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复杂生命的起源 第二部 生命的起源
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3 生命起源的能量
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中世纪的水磨坊与现代的水电站一样，动力来源都是水道引导的水流。如果把水流集中导向一条封闭受限的水道，它的力量就会增加。这样它就可以驱动很多工作，比如转动水轮车。相反，如果让水流散布在宽阔的低地上，它的力量就会变小。如果本来是一条河，在这种情况下就会变成池塘或者浅滩。这些地方会是你渡河时的选择，因为你知道，从这里涉水不会被激流冲走。
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活细胞的工作方式也基本相同。新陈代谢的路径就像水道，只不过流动于其中的是有机碳。在一条代谢路径中，一系列酶催化一系列线性连续的反应，每一种酶处理的都是前一种酶的产物。这种工作机制控制了有机碳的流动。一个分子进入这条路径后，会经过一连串化学改造，变成一个不同的分子，再被送出去。这个反应序列可以可靠地重复，每一次流入同样的前驱物后，最终都会送出同样的产物。细胞有多条不同的代谢路径，交织成一个“水车”的网络，其中的“水流”总是被控制在互相联通的水道中，流量总是最大化。与允许有机碳不受控制地流动相比，这种巧妙的网络结构能让细胞在生长过程中节省大量的能量和有机碳。酶的作用方式让生化反应保持在精确、狭窄的路径上，而不是每一步都耗散力量（即分子不会脱离路径，去发生不该发生的反应）。细胞不需要一条奔流到海的汹涌大江，而是用小运河组成的网络推动它们的磨坊。从能量角度来看，酶的威力不在于它们的催化速度有多快，而在于它们会针对性地发挥力量，引导网络达成最大化输出。
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那么，生命诞生之初还不存在任何一种酶，那时的情况又是怎样呢？有机碳流受到的约束节制必然比现在少得多。细胞要生长，要制造更多的有机分子，要倍增，最终要自我复制，必然会耗费更多的能量，以及更多的碳分子。现代的细胞，其能量需求早已最小化，但前面已经介绍过，它们仍然要反复使用巨量的ATP分子（能量的标准货币）。即使是一种最简单的、利用氢气与二氧化碳反应能量生长的细胞，在这种呼吸作用中制造的废物，也比它制造的生物量（biomass）多出40倍。也就是说，这种代谢每生产一克生物量，支持它的放能反应就要产生40克废物。从数量上看，放能反应才是主旋律，生命不过是它的支线故事。即使经过了40亿年的演化改良，今天仍是如此。如果现代细胞仍然会制造40倍于有机物质的废物，想想最原始的细胞，在没有任何酶助力的情况下，会制造出多少？酶可以成百万倍地加快化学反应速度，如果没有酶，原料的通量就必须增加差不多的倍数才能达到同样的效果，就算100万倍吧。那么，最初的细胞可能需要产生40吨废物，才能制造一克细胞物质。这些废物能装满一辆大型载重卡车！如果把能量流比作水流，即使是一条洪水泛滥的大江也不够，恐怕需要一场海啸。
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这样庞大的能量需求规模，对生命起源的各个方面都有重大意义。然而在现实研究中却很少被考虑过。生命起源研究作为一门实证科学，始于1953年著名的米勒－尤里实验（Miller-Urey experiment），实验结果与沃森和克里克的双螺旋论文发表于同年。自从发表以来，这两篇论文如同两只巨大的蝙蝠，将各自的领域笼罩在翅膀的阴影之下，影响却是有利有弊。米勒－尤里实验当年确实辉煌耀眼，但它巩固了“原始汤”（primordial soup）的概念，在我看来，这蒙蔽了该领域两代科学家的视野。沃森和克里克引领了DNA与信息的霸权时代，这对生命起源研究当然至关重要，然而完全孤立地研究复制与自然选择的起源，让学术界忽视了其他的重要因素，特别是能量问题。
