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在某種意義上來說，是不平衡締造了生命，生命力就是負熵力。

所有美好和不美好都終將不可持續，你所要做的，就是盡全力感受這樣的動蕩，盡全力展現這樣的動蕩。

第六章 生命的起源

生命是如何在地球上誕生的？這是今日科學最令人興奮的一個領域——就像西部大荒野，充滿各式概念、理論、推測，甚至是數據，有待我們探索。這個領域的范圍太過龐大，在此無法就細節一一著手，所以我會將討論范圍限制在幾個和化學滲透性的重要性有關的觀察上。但為了幫助大家了解，且讓我先快速地說明一下這個問題。

生物的演化有很大一部分要仰賴天擇的力量——因而也要仰賴特質的遺傳，天擇才得以篩選。今日我們的遺傳基因是由DNA構成；但DNA是一種復雜的分子，不可能憑空出現。更何況，DNA在化學面上是沉睡的，沒有活力，這點我們在前言部分就曾提過。請回想一下，DNA除了編寫蛋白質的密碼之外，什么也沒做，就連這件任務也要靠一種比較活潑的中介物質RNA才能完成，各種形式的RNA會將DNA的密碼轉錄成蛋白質的胺基酸序列。大體上，蛋白質是實現生命的活性成分，它們有各色各樣的結構和功能，可以滿足生物體的多種需求——別以為這很簡單，即使是最簡單的生命形式，也有五花八門的需求。個別的蛋白質逐漸被天擇打磨成為可以滿足特定任務該有的樣子。而首要的任務，就是復制DNA，并用DNA當模板制造RNA，因為沒有遺傳的話天擇就無從進行；而蛋白質雖然有種種光榮事跡，其中卻不包括遺傳，它們結構上的重復性不夠，無法成為優質的遺傳密碼。因此遺傳密碼的起源成了一個雞生蛋還是蛋生雞的問題：蛋白質演化要靠DNA，但DNA又需要蛋白質才會出現。這一切究竟是怎么開始的呢？

今天這個領域的人大都接受一個答案：居中牽線的RNA曾經扮演過中心的角色。RNA分子比DNA來得簡單，化學家甚至可以在試管里把它拼湊出來，我們因此能夠相信，它或許曾在地球上或是在宇宙中自發性地形成。科學家曾在彗星上發現過許多有機分子，包括RNA的一些組成零件。RNA能以類似DNA的方式自行復制，因此成為一個可以被天擇篩選的復制性單位。它也可以直接拿來表現蛋白質（今天它的作用之一正是如此），因此它在模板和功能性間架上了一座橋梁。RNA跟DNA不一樣，不是沉睡的化學分子——它會折疊成復雜的形狀，并能催化某些化學反應，就像酶一樣（RNA構成的催化劑叫做核酶）。因此，鉆研生命起源的學者點出了一個初始的「RNA世界」。在這里，獨力自行復制的RNA分子受到天擇的篩選，慢慢累積復雜性，直到更強大，更有效率的組合（DNA和蛋白質）取代了它們。如果這趟短暫的巡禮勾起了你的興趣，使你胃口大開，我向你推薦杜維的《演化中的生命》，那會是絕佳的入門作品。

即便道個理論如此優雅，「RNA世界」仍有兩個嚴重的問題。第一，核酶的催化功能并不是很多，而且催化的效率也很一般，它們有能力實現這復雜的世界嗎？這里有個大大的問號。對我來說，與其拿它們來當原始催化劑，不如用礦物質還比較稱職。今天許多酶的中心位置都看得見金屬和礦物質的蹤跡，包括鐵、硫、錳、銅、鎂，和鋅。在這全部的案例中，催化酶反應的都是礦物質（專業術語叫輔基），而不是蛋白質。蛋白質能幫助提升效率，但無法導致反應發生。

更重要的是第二點，一個關于能量和熱力學的計算問題。復制RNA也是「功」的一種，因此需要能量的輸入。而RNA并不穩定，很容易被分解，因此經常會有能量的需求。這些能量是從哪來的呢？據天體生物學家所言，早期的地球上有豐富的能量來源，隕石撞擊、電暴、火山噴發的高熱，或是水面下的海底熱泉，以上只是一小部分。不過，很少有人討論這些種類各異的能量要怎么轉換成生命可以利用的形式——這些能量都無法被直接利用，到今天依舊如此。最合理的說法或許是過去數十年間曾一度流行的「原生湯」。各種形式的能量煮出了一鍋「原生湯」，再透過發酵作用轉換成生命可利用的形式。

