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一个分子通过循环反应变成两个分子，这听起来让人觉得难以置信。不禁让人联想起19世纪声名狼藉的永动机。不过这个反应实际上没有违反任何物理定律。三羧酸循环的本质是一个柠檬酸盐分子分解为两个小分子，然后利用二氧化碳中的碳元素以及其他分子的化学能，逐步合成新的柠檬酸分子。
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科学家在地球上最古老的生命体内发现了三羧酸循环中的部分反应，但三羧酸循环出现在我们古老的祖先体内，并不是科学家猜测它是最早出现的新陈代谢反应的唯一依据。三羧酸循环的许多中间产物是合成许多其他生命必需物质的原料：草酰乙酸为许多氨基酸以及脱氧核苷酸的合成提供原子团，丙酮酸为糖类的合成提供原子团，乙酸则是合成脂肪的原料，所有这些都是细胞膜的重要组分。当然，它们也是许多其他生物分子的原料。如果你要寻找一个新陈代谢的中心反应，三羧酸循环是当仁不让的选择。
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三羧酸循环还是一个重要的可逆反应，它可以朝正向或反向进行。其中一个方向，也就是上文所述的反应，就像无机电池驱动引擎制造生命所需的原料。栖息在海底热泉附近的细菌赖以为生的化学合成，正是利用了这个原理。如果这个反应逆向进行，就可以为维持生命活动的电池供能，我们的身体正是利用这个过程从食物中获取化学能。
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即便三羧酸循环有着古老的历史，它的中间产物是合成反应的枢纽，并且是一个双向都具有重要意义的可逆反应，我们仍然需要一个米勒那样的实验作为它的证明。遗憾的是，世界上暂时还没有这样的实验。由于海底热泉的环境非常极端，在实验室里进行模拟的难度远远超过米勒的实验。此外，海底“烟囱”的反应孔道结构复杂，表面还包裹了无机催化剂，这两者对早期生命的出现至关重要，这样的试管可不是轻易就能在市场上买到的。虽然我们还不知道整条循环反应如何自然出现，但已有科学家指出了一种可能的方式：在铁硫化物或锌硫化物这类催化剂的催化下，三羧酸循环的关键分子丙酮酸首先在高温高压的环境里出现。在丙酮酸的基础上，实验室里自发出现了循环中剩余的其他反应。
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三羧酸循环还有一个诱人的特征：循环反应的结果是分子数量的增加。每一次循环结束，初始的一个分子就变为两个，新生成的两个分子各自开始新的循环，而后生成四个分子，以此类推。化学家把这种现象称为自催化反应（autocatalysis），这也是从最原始的RNA复制酶到现代细胞生命的决定性特征：它们都在不断地复制自己。
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但是三羧酸循环的自催化与RNA复制酶自我复制的本质不同。和循环里的其他中间分子一样，柠檬酸并不是直接复制它自己，而是通过完成整个循环中的反应，间接进行复制。我们假想的RNA复制酶是一种可以自我增殖的分子，相比之下，柠檬酸只是一张自催化反应网络的产物。这不能说是三羧酸循环的缺点，相反，它给我们的启示是，RNA复制酶以及它所拥有的遗传信息可能并非生命的决定性特征。换句话说，遗传可能出现在生命诞生之后。
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我们目前不知道，也许不久以后可以弄明白，三羧酸循环是不是所有新陈代谢反应的鼻祖。我们也不知道是不是在RNA复制酶之前真的有新陈代谢反应出现。不过确切无疑的是，地球历史上第一个能被叫作活物的东西，不论它是什么玩意儿，都需要自催化反应来解决自己的温饱问题。生命所需的新陈代谢可不是区区几个反应，因为每一个反应都需要许多其他代谢反应提供原料，以保证充足的代谢物质。一旦工厂和供应商都就位，达尔文的进化论就开始展现威力了。进化论使得相对优秀的工厂保留下来，与这些工厂相关的、更出色的供应商也就得以保全，后者又反过来造就了更优秀的工厂，以此类推，在无尽的循环里支撑起所有的生命之舟。
