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科学当然不只是规律，还包括用来阐明这些规律的实验。我们的故事从1953年揭开序幕。这是历史上重要的一年，英国女王伊丽莎白二世加冕、人类首度登上珠穆朗玛峰、斯大林之死、DNA结构的发现，以及同样重要的一件事，那就是米勒-尤里实验，它象征着一系列生命起源研究的开端。斯坦利·米勒那时候还是诺贝尔化学奖得主哈罗德·尤里实验室里面一名固执的博士生。他于2007年过世——也许还带着极度的不甘——直到临终前仍为捍卫自己半世纪前提出的观点而奋战。不过不论米勒那独特的观点后来命运如何，他真正留给后人的遗产，应该是通过那些非凡的实验开启的对生命起源领域的探索，现今这些实验的结果依然让人啧啧称奇。
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当年米勒在一个大烧瓶里装满水和混合气体，他选择了氨气、甲烷和氢气，用来模拟地球大气的原始组成。这是因为当时的人们认为这些气体是木星的大气组成成分(来自光谱分析)，所以米勒认为年轻的地球很可能也充斥着同样的大气。接着米勒在这瓶混合物中用电火花来模拟闪电，然后静置几天、几个礼拜或数月后，把样品拿出来分析，看看他到底煮出了些什么。实验结果出乎意料，远远超过他的想象。
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米勒所煮的是一锅原始汤，一锅近乎谜般的有机分子，其中还包括一些蛋白质的基本组分，也就是氨基酸，这或许就是当时最能代表生命的分子了，因为那时DNA还默默无名。更惊人的是，米勒煮出的氨基酸正好就是生命使用的那几种，而不是大量可能生成的组合中随机抽取的。换句话说，米勒仅仅电击了很简单的混合气体，构筑生命所需的最基本成分就这么凝结而出，好像它们早就等待已久随时准备登场。霎时，生命的起源看起来变得非常简单。这一结果必定符合当时的某些潮流，因为它登上了《时代》周刊的封面，让这项科学实验引起了空前的轰动。
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不过随着时间的流逝，原始汤假说渐渐失去支持。因为分析远古岩石后发现，至少在小行星大轰炸把月亮轰出去之后，地球上从来没有充满过氨气、甲烷和氢气。此时原始汤假说的人气跌到谷底。远古那次大轰炸粉碎了地球最初的大气，把它们整个儿扫到外太空去了。如果用更接近实情的大气组成来做实验，结果则令人失望。对二氧化碳和氮气的混合气体，外加极微量的甲烷和其他气体电击一阵子之后，只会得到很少的有机分子，而且几乎没有氨基酸。现在原始汤除了单纯的新奇之外再无意义，尽管它依然能够证明有机分子可以在实验室里简单地制造出来。
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不过随后科学家又在太空中找到大量的有机分子，这一发现拯救了原始汤假说。有机分子多半存在于彗星和陨石上，有些几乎就是混杂了大量有机分子的脏冰块，而包含的氨基酸种类和电击气体产生的非常相近。在惊讶之余，人们开始觉得生命分子似乎有某种特别的偏爱——在所有可能存在的有机分子库中独宠那么一小群。至此，小行星大轰炸有了另外一个面貌，它不全然是毁灭性的，这些撞击变成所有水和有机分子的源头，而这些水和有机分子是生命所必需的。此时的原始汤并非来自地球，而是来自外太空。虽然大部分的有机分子会在撞击的过程中耗损掉，不过计算结果显示，仍有足够的分子可以留下来成为汤的原料。
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该假设虽然不像弗雷德·霍伊尔所提倡外太空播种那样极端，不过它确实把生命起源(或至少原始汤)和宇宙联系在一起。地球生命不再只是一个例外，而是统治整个宇宙的定律之一，就像引力一样无可避免。天文学家当然很欢迎这个理论，至今依然如此，除了因为这点子实在不错以外，还因为这让他们的工作有了保障。
