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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。
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图19 细菌与古菌的起源
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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。
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为什么细菌和古菌有根本差异
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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图20 进行主动运输的离子泵可能的演化方式
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根据质子流通过膜蛋白Ech的不同方向，图中描述了细菌与古菌进行主动运输的离子泵的不同起源假设。小图A是祖先状态：天然质子梯度通过Ech与ATP合酶驱动能量代谢和碳代谢。只有在细胞膜对质子渗漏的情况下才能运作。小图B是产甲烷菌（假定是古菌的祖先），它们仍然继续使用Ech与ATP合酶来进行能量代谢与碳代谢。但现在细胞膜对质子不渗漏，就无法再依赖天然质子梯度。它们必须“发明”新的生化反应路径和新的离子泵（曱基转移酶，Mtr），以此来制造自己的H+（或Na+）浓度梯度（图中的虚线路径）。注意小图B等同于图18中小图A、B的合并。小图C是产乙酸菌（假定是细菌的祖先）。通过Ech的质子流方向与前面的相反，而且是利用氧化铁氧化还原蛋白质产生的能量来驱动的。产乙酸菌并不需要“发明”新的泵，但需要新的反应路径把CO2还原成有机分子，即利用NADH和ATP（图中的虚线路径）。这个假设的演化场景，可以解释为什么产甲烷菌和产乙酸菌的乙酰辅酶A途径既有相同又有不同之处。
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始祖细胞的另一群后代，也就是产甲烷菌的祖先，找到了另一条路径。它们谨遵祖制，仍然利用质子梯度来还原铁氧还蛋白，再用这个被还原的蛋白质固碳。但它们现在必须无中生有，从头发明一个质子泵。也许算不上真的无中生有，它们可能只是给一个现有的蛋白质换了新用途，似乎是把某个反向转运蛋白改装成了质子泵。这本身并不难，但引出了一个新问题：新的质子泵使用什么动力？产甲烷菌发明了一种不同形式的电子歧化，使用的有些蛋白质与产乙酸菌一样，但因为需求不同，连接的泵也不同，所以接线方式也完全不同。细菌和古菌这两个域的碳代谢和能量代谢，可以说是基于各自Ech不同的质子流向而分别发展的。只有两种选择，产甲烷菌和产乙酸菌各选其一（图20）。
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一旦有了进行主动运输的离子泵，细胞膜的改进终于有了优势。在此之前的每一步，现代型磷脂细胞膜都不能提供任何好处，反而相当有害。然而当细胞有了反向转运蛋白和质子泵，让细胞膜脂质分子加上甘油头部降低渗透性，就有利可图了。这两个域在细胞膜的改进方面看来也是各自独立演化的。古菌采用甘油的一种立体异构体，细菌则采用它的镜像（详见第二章）。
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到了这一步，细胞演化出了主动离子泵和现代型细胞膜，终于可以离开热液喷口环境，游向广阔的海洋了。细菌和古菌，最早自由生活的细胞，是从生存于碱性热液质子梯度中的共祖细胞分化而来的。所以后来它们发展出了不同的细胞壁，以此来保护自身面对新的冲击，这不足为奇。它们还独立发明了各自的DNA复制机制。细菌分裂时会把DNA附着到细胞膜上，附着点为“复制子”（replicon）。这个步骤可以保证两个子代细胞都能拿到一份基因组拷贝。具体的附着方式当然会影响到执行它的分子机器结构，以及DNA复制的很多细节。细菌和古菌细胞膜的独立演化，解释了为什么它们的DNA复制机制有这么多差异。细胞壁的差异问题也基本类似。所有的细胞壁构件都来自细胞体内，通过细胞膜上特定的膜孔输送出来，所以细胞壁的合成方式取决于细胞膜的特性。以此类推，细菌和古菌的细胞壁理应不同。
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现在我们可以告一段落。虽然生物能量学的基本原理并不能预言细菌与古菌会有根本不同，但这些能量上的推演确实可以解释这些差异为什么会出现，以及是怎样出现的。原核生物两大域之间深刻的差异，与适应极端高温环境没有任何关系，而是缘于生物能量的需要。细胞必须维持渗漏细胞膜，后来又分化出各自独立的解决方案。基本原理确实无法预言细菌与古菌必然分道扬镳，但它们都使用化学渗透机制（利用跨膜质子梯度），这一点确实遵循前两章介绍的各种物理化学原理。不论是在地球还是宇宙中任何一个角落，最有可能孕育生命的场所，大概就是碱性热液喷口环境。这种环境迫使细胞首先利用天然质子梯度，最后自己学会制造质子梯度。在这个理论体系中，地球上所有的细胞都使用化学渗透，这并不难理解。我相信，宇宙中其他地方的细胞，也应该使用化学渗透。这意味着，它们面临的问题也与地球生命类似。我们将在第三部中讨论，为什么对质子动力的普遍需求，让复杂生命在宇宙中注定罕有。
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① 见绪论。所有细胞都有核糖体，它们是制造蛋白质的工厂。核糖体是巨大的分子复合体，有两个亚基，一大一小。两个亚基本身又由蛋白质和RNA混合组成。乌斯分析的是“核糖体小亚基RNA”，因为提取这种RNA相当容易（任何一个细胞中都有几千个核糖体），还因为蛋白质合成是生命的基本功能，所以这个功能的相关组件在所有生命中都保守继承。即使是温泉细菌和人类之间也只有很细微的差异。无论是对建筑物还是科学来说，想要更换基石都非常困难。正因为如此，核糖体基因极少在细胞间传递。
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② 回顾一下：细菌和古菌是原核生物的两大域。它们虽然在形态外观上很相似，但是在生化反应和基因方面大不相同。
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③ 就是这些无机元素，今天仍然支持着生命的有机化学反应。我们的线粒体中仍然有类似的铁硫簇，每条呼吸链中使用十几个（见图8中的复合体I），每个线粒体中至少有几万个。如果没有它们，呼吸作用就无法进行，几分钟之内我们就会死亡。
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