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通往“露卡”的崎岖之路
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整个生物世界中，一共只有六条化学反应途径可以固定碳元素：“固定”意味着把二氧化碳等无机物转换成有机分子。其中五条都很复杂，都需要注入能量才能推动反应，例如光合作用就需要太阳能。以光合作用为例还有一个原因：它进行卡尔文循环（Calvin cycle），把二氧化碳转换成糖类等有机物，而卡尔文循环只在光合细菌中进行（当然还有植物，植物细胞中的叶绿体前身为光合细菌）。这意味着卡尔文循环不太可能是共祖特征，因为如果露卡也能进行光合作用，那所有的古菌都彻底丢掉了它——抛弃如此厉害的技能，是不是太傻了？因此，卡尔文循环应该是后来才在细菌那一支随着光合作用独立演化出来的。其他几条固碳反应路径也都有类似的问题，除了一条：只有乙酰辅酶A途径，同时存在于细菌和古菌身上。也就是说，这条代谢路径很可能为它们的共祖所拥有。
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这个说法还不是完全准确。细菌和古菌的乙酰辅酶A途径仍然有一些奇怪的差异，本章的后面部分会再来讨论。现在让我们暂且考虑一下，为什么这条路径有理由被认为是共祖特征（种系发生学的研究结果太不明确，无法支持也无法否定这一点）。使用乙酰辅酶A途径的古菌是产甲烷菌，对应的细菌是产乙酸菌。有些生命树把产甲烷菌放在很早期的分支上，另一些把产乙酸菌放在早期分支上，还有一些则把两类都放在较晚期的分支上，认为它们之所以简单不是因为种系古老，而是反映了后续的特化和精简演化。如果我们完全依赖种系发生学，可能永远搞不明白。幸好还有其他办法。
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乙酰辅酶A途径从氢气和二氧化碳开始。上一章我们详细讨论过，这两种分子在碱性热液喷口环境中都很丰富，而且二者生成有机物的反应是一种放能反应。热力学原理上，这个反应应该自动发生，然而实际上有一道能量障壁，让氢气与二氧化碳分子不能很快反应。产甲烷菌利用质子梯度克服这道能量障壁，我认为这是共祖特征。产甲烷菌和产乙酸菌都完全靠氢气与二氧化碳的反应生活，从中获取生长所需的能量和生物碳。这一点让乙酰辅酶A途径与其他五种固碳反应路径截然不同。地球化学家埃弗雷特·肖克（Everett Shock）总结得很形象：“就像吃免费的午餐，还倒贴钱。”这顿午餐虽然算不上丰盛，但在热液喷口环境中全天无限供应。
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乙酰辅酶A途径的特殊之处还不止于此。这条路径很短，而且是直线进行。从简单无机分子开始，只需很少几步就能生成乙酰辅酶A（细胞中的核心代谢分子个头虽小，反应性却很强）。不要被这些术语吓退，你可以把“辅酶A”理解成一种重要而通用的化学“挂钩”，可以把小分子挂在上面，让各种酶来处理。重要的不是挂钩本身，而是上面挂了什么东西。乙酰辅酶A上挂的是乙酰基。乙酰基和乙酸（即醋酸）同源，是一个简单的二碳分子，在所有细胞的生化反应中都扮演重要角色。乙酰基挂在辅酶A上时处于活化状态（通常被称为“活化醋酸盐”），因此很容易与其他有机分子反应，并驱动生物合成。
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因此，乙酰辅酶A途径可以从氢气和二氧化碳分子出发，只经过几个步骤就形成活化的有机小分子，同时还会释出足够的能量，驱动核苷酸与其他分子合成，并把它们聚合成长链的DNA、RNA、蛋白质等大分子。乙酰辅酶A途径前几步的催化酶中包括含铁、镍和硫的无机金属簇，它们负责把电子传递给二氧化碳分子，形成活化乙酰基。这些无机金属簇本质上就是矿物质——也就是岩石！它们的结构跟沉淀在热液喷口的硫化铁矿物质基本一致（见图11）。发生在碱性热液喷口处的地球化学反应，产甲烷菌以及产乙酸菌体内的生物化学反应，二者的关系用“类似”两字都不足以形容。“类似”只意味着相像，有可能只是表面上的一致。而这两种反应是本质一致，应该视为真正的同源现象，从一种形式直接演变成了另一种。这是从地球化学向生物化学、从无机物到有机物的平滑过渡，完全无缝衔接。化学家戴维·加纳（David Garner）总结得很恰当：“是无机元素将生命赋予了有机化学。”③