原生湯的概念曾在五〇年代獲得實驗支持，當時米勒和尤里兩位研究人員以電極火花模擬閃電，將其導入含有氫氣、甲烷和氨的氣體混合物中，他們相信這些成分能夠代表地球早期的大氣環境。他們成功制造出豐富多樣的有機分子，包括一些生命的前驅物，比方說胺基酸。他們的概念之所以失寵，是因為沒有證據能夠證明地球大氣曾經含有這些成分，更遑論含量是否充足；而且現在我們認為當時的大氣氧化力較強，在那樣的大氣環境中要形成有機分子，比在實驗條件下困難多了。但彗星上發現的豐富有機素材又帶我們繞回原地。有許多的天體生物學家熱衷于把生命和宇宙扯上關系，他們主張原生湯可能是在外太空煮好的。然后，在距今四十五億到四十億年前之間，發生了長達五億年的大規模小行星轟炸（月球和地球就是在這次事件中被打出了滿身坑洞）。而這段期間，地球收到外太空慷慨饋贈的大量食物：原生湯。如果這樣的湯確實存在過，那或許生命是從發酵一鍋湯開始的。

然而，要把發酵作用當做最初的能量來源，還是會有一些問題。首先，正如我們所見，發酵作用不同于呼吸作用或光合作用，不會將質子泵送到膜的另一面。這造成了時間上的斷層問題。如果所有用來發酵的有機物全都來自外太空，那在四十億年前，小行星大轟炸結束之后，營養來源應該就會漸漸告罄。如果沒有在耗盡所有可用原料之前發明出光合作用，或是任何其他從元素制造有機物的方法，那生命就會慢慢走向消亡。而在這里我們就碰到了一個時間軸上的問題。化石證據的跡證顯示，地球上的生命至少在三十八億五千萬年前就出現了，而光合作用則是在三十五億年前到二十七億年前之間演化出來的（雖然最近有人質疑這些證據）。考慮發酵作用和光合作用之間的斷層（這之間甚至沒有任何中間步驟，看不到任何演化光合作用未果的失敗者），這長達數億甚至到十億年的空白，就顯得很尷尬。在沒有其他能量來源的情況下，光靠小行星送來的有機分子能撐這么久嗎？在我聽來不太可能，特別是考慮到當時沒有臭氧層，紫外線的照射很容易把復雜的有機物分解掉。

其次，如果你以為發酵作用簡單而原始，那你就錯了。這樣的認知反映出我們的偏見，以為微生物的生化反應很簡單，而這也是不對的；這種想法可以追溯到巴斯德的觀點，他將發酵作用描述成是「無氧的生機」，暗示了它的單純。但我們也曾看見巴斯德承認他對發酵作用的功能「毫無頭緒」，因此他不能下定論說它是簡單的。發酵作用至少需要一打的酶，而做為第一個，因此也會是唯一的能量供應方式，它可以被視為擁有不可化約的復雜性。我刻意使用了這個詞匯，因為曾有一些生化學家用這個字眼，來主張生命的演化需要造物者的指引——生命的復雜性無從簡化，必定是按照某種「智能設計」才有可能存在。我不同意這個觀點，任何演化生物學家也都不會，然而只要有反對意見，我們就必須解決，而且有些時候異議也反映出我們的問題。以發酵作用來說，在RNA世界，沒有其他能量供應的狀況下，要演化出這些環環相扣的酶，而且還形成一個有功能的單位，真的讓人很難想像。但是請注意，我特別強調了「沒有其他能量供應」。我們要尋找一個符合「可以化約的復雜」的能量生成方式。所以，我們要對付的問題，不是發酵作用怎么會在沒有其他能量來源的狀況下演化出來，而是幫助它演化的能量是從哪來的。如果光合作用在稍晚才出現，發酵作用又太復雜，不可能在沒有能量來源的狀況下自行演化，那我們還有呼吸作用可以列入考量。呼吸作用有辦法在早期地球演化出來嗎？一般人否定這個問題的理由是，原始地球上的氧氣非常少（請參考我的另一本書《氧：建構世界的分子》，其中有相關的討論），但這并不構成障礙。呼吸作用還有其他的形式，可以用硫酸鹽、硝酸鹽甚至鐵來取代氧——而這些作用都會泵送質子穿過膜。也因此，它們的基本機制和光合作用就更為接近，這暗示兩者之間有可能有中間步驟。請注意，這里我說呼吸作用的出現早于光合作用，就像沃柏格在一九三一年所提出的一樣。因此我們面臨了一個問題：呼吸作用也有「不可化約的復雜性」嗎？我會主張它不是，相反的，它幾乎是原始地球環境下不可避免的產物。但在研究這件事之前，我們要先繼續說明為什么發酵作用不是原始的能量來源，以下將進入最后一個，致命的反駁。

