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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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不过有一个例外。如果细胞膜让质子难以渗透，那么质子流入确实会停止，因为进入细胞的质子无法出去。但如果这层膜是漏的，情况就不一样了。质子同样持续从海水流入细胞，但现在可以通过细胞另一侧的膜，被动渗漏离开。结果，渗漏的膜对质子流造成的阻碍反而比较小。此外，碱性热液中的氢氧根离子（OH–）穿过膜的速度与质子差不多。二者相遇就会形成水，一并消除流入的质子和正电荷。我们可以使用传统的电化学方程式，通过计算机假设一个细胞模型，计算膜的渗透性对质子流入和流出细胞速度的影响。维克托·索霍（Victor Sojo）是我和波米杨科夫斯基指导的一个博士生，他主修化学，但对生物学很有兴趣，目前正在做这个计算模拟工作。我们通过测量稳定状态的质子浓度差别，来计算膜内外单纯的pH梯度能提供多少自由能（ΔG）。计算的结果很漂亮：膜对质子的渗透性，决定了能有多少可用的自由能。如果膜的渗透性很高，那么大量质子会蜂拥而入，但是也会很快消失，被同样快速流入的氢氧根离子中和。我们还发现，即使对于渗透性很高的膜，质子通过膜蛋白（如ATP合酶）进入细胞的速度，仍然比通过脂质膜本身进入细胞更快。也就是说，质子流可以通过膜蛋白Ech来合成ATP，或者还原二氧化碳。把离子浓度差异、电荷和ATP合酶等蛋白质的运作都纳入考虑，我们发现只有渗透性非常高的细胞膜，才能利用天然质子流驱动碳代谢和能量代谢。理论上，只需要内外pH值相差为3，这些渗漏的细胞从天然质子梯度那里获取的能量，就和现代细胞通过呼吸作用获取的能量一样多。
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事实上，这些细胞可能获得更多能量。想想产甲烷菌，它们终生都在忙忙碌碌制造甲烷，因此而得名。产甲烷菌每合成一份有机物，平均要制造40倍质量的垃圾（甲烷和水）。几乎所有合成甲烷所获得的能量，都用来泵出质子（图18）。它们大约花费总能量的98%来制造质子梯度，剩下的2%才用来合成新的有机物。如果有天然质子梯度和渗漏的细胞膜，这种铺张的能量浪费都是不必要的。它们可以汲取同样多的能量，但是基础成本至少可以降为原来的1/40，这是极为显著的优势。想想看，40倍的能量！我家那些上天入地的熊孩子，也没比我多出这么多能量。在上一章我曾提到，原始细胞比现代细胞需要更多的碳和能量流入；如果不需要花费能量来泵出质子，它们当然会得到更多的碳和能量。
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图18 通过制造甲烷产生能量
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这是产甲烷作用的简图。小图A中，H2与CO2反应产生的能量，被用来把质子（H+）泵出细胞膜。图中的氢化酶（Hdr）利用从H2得到的两个电子，可以同时还原铁氧还蛋白（Fd）和一个双硫键（–S–S–）。接着，铁氧还蛋白还原CO2，把它变成甲基（–CH3），并与一个辅因子（图中的R）结合。甲基又被转移给第二个辅因子（图中的R’），这一步释放出能量可以把两个H+（或Na+）泵出膜外。在反应的最后阶段，–CH3会被HS–基还原为甲烷（CH4）。总体上看，H2和CO2合成甲烷（CH4）的过程中释放的能量，有一部分被保留为H+（或Na+）的跨膜离子梯度。小图B中，H+梯度直接被两个不同的膜蛋白利用，来驱动碳代谢和能量代谢。能量转换氢化酶（Ech）会直接还原铁氧还蛋白（Fd），Fd同样把电子传递给CO2形成甲基（–CH3），甲基再与CO反应形成乙酰辅酶A，新陈代谢的核心分子。同样，质子流从ATP合酶流入，驱动ATP合成以及能量代谢。
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考虑一个渗漏的细胞，处于天然质子梯度环境中。此时已是基因和蛋白质的时代，这些物质本身是自然选择作用在原始细胞上的结果。这个渗漏细胞，可以利用天然质子流以及前面讨论过的能量转换氢化酶Ech来驱动碳代谢。Ech让氢气与二氧化碳能够反应，生成乙酰辅酶A，自此开始制造所有生命物质的构造材料。细胞还可以利用天然质子梯度，驱动ATP合酶合成ATP。当然，它还可以使用ATP聚合氨基酸和核苷酸，接着合成蛋白质、RNA和DNA，最终进行自我复制。重要的是，渗漏细胞并不需要浪费能量来泵出质子。所以，即使它的酶都很原始低效、尚未经过几十亿年的演化雕琢，它仍然可以活得很好。