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1953年，斯坦利·米勒（Stanley Miller）还是一名勤奋的博士生，在诺贝尔奖得主哈罗德·尤里（Harold Urey）的实验室工作。在那个名垂青史的经典实验中，米勒在烧瓶中加入水和还原性（即富含可提供电子）混合气体，然后制造放电，以此模仿雷电。烧瓶里的气体成分是以木星的大气成分为参照。那时候，科学界认为，早期地球的大气和木星大气类似，二者都应该富含氢气、甲烷和氨。①极为神奇的是，米勒在实验中成功合成了几种氨基酸，而氨基酸是制造蛋白质的基础构件，是细胞的基本工作物质。忽然间，生命的起源问题看起来如此简单！20世纪50年代初，科学界对这个实验的兴趣远远大于沃森和克里克发现的DNA结构。沃森和克里克一开始只引起了一点小小的骚动，而米勒登上了1953年的《时代》杂志封面。米勒的研究影响深远，直到今天仍然值得回顾。他首开先河，用实验去验证了一个关于生命起源的明确假说：闪电作用于充满还原性气体的大气层后，就能制造出细胞的基础构件。在不存在其他生命的情况下，这些前驱物质会在海洋中慢慢积聚。天长日久，海洋就变成了充满有机分子的浓汤。这就是原始汤假说。
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虽然沃森和克里克的发现在1953年波澜不惊，DNA的魔力却一直延续至今，令生物学家为之倾倒。对很多人而言，生命就完全是DNA承载和复制的信息，生命的起源就是信息的起源；几乎所有人都认为，没有信息，自然选择主导的演化就不可能发生。信息的起源问题又被简化为“自我复制”的起源问题：最早的自我复制因子是怎么出现的？DNA分子过于复杂，不太可能是最早的复制因子；而更简单、反应性更强的前驱物质RNA（核糖核酸），就比较符合设定的条件。直到今天，RNA仍然是介于DNA和蛋白质之间的关键中间物质，在蛋白质合成中同时扮演模板与催化剂的角色。因为RNA既可以充当模板（就像DNA），又可以充当催化剂（就像蛋白质），所以它们可以在太初的“RNA世界”中，同时作为DNA和蛋白质形式较为简单的先驱。然而，制造RNA所需的核苷酸又从何而来呢？RNA由一个个氨基酸串成长链而成。答案当然是那锅汤啦！虽然RNA的合成和原始汤之间并不存在什么必然的联系，但是原始汤无疑是最简单的假设，不用考虑热力学、地球化学等复杂的细节。丢开这些问题，基因研究小能手们就可以着手开展真正重要的科学工作。如果要为过去60年的生命起源研究领域总结一个旋律，那就是原始汤催生了RNA世界，简单的复制因子在其中逐渐演化，变得越来越复杂，开始为新陈代谢编码，最终形成了DNA、蛋白质和细胞的世界，如我们今日所见。按这种观念，生命就是自下而上、层层攀升的信息。
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在这个主旋律中，缺失的声部就是能量。原始汤假说当然不是没有提到能量——就是那些闪电嘛。我曾经计算过，如果单靠闪电，要维持一个原始生物圈，其生物量仅仅相当于光合作用出现之前的状况，那么平均每平方公里的海洋需要每秒四次闪电。而这还是以假设生物以现代效率生长为前提的。闪电能够提供的电子数量完全满足不了生命的需求。紫外线可能是更好的能量来源。在混合着甲烷和氮气的原始大气中，紫外线能够提供能量，形成氰化物（以及其衍生物氰胺）等反应性前驱物。那时候的太阳还年轻，电磁波谱与现在相比更偏高能，在当时没有臭氧层过滤的条件下，紫外线通量比现在大得多，源源不绝地投射到地球以及其他行星上。有机化学家约翰·萨瑟兰（John Sutherland）曾经设计出巧妙的实验，在所谓“可能的太初环境”中利用紫外线和氰化物，成功合成了活化的核苷酸。②但这个假说也有严重的问题。没有任何已知的生命把氰化物作为碳来源，或者以紫外线为能量来源。相反，这二者对生命都有致命的杀伤力。即使对于今天的复杂生命来说，紫外线的破坏性也太强了，因为它会分解有机分子，而不是促进它们形成。它更有可能把海洋的生机烤焦，而不是使其充满生命。紫外线的能量太过猛烈，我认为无论是在地球还是其他任何地方，它都不太可能充当生命直接的能量来源。
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紫外线假说的拥护者，倒也没有主张紫外线能够直接充当能量来源。他们提出，紫外线可以促进稳定的有机小分子形成，比如氰化物，然后慢慢积累。从化学角度看，氰化物确实是一种不错的前驱物。它之所以对我们有毒，是因为会阻断细胞的呼吸作用。这很可能只是地球生物的一种特异性而已，没有什么原理上的必然性。氰化物假说真正的问题在于浓度，而浓度问题是整个原始汤理论的痛脚。即使假设存在合适的还原性大气，相对于氰化物（或者其他任何的简单有机分子前驱物）的合成速度，海洋也实在太大了。如果氰化物以合理的速率合成，在25°C的条件下，海洋中稳定氰化物的浓度大约是每升海水中含有二百万分之一克，远远不足以驱动生化反应的诞生。要走出这条理论上的死路，唯一的办法是浓缩海水。整整一代研究“起源化学”的科学家，都把海水如何浓缩作为主要方向。海水冻结或者超量蒸发，理论上都可以增加海洋中的有机物浓度。但这些都是极端场景，意味着剧烈的环境变化；而活细胞的特征定义，却是物理上要有稳定的状态——两方面极不协调。氰化物起源理论的一个支流曾经提出天外奇想：40亿年前的小行星大轰炸事件，或许导致海洋全部蒸发，这样氰化物（以铁氰化物的形式）就可以浓缩了！在我看来，这只是一个闭门造车的理论，在绝望中乱抓救命稻草。③这些理论的缺陷在于，他们提出的环境条件都太多变、太不稳定了，需要假设一系列剧烈的环境变化，才能在起源化学上自圆其说。事实正好相反，活细胞是稳定的存在，它们的各个细部在不断翻新，但是整体结构保持不变。