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分子遗传学让这锅汤更为美味，主要是因为有观点认为生命的本质是“复制子”，这些复制子由DNA和核糖核酸(RNA)构成，特别是其中包含的基因片段，它们可以一代又一代精确地自我复制(在下一章会讲得更详细)。事情就变成，自然选择少了“复制子”这类东西绝对行不通，而生命由简而繁也只有通过自然选择才行。因此对许多分子生物学家来说，生命的起源就等同于复制的起源。而原始汤符合他们的需求，因为汤里面有各式各样的成分，足以让彼此竞争的复制子成长进化。这些复制子可以在足够浓稠的汤里各取所需，形成越来越长、越来越复杂的聚合物，最终学会操纵更多分子形成精巧的构造，比如合成蛋白质或建成细胞。从这个观点来看，这锅汤就像漂满英文字母的海洋，正在拼凑出许多单词，现在只等着自然选择将它们钓上来，去撰写漂亮的散文。
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但是，原始汤是有毒的。它有毒并不是说该假说必然错误，事实上，远古时期有可能真的有原始汤，只不过稀稀落落的，远不像当初想的那般浓稠。它有毒是因为它让科学家在寻找生命真相的时候，走了几十年的冤枉路。如果我们把一大罐杀菌罐头的汤(或者花生酱也行)放上几百万年，生命会跑出来吗？当然不会。为什么？因为这些成分只会渐渐分解，什么都不会发生。就算你持续通电也不会改善情况，那些成分只会分解得更快。偶然像闪电那样的强大放电，也许会让某些分子凝结成团，不过更有可能劈碎它们。我很怀疑复杂的生命复制子能从这锅汤中出现，就像吉米·德里福特伍德在《阿肯色州的旅者》中所唱：“你无法从这里走到那里。”因为这不符合热力学定律，同样地，对一具尸体持续通电也无法让它复活。
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对任何一本伪装畅销的书来说，热力学都应是极力避免使用的词语之一。但是如果真正理解其本质的话，它的魅力无穷，因为这是关于“欲望”的科学。原子和分子的存在是由“吸引”“排斥”“想要”以及“释放”所支配的，它们是如此重要，以至于在写化学书籍时几乎不可避免地用些情色拟人法：分子“想要”失去或得到电子、异性电荷相互吸引、同性相互排斥、分子想要与性质相似的分子共存。当化学物质的每个分子伙伴都想要配对的时候，化学反应就会发生，或者它们也会不情愿地被强大的外力按在一起发生反应。当然也有某些分子其实想要进行反应，却无法克服本身的羞赧。轻柔的调情也许会引发强烈的欲望，然后释放出极大的能量。不过，或许我该在这里打住了。
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我想说的是，热力学定律让这个世界转动。两个分子如果不想进行反应的话，那就很难引起反应。如果它们想反应的话，反应就会进行，就算要花点时间去克服彼此的羞赧。我们的生命由这种“想要”所驱动。在食物中的分子其实真的很想跟氧气反应，不过幸好反应不会自发进行(这些分子其实非常害羞)，否则我们现在就在火焰中燃烧了。但是让我们存活下来的生命之火，也就是分子间缓慢的“燃烧反应”——食物中的氢原子跑出来跟氧原子结合，释放出让我们存活的能量，这其实跟真的燃烧是同一种反应。[1]从本质上来讲，所有的生命都由类似的“基础反应”所维持，这些反应自己“想要”发生，然后释放出能量去驱动其他的副反应，整个过程就形成了新陈代谢。所有的反应、所有的生命归结起来都是如此，是出于两个不平衡的分子并列在一起时，彼此趋向完全平衡的本能。比如氢和氧，两个相反的个体各取所需，结合成一个分子并释放出能量，然后除了一小摊热水，什么也没有剩下。
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而这就是原始汤的问题所在。从热力学观点来看，它是死路一条。在汤里面并没有哪个分子真的想要发生反应，至少不是像氢和氧那样想要发生。因为在这汤里面并没有什么不平衡，并没有什么驱力把生命不断往上推，推过陡峭的活化能(指分子从常态转变为容易发生化学反应的活跃状态所需要的能量)高峰之后，形成一个复杂的聚合物，比如蛋白质、脂类或多糖类，特别是像RNA或DNA之类的分子。有些人猜测第一个生命分子是RNA这类复制子，它比任何热力学驱动力出现得都要早。这样的想法用地质学家迈克尔·罗素的话来说，就像“把汽车的发动机拿掉之后，还希望能通过电脑驾驶它”般荒谬。但是生命如果不从原始汤中诞生，又能从哪里来呢？
