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马丁与罗素的观点还有一个最强有力的证明，那就是他们使用了质子(也即氢离子)。为什么不用其他带电离子，比如钠离子、钾离子或钙离子呢？我们的神经系统就使用它们呀，自然界没有理由独钟情于质子，而忽略其他带电离子。并没有什么理由必须使用质子，而且也有细菌利用钠离子梯度来工作，虽然属于特例。我认为最主要的原因是罗素那些热泉的特质。还记得那些热泉会持续地冒出碱性液体，冲入溶解了大量二氧化碳的酸性海洋吗？酸是由质子来定义的，所谓酸就是含有大量质子，而碱则缺少质子。所以当冒出的碱性液体进入酸性海洋中时，很自然地产生了一个天然质子梯度。换句话说，罗素提到的热泉矿物细胞，利用天然的质子梯度自动执行化学渗透。罗素在好几年以前就发现了这一现象，但是指出细胞必须依赖化学渗透才能离开热泉，则是他和马丁合作的成果，因为是马丁带来了微生物能量的观点。现在这些小的电化学反应堆，不只可以生产有机分子和ATP，甚至还有了逃脱计划，可以逃离普遍存在的10英镑难题。
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当然，质子的梯度再好用，也要生命能够利用它才行，之后还要学会自己制造梯度。虽然利用天然的梯度要比自己制造梯度来得容易，但是哪种都不简单。毫无疑问，通过自然选择才能进化出这些机制。现在细胞需要大量由基因编码的蛋白质来执行化学渗透，如此复杂的系统一定要靠蛋白质和基因参与才有可能进化。所以这是一个环环相扣的问题。生命要先学会制造并使用化学梯度才可能离开热泉，而要制造自己的化学梯度又一定要有DNA和基因参与。看起来生命在这个矿物培育所里已经进化出非凡的复杂度了。
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我们慢慢地为露卡这个地球上的生命之祖画出一张独特的肖像。如果马丁与罗素是对的(我认为他们是对的)，那露卡应该不是一个自由生活的细胞，而是由矿物细胞组成的岩石迷宫：它靠着铁、镍和硫所组成的催化剂墙壁，以及天然的质子梯度而生存。地球上第一个生命是一个多孔的石头，在里面一边合成复杂的分子，一边产生能量，以准备生产DNA和蛋白质。也就是说，关于生命诞生的故事，本一章只讲了一半。下一章我们将会继续另一半的故事：所有生命分子中最具标志性的物质，也是基因的载体——DNA。
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[1]这种“燃烧反应”都是氧化还原反应，比如氧和氢反应，因为氧比氢更想要电子，所以电子由供给者(氢原子)传递给接受者(氧原子)。反应会生成水，这是一个热力学上稳定的终产物。所有的氧化还原反应，都是由供给者把电子传递给接受者。而值得一提的是，所有生命的生存，都仰赖各种电子传递过程所释放出来的能量，从细菌到人类都是如此。如同匈牙利的诺贝尔奖得主阿尔伯特·森特·哲尔吉(因维生素C的发现和分离而获奖)所说，生命不过就是一个电子不断地在寻找栖身之所的过程。
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[2]这么说其实不全对。热泉其实会放出一些微光(请见第七章)，尽管这些光对我们的肉眼来说太过微弱，但足以驱动某些细菌进行光合作用。不过这些细菌与这里丰富生态系统的关系不是很大，无法与硫细菌相比。附带一提，在某些冰冷的海底渗漏区，也发现了与热泉区同样兴盛的动物群，这也证明了热泉生态系统并不依赖热泉的光与热。
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[3]其他的问题还有温度，因为热泉环境的温度过高，有机分子恐怕难以生存；或者酸度，大部分黑烟囱所在地的酸度都不适合瓦赫特绍泽提到的反应，而他本人在实验室里做的合成反应，也都是在碱性环境下模拟的。另外早期地球上硫的浓度可能远高于现代有机化学所需。当然这些问题都还在争论中，未有定论，因此我也就此打住。
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[4]这又造成了一个有趣的问题，那就是不断的循环会冷却地球。当地幔渐渐冷却，海水就会嵌在岩石里面成为结构的一部分，无法再继续被加热，从而无法经由火山作用回到地球表面。行星有可能这样耗竭自己的海洋，慢慢冷却下来，这很可能是火星上海洋消失的原因之一。
