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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？ [:1700256287]
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·纲领·
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但是，仅仅一个化学反应的耗散结构还远远称不上生命，我们还必须回答，生命作为一个充满主动性的“控制系统”是怎样起源的。
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“控制系统的起源”与“耗散结构的起源”似乎是不同的两件事，但在生命起源的故事里，它们却没有明显的边界：系统发展出耗散结构之后，熵增的障碍会有所减轻，但只要熵增的潜力仍然显著，熵增的障碍仍然存在，那么耗散结构就可以继续突变，变得更加复杂、更加有序，让系统的熵增不断加快。终于在某些关键的突变之后，某些耗散结构发展出了针对自身的控制系统，能够主动维持自身的存在，生命也就诞生了。
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这个过程充斥着突变与适应，我们完全可以把它视为更普遍的，热力学上的“进化”，然后惊讶地发现，生命并非进化的起点，而只是进化的一座里程碑，是进化在复杂性上的拐点。
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可那耗散结构究竟是怎样的耗散结构，那进化又是怎样的进化呢？刚才的回答未免有些过于抽象和空泛了，我们需要一个具体而详尽的回答，解释生命这个了不得的控制系统究竟是怎样出现的。当然，我们不可能要求生命在诞生之初就一蹴而就地拥有了今天的全部控制功能，它一定和所有的原型一样，起先只有最基本的控制功能，然后才在进化中日渐复杂——那么，生命最基本的控制功能是什么呢？
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这本书将它们归结为三项。
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第一项是“物质代谢”和“能量代谢”。它们控制了许多关键的生化反应的方向，借此，来自外界的物质被组织成了生命自身的结构，其他形式的能量转换成了生命可以利用的形式。物质代谢与能量代谢是维持耗散结构的基石，一定可以追溯到一切的开始，所以我们非常希望能在今天的物质代谢和能量代谢里找到一些生命起源的痕迹。
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不过有些棘手的是，在今天，各种生命的能量代谢都非常一致，我们会在第五章里集中介绍这种惊人的机制，但在物质代谢上，各种生命就八仙过海了。比如植物利用光合作用制造自己需要的有机物，而人类和其他动物就直接吃掉其他生物，用现成的有机物组织自己。为此，我们先要在第五章的基础上掌握一些基础知识，再在第三幕里寻觅物质代谢的起源，而那也正是白烟囱假说中“最引人入胜”的地方。但要最终确立这种控制机制，你将不得不读到这本书的最后一幕。
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第二项是分子生物学的“中心法则”。这个法则的名字有些不可一世，但我们早在中学时代就很熟悉这套法则了。它规定了核酸要如何储存遗传信息，遗传信息又该如何表达为具体的蛋白质。我们会在第六章里复习它，拓展一些知识，然后在漫长的第四幕里不断追问核酸与蛋白质分别是怎样出现的，又是怎样关联起来，终于形成这套精妙的法则的。
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不过，中心法则的起源并非白烟囱假说的重点，这本身也实在是一个极复杂的问题，绝不是某个研究者的某个假说就能覆盖的。所以这本书将会结合半个世纪以来分子生物学的研究进展，将众多研究者的假说大胆地综合起来，在第四幕里构造出一幅宏大的起源图景，然后同样在第五幕里终结这个问题。
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第三项是“边界控制”，这在前文刚有所涉及，但在生命起源问题中，它特指细胞膜的边界控制，或者说，是在追问最初的细胞膜是如何产生的，又是如何发展出选择透过性的。在第七章里，我们会发现细胞膜看上去虽然简单，暗中却有一些非常蹊跷的问题。
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我们会在第四幕里与它如影随形，但要到第五幕才能集中解决这个问题。为此，白烟囱假说又将展现出不凡的魅力，它梳理出了一条相当完整的线索，把之前遇到的各种问题全都串联起来，探索与回溯的道路将在那里会合，我们所知的一切也会因此封装完整。
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你看，对“生命是什么”的讨论不只局限于这个问题本身，还将为之后的整本书构造讲述的纲领，引领我们回答这本书封面上的那个问题：“所有生命的共同祖先是怎样在40亿年前诞生的？”
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既然说到了“共同祖先”，我们不免又要多费一些口舌。自从进化生物学正式建立，“人类知道的一切生命形式，任何一个物种，都在进化上源自同一个祖先”已经成为生物学所有领域的普遍共识，其中很少再有什么可争议的事情。所以不妨说，通常的生物进化问题，都是研究这个祖先如何在40多亿年的岁月里开枝散叶，进化成了今天的每一个物种，而生命起源的问题，就是研究这个祖先还有怎样的祖先——因为这个祖先已经拥有非常复杂的细胞结构了，显然是地球上第一批细胞进化了很久的产物。
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所以，为了之后的整本书讲述方便，我们从此就把“已知生命的最后一个共同祖先”简称作“末祖”，在其他中文科学读物里，这个概念大多会被叫作“露卡”，音译自“Last Universal Common Ancestor”的首字母缩写“LUCA”。再由此往前，末祖的所有祖先，当然也都是已知生命的共同祖先，所以它们将被我们称为“共祖”。至于从无机环境中直接诞生出来的第一批细胞，就被我们称为“元祖”。不过稍需留意的是，并非所有的元祖都是共祖，因为第一批生命里的许多个体都没有后代存活至今。这一切就如图2—8所示。
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最后的最后，我们还有一点棘手的细节要处理：根据这一章的定义，所有的病毒都不是生命。
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在感染细胞之前，病毒只是一团精巧的生物大分子。作为遗传物质的核酸与一些病毒专属的酶结合起来，外面包裹着蛋白质构成的衣壳，有些复杂的病毒还会从宿主那里窃取一小块细胞膜把自己包裹起来，使自己免受外界侵害，也更容易感染宿主。但是，此时的病毒没有任何代谢活动，它们与被扔进垃圾桶的过期生鱼片没有任何区别，如果真的发生什么变化，那一定是在腐烂变质，反正它不是耗散结构。
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图2—8 元祖、共祖、末祖与现存所有的生命的关系——这只是一张示意图，不对应任何真实的进化关系。（作者绘）
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而在感染细胞之后，病毒会把衣壳和包膜统统抛弃，让其中核酸与酶分散到细胞各处，劫持细胞的物质代谢和能量代谢通道，用来复制自己——在这个过程中，病毒已经彻底瓦解，连一个系统都称不上，更遑论“耗散结构”和“控制系统”了。
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但在从第四幕开始的故事中，我们同样会看到病毒与生命起源有着密切的关系，在许多新兴的假说里，它们甚至拥有位列共祖的资格。所以我们必须要明白，生命与非生命之间，并没有一条绝对的边界，我们这一章的一切讨论，也当然不是最终的答案。
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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？ [:1700256288]
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延伸阅读补充薛定谔的补充
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当年，薛定谔提出了“负熵”这个概念，立刻引来物理学家的激烈讨论，其中不乏许多批评和质疑——对此，我们不打算拿起来讨论一番，因为薛定谔亲自在《生命是什么？》后来的版本中给这一章增加了一节，坦率地承认了“负熵”并不是他能在物理意义上找到的最贴切的回答，如果要迎合物理学家而不是普通读者，他会用“自由能”这个概念代替“负熵”。
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可以想见，自由能是比熵更难用寻常语言描述的概念，不过不用担心，我们仍然可以从日常案例中获得一些感性的理解。为方便起见，下文并没有严谨遵照热力学教材上的指示讲述问题，而是构造了一些在这本书的范围内可用的近似理解，对于那些想要在本书之外沿用自由能概念的读者，请额外关注正式的教材。