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但我们可以确信的是,所有生物都来自一个共同的祖先,这并不是说生命起源只发生过一次。由于自组织现象的存在,我不会对历史上生命有过多次起源感到惊奇,最早的生命可能诞生于深海热泉,可能诞生在温暖的池塘,又或者,天晓得是哪里。在所有这些忽明忽暗闪烁于地球早期的微弱的生命之光中,有的星火难以为继,有的则越来越明亮。它们之中只有一个得以辉煌灿烂,并诞下了今天所有的生命。这不是“仁者见仁,智者见智”的问题,而是必须如此,原因只有一个:标准化,精确并且广泛适用的标准化。
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计算机学家安德鲁·塔嫩鲍姆(Andrew Tanenbaum)曾经不无嘲讽地说:“标准化的唯一好处是,它让你有充足的选择余地。”我大概明白他所嘲讽的对象。每当我家里的遥控器、钟表或者别的什么小玩意儿没电的时候,我就要翻箱倒柜地找出一大把大大小小的电池,但通常都没有我需要的型号。如果日常生活中只存在一种规格的电池,抑或只有一种型号的咖啡滤纸、数据存储介质和操作系统,那不知道要免去多少麻烦。甚至更古老的技术都头疼于难以统一的标准:在公共电力系统建立一个多世纪之后的今天,世界上依然存在14种互不兼容的插座标准。每天,当全世界上百万个国际旅行者带着笔记本电脑、电吹风和剃须刀到达一个陌生的城市,却发现忘记带上合适的插座转换器时,想必都是万般无奈。
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大自然不一样,它有标准化的电池,有着各种可利用的能量形式,包括机械能(拆迁时用铁球撞毁房屋)、电能(驱动电脑的电子流)和化学能(分子中把原子连接在一起的键能),其中化学能是最受生命青睐的。地球上的所有生物,从单细胞的细菌到巨大的蓝鲸,都使用同一种标准化的储能物质,这种能量分子就是三磷酸腺苷(adenosine triphosphate, ATP)。三磷酸腺苷分子中有高能的化学键,当高能化学键断裂时,键能就会转移到其他分子中,同时三磷酸腺苷变为相对低能的二磷酸腺苷(adenosine diphosphate,ADP)。为了重新合成三磷酸腺苷分子,需要某些特殊的酶催化,将能量从能源分子转移到二磷酸腺苷当中。
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不过,并不是所有来自三磷酸腺苷的能量都会被转移到其他分子上。细菌用三磷酸腺苷的能量挥动鞭毛,驱动自身在水里游动。萤火虫则在希望吸引配偶的时候用三磷酸腺苷点亮自己的身体。有些种类的鳗鱼会把三磷酸腺苷的化学能转化为电能,并用电脉冲捕捉猎物。但是无论最终变成什么形式的能量,不管是机械能、光能还是电能,生物利用的所有能量本质上都是来自三磷酸腺苷的化学能。
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如果细胞想利用能源物质来合成自身的成分,比如葡萄糖,它必须首先将葡萄糖里的化学能转移到三磷酸腺苷里。而后一步接一步,三磷酸腺苷的化学能被用于合成其他分子。通过这种方式,来自食物的化学能最终成为生物成分分子中的化学键能。因此,三磷酸腺苷是能量转移过程中关键的中间分子。
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所有生物都以三磷酸腺苷为通用的标准能源物质,它们不需要检查电池的型号,也不用在机场为插座转换器支付额外的溢价。现存的所有生物都继承了某个祖先发明的储能标准。然而,这个出色的标准化能源并不是生物唯一的标准化项目。我们已经见识过新陈代谢的中心反应三羧酸循环了,还有自然界通用的生物膜里的脂质分子与水的爱恨情仇。除此之外,还有DNA、RNA以及每三个核苷酸分子对应一种氨基酸的密码子编码方式,所有生物都采用同一套密码子。
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三磷酸腺苷和三羧酸循环作为生物界的通用标准,与光速作为宇宙速度的极限存在些微差异。三磷酸腺苷和三羧酸循环不是生命唯一的选择。我们已经发现了可以遗传编码的潜在方式,还有能量载体三磷酸腺苷,甚至是作为遗传信息载体DNA的可能替代物。所以,生物体的标准化不是必然,而是某个远古的共同祖先的遗留物。生命起源之初,有许多踌躇满志的选手对这场进化的马拉松跃跃欲试,不过由于自然选择或者运气不佳,最终只有一名选手坚持到了终点线,留下了自己的子嗣。如果设身处地地体会一下这个祖先过关斩将、披荆斩棘最终子孙满天下的过程,个中艰辛不禁令人感到些许绝望。所幸,“祸兮福之所倚”,从中我们得到的启示是,至少对于常年旅行的人来说,或许再等上40亿年,人们就不再需要插座转换器这种烦人的东西了。