第三項反論，和地球上所有已知生物的最后共同祖先露卡（LUCA，Last Universal Common Ancestor的簡寫）的性質有關。一些有趣的數據指出，正統的發酵作用在露卡體內并不存在；如果發酵作用在露卡身上不存在，那便可以推測，自生命起源之后，凡是比露卡更早的生命形式，發酵作用也都不存在。這些數據的提供者是馬丁，我們在第一部曾見過他。當時我們正在研究生命的三域分類——古細菌、細菌，和真核生物。我們看到，真核生物幾乎確定是透過古細菌和細菌結合而誕生的。如果事實如此，那真核生物一定是三者之中相對比較晚近才演化出來的，而露卡就是細菌和古細菌兩者的最后共同祖先。馬丁便是采用了這個邏輯來思考發酵作用的起源。某種程度上，我們可以假設，細菌和古細菌所有共通的基本性質（例如通用的基因密碼），都是繼承自這名共同祖先；而所有主要差異，應該都是在那之后才演化出來的。例如光合作用（產生氧氣）只有在藍綠菌、藻類和植物身上發現。植物和藻類都只是沾光，它們行光合作用靠的是葉綠體，而葉綠體源自藍綠菌。因此我們可以說，光合作用是在藍綠菌身上演化出來的。最重要的是，光合作用沒有出現在任何古細菌，或是任何其他種類的細菌身上，所以我們可以推斷，光合作用的演化只發生在藍綠菌身上，而且發生在細菌和古細菌分家之后。

同樣的論點也可以套用到發酵作用。如果發酵作用是第一個演化出來的產能方法，那我們應該會在古細菌和細菌身上找到類似的生化途徑，就像我們可以在兩者身上看到通用的基因密碼一樣，都是繼承自兩者的共同祖先。相反的，如果發酵作用像光合作用一樣，是之后才演化的，發酵作用就不會同時出現在細菌和古細菌身上，只會在一部分的分類身上看到。所以結果如何呢？答案很有趣，因為古細菌和細菌雖然都能發酵，但用來催化每個步驟的酶卻不同。其中一些酶彼此之間完全沒有關系。如果古細菌和細菌不是用同樣的酶來進行發酵，那經典的發酵途徑，應該就是在兩域生物分家之后，才各自獨立演化出來的。以上這就表示露卡不會發酵，至少就我們今日所知是不會的。而如果它不會進行發酵，那它一定是從別處得到所需的能量。我們被迫第三次做出同樣的結論——發酵作用不是地球上最初的能量來源。生命必定是以別種方式開始的，原生湯的想法是錯的，就算它沒錯，也跟生命起源扯不上關系。

第一個細胞

如果泵送質子穿過膜就像我所主張的，是生命的根本，那么基于同樣的道理，它應該在細菌和古細菌身上都會存在。它確實是。細菌和古細菌都有呼吸鏈，呼吸鏈的組成也相似。兩者都利用呼吸鏈泵送質子到膜的另一側，產生質子驅動力。兩者同樣擁有ATP酶，其結構和功能基本上都很相似。

