1700259574
要从微观上解释这个规律是非常困难的事情，但我们可以这样感性地理解：自发反应总是消除差异、趋于平衡的反应，而氧化性与还原性就是一对显著的差异。如果生成物的还原性反而比反应物的还原性更强，那这个反应就是在扩大差异。要让这样的反应自然发生，就如同用木头做的刀子削尖铁做的铅笔，是不可能的事情。
1700259575
1700259576
“他时局罢樵柯烂，小道谁知亦有仙。”尼克·莱恩提出这个反应或许在别处不能自发，在碱性热液喷口却能曲径通幽。因为白烟囱里藏着两个下棋的“仙人”，一个叫“酸”，一个叫“碱”，它们下的那盘棋，就叫“还原性”。
1700259577
1700259578
一种物质表现出来的还原性与环境的酸碱性有非常直接的关系。总的来说，环境中的碱性越强，物质的还原性就显得越强，酸性越强，物质的还原性就显得越弱。算下来，pH值每升高1，物质的还原性就增加60左右。[7]
1700259579
1700259580
碱性热液的pH值可以达到10，这会让其中的氢气的还原性提升到584。原始海水的pH值可以低到6，这又让甲酸在其中的还原性降低到520，这下还原性的矛盾就迎刃而解了。
1700259581
1700259582
但是，氢气必须溶解在碱性热液中才有这么强的还原性，甲酸也必须溶解在酸性海水才会降低还原性，可这碱性热液和酸性海水一旦混合，不就抹平了酸碱性的差异，回到了原点吗？如果这两种溶液不混合，那么反应物还怎么相遇，怎么相互反应呢？
1700259583
1700259584
这就是尼克·莱恩的理论里最有趣的部分了：白烟囱里的矿物管壁不但隔开了酸性海水和碱性热液，还促成了一种独特的电化学反应，让氢气能隔着洞壁还原另一侧的二氧化碳、甲酸、甲醛，乃至各种有机物。
1700259585
1700259586
碱性热液喷口覆盖着海绵一样的矿物沉积物，其中满是错综复杂的毛细管道。那些管壁都是碱性热液和酸性海水相遇的产物，它们一旦形成就会把海水和热液分隔开，阻止它们继续混合，酸性的海水从一些孔洞流过，碱性的热液在隔壁孔洞里向着相反的方向流出——这就保证了氢气和它的还原对象一直处于不同的酸碱氛围中。
1700259587
1700259588
但是这洞壁上还镶嵌了大量的铁硫矿物微粒，这种微粒是可以在某些方向上导电的。于是，尼克·莱恩大胆地提出，在碱性热液一侧，氢气会把一对电子交给铁硫矿，自己变成氢离子，再与周围的氢氧根离子结合成水。而那对电子经过铁硫矿传导到酸性海水的那一侧，还原了吸附在矿物表面上的二氧化碳，由此生成了甲酸、甲醛、甲醇等有机物。
1700259589
1700259590
所以，尼克·莱恩的原始乙酰辅酶A路径是一个标准的原电池反应，铁硫矿微粒就相当于连接正负极的电线，在它的帮助下，氢气与还原对象并不直接接触，却持续不断地发生着氧化还原反应。为了验证这个浪漫的“原电池模型”，尼克·莱恩曾经带领自己的学生设计了一系列的模拟装置。这类装置不但形成了类似碱性热液喷口的孔洞状沉积物，而且真的催化反应出了种类丰富的有机物，甚至包括少量的核糖。XII
1700259591
1700259592
1700259593
1700259594
1700259595
图3—11 碱性热液喷口沉积物的切面照片。酸性海水和碱性热液在不同的管道中流动，并不直接接触。（来自Deborah S. Kelley等）
1700259596
1700259597
1700259598
1700259599
1700259600
图3—12 碱性热液喷口沉积物中的还原反应的示意图。在上方，二氧化碳被还原成甲酸，在下方，氢气被氧化成水。黑线表示电子传递，白线表示分子或离子的结合。（作者绘）
1700259601
1700259602
从结果上看，这是一个很乐观的实验，不过这个模拟装置究竟能在多大程度上再现40亿年前的碱性热液喷口，却还非常有待推敲。比如，实验装置的尺度过小，其中的管道结构真的能够模拟白烟囱里的环境吗？数千米深的海底水压极高，二氧化碳将以怎样的形式出现？那里的铁硫矿又存在着怎样的晶体结构，能否顺利地导电？
1700259603
1700259604
