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什么是活著？

它是一個冷血的殺手，身懷精心算計好的熟練技巧，這可是磨練了數百萬年的成果。它可以干擾生物復雜的免疫監視系統，也可以像個雙面諜一樣，悄然隱身在背景中，毫不引人注意。它可以辨認細胞表面的各種蛋白質，像個內部工作人員一樣的貼上去，打開進入細胞內部圣堂的入口后，精準無誤的直驅細胞核，讓自己混入宿主的DNA中。有的時候，它可以匿跡其中不動聲色好幾年；其他時候，則會毫不猶豫地出手，破壞宿主的生化系統，利用它來復制出好幾千個自己的替身。它會將這些替身穿上偽裝的脂質與蛋白質，把它們運送到細胞表面，撐破細胞而出，讓它們開始重新開始另一輪狡獪的破壞攻擊。它們可以只把細胞一個接著一個殺掉，也可以造成毀滅性大流行，把人類一個接著一個地殺死。又或者，可以在一夜之間，瓦解海洋中蔓延幾百公里的藻華。盡管大部分的生物學家，都不把這些「病毒」（virus ）視為有生命的，但是它們可是一點也不在乎。

為何我們不認為病毒是「活著」的？因為它們沒有獨立而主動的代謝機能，必須完全仰賴宿主。這就帶給我們一個問題：代謝能力，是生命必要的屬性嗎？大家都會不假思索的說：「是」，但是為什么？若說病毒使用環境中唾手可及的材料，來自我復制，我們又何嘗不是？我們吃其他的動物與植物，呼吸空氣中的氧氣。一旦把人類與環境隔絕，舉例來說，把一個塑膠袋套在頭上好了，那我們最多只能活幾分鐘而已。論者大可說，我們也跟病毒一樣，是寄生于環境之中。植物也是如此。植物依賴我們的程度，其實跟我們依賴它們的程度差不多。為了要透過光合作用來制造有機分子，讓自己生長，植物需要陽光、水跟二氧化碳（CO2 ）。不毛的沙漠跟陰暗的洞穴，都不適合植物生長；同樣的，缺少二氧化碳，植物也無法生長。植物之所以從不缺乏二氧化碳的原因，是因為動物（以及真菌還有數種細菌），會持續地消化有機分子，把它們打碎、燃燒，最后形成二氧化碳，釋放回大氣中。人類大量燃燒消耗化石燃料，會為整個星球帶來可怕的后果，但是對植物而言，它們卻會非常感激，因為愈多的二氧化碳代表愈多生長。所以，植物也跟我們一樣，寄生于它們的環境之中。

從這個觀點來看，動物、植物跟病毒之間的異同，不過就是受惠于環境多少而已。在我們細胞里面，病毒可是像回到溫暖的子宮里面一樣受盡寵愛，這個世界，可以提供任何它想要的東西。因為周圍環境中的資源是如此豐富，病毒可以讓自己簡化到不可思議的地步，梅達瓦爵士（Peter Medawar ）曾這樣形容病毒：「就只是一片蛋白質外衣里面，包著一條壞消息而已。」與病毒完全相反的例子是植物，它們對周遭的環境需求非常少。只要有陽光、空氣跟水，植物幾乎可以在任何一個地方生存。為了要達到降低環境需求，驅使它們的內部系統就變得極為精致化。從生化學的角度來看，植物甚至可以從空氣中擷取稀薄的原料，合成所有生長所需的物質。至于我們人類，則是介于兩者之間。除了日常進食的需求以外，我們的飲食中還必須含有幾種特定的維生素，如果沒有的話，我們可能會死于像是壞血病這種可怕的疾病。人類沒有辦法從一些簡單的母質中，自行合成維生素，因為在演化的過程中，我們喪失了生物祖先從原料合成維生素的整套生化工廠。如果沒有外部支援維生素的話，我們也會像失去宿主的病毒一樣，走向毀滅。

所以我們一樣需要環境的支援，問題只是，有多需要？事實上，病毒跟某些寄生性DNA的關系，非常復雜。這些DNA的寄生蟲，像反轉錄轉位子（retrotransposon ，又叫跳躍基因，jumping genes ）這類的片段，總是讓宿主睡不安寧，因為它們會自我復制，隨意安插在宿主基因體里任一處。還有像質體（plasmid ）這種獨立的環狀DNA ，只帶著極少基因，可以從一個細菌直接傳給另一個細菌（透過非常小的連接管），因此可以完全無視外在環境。那么，反轉錄轉位子、質體，還有病毒，它們算是活著的嗎？它們全部都為了復制自己，會施展「目的性」十足的詭計，占盡周圍生物環境的便宜。很顯然地，在「活性的」與「沒有生命」之間，是一段連續的光譜，硬要去畫出一條界線，其實并沒有意義。大部分人對于生命的定義，都著重在生物本身，而傾向忽略生命對環境的寄生性。比如美國太空總署對生命的「工作定義」就說：「生命是能夠自給自足、同時進行達爾文式演化的化學系統。」這包不包含病毒呢？大概沒有吧。不過這要看你如何解讀那段模棱兩可的「自給自足」。不過不管如何解讀，似乎都沒有強調，生命對于環境的依賴性。環境，從本質上來講，是自外于生命的；然而我們將會看到，事實上根本不是這樣，環境與生命，永遠是攜手并進的。

如果把生命跟它賴以為生的環境切斷，會發生什么事？我們會死亡，還用說嗎？我們不是活著，就是死掉。不過其實也并非總是如此。當病毒離開宿主細胞，缺少資源時，它們并不會馬上腐壞然后「死亡」；事實上，病毒對外面世界的破壞，還滿有抵抗力的。在每一毫升海水里面，病毒的數量是細菌的十倍之多，它們就靜靜的浮在那里，等待適當時機到來。病毒抵抗腐化的能力，跟細菌的孢子很像；孢子可以長達數年之久，維持著讓任何生命跡象都暫停的狀態。孢子也可以存活在永凍層中好幾千年、甚至可以活在外太空中，而新陳代謝完全停滯。它們還不是唯一有這種能耐的東西，很多種子也可以，甚至一些動物如緩步動物（tardigrades ），也可以忍受極端環境，比如像完全脫水干燥的地方、輻射劑量高達人類致死劑量數千倍的情況下、深海底下壓力極大的環境，或是完全真空的太空中；這些地方，一樣既沒有水也沒有食物（譯注：緩步動物屬于緩步動物門，一般又俗稱水熊蟲）。

為什么病毒、孢子跟緩步動物，不遵守大自然的法則，由熱力學第二定律所主宰的，因腐化而碎成一片片呢？或許，如果它們被宇宙射線直接烤焦，或是被公車碾過去，也是會碎成片片；但是在其他的情況下，它們卻可以穩定地維持著無生命狀態。這或許解釋了一些，關于「生命」跟「活著」之間的差異。確切的說，孢子并不算是活著的，即使大部分的生物學家，都會認為它是「有生命的」，因為它們仍保有活過來的潛力。因為它們會活過來，所以它們沒有死。因此，我認為我們對病毒，也應該一視同仁，因為一旦回到合適的環境下，病毒也可以馬上開始自我復制。緩步動物也一樣，生命跟身體結構比較有關（而結構一部分是由基因跟演化所決定）；但是要活著，也就是要有生長跟繁殖等行為，則跟環境比較有關；那是環境如何跟身體結構互動的問題。對于基因如何編碼出細胞的各種成分，我們知之甚詳，然而，對于物理性限制，如何主宰細胞的構造跟演化，卻知之甚少。