雖然在今天，呼吸作用比發酵作用復雜多了，但若是就兩者的本質做比較，它則是簡單多了：呼吸作用需要電子傳遞（基本上就是個氧化還原反應），一層膜，一個質子泵，和一個ATP酶；而發酵作用，需要至少十二個次第作用的酶。要在生命歷史的早期演化呼吸作用，主要的問題是它需要一層膜（米歇爾本人也有意識到這點，他曾于一九五六年，在莫斯科的一次演講中，討論過這點）。現代的細胞膜很復雜，很難想像它們能夠在一個只有RNA的世界里演化出來。當然，還有一些比較簡單的替代品。但這些替代品的問題是，大多數的東西都無法穿過它們滲透。沒有滲透性的膜會妨礙和外界的物質交換，進而阻礙代謝作用的進行，也因此扼殺了生命的可能性。已知露卡的呼吸作用似乎已有膜的出現，那我們是否可以從現代的古細菌和細菌身上推測，那是種什么樣的膜呢？

在二〇〇二年，馬丁以及格拉斯哥大學的羅素在倫敦皇家學會闡明了這個問題，而它的答案揭露了一個意義深重的驚人分水嶺。細菌和古細菌的細胞膜，都是由脂質構成，但除此之外，就沒有任何共通點了。細菌的膜脂質，是由疏水性（油性）的脂肪酸透過一種名為酯鍵的化學鍵，連接著親水性（喜歡水）的頭部所構成。相較之下，古細菌的膜脂質，是由異戊二烯這種分支狀的五碳單元體彼此相連所形成的聚合物。異戊二烯單元體形成無數的交叉鏈結，使古細菌的膜擁有細菌所沒有的堅硬質地。而且，這些異戊二烯鏈是用另一種化學鍵連接親水性的頭部，這種化學鍵稱為醚鍵。細菌和古細菌膜上的親水性頭部都是由磷酸甘油所構成，但分別使用了不同的鏡像異構物。彼此之間就像左右手的手套一樣，不能互換。你可能會覺得這樣的差別微不足道，但請記住，所有構成脂膜的成分，都是細胞運用特定的酶，經過復雜的生化途徑制造出來的。既然這些成分不同，制造它們時所需的酶也會不同，用來表現這些酶的基因因此也會不同。

細菌和古細菌的細胞膜在構造和基本成分上有著根本性的差異，因此馬丁和羅素得到了一個結論：最后共同祖先露卡不可能擁有脂膜。脂膜必定是它的后代后來各自演化出來的。可是如果它會實行化學滲透，就像我們所認為的那樣，那么露卡必定擁有某種膜，它才有辦法把質子泵送到特定一側。如果這層膜的成分不是脂質，那它會是由什么構成的呢？馬丁和羅素給了我們一個激進的答案：他們說，露卡可能擁有無機物的膜——一層薄薄的鐵硫礦物所形成的泡泡，圈出了一個極微極小的細胞，里面裝滿有機分子。

根據馬丁和羅素的說法，鐵硫礦物催化了最早的有機反應，制造出糖、胺基酸和核酸，最終，或許還制造出了稍早說過，可以受天擇篩選的「RNA世界」。他們的皇家學會論文對于當時可能發生的諸多反應，提出了詳細的見解；不過我們會把討論范圍控制在和能量有關的部分，而光是這個部分，就已經夠深奧了。

金甲部隊

黃鐵礦（愚人金）之類的鐵硫礦物可能曾在生命的起源中扮演某種角色，這樣的想法可以追溯到七〇年代，當時有人在海面下三公里處發現了「海底黑煙囪」。海底黑煙囪是深海熱泉的噴口——巨大，抖動的黑柱，在海底的高壓中被加熱到極致，向四周的海水翻騰著「黑煙」。這些「煙」的組成物包括火山氣體和礦物質，其中也含有鐵和硫化氫，它們會在環境水域中形成鐵硫礦物質的沉淀。最大的驚喜是煙囪里竟充滿了生命，雖然這里溫度和壓力都很高，而且位在絕對的黑暗里。這里有一個完整的生態系，欣欣向榮，它們從海底熱泉直接獲取能量，明顯不用依靠太陽。

鐵硫礦物有能力催化有機反應，它們今天仍在許多酶的輔基中（如硫鐵蛋白），實際進行著催化的功能。德國化學家魏特豪瑟（他同時也是一名專利律師）發展了一套理論：鐵硫礦物可能在生命的誕生中扮演了助產士的角色。它在地獄般的黑煙囪環境中，催化二氧化碳還原成豐饒的有機分子，迎來了生命。這一系列精采的論文在八〇年代末到九〇年代期間發表。一位學者曾經驚呼，閱讀這些文章時，感覺就像意外發現了一篇從二十一世紀末搭時光機來到當代的科學論文。

