1700000867
1700000868
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。
1700000869
1700000870
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。
1700000871
1700000872
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。
1700000873
1700000874
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？
1700000875
1700000876
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。
1700000877
1700000878
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。
1700000879
1700000880
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。
1700000881
1700000882
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
1700000883
1700000884
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。
1700000885
1700000886
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。
1700000887
1700000888
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
1700000889
1700000890
这是一组精妙的物理条件限制。种系发生学的研究方法能提供的确定答案很少，但从物理条件限制出发却能整理出可能的演化步骤之间的必然顺序：以对天然质子梯度的依赖为开端，到出现真正意义上的现代细胞（特征是质子不能渗透的细胞膜，而且自己能产生跨膜质子梯度）为终结（图19）。不仅如此，这些物理条件限制还可以解释细菌与古菌之间深远的差异。虽然它们都用跨膜质子梯度生产ATP，但这两个域的细胞膜完全不同，还有许多其他的差异，包括充当质子泵的膜蛋白、细胞壁和DNA复制机制。下面将一一解释。
1700000891
1700000892
1700000893
1700000894
1700000895
图19 细菌与古菌的起源
1700000896
1700000897
根据天然质子梯度能量供应的数学模型，这张图显示了细菌和古菌趋异演化的可能场景。简单起见，图中只涉及ATP合酶，但同样的原理也适用于其他的膜蛋白（如Ech）。只要细胞膜保持对质子渗漏，天然质子梯度就可以驱动ATP合成（图最下方）；但改进细胞膜没有任何好处，因为那样会摧毁质子梯度。Na+／H+反向转运蛋白（sodium proton antiporter，SPAP）在地球化学形成的质子梯度之外，又增加了生物化学形成的钠离子梯度，使细胞可以在较弱的质子梯度中生存，还有利于族群在热液喷口环境中扩散和分化。SPAP提供的额外能量，让泵出质子的行为开始有利于细胞。有了质子泵之后，降低细胞膜对质子的渗漏性也有了好处。当细胞膜的质子渗漏性接近现代细胞时，细胞终于可以不用天然质子梯度而独立生存，也就可以离开热液喷口环境。图中所示的细菌和古菌，各自独立逃离热液喷口。
1700000898
1700000899
为什么细菌和古菌有根本差异
1700000900
1700000901
故事讲到这里，我来总结一下。在上一章中，我们从能量角度讨论了早期地球上哪些环境可能导致生命起源。我们一个个排除其他候选环境，最后聚焦在碱性热液喷口：这里有稳定的碳和能量流入，还有矿物质催化剂和天然的区隔空间。这种环境仍然存在问题：能量和碳以氢气和二氧化碳的形式流入，而这两种分子并不容易互相发生反应。但是我们发现，在喷口的微孔结构中，在半导性薄壁的两侧，由地球化学形成的天然质子梯度可以降低能量障壁，使反应发生。反应会产生硫代乙酸甲酯等活化硫酯类分子（功能等同于乙酰辅酶A），质子梯度就能凭借它们来驱动最初的碳代谢和能量代谢。代谢形成的有机分子聚集在微孔系统中，浓度升高，进一步导致“脱水”聚合反应进行，最后形成包括DNA、RNA和蛋白质在内的复杂聚合物。我刻意略过了一些细节——比如遗传密码是如何出现的，而只着重于观念上的论证，阐明这些条件理论上可以制造出拥有基因和蛋白质的原始细胞。这样的细胞群体居住在碱性热液喷口环境中，依赖天然质子梯度生存，会经历完全正常的自然选择；而细菌与古菌的最后共同祖先——露卡，很可能是通过自然选择从它们当中演化出现的。同时，复杂蛋白质通过选择也慢慢演化出现，包括核糖体、Ech和ATP合酶等，它们都保留在所有生物体内，成为共有特征。