能量、熵，以及構造

熱力學第二定律主張，熵，也就是系統混亂的狀態，只增不減。因此乍看之下，孢子或是病毒可以處于這么穩定的狀態，實在非常奇怪。熵跟生命不一樣，熵有非常準確的定義，也可以測量（如果你要問的話，它的單位是焦耳／絕對溫度／莫耳）。假設我們拿一顆孢子，把它磨成粉，把它磨碎到分子狀態，再去測量它的熵是否改變。結果呢？熵必定會增加吧？原本是一個完美有秩序的系統、是一個一旦找到合適的環境，就可以活過來的狀態，現在卻變成毫無功能的碎片，根據定義，現在應該是「高熵」。但是其實不是！根據生物能量學家巴特利（Edwin H. Battley ）的精心測量，熵幾乎沒有改變！這是因為，要計算熵的話，除了孢子以外，還有其他東西必須考量；我們必須把環境也考慮進去，而環境中也有一定程度的混亂。

孢子是由相互作用、卻又配合得恰到好處的部分所組成。它被一層油性膜（脂質）包覆著，把水分很自然的隔絕在外；這是不同分子之間的交互作用力使然。如果你把油性的脂質跟水混在一起，搖晃一下，脂質會自然地聚集成一種脂雙層的膜狀構造，形成許多小滴，把水包在小滴里面；為何會如此？因為這是它們最穩定的狀態（譯注：脂雙層（lipid bilayers ）是脂質形成的雙層構造，跟第一章提到細胞核的雙層膜（nuclear membrane ）不一樣。第一章提到的雙層膜，每一層都是一片脂雙層）。同樣的道理，漂在海上的浮油，也會自然形成薄薄的一層膜，蓋在海面上，綿延好幾平方公里，造成嚴重的生態浩劫。我們常說，水跟油不互溶，這是因為分子之間的斥力與拉力，讓它們比較喜歡跟自己人在一起，而不愿意跟對方互動。蛋白質也有類似的性質：帶電比較多的蛋白質分子，會溶于水；不帶電的蛋白質溶于油，這時我們會說它有「疏水性」（hydrophobic ），意思其實就是說它們「討厭水」。當油分子自己聚集在一起，或是當帶電的蛋白質分子溶于水時，會釋放出能量：這時候的物質，在物理上就處于一種穩定而低能量的「舒適」狀態。能量會以熱的形式釋放出來，而所謂的熱，就是分子運動、互相碰撞，也就是分子失序的狀態。這就是熵。因此，當油水自動分離時，會釋放出熱量，增加周圍的熵。所以，若是從整體的熵來看，考慮所有分子之間的互動，當細胞被排列整齊的油性膜圍繞時，雖然整體看起來比較有秩序，但是其實比起互相不溶的分子隨意排列，要有更高的熵。

把孢子磨碎，整體的熵卻幾乎不會增加。那是因為，雖然壓碎的孢子本身處于混亂的狀態，但是它每個成分，現在的能量卻比以前更高：油跟水混在一起、互不相溶的蛋白質被硬塞在一起，要維持這種從物理上來看「不舒服」的狀態，需要消耗能量。如果物理上舒適的狀態，會讓分子把能量以熱的形式，釋放到環境中，那么不舒適的狀態，則會反其道而行：它們要從環境中吸收能量，冷卻環境并降低熵。在恐怖故事作家筆下那些令人打冷顫的情節，就很有這種味道：鬼魂、惡靈以及催狂魔，都會瞬間讓周圍環境變冷，甚至結凍；它們會吸走所有能量，來維持它們違反自然的存在。

在孢子的例子里，當把所有條件都納入考慮，整體的熵幾乎不改變。從分子的角度來看，形成了聚合物，可以將局部的能量降到最低，多余的能量，都會以熱的形式，釋放到周圍環境中，增加環境中的熵。所以，蛋白質一般都會自己折疊成能量最低的形狀：它們會把疏水的部分包在里面，遠離會跟水接觸的表面。帶電的部分，會互相吸引或排斥，比如帶正電的部分，會被帶負電的部分固定住，這樣可以維持三維結構的穩定性。因此，蛋白質總是會自動扭曲成特定的形狀，雖然，有時候未必是好事。比如普里昂蛋白（prions ，譯注：造成狂牛癥跟人類庫賈氏癥的病原），就是本來完全正常的蛋白質，經過重新折疊之后，變成半晶質的構造；這個構造又可以作為模板，繼續去折疊其他正常的普里昂蛋白，而整體的熵幾乎一樣。一個蛋白質，可能會有好幾種折疊法，都處于穩定狀態，但其中只有一種對細胞來說有用；可是從熵的角度來看，這幾種折法幾乎沒有差異。或許，最令人驚訝的事實，莫過于一大鍋散亂的氨基酸（組成蛋白質的材料），跟折疊好整齊漂亮的蛋白質成品，在熵上面，也幾乎沒有差異。解開蛋白質，讓它們回到原本滿鍋的氨基酸狀態，雖然會增加熵，但是，這樣也會讓疏水性氨基酸暴露在水中；這種違反自然的不舒服狀態，會吸收環境里的熱能，跟剛才一樣，或許我們可以稱其為「惡靈效應」。不過如果要說生命處于低熵狀態，也就是說，比一鍋散亂的原料，要來的更有組織，其實也并不完全正確。生命會有規則跟組織，其實并不僅僅只是因為環境中的熵增加了而已。

所以，當薛丁格說，生命從環境中「吸吮」負熵的時候，他的意思是，生命吸收了環境中的「秩序」。然而，即使一堆氨基酸跟折疊好的蛋白質，都有一模一樣的熵，仍然有兩個問題，讓氨基酸未必會形成蛋白質，所以還需要加入額外的能量才行。

首先，一堆氨基酸不會自動自發地接在一起，形成一條長鏈。蛋白質雖然是氨基酸長鏈，但是氨基酸本身反應性并不好。細胞要先活化它們，才有辦法把它們接起來。只有活化了之后，氨基酸才會接成一串鏈子。連接起來的氨基酸，會釋放出跟剛剛活化時差不多的能量，因此，反應前后的熵會差不多一樣。當蛋白質折疊起來的時候，能量會以熱的形式散逸到環境中，增加周圍的熵。因此，在反應前后兩個相等的穩定態之間，有著一道能量障壁（energy barrier）。這個意思代表了，要形成蛋白質并不容易，但是要降解它們也不容易。要經過一番努力（用消化酵素），才能把蛋白質拆回原來的零件。我們必須要知道，有機分子傾向彼此作用、去形成一個像是蛋白質、DNA或是細胞膜之類的大分子，其實并不比火山巖漿在冷卻后形成礦物結晶，要來得神秘到哪去。如果有足夠具有反應性的材料，形成那些大分子，將會是萬物最穩定的狀態。真正的問題其實是，這些有反應性的材料，來自何處？