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[5]简单的原核生物(没有细胞核的单细胞生物)可以被分成两大域，分别是古菌域和细菌域。在失落之城里的居民主要是属于古菌域的古细菌，它们通过制造甲烷来获得能量。古细菌使用的生化反应，和复杂的真核细胞(构成动物和植物的细胞)的差异极大。现今已知的病原菌或寄生虫，全部都属于细菌域，没有古菌域。细菌域的细菌跟宿主细胞所使用的生化机制更相似。古细菌可能和其他细菌都不同。唯一已知的例外，是一个古细菌与细菌的共生结构，而这个共生结构很可能在20亿年前进化成真核细胞(请见第四章)。
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[6]醋的化学名称是乙酸(醋酸)，这是乙酰硫酯“乙”这个字根的来源。在乙酰硫酯里面，含两个碳的乙酰基会连在一个具活性的硫基上面。20多年前德·杜维就认为，乙酰硫酯在早期生命进化史中具有重要的地位。现在他的观点终于经由实验得到科学界的正视。
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[7]关于这诡异又无比重要的化学渗透说，如果你想知道更多，我建议你去看我的另一本书：《能量、性、死亡》(Power, Sex, Suicide)。
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生命进化的跃升：40亿年生命史上10个决定性突变 [:1700248852]
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生命进化的跃升：40亿年生命史上10个决定性突变 第二章 DNA——生命密码
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DNA的双螺旋结构代表了一个时代的科学，更神奇的是所有生命都使用相同的DNA编码，似乎表明在地球上，生命只诞生了一次。对于DNA结构的发现者克里克来说，这暗示了外星生物的一次播种，我们有更好的答案吗？
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在剑桥的老鹰酒吧外墙上有一块蓝色的牌子，是2003年挂上去的，用以纪念50年前发生在酒吧里的一段不寻常的谈话。1953年2月28日，两位酒吧常客詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克里克，在午餐时间冲进吧里，宣布他们发现了生命的奥秘。虽然严肃紧张的美国人加上一位滔滔不绝的英国人，再时不时配上他们恼人的笑声，看起来活似一对喜剧演员，但是这一次他们可是认真的，而且他们是对的，或者应该说对了一半。如果说生命真的有什么奥秘的话，那一定是DNA。不过尽管沃森与克里克再聪明，当时也只知道一半答案。
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其实在当天早上沃森与克里克已经知道DNA是双螺旋结构。他们的灵感来自他们的天赋，混合了模型结构、化学推论，以及一些“偷来”的X射线衍射照片。面对他们当时的结论，沃森说：“太美了，这必须是对的。”整个午餐时间里，他们越讨论就越有信心。他们的研究结果发表在4月25日的《自然》上，是一篇只占一页篇幅的简短论文，有点像登在地方小报上的出生公告。论文谦逊的语气极不寻常(沃森有句对克里克的评价广为人知，说他从未见过克里克谦虚的样子，然而沃森本人也没好到哪儿去)，并在结尾十分委婉地写道：我们也注意到了，我们假设的这种特定配对方式，暗示了这种遗传物质可能的复制机制。
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DNA是基因的物质基础，当然也就是遗传物质。它帮地球上所有的生物编码，从人类到变形虫，从蘑菇到细菌，只有少数病毒例外。它的双螺旋结构已经成为科学的标志，两条螺旋链彼此缠绕，一圈又一圈直到天荒地老。沃森与克里克展示了两条螺旋链分子层级的配对方式。如果把这两条螺旋链分开，其中任何一条都可以作为模板，去合成另外一条，于是原来的一条双螺旋链就变成了两条双螺旋。微生物每次增殖时如要把自己的DNA传给下一代，那它只须解开自己的双螺旋链，做出两条一模一样的双螺旋链即可。
