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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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④ 因为pH是对数，所以一个pH单位之差就意味着质子浓度差了十倍。在这么小的空间内维持这样巨大的浓度差异，看起来似乎不可能，但实际上是可能的，因为热液流过直径只有数微米的微孔结构时会有一种特性：这种情况下的流体会形成层流（laminar），基本没有乱流和混流。碱性热液喷口结构的微孔系统中，同时有层流和乱流存在。
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⑤ 俄罗斯生物能量学家阿尔缅·穆奇加尼安（Armen Mulkidjanian）认为，这些古老的酶适应的是低Na+/高K+的运作环境，而最早的细胞膜对这些离子是可渗漏的，那么细胞诞生的环境也应该是低Na+/高K+。既然早期的海洋环境是高Na+/低K+，他认为生命不可能诞生自海洋。如果他是对的，那我就错了。穆奇加尼安认为，陆地上的地热温泉系统是低Na+/高K+的环境，这样才适于生命起源。他的这个假说本身还存在些许问题，比如他认为有机合成是由硫化锌光合作用驱动的，但现实世界中的任何生命形态都没有使用这种反应。自然选择真的不可能在40亿年间慢慢优化、改变这些蛋白质机器的工作条件吗？或者我们应该相信，远古的离子平衡浓度对每种酶来说都是最优条件吗？如果酶的功能真的可以优化，那么在渗漏细胞膜的条件下是怎么做到的？反向转运蛋白在天然质子梯度中的作用，为这个问题提供了一个满意的解释。
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⑥ 细心的读者可能会疑惑：细胞为什么不能直接泵出Na+？的确，如果膜是渗漏的，泵出Na+比泵出H+更好。但是随着膜的渗透性降低，这个优势就消失了。原因有点曲折：细胞能够获得的能量，取决于膜两侧的离子浓度差，而不是离子的绝对浓度。因为海洋中的Na+浓度非常高，如果要在细胞内外维持一个差异达到3个数量级的Na+浓度梯度，细胞需要泵出比H+多得多的Na+才行。因此，当细胞膜变得对两种离子都不渗透之后，泵出Na+就失去了优势。有意思的是，生活在温泉热液中的细菌，比如产甲烷菌和产乙酸菌，常常真的是泵出Na+。一个可能的解释是，高浓度的有机酸（比如乙酸）会增加膜对H+的渗漏性，让泵出Na+更有优势。
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⑦ 如果读者想进一步了解这个神秘的电子歧化现象，我解释一下：电子歧化实质上是把两个反应偶联在一起，让容易进行的（放能）反应去推动困难（耗能）的反应。氢气分子中的两个电子，其中一个会立即与“容易”反应的对象发生反应，迫使另一个电子去完成更困难的任务：把二氧化碳还原成有机分子。实现电子歧化的蛋白质机器中含有很多铁－镍－硫簇。在产甲烷菌的反应中，这些矿物质结构会把来自氢气的电子对拆开，其中一半送给二氧化碳合成有机物质，另一半送给硫原子（即“容易”的对象），利用放出的能量驱动整个过程。这些电子最后会在甲烷产物中重逢，甲烷会被细菌当作废物排出，这些细菌因此得名。简而言之，电子歧化过程是非常神奇的自循环反应。氢气提供的电子对会短暂分离，但最终全都会传给二氧化碳，将其还原为甲烷，然后马上扔掉。当只剩下还原二氧化碳时，放能步骤释放的能量会被保存为跨膜质子梯度（实际上，产甲烷菌制造的通常是Na+梯度而非H+梯度，不过H+和Na+很容易通过反向转运蛋白互相替换）。从总体上看，电子歧化能够泵出质子，提供原先由碱性热液喷口天然赠予的动力。
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