在继续我们的故事之前，也有一些逸事非常值得一提。尼克·莱恩提出上面这个原电池模型的时间是2014年左右，这给白烟囱假说增添了许多魅力。可是到了2019年，他已经开始怀疑这个模型的正确性，因为细想之下，它确实有一个非常明显的矛盾：根据这个模型，有机物将通过原电池反应形成于酸性海水那一侧，这也意味着未来的生化反应会诞生在酸性环境中。然而，正如我们在黑烟囱假说里讨论过的，如今一切细胞内都以弱碱性环境为主，绝大多数生化反应也必须存在于这样的弱碱性环境中。
1700259605
1700259606
于是，他带领研究团队设计了另一个实验，讨论这个原电池模型能否倒过来，不是电子从碱性一侧传导去酸性一侧，而是氢离子和二氧化碳从酸性一侧渗透到碱性一侧来。如果事情果真如此，那么这个新的“渗透模型”就有机会与第五幕里一种至关重要的酶达成完美的衔接。
1700259607
1700259608
与此同时，2019年底，也就是你手中的这本书集中校订的时候，它的作者也正为原电池模型的矛盾感到困惑，因此给尼克·莱恩发送了一封邮件。尼克·莱恩先生非常及时地回复了本书作者的邮件，邮件的附件正是当时未发表的有关渗透模型的实验论文XIII。他们发现，氢离子的确可能穿透矿物沉积那不太规整的晶体，但或许是模拟装置的压力不够，氢气的溶解度太低，渗透模型并没有像原电池模型那样收获种类丰富的有机物。
1700259609
1700259610
至于二氧化碳是否能够同样顺利地穿透那些矿物沉积，这个实验未置可否，尼克·莱恩也没有直接回答这本书的作者就此疑问发出的第二封邮件。但是很快，在2020年3月初，尼克·莱恩又公开了另一篇更加全面的论文XIV，在文中重新确立了原电池模型的地位，同时集中否定了6个不同细节的渗透模型——它们在化学上都有这样那样的缺陷，在现实中“非常不可能”发生。
1700259611
1700259612
这篇新论文也并不是简单的“翻来覆去”而已。对于那个2019年的矛盾，也就是有机物不应该聚集在酸性一侧的矛盾，尼克·莱恩又给出了新的解释：在白烟囱内部，液体在那些错综复杂、四通八达的管道内有着不同的流向，但总的来说，碱性热液在白烟囱内部以更快的速度向上喷涌，而酸性的海水会以缓慢的速度由周围向内部渗透，并且在内部被碱性热液带动，携卷着一边混合，一边向上涌出。所以有机物不管在哪一侧形成，最终都会进入白烟囱内部，钻进那海绵似的管道里面。
1700259613
1700259614
不仅如此，这些有机物还有很大的机会留在白烟囱内部，而不随着水流继续喷涌扩散到无限的海水中去。因为白烟囱越向上温度越低，气体的溶解度也就越低，这会让部分氢气和二氧化碳像香槟里的气泡一样析出，堵塞大部分管道，结果就是液体流速大幅减缓，孔径也大幅缩小，再配合管道内的漩涡和对流，有机物就很容易堆积在某处，聚集起来了。对此，尼克·莱恩所在的团队也设计了模拟实验，仅就二氧化碳的数据来看，它们的确在管道系统的某些角落里格外地密集。
1700259615
1700259616
截至本书的这一章写成的时候，尼克这篇关于二氧化碳还原机制的论文还只是在bioRxiv上发布了预印本，尚未开始同行评议，所以我们还无法肯定这就是一个足够坚实的解释。另外，正如上一节里讨论过的，威廉·马丁的表面催化理论在最近的实验中已经得到了良好的支持，那么这个原电池模型是否还具有理论上的必要性，恐怕情况不乐观。
1700259617
1700259618
不过另一方面，理论上的必要性与现实的可能性是两回事。即使原始乙酰辅酶A路径脱离原电池模型也能行得通，也不意味着原电池模型就不会在白烟囱里真实地发生。这种原电池模型又不只适用于原始乙酰辅酶A路径，它为许多原本难以发生的有机化学反应提供了难得的动力，也就为从地质化学向生物化学的过渡提供了更多的可能。在下一章里，我们还会少许地接触这个模型。
1700259619
1700259620
就这一整章而言，威廉·罗素和尼克·莱恩或许在反应模型上存在着分歧，但对于我们，这却代表了一件高度统一的事情：乙酰辅酶A的路径上存在着动力学上的障碍，如果只盯住这些障碍有多么险峻，一个人很可能会得出“这反应压根行不通”的结论。但碱性热液与原始海洋之间的白烟囱是一个永不平衡的热力系统，这些熵增的障碍几乎必然会被破除，形成某种耗散结构，我们今天提出的任何一种反应模型，都是对这种“必然”的解释。还记得第四章“耗散”一节提到的“熵增最大化定律”吗？那才是对眼前一切的更深层的描述。
1700259621
1700259622
告别这短暂的分歧，白烟囱假说的下一步理论推导又重新在支持者中达成了一致，我们又将遇到一些熟悉的知识了。
1700259623