1700261893
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？ [:1700256361]
1700261894
·亲水与疏水·
1700261895
1700261896
的确，我们在乙酰辅酶A路径里获得了充沛的乙酰，这与乙酸就是一回事儿，而乙酸是最简单的脂肪酸之一，至于其他更复杂的脂肪酸，主要就只是把天干排得更靠后一些[1]，丙酸、丁酸、戊酸……排到天干不够用了，再用数字和通称顶上来。比如我们用动物的脂肪做肥皂，其中的主要成分就是硬脂酸钠和软脂酸钠，也就是十八酸和十六酸的钠盐。
1700261897
1700261898
那么，如果乙酸能从氢气和二氧化碳的反应中制造出来，更复杂的脂肪酸也很有希望以类似的方式出现在白烟囱里。果然，我们在实验中发现，把氢气和一氧化碳溶解在水中加热到100℃以上，再加上铁和钴之类的催化剂[2]，就会有多种多样的脂肪酸产生出来，而且不只有甲乙丙丁这样的小字辈，排到十几的长链脂肪酸也同样能产生出来。I
1700261899
1700261900
对于这些长链脂肪酸来说，做成肥皂清洗油污，就与溶解在水中组建细胞膜是同一回事：脂肪酸那些用天干与数字表示的烃基具有很强的疏水性，数字越大，疏水性越强，这也正是油不溶于水的根本原因。但脂肪酸的那个“酸”，也就是羧基，却是一种极其亲水的官能团。所以任何一种脂肪酸都处在亲水与疏水的自我矛盾中。那些烃基比较短的脂肪酸，羧基胜得毫无悬念，甲乙丙丁酸都具有无限大的溶解度，能够以任意比例与水混溶，但对于烃基更长，有八九个乃至十来个碳原子的脂肪酸来说，羧基固然还要亲水，却已不能阻止另一端的烃基疏水，结果，这些脂肪酸就成了所谓的“双极两亲分子”。
1700261901
1700261902
1700261903
1700261904
1700261905
图5—2 乙酸和硬脂酸的球棍分子模型。你看，硬脂酸就只是碳链长一些罢了。
1700261906
1700261907
而“歧具”是一种有两个头的蛇，前头一个，尾巴那头是另一个。当它必须前进的时候，就有一个脑袋留在后面当作尾巴，另一个领头。反之要后退，两个头的用处就会完全倒过来。
1700261908
1700261909
1700261910
1700261911
——埃里亚努斯，《论动物的特性》，2世纪
1700261912
1700261913
双极两亲分子就像一条两端都是头，还脾气很不同的蛇：疏水的那一头讨厌水分子，总想钻进油脂之类的物质里，亲水的那一头当然就想溶解在水里。这样的矛盾要如何才能解决呢？
1700261914
1700261915
有两种办法。
1700261916
1700261917
一种是肥皂展现出来的，双极两亲分子会专门寻找油脂和水的交界面，把疏水的那一头扎进油脂，再把亲水的那一头留在水里。如果双极两亲分子足够多，可想而知，油脂的表面就会像插满了牙签的水果拼盘，表面到处伸出来亲水端。这样一来，油脂就再也不会聚在一起，形成明确的油水交界面，而会分散成微小的油滴，然后就被水分子轻轻松松地捡起来，洗掉了，这就是为什么我们会在许多场合把双极两亲分子称作“表面活性剂”。
1700261918
1700261919
但是油水界面这种东西可遇而不可求，如果溶液中的双极两亲分子足够多，它们还有别的办法解决矛盾。疏水端想要找油脂，而疏水端本身就是半个油脂啊！所以，这些双极两亲分子就会团聚起来，疏水的那头一致向内，互相纠缠；亲水的那头一致向外，与水结合，这就形成一种被称为“胶束”的球状小结构。而如果溶液里的两亲分子实在够多，这些胶束也会越聚越多，碰撞合并。那么，它们会合并成什么样子呢？
1700261920
1700261921
1700261922
1700261923
1700261924
图5—3 肥皂的主要成分是硬脂酸钠，这种物质会在水中迅速水解成硬脂酸。图中的硬脂酸被简化成了一根“火柴”，红色头表示亲水的羧基，白色尾表示疏水的烃基，那么用肥皂洗衣服的时候，疏水端就会扎进织物表面的油污中，逐渐把油污包裹起来，最终使其脱离织物。我们洗衣服的时候要不断揉搓，就是在促进这个过程。（作者绘）
1700261925
1700261926
当然不会是一个更大的球体，因为这些分子就那么长，还都要待在表面上，如果变成一个大球体，球体中央由谁来填充呢？所以，它们会合并成一张两层分子的薄膜——就像生物课上说的“双分子层”那样。
1700261927
1700261928
显然，单独一张薄薄的双分子层绝不是什么稳定的结构，它的边缘具有额外的能量，所以就像一块抹布揉搓揉搓就会抟成团，溶液里的双分子层会自发地缩小自己的边缘——泡泡，双分子层会进一步包裹成一个泡泡，泡泡的里外都是水，内表面和外表面也都是分子的亲水端，这就让一切都安定下来了。如果这个泡泡形成的时候，水溶液里还有许多自我复制的RNA团体，也被它顺势裹进去几个，一个原始细胞也就诞生了，就像图1—3那样。
1700261929
1700261930
到此为止，我们都只是把前几章就已经知道的事情说得更详细一些，但这实在是过于理想的细胞膜起源图景，从化学层面上稍微追究一下，我们就会发现上面的每一步都不那么简单，都需要更加详细的解释。
1700261931
1700261932
第一个问题就是，脂肪酸的胶束真的会聚成泡泡吗？
1700261933
1700261934
1700261935
1700261936
1700261937
图5—4 最左端仍然是一个磷脂分子的图示。红色的圆球仍然代表亲水的羧基，白色的尾巴仍然代表疏水的烃基。那么当大量的脂肪酸分散在水中，它们就可能以各种方式团聚起来：在胶束中，许多磷脂分子聚成一团，亲水端朝向外部的水环境，疏水端在内部互相聚集；囊泡与胶束类似，但是中央也包裹了一些的水，所以还有另一些磷脂分子出现在囊泡内部，亲水端指向内部包裹的水。你可以拿这幅图与图1—3比较一下。（作者绘）
1700261938
1700261939
脂肪酸在溶液中聚集成怎样的形态并不只看自身的浓度，还与溶液中的其他物质大有关系，其中最关键的就是酸碱性和矿物离子浓度。碱性越强，矿物离子浓度越高，脂肪酸就越容易形成难溶的沉淀物，就越难再在水里翻出花样来，这也是为什么过去用肥皂洗衣服总忌讳井水，而根本不能用海水。再比如用肥皂洗澡，洗完之后会觉得皮肤有一种特殊的涩感，那就是因为肥皂里的硬脂酸遇到皮肤表面的各种矿物离子就瞬间结合成了非常难溶的盐，粘在了皮肤上。
1700261940
1700261941
然而白烟囱不正是这样糟糕的环境吗？其中不但有喷涌而出的碱性热液，还有大量的钙离子、镁离子、亚铁离子，这些都是让脂肪酸凝固沉淀的利器。而且更糟糕的是，我们甚至不能设想有什么机制能驱除这些矿物阳离子：亚铁离子当然是我们整个故事里天字第一号重要的金属离子，它负责与硫离子结合成铁硫矿，少了它一切地质化学反应都会瘫痪；镁离子也同样不可或缺，因为RNA要复制，或者要发挥催化活性，环境中都必须有很高浓度的镁离子，无论在细胞内还是在试管里，都是这样的。
1700261942