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但热液喷口并没有变成生命的禁区，珊瑚、海绵、贝类和各种各样的环节动物挨挨挤挤地生长在这里，就像向日葵花盘上的种子那样密集，尤其是那些两米多长的巨型管虫，它们舒展着鲜红的鳃，一簇簇地聚集起来，好像节日里的花束。虾蟹、海星与海螺就爬上去到处又啃又舔，这又引来了更加机敏的深海鱼和章鱼——这生机勃勃的景象丝毫不逊色于阳光下的热带雨林。II
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图1—10 2012年调查的位于南大西洋底的黑烟囱，表面覆盖着各种生物，白色线段表示1米。（图片来源：RogersA.D.、Tyler P. A.、Connelly D. P.、Copley J. T.、James R.等）
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图1—11 东太平洋海隆上的黑烟囱，那些密密麻麻的红色管状物就是巨型管虫（Riftia pachyptila）。（图片来源：NOAA）
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这就是那令人震惊的事情了。常言道，“万物生长靠太阳”。在我们熟悉的世界里，没有阳光就没有光合作用，也就没有氧气和各种有机物，就没有生命的繁衍生息，但这深渊之下的热液喷口没有阳光，漆黑一片，又是什么维持了生命的繁荣呢？当然，上层海水里的氧气仍然能够扩散到这样的深度，虽然浓度极低，对于代谢缓慢的动物也姑且够用了，但是，它们又该吃什么呢？
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吃化能自养的微生物。
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黑烟囱的热液中富含甲烷、硫离子、亚铁离子、氨还有二氧化碳，而生活在烟囱附近的微生物，就会利用这些物质，构造各种各样千奇百怪的氧化还原反应，获取能量，制造有机物——我们先不用在意那是怎样一些氧化还原反应，将来我们会陆续遇到其中最重要的几个。III总之，小动物吃微生物，大动物吃小动物，一个令人惊叹的深海热液生态系统就这样建立起来了。
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生命的起源：所有生命的共同祖先在40亿年前是怎样诞生的？ [:1700256275]
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·铁、硫与晶体·
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这实在是耐人寻味的事情：先忽略掉那些小动物、大动物，把注意力集中在那些千奇百怪的化能自养的微生物身上。它们生存所需的一切全都来自深海热液，自给自足，封闭得很。而深海热液正是地球板块运动的天然产物，亘古就有。那么，这是不是意味着，在40亿年前，生命起源的时候，最初的生命也同样可以诞生在这样的环境中呢？
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这可不是什么异想天开。首先从环境上讲，40亿年前的地球刚刚冷却不久，热液喷口要比今天广泛得多，普遍得多，也比原始有机汤假说里的电闪雷鸣和紫外线温和得多。更加难能可贵的是，它源源不断喷发出来的矿物质具有丰富的催化活性——铁、锰、锌、铜，直到今天都是所有细胞里最重要的微量元素，与多种新陈代谢所需的酶有关，这些难道就不能在生命诞生前夜扮演类似的角色，促成最初的有机化学反应吗？
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特别是铁的硫化物，也就是把黑烟囱染黑的那类物质。早在1960年，我们就在负责细胞呼吸的关键的酶里发现了铁的硫化物，那是一种硫原子和铁原子聚集成的无机结构。之后，在光合作用、化能合成作用、固碳作用等关键的物质能量代谢中，我们都找到了这样的“铁硫蛋白”，看起来就好像是这些蛋白质都镶嵌了铁硫矿物的碎片。
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于是，在20世纪80年代，德国化学家君特·维希特斯霍伊泽结合已知的化学规律，提出了一个极富启发性的铁硫世界假说，也就是本章的标题“黑烟囱”假说。
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在他的构想里，热液喷口附近结晶沉淀的铁硫矿物就像合成氨工业里的铁触媒一样，能在表面吸附各种小分子物质，催化它们发生各种氧化还原反应，直至形成各种生物大分子。
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第一篇阐述这个假说的论文《在酶和遗传之前的“表面代谢论”》发表于1988年IV，维希特斯霍伊泽可谓详细地畅想了黑烟囱表面的微观世界。在这个世界里，热液中的各种物质纷纷吸附在硫化亚铁的矿物表面上，热液的高温和深海的高压又让这些物质如同跳舞场上的先生小姐，你挽着我，我牵着他，发生了种种奇妙的化学反应。
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在他的推演中，这些化学反应的产物包括：新陈代谢中的关键物质，可以启动周而复始的物质循环，给进一步的生化反应创造条件[4]；长链的磷脂等一类物质在矿物表面聚成薄薄的一层，而且越聚越多，然后像膨胀的墙皮一样起泡、脱落，形成了最初的细胞膜[5]；各种类型的氨基酸，它们既可以缩合成蛋白质的片段，也可以进一步转化成各种含氮的碱基，也就是如今谱写遗传密码的那类物质，当这些碱基在矿物表面连续成串，基因的雏形也就出现了。
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总之，事儿就这样成了，在黑烟囱的硫化亚铁矿物表面上，一切生化反应都能找到雏形。那些铁硫矿作为这一切反应的催化者，也就顺理成章地被生化反应的继承者——细胞，保留了下来，也就是今天的铁硫蛋白。
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黑烟囱假说刚一诞生就比任何一个版本的“原始有机汤”更加详尽、生动地解释了第一个细胞的来源，在之后的四五年里，维希特斯霍伊泽又不断地丰富了这个假说，使它越来越成熟丰满。那些欣赏这些论文的人将它们誉为天才的作品，仿佛从100年后穿越时空回来，点醒困顿中的研究。就连卡尔·波普尔，也就是那个提出“可证伪性是判断一个理论是不是科学的标准”的科学哲学家，也对这个与生物化学结合得更加紧密的生命起源理论青睐有加。[6]
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但亘古的谜题才不会如此轻松就迎刃而解，黑烟囱假说遭遇的难题丝毫不比原始有机汤假说简单。
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图1—12 维希特斯霍伊泽构思的细胞膜从矿物表面剥离形成的机制。铁硫矿在表面催化形成了磷脂分子，这些分子于是在矿物表面聚集成了磷脂膜。如果磷脂膜形成于大片的铁硫矿表面，随着磷脂分子生成得越来越多，磷脂双分子膜就会逐渐地鼓胀、起泡、脱落，成为双层膜的囊泡；又或者磷脂膜包裹在小型的铁硫矿颗粒表面，这样随着磷脂分子的增多，鼓胀的磷脂膜就直接变成了一个囊泡。你可以拿这张图与图1—3比较一下，这张图上的深粉色线条相当于图1—3中的一层磷脂分子。（作者绘）
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图1—13 维希特斯霍伊泽构想的基因起源假说。这个假说与我们这本书没有多少兼容的地方，所以那些不熟悉有机化学的读者也不需要太纠结这张图和这个冒号之后的东西：他认为铁硫矿表面催化产生了碱基和丙糖，它们与磷酸交联成串，就形成了丙糖核酸（TNA），可以像左边那样构成双链，担任最初的遗传物质，启动最初的进化；之后，地质化学反应产生了核糖，核糖、碱基与磷酸同样交联成串，就是核糖核酸（RNA），最初的RNA与TNA像中间那样杂交在一起，由此继承了TNA中已经产生的遗传信息；最后，RNA单独构成了双链，就是双螺旋的雏形了，在未来，它们会进一步地被DNA取代——维希特斯霍伊泽认为这一切变化都吸附在铁硫矿的表面上，有些像胶带贴在墙上。（作者绘）