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古希腊哲学家赫拉克利特曾有警句：“人不能两次踏进同一条河流。”他的意思当然不是河水被冻结了、被蒸发了，或是被炸入太空。河水在不变的河岸之间持续流动，至少以人类的时间尺度看来是这样。同样，生物也在不断自我更新，但维持着不变的结构形式。就算新陈代谢已经把细胞的内部组件完全置换了几轮，细胞仍然是细胞。除此以外，我很怀疑生命还能有其他形式。在规范生命结构的信息出现之前，结构本身已经存在（这在生命起源的逻辑上是必然的：因为在复制因子出现之前，必然先有前驱结构，否则你复制什么？），但是需要持续的能量流入才能维持。能量流能够促进物质的自组织现象。俄裔比利时物理学家伊利亚·普利高金（Ilya Prigogine）提出的“耗散结构”（dissipative structure），大家应该很熟悉：一壶沸水的对流或者浴缸排水口的漩涡，维持这些结构都不需要任何信息。沸水的对流只需要热能，而排水口的漩涡只需要角动量。能量流加上物质流，就可以形成耗散结构。飓风、台风和大漩涡都是自然形成的宏大的耗散结构。它们在大气或海洋中自发形成，规模庞大，驱动它们的是赤道地区和极地太阳能流入的差异。规律性洋流（比如墨西哥湾流）或者规律性气流（比如中纬度西风带和北大西洋急流），也都不靠任何信息形成；只要有能量流支撑，它们就会稳定维持。木星大红斑是一个巨大的反气旋风暴，尺寸有几个地球那么大，已经持续了至少好几百年。所有的耗散结构都需要持续的能量流入支撑，正如电热水壶中的对流结构，只要电流能维持水的沸腾和蒸发，就会持续下去。以更普遍的热力学观点来看，这些现象产生于持续的远离平衡态（far-from-equilibrium）条件，这种状态由能量流入支撑，可以无限期地维持下去，直到最终（如果以恒星为例，那就是几十亿年以后）达成平衡态，耗散结构才会崩解。这里的要点是，能量流可以创造出持久的、规律性的物理结构。这个过程与信息无关，但我们将看到，它却能创造出适合生命起源的环境。正是从这样的环境中，生物信息（包括复制和自然选择在内）才能脱颖而出。
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包括人类在内的所有生物都是耗散结构，都靠各自环境提供的远离平衡态条件支持。呼吸作用的持续反应为细胞提供自由能，用来固定碳，用来生长、合成各种活性中间体，用来把这些构件组成各种长链聚合物（包括碳水化合物、DNA、RNA和蛋白质），还用来增加环境中的熵，让生物本身维持在低熵状态。在没有基因或信息的情况下，只要有持续的活化前驱物供应（活化的氨基酸、核苷酸和脂肪酸）和持续的能量流入，那么某些细胞结构，比如细胞膜和多肽，就应该能自发形成。能量流和物质流会强制细胞的结构出现，结构成分也许会被替换，但只要这些流入持续不断，结构也会维持下去。原始汤理论中真正缺席的，正是这种持续的能量流和物质流。“汤”里面没有什么东西可以驱动耗散结构（也就是细胞）的形成；没有什么东西可以支持细胞的生长和分裂；也没有什么东西可以在缺乏催化酶引导代谢的情况下，突然变成有生命之物。这些条件听起来很苛刻，那么真的存在某种环境可以满足这些条件，驱动最原始的细胞形成吗？我的答案是，几乎肯定有。不过，在探索那种环境之前，我们先来详细探讨一下到底需要哪些条件。
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如何制造一个细胞
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制造一个细胞需要哪些条件呢？地球上所有的活细胞，都有以下六项基本特征。我们先把它们都列出来，希望不会太像教科书：
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1.持续的活化碳供应，用来合成新的有机物；
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2.自由能供应，用来驱动代谢生化反应，包括新的蛋白质和DNA等物质的合成；