這就是第二個問題了。就算在今日的環境下，要找到一堆活化過氨基酸，也不容易。如果放著不動的話，活化的氨基酸會慢慢跟氧氣作用（也就是「氧化作用」），然后變成一堆混合氣體，像是二氧化碳、氮氣、二氧化硫，還有水蒸氣等。這也就是說，要形成氨基酸，首先要灌注能量進去，而當它們降解的時候，會把這些能量釋放出來。這也是為何即使饑餓了好一段時間，我們仍然可以借著把肌肉里面的蛋白質分解，當作燃料使用來生存。這些能量并非來自蛋白質本身，而是來自燃燒蛋白質的零件，也就是氨基酸。因此，種子、孢子還有病毒，在今日這個充滿氧氣的世界中，其實并非全然穩定。隨著時間過去，它們的組成分子，會慢慢地跟氧氣反應（也就是氧化反應），長此以往，會漸漸侵蝕它們的結構與功能，最終讓它們即使到了適當的環境中，也無法回春發芽。這樣，種子就死了。不過假設改變大氣組成，將氧氣完全隔絕開來，它們確實可以永遠維持穩定。在這個全球產氧的環境中，有機物其實是「失去化學平衡」的，它們平常傾向被氧化，除非我們主動地阻止氧化反應（不過在下一章里面，你會看到其實并非總是如此）。

所以在正常情況下（有氧氣存在時），要從簡單的分子，像是二氧化碳跟氫氣，去合成生物原料像是氨基酸、核苷酸，需要消耗能量。接著，又要再消耗能量，去把它們連接起來，形成長鏈聚合物（氨基酸變成蛋白質，核苷酸變成DNA ）。在這些反應的前后，熵的改變極小。合成新的材料，把它們連起來，生長，復制，這樣才算是活著。生長，同時也代表了要主動把細胞里各種資源，運進運出。所有這些行為，都需要持續的能量流動，也就是薛丁格說的「自由能」。他所提出的方程式，是一個既經典又簡單的。這方程式將熵與熱跟自由能連結在一起：

Δ G = Δ H – T Δ S

這些符號代表什么意思？三角形的希臘字母Δ（delta ）代表了變化。Δ G就是「吉布斯自由能」（Gibbs free energy ）的變化。這個名字，是根據十九世紀偉大卻避世隱居的美國物理學家吉布斯（J. Willard Gibbs ）來命名。這是一種「自由」的能量，可以用來作機械功，比如讓肌肉收縮，或是任何細胞內部的運動，皆屬此類。Δ H則代表了熱量改變，熱量會被釋放到周圍環境中，加熱它們，同時增加熵。一個會放出熱量的反應，必定會讓反應系統本身冷卻，因為現在系統里的能量比反應前要少。所以，當能量釋放出來之后，從反應系統的角度來看，Δ H會是負值。T就是溫度，它的重要性視環境而定。將熱量釋放到較冷的環境中，對這個環境影響很大，同樣的熱量，釋放到較溫暖的環境中，影響就比較小，這是因為同樣的熱量，相對于冷的環境來說，是比較大的輸入。最后，Δ S就是系統里面熵的變化。當系統的熵減少、變得比較有秩序時，Δ S是負值；反之則是正值，系統也變得混亂。

基本上，任何自發性的反應，它的自由能變化Δ G ，必定是負值。對于維持生命所需的各項生化反應，加總起來之后，也必須如此。這也就是說，只有當Δ G是負值時，反應才會自動發生。要達成這個目標，或者系統中的熵要增加（系統要變得更為混亂），或者系統必須失去能量（以熱的形式），或者兩件事同時發生才行。既然如此，當系統放出大量的熱到周圍環境中，系統的Δ H呈現極大的負值時，局部的熵是可以增加的（系統內變得更為有秩序）。最重要的一點就是，要驅動生長與繁殖（而這就是生命！），一定會有一些反應，持續地將熱量釋放到環境中，讓外界更為失序。想想看天上的星星，為了維持自身有秩序的存在，它們必須釋放出大量的熱到宇宙中。至于我們，為了維持生存，我們必須持續藉由呼吸作用釋放產生的熱量。我們持續利用氧氣燃燒食物，排熱到環境中。這些損失的熱量并非浪費，它們是維持生命所必需。喪失的熱量愈多，生物才愈可能變得復雜 。

情況適合的話，細胞里面所有的反應，都會是自發的，也都會自己發生，Δ G將永遠是負值。從能量的角度來看，這一直都是能量下坡。然而，這也表示反應起點的條件，必須非常高。就制造一個蛋白質來說，這難以達成的起點，就是必須在很小的空間里，收集到足夠活化的氨基酸。當它們連接起來并且折疊成蛋白質時，會釋放出能量，增加環境中的熵。其實活化的氨基酸，只要有足夠、適當且被活化的前驅物，是有可能自動生成的。而這些足夠、適當且被活化的前驅物，只要在一個高度反應性的環境中，也可以自動合成。所以到頭來，生長的力量，其實是來自環境中的反應性，這股力量不間斷地流過活生生的細胞。對我們來說，這股力量就是食物與氧氣，對植物來說，就是光線中的光子。活細胞利用這股持續不斷的能量流，一邊生長，一邊抵抗傾向分解的命運。它們利用各種精巧的構造，來完成這些工作，而這些結構，基因決定了其中一部分。不管這些構造是什么，它們就是生長與繁殖的成果，也是天擇與演化的成品。可是如果沒有環境持續供應能量流的話，這些都不可能發生。

生物能量的范圍相當狹窄，令人好奇

生物需要大量的能量來支持他們的生存。所有生物都使用的能量「貨幣」，是一個叫做ATP的分子，這是三磷酸腺苷（adenosine triphosphate ）的縮寫（不過你們不需要去記這個名字）。ATP作用的方式，就像硬幣之于吃角子老虎機一樣。它可以讓吃角子老虎機運作一次，然后機器會馬上停止。這臺「機器」，通常是一個蛋白質。ATP會改變機器的狀態，有點像是把開關往上或往下推。對蛋白質而言，這個改變，通常是將它從一種穩定的狀態，變形到另一種狀態。要推回去的話，需要第二個ATP，就好像你要再投入第二枚硬幣，才能讓吃角子老虎機再動一次。想像一下，把細胞當成一座大游樂場，里面全部都是蛋白質機器，靠著持續投入硬幣運作。一顆細胞，每一秒鐘大約要消耗一千萬枚ATP硬幣呢！這是很驚人的數字。人體大約有四十兆個細胞，全部加起來的話，我們一天要用掉六十到一百公斤重的ATP分子！這大約跟我們的體重差不多重了。但是事實上，我們全身大概只有六十克的ATP ，因此可以計算出，每個ATP ，大約每一分鐘會被「重新充電」一到兩次。

重新充電是什么意思？當ATP被劈開的時候，會釋放出自由能，可以改變蛋白質的形狀，同時也釋放出足夠的熱能，讓Δ G維持負值。ATP通常會裂解成大小兩部分，大的叫做ADP （adenosine diphosphate ，二磷酸腺苷），小的是無機磷酸鹽（PO43- ）。無機磷酸鹽就是肥料的成分，通常也寫作Pi 。因此，要把Pi跟ADP重新組合成ATP ，需要消耗能量。呼吸作用，也就是用氧氣燃燒食物，所產生的能量，就是用來把ADP跟Pi重新組合成ATP 。這就是幫ATP充電。這個永無止境的循環，可以寫成下面這個簡單的方程式：

ADP + Pi +能量⇆ ATP

跟其他生物比起來，人類并沒有什么特別的。像大腸菌這樣的細菌，每二十分鐘就可以分裂一次，供應它們每分裂一次所需的燃料，大約是五百億個ATP ，這約是大腸菌自身重量的五十到一百倍呢！它們合成ATP的速率，也比人類細胞快了四倍之多。如果把這些能量，用瓦特來表示的話，數字也同樣驚人：我們每一克組織，要用掉兩毫瓦的能量，如果以平均成人重量六十五公斤來算，就是一百三十瓦，大約比一般一百瓦的燈泡，要多一點點。這看起來好像并不多，但是如果從每克組織來看，這數量可比太陽放出的，多了一萬倍（太陽只有很小一部分，無時無刻不在進行著核融合反應）。與其說生命是燃燒的蠟燭，還不如說是一座火箭發射器。

