生命是如何从无到有地进化出来的?科学家们已经越来越接近真相了。
文 | 袁越
待在家里,大家除了看剧听歌就是吃吃喝喝吧?你想不想动动脑筋消耗一下多余的卡路里?那就腾出一点时间,跟我一起去探索和生命有关的3个基本问题吧。
今天先来探讨第一个问题:生命是如何进化出来的。(后两个问题将于明后天陆续推出)
01
也许有人会说,生命是上帝制造出来的。这个想法很容易理解,因为起码到目前为止,地球上所有的活物都是从活物繁殖而来的,科学家们没有观察到任何一个活物在没有其他活物存在的状态下从一堆死物当中自发地产生,所以不少人只能借助“上帝”(或者某种神秘的“第一推动力”)去理解生命的起源。
还有人相信,地球上的生命来自外太空,通过陨石传播到了地球上。但一来这个说法并无充分的科学根据,二来即使这个解释是正确的,我们仍然可以追问一句:那么外太空的生命又是从哪里来的呢?
所以这个解释和宗教没有本质的区别,相当于绕了一圈又回到了原点。


因此,对于我们这些无神论者来说,必须得想办法以地球为基础,
从原理上解释生命到底是如何从无到有地进化出来的。
这是地球人所面临的最重要的科学问题,没有之一。
在进行科研之前,首先必须找到合适的工具。生命起源问题涉及到遥远的古代历史,我们有两个常用的研究工具可供选择:一是化石考古,二是DNA分析。
通过前者我们知道,地球生命大致起源于40亿年前,当然这个数值的误差有好几个亿,但数量级应该是正确的。考虑到地球本身诞生于45亿年前,这个结果说明地球诞生之后不久就有生命了。
通过后者我们知道,地球上现存的所有生命都来自同一个祖先,科学家们称之为“卢卡”(Last Universal Common Ancestor,LUCA)。这是因为所有现存生命都共用同一套遗传密码,其基本的代谢模式也都是一样的。如果地球生命有多种起源,那就很难解释这个现象。
从科学史上看,达尔文应该是第一个对生命起源问题作出正确猜测的人。他在构思《物种起源》这本书时曾经在纸上画了一棵“生命树”,暗示所有物种都源自同一个祖先。他还猜测生命的共同祖先应该起源于一个“温暖的小池塘”,考虑到那时的达尔文连DNA是什么都不知道,他的这个猜测真的是领先同时代的人好多年。
达尔文手画的生命树示意图
可惜的是,无论是化石考古还是DNA分析都有很大的局限性,前者只能帮助我们研究那些有可能留下化石证据的生命,这样的生命只占全部生命的很小一部分。后者最多也只能帮助我们追溯到几亿年前,因为DNA的遗传模式存在一定的不确定性,再往前推的话,不确定性就太大了,大到根本无法得出任何有意义的结论。
既然如此,有没有可能在实验室里重复生命起源的初始过程呢?来自芝加哥大学的斯坦利·米勒(Stanley Miller)和哈罗德·尤里(Harold Urey)真的这么做了。两人于1953年在几只玻璃瓶里注入了甲烷、氨气、氢气和水,然后用电极制造人工闪电,模仿生命出现之前的地球环境。
一个星期之后,玻璃瓶里检测出了单糖、脂类和氨基酸等有机化合物,说明有机物完全可以在地球环境中自发产生,不需要借助上帝之手。
左为斯坦利·米勒,右为哈罗德·尤里
可惜的是,后来的研究表明地球早年间的大气成分和米勒-尤里实验的初始条件并不相同,那项实验很可能是错误的。
即使那个实验是正确的,从简单的有机物到复杂生命之间还隔着一条巨大的鸿沟,仅凭这类简单的玻璃瓶实验是无法跨越的。退一万步讲,即使两人在玻璃瓶里发现了原始生命,也不能证明地球生命就是这样进化出来的,这个问题必须通过一些基本的自然法则去倒推,才有可能得出可靠的结论。
下面,我们就从一些生命的基本法则开始倒推,看看我们到底能得出怎样的结论。
02
首先,让我们来定义一下什么是生命。
这个问题在宏观世界里非常简单,任何一个心智正常的成年人都能用肉眼区分出哪个东西是“活”的,哪个东西是“死”的。但在微观世界里,这样的区分就不太容易做到了,甚至连生物学家都不一定够格,必须请出化学家甚至物理学家,用更加基本的自然法则加以区分。
1943年,奥地利物理学家埃尔文·薛定谔(Erwin Schrödinger)出版了一本名为《生命是什么》的小册子,首次从物理学的角度定义了生命。
在他看来,生命最本质的特征就是它会从外部世界吸收“负熵”,用来对抗熵增的趋势,并把这个本事传递下去。