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科学家第一次找到线索是在20世纪70年代初，那时他们注意到沿着太平洋底的加拉帕戈斯裂谷，有热水形成的羽流现象(一种液体在另一种液体中运动，流体柱扩大形成羽毛状外观)。该海底裂谷离加拉帕戈斯群岛不远，当年群岛上富裕的资源给了达尔文物种起源的灵感，如今也恰好提供了生命起源的线索。
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不过随后几年并没有太大的进展，一直到1977年，也就是在航天员尼尔·阿姆斯特朗登陆月球的8年之后，美国深海潜艇阿尔文号才下降到裂谷里去探查。有热水羽流的地方应该就有热泉，而他们确实找到了。有热泉并不意外，但是在这漆黑的裂缝深处，生命的蓬勃生机着实令人震惊。这里有巨大的管虫，有些达2米多长，还有许多如餐盘大小的蛤蜊与贻贝。巨大生物或许在深海里并不稀奇(想想深海里的巨大乌贼)，但其数量之多却让人瞠目结舌。裂谷中的族群密度简直可以与热带雨林或珊瑚礁匹敌，唯一的差别是，裂谷由热泉滋养，而雨林和珊瑚由太阳滋养。
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其中最引人注目的，或许是后来被称为“黑烟囱”的海底热泉(见图1.1)。现今世界各地已知的海底热泉一共有200多处，沿着太平洋、大西洋与印度洋中脊分布。跟它们比较起来，拉帕戈斯裂谷的热泉显得平淡无奇。这些弯弯曲曲的烟囱，有些高如摩天大楼，顶端喷发的黑烟冲入上方的海洋。当然这不是真的黑烟，它们只是炽热的金属硫化物，由下方的岩浆向上冲入深海。它们酸得跟醋一样，并在喷入海底遇冷沉淀之前，在高压下能达到400℃高温。黑烟囱由喷发出的黑烟雾沉淀堆积而成，所以由含硫矿物，比如黄铁矿(其外形很像黄金，俗称愚人金)组成，广泛分布在各地区。有些烟囱生长迅速，以每天30厘米的速度生长，在倒塌之前可以一直长到60米左右。
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图1.1 左图是火山活动所造成的黑烟囱，正冒出350℃的黑烟。此烟囱位于太平洋东北方的胡安·德富卡海岭，图中比例尺(A)代表1米。
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这个怪异而独立的世界像极了怪诞画家耶罗尼米斯·博斯眼中的地狱，四处充斥着硫黄，而污浊恶臭的硫化氢蒸气则从各处的烟囱中袅袅冒出。也只有在博斯头脑混乱的时候，才会想出那些既没有嘴巴也没有肛门的巨大管虫，以及在烟囱下成群结队、像蝗虫大军一样怪异的无眼虾。在这里的生命不光忍受着地狱般的生活，而且无法离开这里而活，它们根本是依靠这环境而兴盛。但是，这是如何办到的？
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答案就在“不平衡”这三个字。当冰冷的海水渗入黑烟囱下面的岩浆时，它们会被加热，同时混入矿物和气体，其中大部分是硫化氢。海底的硫细菌可以从这堆混合物中提取出氢，然后把它与二氧化碳结合在一起生成有机分子。这个反应就是所有热泉生命的基础，它让细菌可以不依赖太阳而繁殖。但是硫细菌需要氧气参与反应来产生能量，以便把二氧化碳转换成有机物。硫化氢与氧反应产生的能量为整个热泉世界的生命所用，就和我们依靠氢与氧反应产生的能量来维持生命是一样的。这些反应的产物都是水，不同之处在于硫化氢反应之后还会产生硫黄，如同《圣经》中提到的硫黄之火，而硫细菌也因此得名。
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需要指出的是，热泉的细菌除了利用热泉冒出来的硫化氢以外，并没有直接使用热泉的热能或任何其他能量。[2]而硫化氢本身所含的能量并不多，细菌主要依靠的是它和氧气反应时产生的能量。而这个反应需要在海底热泉和深海的交界处进行，也就是说，必须依赖两个世界交界处的动态不平衡。只有同时被两个世界吸引而住在热泉旁边的细菌，才能进行这种化学反应。而热泉旁的动物，比如虾类，只是啃食这一片细菌草原而活，或者有些动物让细菌在体内生长，宛如经营一座体内牧场。这就是为什么像巨型管虫这种动物并不需要消化道，因为营养可以直接由体内的细菌牧场供应，没什么需要消化的。不过要给细菌提供氧和硫化氢这两种原料，对宿主来说也不容易，因为这等于要同时在体内维持两种小世界。管虫体内许多复杂难解的构造就是为了满足细菌的这些高要求。