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不过，乙酰辅酶A最大的优势，也许是这个分子正好处在碳代谢与能量代谢路径交会的十字路口。乙酰辅酶A与生命起源的相关性，最早由优秀的比利时生化学家德杜维（Christian de Duve）于20世纪90年代初期指出，虽然他当时考虑的是原始汤理论背景，而不是碱性热液喷口。乙酰辅酶A不仅驱动有机合成，还能直接与磷酸盐反应生成乙酰磷酸。作为生物能量货币，乙酰磷酸现在虽然不如ATP重要，但是在生物界仍被广泛使用，功能也与ATP差不多。上一章中我们介绍过，ATP不仅释放能量，还能驱动脱水反应，从两个氨基酸分子或其他的构件小分子中抽出一个水分子，让这两个分子连在一起，一节节形成长链。我们还讲过，在溶液中进行脱水反应就像在水中拧干衣服一样麻烦，但这正是ATP能做到的。而我们已经成功地通过实验证明，乙酰磷酸也能做到，因为它的化学性质与ATP基本相同。这意味着，早期的碳代谢和能量代谢可能由同一种简单的有硫酯键的分子推动：乙酰辅酶A。
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这分子真的简单吗？熟悉有机化学的读者也许会这样问。确实，只有两个碳的乙酰基算得上简单，但另一部分——辅酶A——可是一个复杂的分子，毫无疑问是自然选择的作品，所以只可能是演化的后期产物。那么我们是在循环论证吗？当然不是，因为乙酰辅酶A有简单的、“非生物”的替代物。乙酰辅酶A的反应性来自硫酯键，这个化学键的结构只不过是一个硫原子结合一个碳原子，碳原子上又结合了一个氧原子。它的化学式可以写成：
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R–S–CO–CH3
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这里的“R”代表“其他”分子。在乙酰辅酶A中，R就是“辅酶A”。右边的–CH3是一个甲基。R未必一定是辅酶A之类的复杂分子，也可以简单到就是另一个甲基，这样就形成了一个小分子：硫代乙酸甲酯。
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CH3–S–CO–CH3
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这也是一个反应性很强的硫酯类化合物，化学性质与乙酰辅酶A相同，但是结构简单到可以由氢气和二氧化碳在碱性热液喷口反应合成。克劳迪娅·胡贝尔（Claudia Huber）和瓦赫特绍泽的实验，已经成功使用CO和CH3SH合成了硫代乙酸甲酯。更重要的是，它应该可以和乙酰辅酶A一样，直接与磷酸盐反应生成乙酰磷酸。那么原则上，它可以直接驱动有机合成，同时转化为乙酰磷酸驱动聚合反应，形成蛋白质或RNA等复杂的长链分子。我们正在用实验室的台式反应器验证这个假说，最近刚刚成功生成了乙酰磷酸，虽然浓度不高。
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这种原始的“乙酰辅酶A途径”，基本上已经足以驱动原始细胞在碱性热液喷口的微孔结构中开始演化。我设想最初的演化分为三个阶段。第一阶段，含有催化性的硫化铁矿物质的薄壁两侧形成质子梯度，驱动有机小分子合成（图14）。如我们在第三章中讨论的，这些有机分子在温度更低的微孔中被热泳效应浓缩，转变成更好的催化剂。这就是生物化学的起源，活性前驱物不断产生并浓缩，进一步促进分子间的反应，并形成简单的聚合物。