奥地利物理学家埃尔文·薛定谔
熵(Entropy)可以简单地理解为“衡量系统有序度”的物理量,一个系统越有序,熵值就越低。热力学第二定律规定,一个封闭系统的熵值一定会越来越大,所以该定律又名熵增定律。这是宇宙的最高原则之一,没有例外。
换句话说,任何封闭系统一定会变得越来越无序。我们的宇宙可以看做是一个巨大的封闭系统,所以总有一天宇宙会成为一个均匀的死寂状态,不再有任何有趣的事情发生。
生命显然是一个非常有序的东西,所以生命必须时时刻刻从外部吸收负熵(包括有序的物质营养和能量),并排出正熵(包括有形的废物和无形的热量),这个过程就叫做“新陈代谢”。这是我们定义“生命”和“非生命”的最高标准,有新陈代谢的才叫生命,反之都是死物。
按照这个标准,病毒不是完整的生命,只是生命的一种附属品而已。
如果把生命单独拎出来考察,它似乎是熵增原理的一个局部悖论。但如果把生命和它所处的环境当成一个整体来看待,那么生命的出现反而会加快这个整体的熵增速度,这是由反应动力学(Kinetics)所决定的。
举例来说,氧气和氢气不起反应地混在一起时的熵值较低,两者发生化学反应后变成水,熵值显著增加。按照熵增原理(或者更准确地说是热力学原理,Thermodynamics),两者应该会发生反应,但是反应动力学决定了两者之间的化学反应并不会自然发生,而是需要某些先决条件,比如高温或者电火花等等。如果这些条件不具备,两者甚至永远都不会反应,熵值始终增不上去。
从热力学的角度来分析,生命就是大自然进化出来的一种降低化学反应条件的东西(比如生物酶就是干这个的)。于是,在有生命的地方,很多原本不会发生的化学反应都能发生了,导致整体的熵增速度增加了。而生命则利用了这些生化反应所释放出来的能量,完成了自己的生长和繁殖,进而去催化更多的化学反应,这就是生命的热力学定义。
换句话说,生命本身看似违反了熵增定律,但如果把生命和其所处的环境合在一起来考虑的话,生命的出现反而是最符合熵增定律的一种自然现象。
写到这里必须补充一句:如果较真的话,前文那个关于熵的定义并不准确。比如你在一碗水中混入一些脂类分子,后者并不会均匀地分布到所有地方,而是会聚集成团。这个状态看似比均匀分布更有序,但却是熵值更高的一种状态,所以熵其实描述的是组成系统的微小颗粒们的行为概率。
某些情况下这些微小颗粒会自发地处于某种有序状态,这个现象叫做“自组织行为”。这里面的细节比较复杂,在此不做进一步讨论。但这个差别在讨论生命起源时非常重要,
因为生命的三要素之一“细胞膜”完全是可以在地球的“原始汤”中自发形成的,不需要借助任何外力。
可以通过自组织行为自发形成的细胞膜
生命的另外两个要素就是新陈代谢和遗传。1953年发生的另一件大事把遗传的重要性上升到前所未有的高度,这就是DNA双螺旋结构的发现。从那时开始,生物学研究就被DNA垄断了,导致很多人忽略了一点,那就是生命一刻也离不开能量,所以能量才是研究生命起源的关键所在。
03
科学家们很早就知道,地球上所有的生命活动都是依靠ATP分子来提供能量的,没有例外。有人将ATP比作生物界的钞票,但更准确的比喻是充电电池。ATP是充满电的状态,其携带的能量被用掉之后就会变为ADP,后者被运到“充电站”,加上一个磷酸基团,再次成为ATP。
每一个活着的人类细胞每分钟大约需要消耗1000万个ATP分子,这样算下来,一个人每天用掉的ATP分子大约和这个人的体重相当。但其实人体内的ATP分子总量只有大约60克,只不过它们平均每分钟充电两次,重复使用率极高。
从能量的角度来看,一个体重65公斤的人每天的能量消耗大致相当于一枚130瓦的灯泡,这个数字看上去似乎很低,但如果按照单位重量所释放的能量来计算,人比太阳高一万倍。如果你是熵的话,你肯定会非常高兴地看到生命被进化出来了,因为这将更好地满足你想要“增加”的欲望。
虽然ATP分子很早就被发现了,但其充电方式却一直是个谜。大多数科学家都认为细胞很可能是借助某种简单的氧化还原反应来为ATP充电的,因为食物就是通过氧化还原反应为我们提供能量的,这么做显然效率最高。但是,英国生化学家皮特·米切尔(Peter Mitchell)发现事实并非如此,ATP分子竟然是靠细胞膜两侧的电压差来充电的。