魏特豪瑟構思，這些最初的有機反應發生在鐵硫礦物的表面。他的想法似乎獲得了演化樹的支持，根據演化樹，超嗜熱生物（生長在高壓焦熱環境的微生物）不論是細菌或古細菌，都被劃歸在幾個最古老的分類之下。然而，不久前這種遺傳證據受到了杜維等人的質疑，而魏特豪瑟推測的反應也在熱力學的基礎上被拿出來批評。最重要的一點可能是，海底黑煙囪的故事沒有辦法解決稀釋的問題。前驅物一旦在結晶體的二維表面上完成了反應，它們便會脫離，不受約束地擴散到海洋深處。它們不受任何牽制，除非它們不脫離表面；然而要在礦物表面的固定位置演化出講求流動的生化循環，實在令人難以想像。

在八〇年代羅素提出了另一套想法，自此之后一直進行著修飾改良，并在最近開始和馬丁合作。羅素對巨大、兇惡的黑煙囪興趣比較低，他更有興趣的是那些活動較輕微的火山滲漏口。愛爾蘭的泰納有個高齡三億五千萬年的黃鐵礦礦床，該處就是這樣的一個滲漏口。這些礦物形成很多筆蓋大小的管狀構造，還有泡沫狀的沉積物，羅素推測，孵育最初生命的場所可能和這些礦物泡泡很相似。他說，這樣的泡泡，可能是兩種化學性質不同的液體混合時所產生的：一種是從地殼深處滲出，還原的、堿性的熱水；還有一種是含有二氧化碳和鐵鹽，相對氧化、相對酸性的上層海水。兩者混合的區域，會產生出形似顯微泡泡的膜狀鐵硫礦物沉淀，如黑煙硫鐵礦（Fes）。

這不只是個推測。羅素和他長久以來的合作者霍爾，在實驗室進行了模擬。羅素和霍爾將硫化鈉水溶液（代表從地球的臟腑滲出的熱泉液體）注入氯化鐵水溶液（代表早期的海洋）中，制造出一群顯微層級大小的泡泡，一個個都是由鐵硫礦物膜包裹而成（圖8）。這些泡泡有兩個引人注意的特征，使我相信羅素和霍爾思考的方向是正確的。第一，這些小泡細胞天生具備化學滲透性，外側比內側來得酸。這樣的情況和雅根朵夫—烏里維的實驗類似，當時這項實驗證明膜內外的pH值差異就足以生成ATP。既然羅素的小泡細胞天生具備pH梯度，那么只差在膜上裝個ATP酶就可以產生ATP，這在演化上當然會比變出整套有效的發酵途徑簡單不知幾千幾萬倍！如果走向生命起源的第一步，需要的不過是一個ATP酶，那即使瑞克很有先見之明地將ATP酶描述成「生物學的基本微粒」，他本人也不會料想到這竟有更深一層的含義。

圖8 擁有鐵硫細胞膜的原始細胞。

（a）來自愛爾蘭泰納，高齡三億六千萬年的古老鐵硫礦物（黃鐵礦），此為其薄層切面的電子顯微圖。

（b）將代表熱泉液體的硫化鈉（NaS）溶液，注入代表富含鐵的早期海洋的氯化鐵（FeCl2）溶液。電子顯微圖中顯示出實驗室模擬下形成的構造。

第二，泡泡膜上的鐵硫結晶能導電（今天仍存于線粒體膜上的鐵硫蛋白也是如此）。從地函涌上來的還原性液體富含電子，而相對氧化的海洋則缺乏電子，使得膜內外建立起數百毫伏特的電位差——這個數值和今天細菌膜上所帶的電壓頗為相似。這電壓會刺激電子穿過膜，從一個膜隔間流動到另一個。更重要的是，帶負電的電子流動，會吸引內側帶正電的質子，創造出一個質子泵機制。

鐵硫小泡不只提供了持續的能量來源，還可以被用來當做迷你的電化學反應器，催化基礎生化反應，并使反應產物集中起來，不致擴散。生命的基本建材，包括RNA、ADP、簡單的胺基酸和短肽鏈等等，可能都是借著鐵硫礦物（或許還有沉積黏土）所具備的催化特性，透過魏特豪瑟所描述的反應被制造出來的，但它有兩個好處是魏特豪瑟的黑煙囪所沒有的——有膜可以濃縮產物（防止它們遠遠擴散到海洋深處），而且有質子梯度可做為自然的能量來源。