從純理論的觀點來看，生命一點也不神秘。它并沒有違反任何一條自然律。每一秒鐘流過細胞的能量，雖然極為龐大，但是同時間從太陽──以陽光的形式──傾瀉到地球上的能量，卻又比這些能量高了好幾個數量級（因為太陽實在是太大了，所以盡管每一克的能量比較低，總量還是很大）。只要這些能量，能分出一小部分，來驅動生化反應，任誰都會認為，生命應該可以透過任何一種形式來運作吧？在上一章中，我們提過了，遺傳資訊似乎沒有什么基本限制；關于能量也一樣，只要量夠的話，如何使用似乎也沒有任何基本限制。然而事實上卻是，地球上的生命，嚴重地受到能量的限制，這才是最令人訝異的地方。

關于生命與能量的關系，有兩件事情相當出人意料。首先，所有細胞的能量，都是來自于一種相當特殊的化學反應，我們稱為氧化還原（redox ）反應，它的特征，就是電子從一個分子跑到另一個分子身上。氧化還原反應，其實是「氧化反應與還原反應」兩者一起。它只是一個電子或多個電子，從一個供應者轉移到一個接受者身上的反應。當供應者丟出電子時，我們說它被氧化了。這正是像鐵這樣的物質，跟氧氣結合時所發生的反應：它們把電子傳給氧氣，讓自己被氧化成鐵銹。在生銹的例子里，接受電子的物質是氧氣，我們說它被還原了。在呼吸跟燃燒的反應里面，氧氣（O2 ）被還原成水（H2O ），因為每一個氧原子，都會得到一對電子（讓它們變成O2- ），再加上兩個質子，把電荷平衡到零。這反應之所以可以發生，因為在反應過程中會放出熱，增加外界的熵。其實所有的化學反應，最終都會降低反應系統自己的能量，同時增加環境里的熱量；鐵或是食物跟氧氣的反應，就是最好的例子，它們會放出大量的熱（跟火一樣）。呼吸作用會把反應所釋放出來的能量，以ATP的形式，短暫地保留一部分下來，直到ATP再度裂解為止。ATP的能量，被儲存在ADP-Pi的鍵結中，當這個鍵結斷裂開時，能量就以熱的形式釋放出來。所以到頭來，呼吸作用跟燃燒，所放出的能量是一樣的，而介于兩者之間，稍許延遲的，就是我們所稱為生命。

因為電子跟質子，常常用這種方式結合在一起（但有例外），因此還原反應，也常常被定義成：氫原子的轉移過程。但是其實從電子的角度來考慮，會比較容易理解還原反應。一系列的氧化還原反應連在一起的話，就像是把電子，從連成一串的攜帶者手中，一個一個傳下去；這跟電子在電線里面流動，其實相差無幾。呼吸作用就是如此：食物中的電子，并不會一下子就傳給氧氣，否則能量就會一下子全部被釋放出來了。它會先被傳給一個「踏腳石」分子，這個分子，通常是一種叫作鐵硫簇（iron-sulphur cluster ）的小小無機結晶，里面有一個帶正電荷的鐵離子（Fe3+ ）；好幾個鐵硫簇，嵌在一個呼吸蛋白質中。

從第一個開始，電子會跳到下一個構造類似的鐵硫簇，不過這次這個結晶比上一個又更「想要」電子。當電子從一個結晶跳到下一個結晶時，每個結晶都會輪流先被還原（先接受電子，Fe3+變成Fe2+ ），然后再被氧化（失去電子之后，Fe2+變回成Fe3+ ）。在這樣跳過至少十五次之后，電子最后才會被傳到氧氣手中。各種生物生長的方式，像是植物的光合作用，與動物的呼吸作用，乍看之下好像沒什么共通點；但是細細檢視之后，會發現它們基本上都使用這種把電子傳來傳去的「呼吸鏈」系統。為什么會這樣呢？生命理當可以由熱能或是機械能驅動，或者是由輻射能、電能、紫外線……等能量驅動。可能性如此之多，但是所有生命，卻都是由透過極為相似的呼吸鏈，由氧化還原反應所驅動。

生命與能量第二件出人意料的事情，則是關于這些能量，如何被鎖在ATP分子鍵結中的詳細機制。生命并不直接使用化學能，相反的，它們在一張薄膜兩側，制造質子的濃度梯度，然后去合成ATP 。等一下我們再來看看，這個機制是如何運作，以及它所代表的意義。現在先想想，還記得之前提過，這個奇怪的機制，完全超出科學家的預期嗎？根據分子生物學家歐戈（Leslie E. Orgel ）的說法：這是自達爾文以降，最反直覺的想法了。今天我們對于質子梯度如何形成、如何維持、分子機制為何，早已了若指掌。我們也知道，使用質子梯度，是地球上所有生物的共通點，利用質子發電，幾乎就跟通用遺傳密碼DNA一樣，是生命最基本的模式。但是對于這個機制如何演化出來，我們卻一無所知。看起來，不知道為什么，地球上的生命，似乎選擇了一種，非常局限又詭異的產能機制。這個機制反映的是歷史的怪僻？抑或是這個機制，因為比其他機制要優秀太多，以至于后來勝出？或者，更令人好奇的是，難不成這是唯一的出路？

讓我們假想搖搖晃晃的跑進身體里面，拿心肌細胞為例好了，看看到底發生了什么事。這些細胞，靠的是從線粒體這種細胞的發電廠，源源不絕流出來的ATP ，維持規律的收縮。想像自己縮小成跟ATP分子一樣大，從線粒體外膜上面一個比較大一點的蛋白質孔洞跑進去。你會發現自己身處于一個狹小的封閉空間中，像在輪船的輪機室一樣，里面塞滿了拼命運作的發燙蛋白質機器，一直綿延到視線的盡頭。地面上則不斷地冒著泡，許多像小球一樣的東西，從這些機器里面射出來，但是在轉瞬之間就消失無蹤。這些就是質子，是帶著正電的氫原子核！整個空間到處都是這些忽悠即逝的質子，快得讓你幾乎看不到。現在從這些巨大的蛋白質機器中間擠進去，穿過內膜之后，你就跑到線粒體中間了，這里叫做基質（matrix），這里的景象更驚人。你現在身處于一個大廠房里，但是四周的墻壁，卻如波浪般不斷擺動，從四面八方掃過你，讓你頭暈目眩。墻壁上鑲滿了不斷旋轉、哐當哐當的機器。小心頭部！這些大機器雖然被深深鑲在墻上，但是卻會在墻上緩慢的四處漂移，仿佛是漂在海上一樣。同時它們的機件，又以驚人的速度在工作：有的前后擺動，快到你幾乎看不見，像蒸汽機的活塞一樣；有的被快速旋轉的機軸帶著轉動，快到好像隨時會被甩出來似的。幾萬個這樣子瘋狂的機器，從四面八方伸出，永不休止地旋轉著，語氣激昂──如莎翁名劇馬克白所說，卻代表著……代表著什么意義呢？