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3.催化剂，用来加速和引导代谢反应；
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4.排泄废弃物，遵循热力学第二定律，驱使化学反应以正确的方向进行；
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5.区隔化（compartmentalization），细胞式的结构，把内部和外部分隔开；
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6.遗传物质，即RNA、DNA或同等物质，用来承载信息，规定具体的结构和功能。
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其他一切特征（你在生物课上背下来的那些，比如运动和感觉等），从细菌的角度看，都是并非必要的锦上添花。
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很容易理解，这六种特征紧密地互相依存，而且在最开始就应该都出现。持续的有机碳供应，很明显对细胞的生长、复制等所有方面都是关键。简化考虑，即使是“RNA世界”，也需要复制RNA分子。RNA是由核苷酸串连起来的长链分子；每一个核苷酸都是一个有机小分子，一定有其来源。研究生命起源的科学家之间有一个久远的分歧：新陈代谢和复制，到底哪一个先出现？当然争不出什么结论。复制就是倍增，以指数级的增长速度消耗原料；除非能以同样的速度补充原料，不然复制很快就会停止。
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这个蛋鸡问题有一条可能的出路，就是假设最初的复制子根本不是有机分子，而是黏土矿物之类的无机物。这是英国科学家格雷厄姆·凯恩斯－史密斯（Graham Cairns-Smith）长期主张的奇想。然而这个假说帮助不大，因为矿物的化学性质太粗线条了，虽然作为催化剂很有价值，但是无法用来编码任何复杂的东西，连“RNA世界”的复杂度都远远达不到。如果矿物质不能充当复制因子，那我们就需要在无机物和有机物之间找到最短、最快的路径，来形成一种能够复制的有机分子，比如RNA。既然实验证明核苷酸可以由氰胺合成，那就不必再去探究未知而又不必要的中间物质。不妨直截了当地假设：早期地球的某些环境能够提供充当复制基本构件的有机小分子，即活化的核苷酸。④氰胺可能算不上很好的实证起点，然而热力学原理好像特别倾向于形成某些分子，包括核苷酸。证明这种倾向的证据是，在各种迥然不同的条件下反应，包括在还原性气体中放电、在高压反应容器中或者小行星上的宇宙化学环境中，生成的一系列有机小分子都非常相似。所以简化考虑：合成有机复制因子的条件，是需要在同一个环境中持续供应有机碳。这个条件排除了冰冻环境，因为结冰虽然能在冰晶之间增加有机分子浓度，却无法持续补充复制过程需要的原料。
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那么能量呢？在这个环境中反应还需要有能量。要把所有的小分子构件（氨基酸或核苷酸）连接成长链聚合物（蛋白质或RNA），首先需要活化这些小分子。这就需要能量来源，ATP或者其他类似的分子。在40亿年前的地球这样的水世界中，需要找到一种特定类型的能量来源，能够提供驱动聚合反应形成长链分子的能量。聚合反应是一种脱水反应，每形成一个分子键就必须去除一个水分子。问题在于，在溶液中进行脱水反应，有点像在水下尝试拧干湿衣服。几位著名的研究者因为被这个问题困扰，甚至主张生命一定起源于没有多少水的火星，认为它们之后才搭乘陨石的便车降临地球。这种理论让我们都成了火星人。然而事实上，地球生命在水中应付裕如。每个活细胞每秒钟都要进行数千次脱水反应。办法是把脱水反应与ATP的分解进行偶联，ATP分子每分解一次都会消耗一个水分子。一个脱水反应与一个“再水合反应”（hydrolysis，即水解作用）偶联，实际效果就只是转移了水分子而已，同时释放一些储存在ATP化学键中的能量。这样问题就简单多了，我们只需拥有持续供应的ATP，或者更简单一点的类似分子，比如乙酰磷酸（acetyl phosphate）。下一章我们会讨论这些分子可能的来源。现在的要点是，如果要在水中复制，就需要在同一个环境中有持续、充裕的有机碳供应，以及某种类似于ATP的分子供应。
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