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第二阶段，在微孔结构中形成简单、有机的原始细胞。这是有机物之间互相作用的自然结果。这种简单的细胞状耗散结构，由物质自组织形成，但还没有发展出遗传基础和真正的复杂性。我认为这些原始细胞同样依靠质子梯度进行有机合成，但现在隔着的不再是微孔结构的无机物薄壁，而是自身生成的有机膜（比如由脂肪酸自动生成的双层脂质膜）。这些过程都不需要蛋白质参与。如前所述，质子梯度本身就能驱动硫代乙酸甲酯与乙酰磷酸的合成，也就是同时驱动碳代谢与能量代谢。这个阶段与前一阶段有一点本质的不同：现在的有机分子是在原始细胞内部合成，由有机膜两侧的天然质子梯度驱动。回读刚刚写下的文字，我发现“驱动”这个词用得太多了。也许是因为我词汇贫乏，但真的找不到更好的词来表达这些含义。我想强调的是，这些不是消极的化学反应，而是被碳、能量和质子的不断流入所强迫，被它们驱使发生，推着向前。这些反应必须发生，因为还原性、富含氢气的碱性热液进入被氧化的、富含金属的酸性海洋，这种互动产生了躁动的化学不平衡状态，只有靠这些反应才能消散。这是通向热力学平衡状态的唯一路径。
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第三阶段，即基因密码的起源。这才是真正的遗传，终于让原始细胞能够制造出与自身差不多的复制品。最早的自然选择形式是基于物质合成与降解的相对速度；这种形式会演变成标准的自然选择：拥有基因和蛋白质的原始细胞种群，开始在碱性热液喷口的微孔环境中竞争求存。这种标准演化机制让早期细胞开始制造复杂的蛋白质，包括核糖体和ATP合酶，这些蛋白质后来一直普遍保留在所有细胞中，直到今天。我认为，鼎鼎大名的露卡，细菌与古菌的共同祖先，就生活在碱性热液喷口的微孔结构中。也就是说，从无机物起源到露卡诞生的三个阶段，全都发生在这些微孔中，全都由质子梯度驱动，无论分隔梯度的是无机薄壁还是有机膜。而ATP合酶等复杂蛋白质的出现，发生在这条崎岖之路的晚期。
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我不准备在本书中详细讨论起源生化反应的细节，比如遗传密码从何而来，或是其他同样艰深的问题。这些都是非常重要的问题，而且已经有很多优秀的科学家投入研究。我们还没有完整的答案，但目前所有的理论都以充足的活化前驱物为预设前提。举个简单的例子，分子生物学家谢莉·科普利（Shelley Copley）、埃里克·史密斯（Eric Smith）和哈罗德·莫罗维茨（Harold Morowitz）提出了一个关于遗传密码起源的精彩理论：具有催化性的二核苷酸（dinucleotides，两个核苷酸连在一起构成的分子），有可能通过丙酮酸盐（pyruvate）这种简单的前驱物制造出氨基酸。这个构想很敏锐，展示了确定性的生物化学可能怎样发明了遗传密码。我的上一本书《生命的跃升》中专门有一章写DNA的起源，其中也探讨了这些问题，有兴趣的读者可以参考。然而，所有这些假说都依赖一个理所当然的预设条件，核苷酸、丙酮酸盐或者其他前驱物会有稳定的供应。这恰恰是我们这里探讨的问题：究竟是什么力量驱使了地球生命的诞生？对于这个问题，我认为：复杂分子的形成、向上演化形成基因和蛋白质，直到露卡诞生，驱动这些过程的碳、能量和催化剂从何而来，理论概念上已经没有什么障碍。
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我们这里描述的热液喷口场景，和产甲烷菌的生物化学反应有着完美的连续性。产甲烷菌是一种古菌，通过乙酰辅酶A途径进行氢气和二氧化碳的反应。它们明显非常古老，在细胞膜两侧产生质子梯度（下面会讨论它们是如何做到的），完整地复制了远古时代碱性热液喷口天然赠予的一切。质子梯度是利用一种嵌在膜中间的铁硫蛋白（即能量转换氢化酶，energy-converting hydrogsase，简称Ech）来驱动反应的。这个酶会引导质子通过膜，并把质子传递给另一个铁硫蛋白——铁氧还蛋白，并进一步还原二氧化碳。我曾在上一章中提出，微孔铁硫薄壁两侧的天然质子梯度，可以通过改变氢气和二氧化碳的还原电位来实现还原二氧化碳。我认为这正是Ech所做的事，只是发生在纳米层面。酶经常会在自己内部的蛋白质间隙中（也就是在几埃的空间中）精确控制物理条件，比如改变质子浓度。Ech很可能就是这样运作的。如果真是这样，那么原始细胞的早期状态与现代产甲烷菌的状态之间就呈现出无间断的连续性：在原始细胞中，短链多肽和嵌在细胞脂肪酸薄膜中的硫铁矿物结合，从而获得稳定；在现代产甲烷菌中，这个组合发展成了基因编码制造的Ech膜蛋白，驱动碳代谢。