你所處的位置，就是細胞的熱力學中心，是呼吸作用的基地，也是線粒體的深處。食物中的氫原子，在此被拔出來，留下其他分子。氫原子首先被傳給第一個、也是最大的一個呼吸蛋白：復合物I 。這個蛋白質復合物，其實是由四十五個不同的蛋白質所組成；每一個蛋白質，都是數百個氨基酸所連接而成的長鏈。如果ATP跟人一樣大的話，復合物I的尺寸就像摩天大樓。但是這可不是普通的摩天大樓，它像是一臺巨大的蒸汽機、是有著自己生命的巨大嚇人玩意兒。接下來，電子會跟質子分開，被吸進復合物的一端，再從另外一端吐出來，整條長長的旅途，都在膜中間。電子被吐出來后，會被依序傳給另外兩個巨大的蛋白質復合物。全部加在一起，就是我們所稱的呼吸鏈。每一個復合物，都有好幾個「氧化還原中心」，可以暫時留住電子；在復合物I里面大概有九個。電子就在這些反應中心之間跳來跳去。事實上，從這些氧化還原中心彼此的平均距離來看，我們可以根據量子機率的規則推測，電子應該是透過某種量子力學魔術，從一個中心消失后，「穿隧」到另外一個中心再重新出現。只要兩個氧化還原中心的距離沒有太遠，電子在一個中心里，就只看得見下一個中心。我們在這里，使用「埃」這個單位來測量距離，這大約是原子的尺寸單位。每個中心的距離，只要不超過十四埃，然后下一個中心，只要對電子的親和力又更大一些，它們就會沿著這條路，一直跳下去，就好像順著排列恰當的石頭，一步一步地過河。電子會這樣直直穿過三個巨大的呼吸復合物。除此之外，你也要注意一下這一條河。在終點，氧氣分子的巨大拉力，會拉著電子不斷往前跑；氧氣對電子來說，有著極強的化學吸引力。這不是什么物理超距作用，它純粹只是電子出現在氧氣身上的機率，比出現在其他地方要大而已。這個現象，要歸功于這一條用蛋白質與脂質組成的電線，是它們引導著電子流，從「食物」流向氧氣。這就是呼吸鏈的世界。

這條電子流，讓周圍一切都活了起來。電子在這條路徑上跳躍著，它們專心一意地往氧氣前進，并不留意緊貼在膜表面的這些機器，哐當作響地像個油井上面的抽油機一樣。但是這些巨大的蛋白質復合物，可是充滿了各種開關。當電子進入其中一個氧化還原中心時，附近的蛋白質會維持某種形狀。當電子往前移動時，這部分結構就會隨著改變，帶負電荷的蛋白質會自我調整，帶正電荷的也會跟進，整個弱鍵網路，就這樣隨時自我校正，結果讓這個巨大的蛋白質大樓，瞬時變成新的形狀。某處形狀改變，會在別處打開一個大通道。接著下一顆電子進來，蛋白質形狀又變回原來的樣子。這種改變，每秒可以發生幾十次。我們現在對于這些呼吸復合物的形狀，研究得非常透徹，解析度甚至高到數個「埃」這么小，直逼原子等級。我們知道質子如何一邊被束縛在帶電的蛋白質上，一邊與被固定住的水分子結合。我們也知道當蛋白質通道重新開放時，這些水分子如何移動。我們還知道，質子如何穿過那些不斷開合的活動裂縫，從一個水分子傳到另一個水分子上；當質子通過后，蛋白質會立刻猛然關上通道，防止質子回頭，其驚險的程度，活脫是電影《法柜奇兵》里印第安納瓊斯博士的探險，不過是在蛋白質魔宮里。這臺巨大、復雜、又機動的機器，從頭到尾卻只做了一件事：它把質子從膜的一邊打到另一邊。

每當一對電子，從呼吸鏈的復合物I通過時，四個質子就會被送到膜的對面。這對電子接下來會直接進入第二個復合物（嚴格來說是復合物III ，復合物II是備用選項），又會再把四個質子送到膜對面。最后，當這對電子到了呼吸鏈里面最后一個復合物時，它們終于發現了極樂世界（氧氣），不過它們還要先把另外兩個質子送過關，才能進入。每從食物中拿到一對電子，就有十個質子被送到另一邊。這就是呼吸鏈（圖9 ）。從食物到氧氣的電子流中，大約有將近一半的能量，會被保存在這個質子梯度里面。這有力、精巧、巨大的蛋白質結構，全都只是為了將質子傳輸過線粒體內膜而已。每一個線粒體，都有好幾萬套呼吸復合物。每一個細胞，都有幾百到幾千個線粒體。全身四十兆個細胞中，總共有至少一千兆個線粒體，它們折疊起來的膜面積，攤開來大約有一萬四千平方公尺，差不多是四座足球場這么大。它們的工作，就是不斷地把質子傳輸出去，加起來，它們可以打出約1021個質子，相當于宇宙中所有的恒星數！噢對了，我是說每一秒喔。

不過，至此呼吸鏈的工作只完成了一半。另一半工作，則是使用這些能量來合成ATP13 。一旦質子從動態通道通過之后，通道就會立刻關閉，因此線粒體的膜對于質子來說，幾乎滴水不漏。質子體積極小，它是最小的原子──氫原子──的核，所以要把它們擋在膜外面，絕非易事。質子可以輕易地穿過水，所以這層膜必須從頭到尾絕對防水。質子也帶電，它有一個正電荷。因此，把質子泵出膜，成就了兩件事：第一，它在膜的兩側，制造了質子的濃度差；第二，它在膜的兩側，制造了電位差，外側是正電，內側是負電。因此，膜兩側有了電化學電位差，約莫是一百五十到兩百毫伏特。因為這道膜非常的薄（厚度只有六奈米），在這么短的距離內，這是非常強大的電力。想像一下，再把自己的身體縮到ATP分子那么小，在這層膜旁邊你所能感受到的電場強度，將會是每公尺三千萬伏特，這相當于一道閃電，或是一千倍于一般家庭用電。

這一股巨大的電位勢（electrical potential ），又稱為質子驅動力，會推動一臺最不可思議的蛋白質奈米機器：ATP合成酶。這臺機器的目的，就是用來合成ATP ，但同時也是一臺貨真價實的旋轉馬達；當質子流過去時，會推動曲軸，然后旋轉具有催化功能的蛋白質頭部，借著這個機械力，去合成ATP 。這臺機器作用的方式，跟水力發電廠的渦輪一樣，被禁錮在線粒體內膜后方的質子，就像是被水壩擋住的水；當質子流過去，就如同水壩泄洪時，瀑布推動渦輪。這絕非充滿想像力的修詞，而是非常寫實的描述，但即使如此，也難傳達這臺驚人機器的復雜度于萬一。我們尚不知道，這臺機器究竟如何運作：質子如何跟膜上的C環結合；靜電力又是如何互動，讓C環只會往一個方向旋轉；旋轉的環如何推動曲柄，改變催化劑頭部的結構；這個開開關關的頭部裂孔，如何緊緊抓住ATP跟Pi ，用機械力，強迫這兩個分子結合成新的ATP分子。這些已經是奈米工程技術的最高等級，根本是一臺魔術機器；我們所知愈多，就愈顯得這臺機器的神奇與了不起。有人甚至認為這臺機器宛如見證了上帝的存在，但我可不認為如此。從它里面我看到天擇的奇跡。但不論如何，它都是一臺魔術機器。