1700000902
1700000903
原理上，露卡可以依靠天然质子梯度，通过ATP合酶和Ech，支持所有的碳代谢和能量代谢。但这样做需要有渗透性极高的细胞膜。露卡无法演化出细菌或者古菌那样的隔离细胞膜，因为细胞膜渗透性降低后会摧毁它赖以为生的质子梯度。但反向转运蛋白的出现可能提供了契机，把天然质子梯度转换成生物化学的钠离子梯度，提供额外的能量，使细胞可以在较低的质子梯度下生存。这让细胞可以扩散，在原本站不住脚的区域生存，进一步导致种群的趋异演化。它们适应不同环境条件的能力更强，甚至可以“感染”邻近的热液系统，在早期地球的海底广泛分布，因为那时海底的蛇纹岩化作用可能极为普遍。
1700000904
1700000905
同时，反向转运蛋白也让泵出质子有了意义。我们终于说到了产甲烷菌与产乙酸菌在乙酰辅酶A途径上的奇怪差异。这些差异意味着，主动质子泵应该是在两个不同的种群中分别独立演化出现的；这两个种群从同一个祖先分化而来，都有反向转运蛋白。回想一下：产甲烷菌是古菌，产乙酸菌是细菌，它们分别代表了原核生物的两大域，也是“生命树”上最古老的分支。我们知道细菌和古菌有相似的DNA转录和转译机制、相似的核糖体、相似的蛋白质合成等，但是它们也有一些非常根本的差异，比如细胞膜的成分。我还提到过，它们的乙酰辅酶A途径虽然是非常古老的特征，但在细节上也不一样。细菌与古菌的相同与差异，都很予人启发。
1700000906
1700000907
产乙酸菌与产甲烷菌一样，都利用氢气和二氧化碳发生的反应制造乙酰辅酶A。二者的反应步骤非常相似。这两种原核生物，都利用一种名为电子歧化（electron bifurcation）的巧妙机制来泵出质子。电子歧化最近才被优秀的德国微生物学家罗尔夫·陶厄尔（Rolf Thauer）和他的团队发现，可以算是生物能量学近几十年来最大的突破。陶厄尔现已正式退休，他数十年来对这些难以捉摸的微生物进行能量学研究，这一发现让他终成正果。此前，化学计量的计算结果认为它们无法生长，但它们无视“理论”，继续繁衍生息。演化的创造力往往比人类的思考聪明得多。电子歧化可以大致看成一种“短期能量租赁”过程，靠“借来”的能量债启动反应，然后马上偿还。之前提到过，氢气与二氧化碳的反应，总体上是一种放能反应，但是反应的前几步需要输入能量。电子歧化现象能够“预支”反应后面还原二氧化碳放出的能量，用以推动困难的前几步。⑦因为最后几步释放的能量大于前几步所需的能量，“偿债”后多出来的能量，有一部分会被保存为跨膜质子梯度（图18）。这样的总体效果就是，氢气与二氧化碳反应释放的能量，被用来把质子泵出细胞膜。
1700000908
1700000909
谜团在于，产甲烷菌与产乙酸菌的电子歧化反应路径，有不同的“连线”方式。二者都依靠相似的铁－镍－硫蛋白质，但反应机制却不一样，很多参与反应的蛋白质也不同。产乙酸菌与产甲烷菌都把氢气和二氧化碳反应释放的能量，转换成跨膜质子梯度或钠离子梯度。二者也都利用离子梯度驱动碳代谢和能量代谢，也都有ATP合酶和Ech。不同之处在于，产乙酸菌不直接使用Ech去推动碳代谢，而是反向使用，把它作为质子泵或钠离子泵。而且，二者碳代谢的具体反应路径也截然不同。这些差异非常基础，因此一些学者甚至认为，二者反应的相似之处可能并非来自共同祖先，而是趋同演化或者水平基因转移的结果。
1700000910
1700000911
然而，如果假定露卡确实是依靠天然质子梯度生存，那么这些相同和差异就有道理了。如果是这样，质子泵演化的关键就在于质子流通过Ech的方向：质子流是自然地从外部经Ech流入细胞，再进行固碳作用？还是逆转方向，由Ech充当质子泵将其泵出细胞（图20）？我认为，在始祖细胞群中，天然质子流由外向内通过Ech，被用来还原铁氧还蛋白，再还原二氧化碳。而分化出的两个后代种群各自独立演化出了质子泵。其中一群是产乙酸菌的祖先，倒转了Ech的作用方向，通过氧化铁氧还蛋白释放能量，用来把质子泵出细胞。这种做法简单有效，但是马上造成了一个问题：以前用来还原二氧化碳的铁氧还蛋白，现在被用来泵出质子，所以产乙酸菌必须另辟蹊径来还原二氧化碳，而且不能再使用铁氧还蛋白。它们这群祖先发明了电子歧化的招数，让它们可以间接地还原二氧化碳。产乙酸菌的整套生化反应，其实质就是反转Ech的质子流方向，把它变成一个有用的质子泵；同时也留下一堆问题，必须另谋出路解决。
1700000912
1700000913
1700000914
1700000915
1700000916
图20 进行主动运输的离子泵可能的演化方式