生命

這一切聽起來難以置信嗎？上一章中我曾暗示，生命的起源沒有真核生物的演化那么不可能。想想現在發生在我們周圍的事情。這樣的環境條件在早期地球上肯定不會很稀奇。當時的火山活動推測是現在的十五倍。當時地殼更薄，海洋更淺，地球板塊才剛剛形成。當時地表一定到處都是火山滲漏口，更不用說是比較激烈的火山活動。只要地殼深處產生的火山液體以及海洋之間，在氧化還原態和酸堿度上有所差異，形成數百萬個鐵硫膜包成的微小細胞不是問題——而這個差異確實存在。

在羅素的設想中，早期的地球就是一個巨大的電化學電池，仰賴太陽的能量氧化海洋。紫外線會分解水并且氧化鐵。氫氣被從水分子中釋放出來，它們非常輕，地心引力抓不住它，因此便消散在宇宙中。相對于地函較為還原的狀態，海洋變得愈來愈氧化。根據化學的基本原理，兩者混合的區域勢必會形成天然的細胞，而這些細胞本身就具備了化學滲透和氧化還原這兩方面的梯度。當時潮汐變化很大，因為月亮剛形成時離地球比較近，引力也比較大，而海浪較大也會助長混合的進行。我們幾乎可以確定這樣的細胞確實在當時形成了，規模還很大。而且我們可以實際看到它們的地質學遺跡，出現在像泰納這樣的地方。從這里要進展到形成一只細菌還有很長的一段路，不過擁有這樣的條件是個好的開始。

在當時，這樣的必要條件不僅很有可能出現，而且還是穩定而持續存在的。形成這些條件唯一需要的就是太陽的力量，不用仰賴光合作用或發酵作用之類的麻煩發明。太陽要做的只是氧化海洋，而我們知道它一定會。天體生物學家考慮了各式各樣的能量形式——小行星撞擊、地熱、閃電——奇怪的是，太陽的力量雖然在史前神話中常常出現，卻時常被科學家忽略。正如杰出的微生物學家哈洛，在他的經典文章〈左右生命的力量〉（我替第二部下了同樣的標題，向他致敬）里所說：「我們不禁懷疑，這遍布地球的能量巨河，在生物學中扮演的角色，比當代哲學所知的還要更重要：這傾盆而來的力量或許不只是讓生命得以演化，還從虛無中召喚了它的出現。」

數十億年來，太陽提供穩定的能量來源，替我們償還虧欠熱力學第二定律的債務。它創造了化學上的不平衡，并促使了天然的化學滲透性細胞形成。這些細胞的原始風貌，依然忠實地重現在今天所有細胞的基本性質上。有機的細胞和無機的細胞，都是靠著一層膜界定出它們的范圍，實質地圈起細胞的有機成分，不讓它們擴散到海洋中。它們兩者的化學反應都由礦物質進行催化（礦物質在今天是以輔基的身分被嵌在酶中）。對兩者來說，膜既是屏障，也是能量的載體。兩者都是靠一種化學滲透梯度——外側是酸性帶正電；內側則相對堿性，帶負電——取得能量。兩者都是靠氧化還原反應、電子傳遞，和質子泵來重建梯度。當細菌和古細菌終于離開它們的托育所，朝廣闊的海洋展開冒險時，它們身上都帶著彰顯自己的出身，不容錯認的印記。今天它們仍驕傲地展示著這個印記。

然而這個呼應生命起源的印痕，也是生命最重大的限制。我們可能會想問，為什么細菌沒有演化成細菌以外的東西？為何細菌演化了四十億年，卻從未成功產生一個真正擁有多細胞，有智慧的細菌？說得更精確一點，為什么真核生物的演化是由古細菌和細菌結合而完成，而不能只由某一支有優勢的古細菌或細菌，逐步累積復雜度就辦得到的呢？在第三章里，這存在已久的謎題將會獲得解答，我們也將從化學滲透這種產能方式的基本特質之中，明白為何真核的血脈能以驚人的勢態開枝散葉，發展出植物和動物。

2024-07-06 16:35:47