每十個質子流過ATP合成酶時，上面的催化劑頭部就旋轉整整一圈，三個ATP分子就會被合成并釋放到基質中。這個頭部每秒可以旋轉超過一百次。我之前提過，ATP是生物通用的能量貨幣；事實上，ATP合成酶跟質子驅動力，也是所有生命共有的。基本上所有的細菌、古菌，以及所有的真核生物（上一章我們講過的三大域生物），都有ATP合成酶。只有很少數的生物依賴發酵作用而活。這種共通的程度，跟遺傳密碼可堪比擬。在我書中，ATP合成酶的地位，跟雙螺旋DNA一樣，都是生命的代表。因為這是我的書，所以我說了算。

生物學中心的拼圖

質子驅動力的概念，來自一位二十世紀最低調、卻也最具革命性的科學家，米契爾（Peter Mitchell ）。低調的原因，純粹是因為他的領域，也就是生物能量學，在生物學剛剛進入DNA世界的時代，正處于一股逆流的狀態（現在仍是）。華生跟克里克于一九五○年代，在劍橋所做出令人目眩神迷的發現，跟米契爾的研究幾乎是同時。雖然米契爾后來也拿到了諾貝爾獎（一九七八年），但是他的概念到被接受，卻走得備極艱辛。不像那完美的雙螺旋，華生在一發現時就宣稱：「因為太過完美以至于必然一定是真的」，事后也證明他們是對的；米契爾的想法，卻是絕對的反直覺。米契爾本人雖極度聰明，但個性卻易怒、好爭辯。他在一九六一年發表了「化學滲透假說」之后，很快地就因為胃潰瘍，而不得不從愛丁堡大學退休。這篇著名的論文，跟華生與克里克稍早、更為著名的那篇論文一樣，也是發表在《自然》期刊上面。米契爾引進了「化學滲透」（chemiosmotic）來代表質子穿過膜的過程。他特別使用「滲透的」（osmotic ）這個希臘字，原文的意思，其實是「推動」，而不是我們熟知的「水分子穿過半透膜」這種現象。呼吸作用會循違反濃度梯度的方向，把質子推到濃度較高的薄膜另一側，這就是化學滲透。

為了實用的目的，同時私人經濟狀況上也許可，米契爾花了兩年的時間，整修了一座位于康沃爾郡波德民鎮（Bodmin in Cornwall ）附近的莊園，作為實驗室兼住所之用，然后在一九六五年成立了格林研究所。隨后二十年之內，米契爾與其他一小群頂尖的生物能量學家，反覆驗證化學滲透假說，結果卻分崩離析。他們彼此之間的關系，一樣充滿對立與爭執。這段時期在生物化學史上，被戲稱為「氧化磷酸化戰爭」（ox phos wars ），因為ox phos就是氧化磷酸化（oxidative phosphorylation ）的縮寫，也就是電子傳給氧氣分子、然后伴隨合成ATP分子的機制。我們現在或許很難想像，即使到了一九七○年代，科學家對于前幾頁所說的各種反應細節，仍然一無所知。而這其中有許多部分，甚至至今仍是眾科學家們聚焦的研究重點。

米契爾的理論，為何如此難以被接受呢？一部分原因是因為，這理論遠遠超過我們意料之外。看看其他例子，DNA的構造就非常合乎邏輯：兩股DNA互為對方的模板，然后DNA的核苷酸序列，又可以直接轉譯成蛋白質的氨基酸序列。相反地，化學滲透假說卻古怪到了極點，而米契爾的解釋，又像在說火星話一樣。我們都知道，生命就是一堆化學反應，而ATP就是ADP加上磷酸鹽。所以在那時候大家認為，要合成ATP的話，只要將磷酸鹽，經過某個中間產物，再傳給ADP即可。而細胞里面本來就充滿了各種中間產物，所以只要找到一個正確的就好了。這花了科學家大概幾十年的時間去研究。然后米契爾出現了，他眼中閃耀著狂熱光芒，腦中充滿瘋狂念頭，寫著幾乎沒人看得懂的方程式，最后告訴大家：呼吸作用跟化學反應一點關系也沒有，而你們在找的中間產物，甚至根本不存在；還有，電子流伴隨ATP的合成機制，其實是由質子穿過一層滴水不漏的膜所造成的，這叫做質子驅動力。無怪乎，眾人群起反對他！

這個故事是個傳奇，是個很好的例子，顯示出科學往往出現意料之外的結果，一如科學哲學家孔恩（Thomas S. Kuhn）對「科學革命」的看法，這例子活脫就是生物學里面的「典范轉移」。現在這一切，已被清楚地記載在科學史教科書中。米契爾理論的細節，漸漸被研究到原子等級那樣清楚，最后在沃克（John E. Walker）于一九九七年，因研究ATP合成酶而拿下諾貝爾獎時，達到最高潮。解開復合物I的詳細結構，又是另一項更重要的成就。或許外行人會認為，這一切只是枝微末節，現在的生物能量學比起米契爾的時候，應該已經不再藏有演化的秘密了吧？其實不然，但這是可以理解的。有趣的是，米契爾并非是從呼吸作用的詳細機制去思考，然后形成他那極端的理論；相反地，他是從一個更簡單也更基礎的角度切入，他問：細胞（他其實是指細菌）如何保持內部與外在的差異？從一開始，他就認為生物跟他們周遭環境，透過這層膜，緊密地連接起來，如膠似漆難以分割，而這也正是本書從頭到尾的觀點。米契爾認為這些反應步驟，對于生命的起源與存在，至關重要；這樣的看法，在他之前，甚少有科學家體會如此之深。在他發表化學滲透假說四年前（一九五七年），在莫斯科一場探討生命起源的研討會上，他曾這樣說過：

我無法只考慮到有機物，而不考慮它們的環境……嚴肅的說，這兩者是旗鼓相當的兩「相」，中間被一層膜既隔開又緊密相連，同時維持著機動性的接觸。

米契爾所講的這段話，比起化學滲透假說來講，要更富哲學性，而化學滲透假說，從此萌芽。不過對我來說，這兩者都一樣有先見之明。現代生物學對于分子生物學之重視，同時也意味著，我們早已忘記米契爾所關注的主題，也就是「生物膜是細胞內在與外在必要的連結」。米契爾稱此為「向量化學」（vectorial chemistry）：在這個空間中，不但發生化學反應，而且反應還有一定的方向性，深受環境的結構與反應物位置的影響。這不同于「試管中的化學」（test-tube chemistry）反應；因為在試管里面，所有的反應物都混在溶液里了。基本上，所有的生命都利用氧化還原化學，在膜的兩側制造質子梯度。生物為何要這樣做呢？這個問題今日聽起來，比起一九六○年代，或許沒有那么突兀了，但這僅僅只是因為，我們已經聽了五十年之久，老生常談了；如果不是因此變得蔑視它，就是因為太過熟悉而失去興趣。它被塵封在教科書中，早已不再成為問題。我們知道這些想法是真的，但對于這些現象為何形成，卻不比以前更了解。這個問題基本上可以分成兩部分：第一，為何所有的活細胞，都利用氧化還原反應來產生自由能？以及其次為何所有細胞，都利用在膜兩側產生質子梯度，來保存這些自由能？甚至我們可以直接問最根本的問題：為何是電子？為何是質子？