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但是这样的渗漏细胞，也会因此被困在出生地，完全依赖碱性热液，无法在其他任何地方生存。一旦热液流停止或者转向别处，细胞就死定了。更糟糕的是，它们很可能处于一种无法演化的状态。改善细胞膜的质量并不会带来任何好处，相反，如果细胞膜的渗透性变小，质子梯度很快就会崩溃，因为累积在细胞内的质子无法排出。所以，任何细胞如果发生变异、制造出比较“现代”的隔离膜，反而会被自然选择淘汰——除非它们同时学会如何泵出质子。但这一点也很成问题。我们刚才讨论过，在渗漏的膜上泵出质子毫无意义。研究显示，即使细胞膜的渗漏程度整整降低三个数量级，质子泵也不会带来任何好处。
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让我再说明白点：处于质子梯度中的渗漏细胞可以获得足够的能量来驱动碳代谢和能量代谢。就算出现演化奇迹，细胞膜上突然有了功能完整的质子泵，对于获取能量也没有一点好处，有没有泵获得的能量都一样。漏桶装水毫无意义，水马上就会流走。把膜的渗透性降低为原来的1/10再试试看？效果为零。降低为1/100、1/1,000呢？仍然没有效果。为什么不起作用？因为各种力量的影响会达到一种平衡。虽然降低细胞膜的渗透性可以增加质子泵的效率，但是同时也会让天然质子梯度难以维持，扰乱细胞的能量供应。只有用大量的质子泵布满几乎完全不渗透的细胞膜（与今天细胞的半透膜类似），泵出质子的操作才会有用。这是个严重的问题。碱性热液环境没有任何选择压力可以让现代脂质细胞膜和现代质子泵更有优势，而没有选择压力就没有演化。然而，脂质细胞膜和质子泵又确实存在。到底是哪个环节错了，或者被忽略了？
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科学研究中常有茅塞顿开的意外突破，这个问题的解决就是一例。我和马丁一直在苦苦思索这个问题。我们研究的产甲烷菌会使用一种“反向转运蛋白”（antiporter），泵出的实际上是钠离子（Na+）而非质子（H+），但它们仍会面临质子在细胞中累积的问题。反向转运蛋白的功能是用一个Na+交换一个H+，就像一座双向的旋转门。每有一个Na+顺着质子梯度流进细胞，就会吐出一个H+。实质上，反向转运蛋白就是靠钠离子梯度来驱动质子泵的。而且这个泵可以双向运作，并不一定是如上所述的交换，也可以倒过来。如果一个细胞泵入的是H+而不是Na+，那么反向转运蛋白倒转运作即可。细胞每流入一个H+，就会有一个Na+被泵出。原来如此！我们突然找到了一种可行的答案。如果那个待在碱性热液中的可渗透细胞演化出了Na+/H+反向转运蛋白，它就有了一台靠质子推动的钠离子泵。每有一个质子进入细胞，就必须泵出一个钠离子。理论上，反向转运蛋白会把天然的质子梯度转化为生物化学的钠离子梯度。
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这有什么作用呢？我必须强调，这只是我们基于对蛋白质特性的了解而做出的理论推演。然而根据计算，这个蛋白质会产生重大影响。一般来说，脂质膜对于钠离子的渗透性比对质子的小6个数量级。所以对质子极易渗透的膜，对钠离子基本是不能渗透的。泵出一个质子后，它会很快流回膜内；但同样的膜如果泵出的是钠离子，它就不会那么容易回来。也就是说，反向转运蛋白可以被天然质子梯度驱动。每一个质子进入，就会泵出一个钠离子。只要膜对质子是渗漏的，质子流就可以持续流经反向转运蛋白，钠离子就会被持续泵出；而且，由于钠离子不能渗透过膜，就会一直待在外面。更准确地说，它们不能直接穿过脂质膜流回细胞，而是通过其他的膜蛋白重新进入。这才能让钠离子流和细胞的其他能量功能进行偶联。