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虽然复制DNA的具体分子机制十分让人头痛，但在原理上却非常完美、惊艳而且简单。遗传密码就是一系列的字母(术语叫作碱基)。DNA总共只有四个字母，分别是A(腺嘌呤)、T(胸腺嘧啶)、G(鸟嘌呤)以及C(胞嘧啶)，不过你不必管这些化学名称。真正的重点是，A只能和T配对，而G只能和C配对(见图2.1)。这种配对方式是由分子形状以及成键结构决定的。如果把一条双螺旋解开，让这些碱基露在外面。这时每一个露出的A只可以配T，而每一个露出的G只可以配C，依此类推。碱基对不只是彼此互补，它们是真的想要彼此结合。对于T来说，只有和A配对的时候，它的化学生命才有意义。如果你把这两个分子放在一起，它们的化学键会唱出完美的和弦。这就是化学，如假包换的“基本吸引力”。因此DNA不只是被动复制的模板，每一条螺旋会主动放出磁力，吸引可以与自己配对的另一半。所以把一条双螺旋拉开，它们会很快重新结合，单螺旋链会急切地寻找可以与自己配对的另一半。
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一条DNA长链看起来无穷无尽。以人的基因组为例，里面有将近30亿个字母，术语称为3千兆碱基(记作3Gb，1兆=106)。等于说单个细胞核里就含有30亿个字母，打印出来的话，一个人的基因组可以填满200册书，每一册都和电话簿一样厚。不过人类的基因组绝对不是世上最大的，你或许会很惊讶，世界纪录保持者是一只小小的变形虫——无恒变形虫，它巨大的基因组包含了670千兆碱基，大约是人类基因组的220倍。但是这些基因组里面似乎大部分都是“垃圾”，并不负责制造任何东西。
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图2.1 DNA的碱基配对。这些不同字母的几何图案代表的意义是：A只能和T配对，而G只能和C配对。
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每次细胞分裂的时候，它就会复制所有的DNA，整个过程耗费好几个小时。人体是由15万亿细胞组成的怪物，每个细胞都带有相同的DNA模板(其实应该说有两套)。从一个受精卵发育成人，这套双螺旋长链要被解开，当作模板至少复制15万亿次(真正的次数当然远多于此，因为还要加上细胞死亡、替换等因素)。细胞复制的精确度堪称奇迹，它要把这些DNA长链从头按顺序写起，每写10亿个字母才出一次错。用人类抄书来做比较的话，那就等于要把整本《圣经》抄280次才错一个字母。而人类抄写的精确度远低于此。现在已知被保存下来的手抄本《新约全书》约2.4万本，没有任何一本是完全相同的。
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然而在每条DNA里，还是会夹杂一些错误，这是因为基因组实在是太大了。一个字母被抄写错误的情况，叫作点突变。每次人类细胞分裂时，整套染色体里面大概会有3个点突变。细胞分裂的次数越多，错误累积越多，最终就可能引发癌症这类疾病。突变也可能传给下一代。对女性来说，如果一个受精卵将发育成女性，那之后大约要经过至少30次细胞分裂才会形成一个新的卵细胞，每次分裂都会累积一些错误。男性更糟，因为细胞至少要经过100次分裂才可以产生精子，而每次分裂大自然都会无情地加入一些突变。由于男性终生都可以制造精子，所以随着男性年龄的增加，精子经过一轮又一轮的细胞分裂，情况只会越来越糟。正如遗传学家詹姆斯·克罗所说：老男人的精子是威胁整个族群健康的最大突变灾难。不过就算是一般年轻夫妻所生的小孩，也比他们父母多大约200处突变，但其中只有少数可以造成直接损害。[1]
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尽管细胞复制DNA的准确度极高，还是会发生改变。每一代的基因都和上一代不同，不仅仅因为我们的基因混合了父母双方的，而且我们都携带了新的突变。大部分的突变都是前面提到的点突变，只有几个字母被替换掉了。不过少数突变十分剧烈，有时候染色体复制好了另一份却没有分开；有时候整段DNA序列缺失不见；有时候病毒感染会插入许多新的片段；有时候部分染色体会整段颠倒，里面的DNA序列也颠倒了。各式各样的突变都可能发生，不过最严重的突变往往会让个体无法生存。如果能看到染色体的话，会发现它们像骚动的蛇窝一般，带着条纹的染色体不断结合再分开，无休无止。自然选择会把绝大多数的突变怪物都剔除掉，因此起着稳固的作用。也就是说，DNA长链会扭曲变形，而自然选择则将它们重新整理归位，把所有好的变异都留下来，抛弃严重的错误或改变。而比较轻微的突变，则有可能导致日后的疾病。
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