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鉴于科学家发现的另一种罕见的催化剂，上述循环反应能够在深海热泉里诞生可能并非完全出于偶然。蒙脱石（montmorillonite），得名于法国的一个小镇蒙脱城（Montmorillon），当地农民利用这种黏土矿石在盐碱旱地里储存水源。20世纪末期，吉姆·费里斯（Jim Ferris）等化学家发现了蒙脱石的一个新作用，它可以让组成RNA的小分子自动装配成超过50个核苷酸长度的RNA链。
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当新陈代谢和自我复制准备就绪，生命就几乎要从一片混沌之中涅槃而出了。不过它还缺一身合适的行头，现代所有的生命体都在用相同的材料包裹自己：两亲性（amphiphilic）的脂质分子。“amphiphilic”的词根来自古希腊语中的“both”（双）和“love”（亲）。由于一端含有亲水基团，而另一端含有疏水基团，就像水坑里的一滴油会在表面散开一样，两亲性的分子同时“亲”水和“亲”脂。
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如果你有机会观察一下两亲性的脂质在水里的表现，肯定会大吃一惊：脂质分子能够自动形成囊泡。这是一些由一层薄薄的膜围成的空心球体，脂质分子在膜上的排布方式如图2-1所示。乍一看，我们可能很难理解这些分子要如何在没有外界的安排和帮助下，自动排列成如此复杂和有序的结构，但事实上并不难：这种排列是同时符合分子两端基团亲和性的最佳方式。图中实心圆代表的亲水部分距离水最近，而疏水部分离水最远，两层脂质分子相互为疏水基团起到隔绝水环境的作用。当你往水中加入脂质分子，这种膜就可以自发生成。此外，它们还在以自催化的方式生长，囊泡体积越大，生长得就越快。
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图2-1 生物膜
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囊泡膜成分的起源并不神秘，也不遥不可及。三羧酸循环里就有脂质分子的前体产物，另外，像默奇森陨石那样的地外来石也是这类分子的重要来源。你可以用热水浸泡陨石粉末的方式制造出这些自动装配的囊泡。不仅如此，催化RNA成链反应的蒙脱石，同样可以加速脂质膜的自动装配。深海热泉环境的帮助还远不止于此，它还能浓缩膜成分。这个发现来自哈佛大学的杰克·舒斯塔克（Jack Szostak）实验室，他们模仿构建了海底热泉中的孔道结构并发现，在极其微小的毛细管中，加热后的脂质分子浓缩并聚集到了同一侧，随后开始形成囊泡，而这一切都是自发的。
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只要成分正确，复杂的结构就能凭空出现，这让人多少嗅到了范·海尔蒙特“自然发生说”的味道。不过，两者存在着本质的区别。老鼠、蛆虫或细菌的自然发生，需要借助无法解释的神秘或超自然力量，比如活力[9]。在活力论面前，由比希纳发现的酶显得滑稽而可笑。相比之下，生物膜和生物分子的自发装配，或者说是自组织（self-organization）形式，只需要简单的物理学和化学常识就可以理解。膜结构的装配只需要大量相似分子之间的相互吸引，就像海底火山喷发的颗粒自发堆积成高耸的海底“烟囱”，或者在蒙脱石催化下延伸的RNA链。以自组织形式形成的膜和分子在自然界算不上是什么稀罕的玩意儿。
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自组织在宇宙中随处可见，甚至平常得往往会被我们忽略。自组织的出现远早于生命以及自然选择，它是恒星和星系出现的原因，也是地球诞生的推手，地球继而通过自组织俘获了月球，获得了海洋和大气，这股洪荒之力还在持续改变着板块的位置。自组织造就了小到显微镜下的雪花的对称结构，大到狂怒的台风云，另外还有沙丘变幻的轮廓以及晶体永恒的美丽形状。如果说生命的起源中同样包含了自组织，我们也不用感到惊奇，因为自组织的确无处不在。