生命誠然就是關乎電子的作用

所以，為何地球上的生物，都利用氧化還原反應呢？這個問題可能比較簡單回答。碳元素是構成所有我們已知生物的基礎，特別是被部分還原的碳。用最抽象粗略的講法，生命的「方程式」就是CH2O （暫時先不顧那些比較少量的氮、磷，以及其他元素）。以二氧化碳為起點的話（下一章會講得詳細一點），那么要形成生命，就必須將電子與質子，從像氫分子（H2 ）這類分子上，轉移到CO2上面。原則上，電子的來源并不重要，它們可以來自水（H2O ）、硫化氫（H2S ）或是亞鐵離子（Fe2+ ）。重點是它們會把電子傳給CO2 ，而這就是氧化還原化學。附帶一提，所謂「部分還原」的意思，是說二氧化碳（CO2）并沒有被完全還原成甲烷（CH4）。

那么生命可以用其他的東西取代碳嗎？這當然也不無可能，畢竟我們都很熟悉用金屬跟矽晶片做成的機器人。那么碳元素比起其他元素，到底有什么獨特之處呢？其實還真不少！每一個碳原子，都可以形成四個強力的化學鍵（bonds）；比起它的化學鄰居矽元素所形成的鍵結來說，要強多了。這種鍵結，讓碳原子可以連接出超乎想像變化多端的長鏈分子，特別是蛋白質、脂質、糖，還有DNA。矽元素在化學上，就無法如此多變了。尤有什者，大氣中并沒有氣態的二氧化矽，可以與二氧化碳相匹配。我覺得二氧化碳就像樂高積木，可以從空氣中被拔出來，一次把一個碳原子加到其他分子上面。而二氧化矽的話呢，呃……你是用砂子在蓋房子。矽跟其他元素，可以被高等智慧生物（像我們）利用，但是卻很難想像，生命要如何自我引導，從零開始利用矽元素。這意思當然不是說，在這無盡宇宙中，矽生命永遠不可能出現，誰敢這樣斷言呢？但是從「可能性」與「可預測性」的角度來講（這正是本書的主題），這種可能性實在是微乎其微。除了好用以外，在宇宙中，碳元素的含量，也比其他元素要豐富。因此生命理應根基于碳元素。

然而對部分還原碳的需求，僅僅只回答了一小部分問題而已。對大部分現代生物來說，他們的碳代謝跟能量代謝已經分家很久了。這兩種代謝，只被ATP以及一小撮反應中間產物連結在一起，像是硫酯類（thioester ）中間產物，特別是乙酰輔酶A （acetyl CoA）這個硫酯類分子。但是基本上，這些中間產物，并沒有一定要透過氧化還原反應才能制造。有少數生物，就可以依賴發酵反應生存，不過它們并非古老的生物；在這個領域中，也不特別引人注目。那么生命還可以從哪些化合物出發呢？科學家一直不乏各種聰明絕頂的提議。其中最受歡迎（但同時也是毒性最強）的異想之一，就是氰化物了。它可以經由紫外線，透過照射氮氣或甲烷之類的氣體而合成。這可行嗎？在上一章我曾經解釋過，根據鋯石的證據顯示，早期的地球大氣中，似乎并沒有太多甲烷。不過這并不是說，這種化學反應無法出現在其他星球上面。而如果它真的出現過的話，氰化物為何無法成為今日地球生命的能量來源呢？下一章我們將會回來討論這一點，我認為有其他原因，讓這些化合物出局。

換個角度來想想我們的問題：以氧化還原反應為基礎的呼吸作用，有什么優點呢？事實上有很多呢！當我們談呼吸作用時，還要把眼光放到人類以外的生物才行。我們從食物中獲取電子，將它們透過呼吸鏈，傳送給氧氣。這里最重要的關鍵是，電子的來源與接受者，都可以被替換。雖說用氧氣燃燒食物，從能量的觀點來說，是最好的辦法；但是根據呼吸作用的基本原則，其實生物還可以有更多種選擇跟好處。比如說，即使不吃有機物質，也有辦法存活。如前所述，氫氣、硫化氫跟亞鐵離子，都可以是電子供應者，都可以把電子送進呼吸鏈里；只要在呼吸鏈另一端的接受者，是一個夠強的氧化劑，強到可以把電子拉出來即可。這個意思也就是說，細菌可以使用跟我們的呼吸作用里，類似的蛋白質機器，去「吃」石頭、礦物，甚至是氣體。下一次，如果你看到水泥墻上面，有一塊變色的痕跡，這代表了水泥中隱藏了一群欣欣向榮的細菌族群；但同時也請想想，盡管它們看起來再古怪，所用來營生的，卻是跟你我基本上一樣的工具與設備。

同理，氧氣在呼吸作用中也并非必要。一大堆氧化劑都可以表現得一樣好，像是硝酸鹽跟亞硝酸鹽、硫酸鹽跟亞硫酸鹽。這份名單還可以列好長好長。這些氧化劑（會這么叫是因為，這些化合物的特性跟氧氣一樣），都可以把電子從食物或是其他物質中搶過來。不論是哪一種，這些電子從供應者身上跳到接受者身上時，所釋放出來的能量，都會被存在ATP分子的鍵結中。如果把細菌與古菌所使用的電子供應者與接受者（又叫做「氧化還原對」，redox couples ），全部列成一份名單，那可以列出好幾頁之長呢！因此，細菌不只可以「吃」石頭，它們還可以「呼吸」石頭！相較之下，真核生物就相當可悲了。所有真核生物域的生物，所有的植物、動物、藻類、真菌與原生生物，基本上都使用同一套代謝反應，就好像它們是同一個細菌似的。

同時因為這些電子供應者與接受者，并沒有那么熱衷于發生反應，這也有助于讓生物有更多選擇。之前我們曾經說過，所有的生化反應都是自發的，而且都必須被周圍高度反應性的環境驅動；但是如果環境中的反應性過高，那這些反應就會因為發生太快，無法將自由能留下來給生物利用。舉例來說，大氣中永遠也不可能充滿氟，因為這些氣體，會馬上跟所有物質發生反應，然后消失無蹤。自然界許多物質，它們堆積的數量，都遠遠超過自然熱力學平衡下的狀態，這是因為它們的反應進行地很慢。氧氣也是一樣，有機會的話，它可以跟有機物質發生劇烈的反應，把地球上的一切都燒光；但是它們暴力的傾向，受到化學反應規則的節制，因而可以穩定地存在大氣中億萬年。甲烷跟氫氣這類氣體，可以跟氧氣發生更劇烈的反應（想想一九三七年的興登堡號飛船意外），但是幸好，也是化學動力上的障礙，讓這些氣體，也可以在空氣中共存好幾年相安無事，維持著動態不平衡。同樣的規則也適用于許多其他物質，從硫化氫到硝酸鹽皆如此。它們可以被迫發生反應，然后釋放出大量的能量，供細胞驅使；然而如果沒有適當的催化劑的話，什么事也不會發生。生命控制了這些化學動力障礙，借此讓熵增加的速度，快過其他方式。有人甚至因此將生命定義為：熵制造機。不論如何，生命之所以會存在，是因為有化學動力的障礙存在。生命專門敲碎這些屏障。老實說，如果無法在這些障礙上鑿洞，利用被壓抑在其后、物質巨大的反應性的話，生命幾乎不可能出現。

許許多多的電子供應者與接受者，都可溶于水，性質也很穩定，同時不需大費周章就可以自由進出細胞。這些性質，代表了那些「滿足熱力學所需」的反應環境，可以經由那些重要的膜，被安全地帶到細胞里面。這種特性，讓氧化還原反應，比起熱能、機械能、紫外線，或是閃電等能量，要更適合作為可被生物利用的能量流，因為更健康也更安全。