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当然，这种设想的前提是，驱动碳代谢和能量代谢的膜蛋白（Ech和ATP合酶）对钠离子和质子不加区别，一视同仁让它们进入和运作。这听起来很荒谬，但很可能真是这样。有些产甲烷菌的ATP合酶用H+或Na+都能驱动，而且效果没多少差别。平日枯燥无味的化学术语，在描述这种现象时居然用了“乱交性”（promiscuous）这样生猛的词。通融的原因可能在于两种离子的电荷相同，而且粒子半径也差不多。H+本身确实比Na+小很多，但质子很少独立存在。它溶于水时，会与水分子结合成为H3O+，其粒子半径几乎与Na+一样大。其他的膜蛋白，包括Ech，对于H+和Na+也是“乱交”的，原理应该相同。关键在于，泵出钠离子有特别的意义。首先，如果是靠天然质子梯度驱动，那么泵出钠离子根本没有能量代价。一旦细胞建立了钠离子梯度，钠离子比质子优越的地方就是它更倾向于通过Ech和ATP合酶等膜蛋白流回细胞，而不是自由渗透过脂质膜。以这种方式渗漏的细胞膜实际上有了隔离性，“偶联”改善了，更不容易“短路”。这样细胞可以在膜外聚集起更多的离子，用来驱动碳代谢和能量代谢，使泵出离子真正有了回报。
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这个简单的新发明，有几个意外的后果。首先，一个从前难以理解的现象，从意想不到的方向得到了解释：泵出钠离子当然会降低细胞内的钠离子浓度。我们以前就知道，许多细菌和古菌的核心酶（比如负责转录与转译的酶），最合适发挥作用的环境都是低Na+浓度。然而，它们应该在40亿年前的海洋演化出来，即使在当时，海洋中的Na+浓度也应该较高。如果反向转运蛋白在演化早期就已出现并运作，这就能解释为什么所有的细胞虽然在高Na+浓度的海洋中演化，细胞内机制却优化为适应低Na+浓度。⑤
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对我们眼下的研究更有意义的是，反向转运蛋白相当于在已有的质子梯度上又叠加了一个钠离子梯度。细胞仍然依靠质子梯度提供能量，所以还是需要质子渗透膜；但是现在又多了钠离子梯度。据我们计算，与只有质子梯度时相比，现在额外增加了60%的能量。这会为细胞带来两大优势：首先，有反向转运蛋白的细胞可以获得更多能量，比没有的细胞可以更快地生长和复制。这是一种明显的选择优势。其次，细胞能在更弱的天然质子梯度环境下继续生存。我们的研究发现，有渗透膜的细胞能够在质子梯度为3个pH单位的环境中生长，即海洋中质子浓度（pH值约为7）比碱性热液（pH值约为10）高三个数量级所产生的质子梯度条件下。有了反向转运蛋白的细胞，可以从天然质子梯度获得更多的能量，就能在梯度小于两个pH单位的环境下生存。这让它们适应热液喷口环境中更广的范围，或者是扩散到毗邻的喷口系统。因此，有反向转运蛋白的细胞能在竞争中胜过其他细胞，还会在热液喷口环境中分化、扩散。但由于它们仍然完全依赖天然质子梯度生活，所以还不能离开这种环境。还差一步。
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下一步才是关键。有了反向转运蛋白，细胞还不能离开热液喷口，但是它们已经做好准备。用演化生物学的术语来说，反向转运蛋白是一种“预适应”（preadaptation），是为以后的演化发展打下基础的必要一步。反向转运蛋白的出现，终于为主动质子泵的演化提供了初始的有利因素；在我看来，这有点像是意外之喜。前面说过，主动把质子泵出渗漏的膜没有任何好处，因为它们马上就会流回来。但是有了反向转运蛋白，好处就出现了。质子被泵出膜外，其中一些不是直接从脂质膜渗透回来，而是从反向转运蛋白进入，同时把一个钠离子“挤”出去。因为细胞膜对钠离子的隔离性较好，如果细胞使用能量泵出质子，总会部分转换成跨膜的钠离子梯度。而每泵出一个质子，它们留在外面的机会总要多一点。也就是说，现在泵出质子就有了一点小小的优势，以前则是毫无用处。只有以反向转运蛋白的存在为前提，质子泵才有意义。
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影响还不止于此。一旦有了质子泵，改变细胞膜的渗透性也能带来好处。再重申一次：在天然质子梯度环境中，必须有渗漏的细胞膜才行。而在渗漏膜上泵出质子毫无用处。反向转运蛋白是一种改善，因为它能增加细胞从天然质子梯度获取的能量；但它并不能完全断绝细胞对天然质子梯度的依赖。可是有了反向转运蛋白，泵出质子就开始有一点好处了，也就是说，依赖的程度有所降低。也只有在这种情况下，渗透性较低的细胞膜更有优势。细胞膜的渗透性再低一点，质子泵的好处就更大一些，如此不断改进，直到现代的质子隔离细胞膜出现。演化史上首次出现了一股持续的选择压力，可以同时驱动质子泵和现代脂质细胞膜的演化。最后，细胞终于可以切断连接天然质子梯度的纽带。现在，它们可以自由离开热液喷口，去外面广阔而又空旷的世界挣扎求存。⑥
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