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生命的自组织生物膜模型能够解决另一个有关早期生命的谜题：第一个细胞进行分裂的方式。现代细胞分裂的方式极其精致和复杂：由数十种蛋白质通力合作挤压并分开细胞，同时确保每一个子细胞都获得一份完整的母细胞DNA拷贝。脂质囊泡的分裂则显得相对原始和简单，舒斯塔克的团队在2009年观察到了快速生长的脂质囊泡在分裂过程中的性状改变，即球形的液滴在分裂时逐渐变为细长的空心管。这些空心管非常不稳定，轻微的碰触就会让它们破碎成一个个小的液滴。更神奇的是，当研究者把RNA分子置入空心管时，它们会被分配到后来形成的小液滴里。没有生命的脂质液滴能够像细胞一样分裂：只需要借助体系内各成分简单的化学特性，而无须借助活力论，并且完全是自发的。
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虽然我们已经从最开始的原始汤理论一路走到了这里，但是面前依旧有一些无法解决的问题，其中之一便是拦在从自分裂的脂质分子演变到真正的原始细胞之间的首要问题：如果细胞内的RNA的复制快于细胞生长，那么细胞会长到足够大再进行分裂，但如果是细胞生长快于RNA复制，那么RNA会渐渐变得不足，新生细胞中将出现没有RNA的空壳囊泡。为了能够生存，生命必须平衡两者，精确调节复制和生长之间的关系，以便使RNA的复制不快于细胞本身的生长。这种协调性到底是如何建立的，是20世纪科学遗留给后人的问题之一。
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让我们从牛车直接快进到法拉利。虽然生命的某些特征在它们出现之后的3 000多万个世纪里都没有改变过，我们将在后续的章节里看到，生命的成分分子、调节方式以及新陈代谢一直都是新性状出现的源泉，但是进化也在不断塑造着生命除此以外的方方面面。早期原始的RNA复制体变成了复杂的蛋白质酶系，除了RNA和脂质，生命还学会了调节和平衡数千种其他分子。无数后来出现的生化反应将现代细胞的新陈代谢，相当于法拉利的引擎，变成了一项化学技术上的奇迹。
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想象一下，你开着这辆法拉利从一场晚宴上回家。时值深夜，却在高速公路的某处发现燃料耗尽，目之所及没有任何加油站，也没有顺风车可以搭。但是没有关系，你打开后备厢，里面的冰箱里还有一些剩余的食物和饮料。你向油箱里倒了一瓶橙汁、一升牛奶和一杯酒。这些足够让你渡过难关，把你送到下一个加油站了。于是你又重新上路。
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现代的新陈代谢过程正如上述的法拉利引擎，它们能够利用许多不同种类的燃料。除了燃烧供能之外，新陈代谢还可以利用所有这些燃料获得并合成身体所需的基本粒子，身体会利用这些粒子进行生长、繁殖或是修复伤口。这就好比一辆车不光能够利用油箱里的燃料启动引擎，同时还能用它修补漏气的轮胎和破损的挡风玻璃。
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我们这里所说的基本粒子包含大约60多种核心分子，它们是构成以及修复人体的主要成分。最重要的基本分子莫过于组成DNA的4种脱氧核苷酸，也就是构成人类基因组的单位成分。每个脱氧核苷酸分子由一分子脱氧核糖、一分子磷酸基团以及一个含氮碱基构成。含氮碱基一共有4种，分别为腺嘌呤、胞嘧啶、鸟嘌呤及胸腺嘧啶。紧随其后的是DNA的转录产物RNA，同样是调节生命活动的重要分子。组成RNA的4种核苷酸分别为腺嘌呤、胞嘧啶、鸟嘌呤和尿嘧啶（uracil，U），和组成DNA的脱氧核苷酸仅有一个氧原子的区别，不过正是这个氧原子导致了巨大的化学差异，使得RNA更适合作为催化剂。
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由于缺乏氧原子的核糖更稳定，所以DNA更适合作为遗传信息的载体。RNA继而被翻译为蛋白质，构成蛋白链的基本单位是20种氨基酸，其中的一些在日常生活中十分常见，比如感恩节后嗜睡症的元凶色氨酸，还有调味剂味精的主要成分谷氨酸。除此之外，还有生物膜的主要成分磷脂，在食物不足时的能量储存分子，协助酶完成催化作用的分子等，正是类似的大约60种单位分子构成了细胞本身。