分子给出电子的“意愿”，化学术语称之为“还原电位”（reduction potential）。术语规范有点乱，但也不难理解。如果一个分子“想要”失去电子，我们会给它一个负数的还原电位值，“意愿”越强烈，负值就越大。相反，如果一个原子或分子渴望电子，一有机会就会从其他地方夺取，我们会给它一个正数的还原电位值（你可以把它看作对带负电荷的电子的吸引力）。氧气分子抢电子就很厉害，氧化其他物质就是夺取其他物质的电子，所以它的还原电位是很高的正值。所有这些数值正负都是相对于所谓“标准氢电极”（standard hydrogen electrode）而言的，但我们这里不需要追究细节。⑩需要明白的是，还原电位为负值的分子倾向于失去电子，把它传递给任何还原电位比它高的分子，而不会发生电子的反向传递。
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这就是氢气与二氧化碳反应的困难所在。在中性环境（pH=7.0）中，氢气的还原电位是－414毫伏。如果氢气失去它的两个电子，就只留下两个质子（2H+）。氢气的还原电位反映了一种动态平衡，即H2失去电子变成2H+的倾向相对于2H+得到电子变成H2的倾向之间的差距。二氧化碳得到电子会变成甲酸盐。但甲酸盐的还原电位是－430毫伏，也就是说它有更强的“意愿”把电子传给H+，让它变回氢气，自己则变回二氧化碳。甲醛更糟，它的还原电位是－580毫伏，非常不愿意拿稳电子，很容易把电子传给H+，生成氢气。所以在pH=7的条件下，瓦赫特绍泽说得对，氢气不可能还原二氧化碳。但是现实明摆着，某些细菌和古菌正是靠这个反应为生的，所以它又一定是有可能发生的。在下一章我们会详细探讨它们是如何做到的，因为那跟我们的下一段故事关系较大。这里我们只需要知道，利用氢气和二氧化碳反应生长的细菌，只有靠跨膜质子梯度供能才能生长。这就是最关键的线索。
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分子的还原电位经常随着pH值改变，也就是随质子浓度的变化而变化。原因很简单：传递一个电子就是传递一个负电荷。如果被还原的分子同时还可以接受一个质子，那么产物就更稳定，因为质子的正电荷可以抵消电子的负电荷。有越多可以用来平衡电荷的质子，电子就越容易传递。因为分子现在更容易接受一对电子，所以它的还原电位会随之升高。事实上，pH值每下降1（变酸），还原电位就会升高约59毫伏。溶液酸性越强，二氧化碳就越容易获取电子，生成甲酸盐或甲醛。不幸的是，同样的规律也适用于氢气。溶液酸性越强，质子就越容易获取电子生成氢气。所以，单纯改变pH值没有任何作用，氢气仍然不可能还原二氧化碳。