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科学家很快就注意到，海底热泉这个极为特殊的环境可能跟生命起源有关。最早提出这种主张的人是美国华盛顿大学西雅图分校的海洋学家约翰·鲍罗什。海底热泉确实帮原始汤假说解决了很多麻烦，其中最重要的当属前面提过的热力学问题，因为在这个黑烟囱的世界里，没有什么东西是平衡的。然而要注意的是，现代海洋与热泉的交界环境和早期地球的交界环境必定不同。首先早期地球就没有氧气，至多也只有微量氧气，所以早期细菌不可能和现代细菌一样，利用硫化氢与氧反应供能，这是现代版的呼吸作用。细胞的呼吸作用本来就是个复杂的过程，它需要一些时间来进化，早期的生物不可能利用这种呼吸作用供能。德国一位突破传统的化学家兼专利律师冈特·瓦赫特绍泽就主张，最古老的供能反应是硫化氢与铁反应生成黄铁矿。这是自发性反应，会释出一点可被利用的能量，至少从理论上来说这些能量可为生命供能。
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瓦赫特绍泽提出了一个不同以往的生命起源化学反应系统。但是生成黄铁矿释放出来的能量太低，并不足以把二氧化碳转换成有机物，所以他又提出将一氧化碳作为中间产物，它的活性比较高，更容易发生反应，而且在酸性热泉环境中也可以找到一氧化碳。瓦赫特绍泽还认为各种不同形式的硫铁矿物可以引发许多缓慢的有机化学反应，这类矿物似乎有特殊的催化能力。他的团队也在实验室里证实这些反应确实可以发生，而不只是理论上可行。这一精心完成的作品颠覆了数十年来传统的生命起源假说，现在生命可能从地狱般的环境中，由最不可能的物质(硫化氢、一氧化碳和黄铁矿，两种是毒气另一个是愚人金)产生。有位科学家在第一次读瓦赫特绍泽的论文时评论道，感觉好像一篇21世纪末的论文，经由时光隧道掉到他眼前一般。
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瓦赫特绍泽是对的吗？随着他的观点提出，批评也蜂拥而至。原因很多，一部分是由于这个真正的革命家，正企图推翻长久以来被大家看重的生命起源假说；一部分是因为他傲慢的态度激怒了科学界的同僚；不过还有一部分是因为他所勾勒出的蓝图确实有可疑之处。其中最棘手的缺陷，跟原始汤一样，就是“浓度问题”。理论中的有机分子，都溶解在大量的海水里，所以几乎不可能发生偶遇，然后形成如DNA或RNA之类的大型聚合物。没有什么东西把这些分子原料包起来，增加它们相遇的机会。瓦赫特绍泽认为所有必需的反应，都可以在矿物表面(比如黄铁矿)发生。不过问题还是没有解决，因为化学反应的终产物如果无法从催化剂表面释放出来，这个反应就不能持续。所有的产物要不是被粘死在催化剂表面，就是在稀薄的液体里消失不见。[3]
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现在任职于美国宇航局喷气推进实验室的迈克尔·罗素，在20世纪80年代中期，为这些问题提供了一个可能的解答。罗素给人的印象，宛如一位吟唱科学预言的诗人，倾心于“地质诗篇”带来的魔法，他对生命起源的看法都是根植于热力学与地质化学的，对于许多化学家来说十分难懂。几十年来，罗素的想法渐渐吸引了一群跟随者，因为许多人看出，他的远见确实可以为生命起源难题提供独特而可行的解答。
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罗素和瓦赫特绍泽都认为海底热泉是生命起源的中心，但是除此之外两人的观点可以说是天差地别。一人主张火山作用，一人相反；一人倾向酸，一人偏爱碱。这两个理论常常被人搞混，可是它们的差别有如云泥。下面让我来解释给你听。
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