英国生化学家皮特·米切尔
具体来说,细胞膜两边的质子(Proton)浓度存在差异,外高内低,细胞膜是半通透的,质子从浓度高的一侧向浓度低的一侧移动,这就形成了一股电流。ATP合成酶是一种跨膜蛋白,它正是利用了这股电流所提供的能量,将ADP变为ATP,每10个质子通过膜时产生的能量可以用来生产3个ATP分子。
为了维持细胞膜两侧的质子浓度差异,细胞需要进食,吃进来的食物通过氧化还原反应,把细胞内越积越多的质子再一个个泵出去,以此来维持电压差。
米切尔早在1961年就在《自然》(Nature)杂志上发表了第一篇关于这件事的论文,大家看得一头雾水,
因为这个理论听上去太反常识了,人们不相信生命竟然会用如此之笨的办法来为细胞活动提供能量。

ATP和ADP之间的循环示意图
与此相反的是DNA双螺旋,那篇论文一经发表立刻引起轰动,因为大家只要看上一眼,立刻就能明白DNA为什么必须是这样的,那个双螺旋模型实在是太符合理论预期了。
英国伦敦大学学院的生化学家尼克·莱恩(Nick Lane)甚至认为,这是继达尔文的进化论之后人类所发现的最最反常识的事情。
莱恩教授于2015年出版了一本书,标题叫做
《至关重要的问题:为什么生命会如此?》(The Vital Questions:Why Is Life The Way It Is?)
。在这本书中,莱恩详细描述了米切尔那篇论文发表后发生的事情,生命诞生的奥秘和米切尔的发现有着密切的关系。

《至关重要的问题:为什么生命会如此?》英文版封面
04

虽然米切尔获得了1978年的诺贝尔化学奖,但他的这项发现始终让很多人感到费解。不过,在另一些人看来,生命之所以采取了这种奇怪的方式生产ATP,只能说明一个问题,那就是地球上最早的那个生命就是用的这个方法。要知道,能量供应对于生命而言实在是太重要了,一刻也不能停,所以此后的所有生命形式只能继续沿用这一方式,没有任何试错的余地,也就无法进化出更合理或者更高效的方法。
换句话说,地球生命很可能起源于一个具有天然质子浓度梯度的地方。
1970年代,潜水员们在太平洋上的加拉帕戈斯群岛(Galapagos,就是达尔文想出进化论的那个群岛)附近的海底发现了第一个“热液喷口”(Hydrothermal Vent,也有人翻译成深海热泉),这里的地壳比较薄,海水渗入地下,被岩浆加热后重新喷出海底,析出的金属和岩石成分不断堆积,形成了一座类似烟囱的结构,上面不断喷出黑色的气泡(Black Smoke)。
最令人惊讶的还不是这些“黑烟囱”本身,而是烟囱周围的漆黑海域竟然是一个生物多样性热点,潜水员们在这里发现了大量奇特的生物,绝大多数都是地球上其他地方没有的新物种。它们从海底喷出的各种气体中获得能量,并依靠这些能量合成出了各式各样的有机化合物。
米切尔的论文发表后,一位名叫根特·瓦特豪瑟(Günter Wächtershäuser)的德国化学家受此启发,首次提出这些喷口很可能就是生命的起源地,因为这里具备天然的质子浓度梯度。但是,这些黑色热液喷口的温度太高了,生命是没办法直接从这里诞生的,再加上其他一些技术原因,这个理论遭到了很多人的怀疑,没有流行开来。

1988年,一位名叫麦克尔·拉塞尔(Michael Russell)的美国地质学家在《自然》杂志上发表了一篇简短的读者来信,
首次提出“碱性热液喷口”(Alkaline Hydrothermal Vent)才是真正的生命发源地。
这类喷口不是海水和岩浆直接作用而成的,而是海水和地幔作用后的产物,其温度远较黑色热液喷口为低,更有可能诞生生命。

现在NASA喷气推进实验室工作的麦克尔·拉塞尔(左)和同事
拉塞尔最初是在一块距今已有3.5亿年的化石里发现这种结构的,他正确地猜出了这种结构的来源,并根据自己掌握的生物学知识,提出这种喷口最有可能是生命的发源地。
那篇读者来信发表后,也并没有引起太多人的重视。但一位名叫威廉·马丁(William Martin)的美国生化学家读到了这篇论文,深受启发,立刻运用自己扎实的生化基础知识,整理出了一套完整的化学反应方程式,为这套理论补充了大部分细节。

