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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）
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首先，铁硫矿虽然是非常好的催化剂，但二氧化碳却不是足够优秀的反应物，它的性质过于稳定了，在热液喷口的模拟实验中都不能有效地转化成有机物。而更活跃的一氧化碳虽然有不错的反应效果，却又在黑烟囱的热液中浓度很低，只有二氧化碳浓度的千分之一甚至百万分之一。当然，我们并不敢保证说40亿年前的深海热液就一定没有更多的一氧化碳，所以这倒不是什么重大的问题。
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其次，也是最重要的一点，黑烟囱假说继续推敲下去，会遇到与原始有机汤假说同样的麻烦：生命的起源需要持续而稳定的环境，但经过观察，那些构成黑烟囱的矿物沉积得非常疏松，积累得又很快，生长几十年能超过50米，然后就会不堪重负，土崩瓦解，这样的情形与陨石坑之类的“小锅原始有机汤”并无区别。同时，黑烟囱的深海热液是高温的酸性热液，这又与火山热泉版本的“原始有机汤”一样，与已知细胞的弱碱性特质很不符合，或者说，不能给细胞的生化反应提供恰当的条件——实际上，就在维希特斯霍伊泽刚刚提出这个假说的时候，1988年，捍卫原始有机汤假说的米勒就在《自然》杂志上发表了论文，针对反应条件的缺陷抨击了黑烟囱假说。V
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尤其难以回答的是，那些被铁硫矿的表面催化形成的有机物，之后去哪儿了？如果脱离了矿物表面，那立刻就会被喷涌的热液卷入无限的海洋，稀释没了，达不到生化反应需要的浓度；如果没有脱离矿物表面，那就会把矿物表面完全覆盖住，彻底断绝了后续的生化反应——比起原始有机汤假说，黑烟囱假说更加合理地解释了生命的“材料”是怎样出现的，却仍然难以说明是什么“力量”让这些材料变成了第一个细胞。
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维希特斯霍伊泽的这个假说兴起得很快，却后继乏力，进入21世纪之后就面对越来越多的诘难。他在进入21世纪之后仍在坚持不懈地修补这个理论，但表面催化的黑烟囱假说早已不如刚问世的时候那样吸引人了。新的假说反而在他的启发下茁壮成长。
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但在介绍新的假说之前，我们又必须再次称赞黑烟囱假说的突破之处——这个假说最了不起的地方并非它给出了一个多么详细的“表面催化”机制，而是它不再只盯着那条综合的道路，而开始认真考虑分析的道路了。在此之前，原始有机汤假说几乎只关心在自然条件下合成有机物的问题，无数个版本提供了无数个可能，仿佛原始地球上到处都是有机物。然而这些假说都没有仔细考虑生命本身的特点，结果让理论与现实严重脱节，氨基酸生成之后下一步是什么无从捉摸。而黑烟囱假说不是这样的。维希特斯霍伊泽细致地思考了已知的生物化学原理，思考了新陈代谢的反应过程、细胞膜的化学结构，还有遗传的微观机制，所以他的假说从一开始就致力于在地质化学和生物化学之间建起桥梁，他构想的每一步催化反应，都在试图解释某一种生化特性的由来。如果那些耐心的读者在这本书之后的部分里还能回想起这个假说，就会发现维希特斯霍伊泽具有何等敏锐的洞察力。
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然而，遗憾的是，在维希特斯霍伊泽构思这个理论的时候，人类的生物化学研究还远称不上精细，比如铁硫蛋白的绝大多数催化机制要到21世纪才被研究透彻，这让他可以探索的分析之路非常短，没能与综合之路胜利会师。
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或许，让我们离开黑烟囱几千米，换一个阵地，事情就能柳暗花明了。
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[1]灶神星（Vesta）是太阳系中比较大的小行星，平均直径525千米。雷亚希尔维亚（Rheasilvia）盆地是其表面最明显的地理特征，它是一个直径505千米的撞击坑，其巨大的尺寸在整个太阳系都屈指可数。撞击坑中央有一座撞击反弹形成的中央峰，高达22.5千米，是太阳系最高的山峰。
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[2]我们不得不纠正一种误解。很多人以为地幔是一团熔化的岩浆，是液态的，蠢蠢欲动，所以地壳破个洞就会喷薄而出，火山爆发——大错特错。地幔虽然高温，但更加高压，那里的物质并不能熔化成液态，仍然是坚硬的，即便是所谓的“软流圈”，乃至整个的“地幔热对流”，也仍然是坚硬的，只是在高温高压之下塑性形变超过了刚性形变，就像红炽的铁块在锻打之下可以变成各种性状——只有某些压力突然降低，或者水分大量渗透的地方，才会微量地变成液态的岩浆。当然，水在这个熔化过程中的作用也不是物理上的溶解，而是通过化学反应弱化岩石的晶体状态。