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当你读到这里的时候,你已经对生命起源的谜题有所了解了。我们现在知道,生命可能起源于温暖的“小池子”,可能起源于深海热泉,也可能起源于冰封的大海,甚至起源于外太空。也许我们要再等上一个世纪才能知道答案。不过,对于理解生命起源和进化来说,相比于弄清实际的过程,有两个启示在现阶段显得更为重要。
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第一个启示,生命需要进化的能力,甚至在生命还没出现的时候就需要,以保证自催化的新陈代谢和最早的自我复制体诞生。
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第二个启示,生物进化的交响曲有三段不同的主旋律。第一个篇章,进化把不同的化学反应组合到一起,比如合成生物单位分子的代谢反应以及合成第一个自我复制分子。第二个篇章,进化需要借助促进分子反应的辅助分子的力量。第三个篇章,进化创造了调节,这是高度复杂的生命体维持自身稳定的关键。伴随着生态圈的生命体变得越来越复杂,适应力不断增加,进化的这三个主旋律回荡在历史长河里,振聋发聩。
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原始的新陈代谢演变为复杂的反应网络,网络中的反应不断发生重新组合,让生命尽可能地拓展到了任何可能的栖息地中。复杂的蛋白质酶替代了无机催化剂,并让功能复杂的蛋白质的出现成为可能,比如感光用的视蛋白以及防御用的角蛋白。还有调节,虽然它看起来似乎无关紧要,却是进化必不可少的组分,正是由于调节过程的存在才让多细胞器官得以出现,如四肢、心脏和大脑。
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从生命出现到今天,进化一直在不断改变和优化新陈代谢、蛋白质和调节。虽然这三者看起来毫无联系,但在它们背后起关键作用的,正是神奇而强大的自组织形式。
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适者降临:自然如何创新 想 象一下,你站在一个堆满书的房间里,书垛直冲天花板。四面的墙壁上都是成排的书架,连留个门的位置都显得够呛。你穿过房间,开始翻阅周围的书。很快,你就发现房间里每一本书的页数,每一页中的行数,以及每一行里的字数都不多不少,全部相同。不过奇怪的是,这些书中的内容犹如痴人的呓语,不知所云。每本书的每一页,每一页中的每一行都是字母的随机排列,诸如“hsjaksjs……”或者“zvaldsoeg……”等,凌乱无序的字母中偶尔穿插着空格和标点。只有在十分难得的情况下,你才会找到几个有意义的单词,比如“cat”(猫)、“teapot”(茶壶)、“bicycle”(自行车),它们就像漂浮在文字垃圾海洋上的鲁滨孙之岛。
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不消多时,你肯定就会对这些毫无意义的书感到厌烦。于是你选了其中一面墙上的门想出去透透气,推开门却发现自己进入了另一个一模一样的房间:四面墙上各有一道门,每扇门旁都围着密密麻麻的书架。书架上的陈列依旧如同天书,毫无意义可言。
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这个房间里的门又把仍不死心的你带到了另一个几乎一模一样的房间,一个接着一个,无穷无尽,直到你终于意识到自己身陷于一个没有尽头的迷宫里,除了成堆的书,周围的一切都一模一样。你在探索的途中遇到了其他人,从他们嘴里你得知这个藏书的地方巨大无比。难以计数的书构成了这个庞大而又神秘怪异的图书馆。
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我们姑且把你身处的这个房间称为“宇宙图书馆”,里面收纳了世间所有的书籍。
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