美国生化学家威廉·马丁
2000年,一群潜水员首次在大西洋中脊附近发现了一大群活跃的碱性热液喷口,它们状如烟囱,因此被命名为“失落之城”(Lost City)。实地考察证明拉塞尔的预言是正确的,这种喷口的确是由海水和炽热的岩石直接作用而成,所以从烟囱里喷出的气泡呈白色,温度大致在60°C-90°C之间。

上图左为“失落之城”的碱性热液喷口,右为喷黑气泡的普通高温热液喷口。两图左下角的白色标尺分别代表1米。
此后,拉塞尔、马丁和莱恩等人对“失落之城”的碱性热液喷口进行了细致的研究和分析,终于提出了一个近乎完美的理论,揭示了生命诞生的奥秘。
05
下面关于生命诞生过程的叙述大都来自前面提到的莱恩的那本划时代的著作。据说比尔·盖茨读完这本书后立刻出钱把远在英国的莱恩请到自己的办公室,当面向其请教,由此可见盖茨老师是多么地服气。

英国生化学家尼克·莱恩
莱恩则把主要功劳归于皮特·米切尔,认为自己书中涉及到的大部分理论都来自米切尔那充满洞见的发现。按照莱恩的说法,米切尔是少数几个具有大局观的科学家,他意识到生命和其所处的环境是密不可分的,两者必须结合起来加以研究。
米切尔提出的ATP合成理论颠覆了传统的“试管化学”研究范式,旧的范式把化学试剂一股脑地扔进试管,让它们相互反应,这样的化学反应是没有方向性的。只有米切尔意识到生命和周围环境之间是隔着一层膜的,两者之间的化学反应是有方向性的。最终证明他的这个思路是正确的,生命是一种有方向性的化学过程。
关于生命起源的解释,全都仰仗着这一洞见。
书中的这部分叙述相当复杂,我们只能简单地加以概括。在碱性热液喷口处,下沉的海水遇到炽热的地幔后,在铁和镁等金属元素的催化下释放出了大量的氢气。地球诞生初期的海水则因富含二氧化碳而呈酸性。于是,富含氢气的碱性热液顺着海底烟囱内部状如海绵的细小孔径一路向上,和周围酸性的海水形成了一个连绵不断的天然质子浓度梯度,为烟囱内的微环境提供了一个不间断的电源。

碱性热液喷口化石内部的剖面图
烟囱本身富含铁和硫,两者结合在一起后就变成了一种很好的催化剂。二氧化碳、氢气和水在硫化铁催化剂的作用下,利用质子梯度产生的源源不断的能量,合成出了蛋白质、脂肪酸和碳水化合物等组成生命的基本物质,并逐渐堆满了烟囱内的所有微空间,原始的新陈代谢就是在这种环境下开始启动的,这是一个有方向性的化学反应。
值得一提的是,除了质子浓度梯度之外,还有一个原始性状被保留了下来,这就是催化剂。绝大部分新陈代谢所需的最重要的酶的核心结构都是在蛋白质外壳包裹下的硫化铁,后者正是这些酶的催化反应中心,这说明新陈代谢所需的催化剂一直就是硫化铁,只不过现在以酶的形式存在而已。
所有新陈代谢都需要的ATP分子很可能就是在这一时期被进化出来的,而且最早的ATP分子的充电方式就是碱性热液喷口和周围海水之间的质子浓度差,这同样是一个有方向性的化学反应。
由于前文所说的原因,细胞膜是有可能在天然环境下自发产生的,于是一些脂肪酸自发聚集在一起,形成了细胞膜,代替了岩石缝隙所起到的隔离作用,成为细胞微环境和海洋大环境之间的分界,质子梯度则继续为细胞膜两侧提供电压差。
之后,某些进化出质子泵的微环境逐渐脱离海底烟囱的束缚,释放到海洋中,它们就是原始细胞的雏形。因为这些质子泵的存在,这些原始细胞不再需要海底热液了,它们可以从环境中吸收有机物作为燃料,自己为自己构建质子浓度梯度,继续为ATP充电。
第一个原始细胞“卢卡”就这样诞生了。

第一个原始细胞“卢卡”的示意图
结语

至于DNA的起源,目前还没有特别完美的解释,但大家倾向于认为,最早的遗传物质是RNA,它既可以负责为蛋白质编码,又可以担任酶的角色,自己复制自己。就这样,生命又进化出了基本的遗传结构,可以把大自然的创新记录下来并传播下去。
一旦进化出了遗传机制,达尔文的进化论便登场了。后来发生的事情几乎全都可以用进化论来解释,只有一件事例外,那就是线粒体的诞生。
而这,就是我明天要讲的内容。

作者档案
袁越

三联资深主笔,低调,低调。
26分钟前
三联生活周刊

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