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无论如何，在已经有基因与蛋白质的现代环境中，Ech仍然在用甲烷合成产生的质子梯度来还原二氧化碳。产甲烷菌还会利用质子梯度，通过ATP合酶直接合成ATP。所以，碳代谢和能量代谢都依靠质子梯度驱动；而在热液喷口环境中，质子梯度是天然存在的。最早生活在那里的原始细胞，或许正是利用这个“免费”的机制驱动自身的碳代谢与能量代谢。听起来很有道理，然而，依赖天然质子梯度进行代谢本身也有问题，而且是极为难解的问题。马丁和我都意识到，要解决这些问题可能只有一个方法。同时这也让我们更加深刻理解，为什么细菌和古菌会有根本的差异。
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细胞膜渗透性的问题
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在我们自己的线粒体里，膜对质子来说几乎完全不可渗透。这一点绝对必要，因为如果把质子泵出膜外后它们又马上渗透回来，那这张膜就是千疮百孔，毫无用处。好比把水泵进一个水箱，箱底却是一层筛网。我们的线粒体中其实有一条电路，而内膜的作用就像电流周围的绝缘体。质子被泵出膜外后，绝大多数通过像涡轮一样的膜蛋白流回来，并推动涡轮工作。如果这个蛋白是ATP合酶，那质子流过这个纳米旋转马达就驱动了ATP合成。请注意一点：整个系统的运作都依靠主动泵出质子。如果这些泵被堵住，所有过程都会停止。这就是氰化物毒药致命的原理，氰化物会让线粒体呼吸链末端的质子泵卡住。当质子泵受到这样的干扰，ATP合酶的质子流还能持续几秒钟，然后，膜两侧的质子浓度就会趋于平衡，净流入停止。死亡这个概念和生命一样难以定义，“线粒体膜电位无可挽回的崩溃”可算是非常精确的定义。
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那么，天然质子梯度怎样驱动ATP合成呢？它会遇到和“氰化物致死”一样的难题。设想在热液喷口的微孔里有一个原始细胞，依靠天然质子梯度提供能量。细胞的一边是持续流过的海水，另一边是持续流过的碱性热液（图17）。40亿年前的海洋很可能呈弱酸性（pH值为5～7），碱性热液则和今天差不多，pH值大约为9～11。酸碱度以pH值衡量差了3～5个单位，也就是说两侧的质子浓度差可能是1,000到100,000倍④。简单起见，我们假设细胞内部的质子浓度与碱性热液相当，这样细胞内外就形成了质子梯度，质子会顺着梯度往下流，从浓度较高的海水流向浓度较低的细胞内。不过这个流动几秒钟之后就会停止，除非细胞能除去流入的质子。停止流入的原因有二：首先，内外浓度很快就会趋于一致；其次，这还与电荷有关。质子（H+）带正电荷，但在海水中，它们的正电荷会被氯离子（Cl–）等带负电荷的离子抵消。问题就在这里：质子穿过膜的速度比氯离子快得多，所以正电荷流入得比负电荷快，细胞内的电荷无法平衡，很快就会相对于外部带一定正电荷，从而阻止同样带正电荷的质子继续流入。简单而言，除非细胞有个把质子从内部泵出去的泵，否则天然质子梯度什么也驱动不了。原始细胞内外会进入平衡状态，而平衡就意味着死亡。
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图17 由天然质子梯度供能的细胞
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图中央是一个细胞，质子可以通过这里的细胞膜。一层无机薄壁把热液微孔结构隔成两部分，而细胞“卡”在薄壁的一个小缺口上。在上面部分，弱酸性的海水沿着狭长的微孔渗入，pH值约为5～7（实验模型中通常认为pH值为7）。在下面部分，碱性热液沿着另一个不与上面连通的微孔渗入，pH值约为10。“层流”意味着没有乱流或混流，这是液体在微小狭窄的空间中流动的特点。质子的浓度梯度是从酸性海水到碱性热液的方向，所以质子（H+）可以直接穿过脂质膜（虚线）流入细胞，也可以通过镶嵌在膜上的蛋白质（三角形）流入。氢氧根离子（OH-）则反方向流动，从碱性热液流向酸性海水，但只能通过膜。质子流的总体速率取决于膜对H+的渗透性、H+被OH-中和（形成水）的速率、膜蛋白的数量、细胞的大小，还有膜内外的电荷差异（由两边的离子对流造成），等等。
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