有點出人意料的，呼吸作用同時也是光合作用的基礎。還記得之前說過，光合作用有好幾種不同的形式嗎？不論哪一種，都是由一個色素分子（通常是葉綠素）吸收太陽能（以光子的形式）之后，激發一個電子，把它送進一系列的氧化還原反應中心，最后傳給一個接受者（通常是二氧化碳分子）。這個失去電子的色素分子，會非常樂意從周圍環境里拿回電子，供應者的來源可以是水、硫化氫，或是亞鐵離子。跟呼吸作用一樣，原則上，這個電子供應者是誰，其實無關緊要。「不產氧」的光合作用，會利用硫化氫或是鐵當作電子供應者，反應過后則會留下硫磺或是鐵銹作為廢棄物。產氧光合作用，則會選擇一個難度高得多的對象當作電子供應者，那就是水分子，然后留下氧氣作為廢棄物。不過這里的重點是，這幾種光合作用，很明顯都是從呼吸作用演變來的。它們都使用一模一樣的呼吸蛋白質、一樣的氧化還原反應中心、一樣會在膜兩側建立質子梯度，也用相同的ATP合成酶，整套工具都一模一樣。唯一的差異只在于，光合作用發明了葉綠素這個色素分子。不過葉綠素卻又跟另一個色素：血基質（haem）非常相似，而許多古老的呼吸蛋白里也都有血基質。自從可以從太陽中獲取能量之后，世界確實整個改變了，然而從分子的觀點來說，這不過是讓電子可以更快流入呼吸鏈而已。

因此，呼吸作用的好處，在于它的多才多藝。基本上，任何一對「氧化還原對」（任何一對電子供應者跟接受者），都可以放在呼吸鏈兩端，去產生電子流。從氨氣中截取電子的蛋白質，跟從硫化氫中截取電子的蛋白質，雖然略有不同，但不過都是同一主題下的變奏曲而已。同樣的，在呼吸鏈的終點，將電子傳給硝酸鹽或是亞硝酸鹽的蛋白質，跟傳給氧氣的蛋白質，雖然不一樣，卻也是親戚。依它們相似的程度，即使彼此互換也沒有問題。這些蛋白質零件，都被嵌在共通的作業系統中，因此它們可以被混用、也可以適用任何一種環境。它們不只在原則上可以彼此互換，實際上，它們根本就常被隨意棄置、傳來傳去。根據過去幾十年的研究，我們知道水平基因轉移（將一小組基因從一只細菌傳給另一只細菌，就好像撒零錢一樣），在細菌跟古菌之間頗為流行。負責編碼呼吸蛋白質的基因，正好屬于最容易被水平基因轉移，而廣為散布的一群。這些基因，組成了生化學家尼奇科（Wolfgang Nitschke）口中的「氧化還原蛋白建構套件」。您最近是否剛搬到一個新地方，比如海底熱泉附近，那里充滿了硫化氫跟氧氣是嗎？沒問題，先生，這里有許多適合您的套件，請自便。這位太太，您把氧氣用光了嗎？沒關系，這里還有亞硝酸鹽。只要拿亞硝酸鹽還原酶套件，插入基因中就好了。

這些因素意味著，氧化還原化學，對于宇宙中其他地方的生命來說，應該也同等重要。盡管我們還是可以想出許多其他能源，但是利用氧化還原反應來還原碳元素，加上呼吸作用的諸多優點，讓我們其實不難理解，為何地球上的生命，會選擇用氧化還原反應來提供能量。不過呢，呼吸作用的真實機制，也就是在膜的兩側制造質子梯度，又是另一個故事了。前面談到呼吸作用的幾項優勢，像是呼吸蛋白質可以被水平基因轉移傳來傳去、可以被任意混用、可以在任何環境下立刻開工，這些都根基于一件事實：大家的作業系統是共通的，而這個作業系統就是化學滲透耦合（chemiosmotic coupling ）。可是問題是，氧化還原反應并不需要跟質子梯度扯上什么關系。這兩者之間，缺少可以讓我們理解的關聯。這理由或許可以解釋，為何當初大家對米契爾的想法，會如此排斥；「氧化磷酸化戰爭」也才會纏斗這么多年。在過去五十年中，我們已經非常了解生命如何利用質子，但是如果我們不知道生命為何要利用質子的話，那就很難去預測地球上的生命演化，或是宇宙任何一處的生命演化過程。

生命誠然就是關乎質子的作用

化學滲透耦合的演化過程，始終是一個謎。因為所有的生命都使用化學滲透作用，所以它一定在很早很早以前，就演化出來了。如果它是后來才演化出來的，那我們就很難去解釋，為什么這個機制會萬物通用。換句話說，質子梯度要如何完完全全取代了其他所有的機制？這種萬物通用的現象極為罕見。所有的生物，都使用同一套遺傳密碼（除了很少數的例外以外，而這例子再次說明了萬物通用是如何的罕見）。有一些生命最根本的處理程序，也是萬物通用的，比如所有生物的DNA ，都要先轉錄成RNA ，再透過一臺叫做核糖體的小機器，轉譯成蛋白質。但是這套程序，在細菌與在古菌體內的差異之大，令人咋舌。還記得細菌與古菌，是原核生物的兩大域，它們都沒有細胞核，也缺少復雜細胞（真核細胞）的各種行頭。從外觀上來看，細菌跟古菌完全一模一樣，但是這兩大域生物，在大部分生化反應與遺傳機制上，卻大相徑庭。

以DNA復制為例，一般咸認為這個程序，應該跟遺傳密碼一樣，是生物最基礎的程序。但事實上，細菌與古菌復制DNA的詳細機制，以及參與其中的各種酵素蛋白質，卻完全不同。此外，在細菌外面，用來保護脆弱細胞的那一層堅硬細胞壁，兩者的化學成分也完全不一樣。細菌跟古菌的發酵反應生化路徑也不同。甚至它們兩者的細胞膜，對于細菌的化學滲透耦合來說，至關重要，因此又被稱為「生物能量膜」，但是生化組成卻不一樣。換句話說，用來區分細胞內在與外在的屏障，以及用來復制細胞各項遺傳物質的程序，并沒有被保存地那么一絲不茍。對于細胞來說，還有什么事情，會比這些東西要更重要的呢？可是，相較于這些差異，化學滲透耦合卻是萬世一系。

這種極度基本的差異，指出了問題在于這兩大域細菌的共同祖先身上。假設兩域生物共有的特征，來自于兩者共同的祖先；而不同的特征，則是兩者后來各自發展出來，那么，這個共同祖先，該長得什么樣子呢？你會發現這根本沒有邏輯可言。從某些角度來看，它像是細胞的幽靈；從其他角度來看，像一個現代細胞，從另外角度來看的話……呃，它到底是什么呢？它會轉錄DNA 、會用核糖體轉譯出蛋白質、它有ATP合成酶、它也會一點氨基酸的生合成，但除此之外，在這兩大域生物之間，就沒有什么共通點了。

想想生物能量膜的問題。利用這層膜產生能量，是萬物共有的特征，但膜本身卻不是萬物共有。有些人認為，這個萬物最近共祖，可能有著細菌式的細胞膜，而古菌為了某些適應上的理由，才把這層膜換掉，或許是因為古菌的膜，比較適合住在高溫的環境下。表面上看起來，這個假設滿有道理，但是它有兩個嚴重的困境。首先，大部分的古菌，并不極度嗜熱（hyperthermophile），事實上很多古菌都活在溫和的環境中，這讓它們細胞膜中的脂質，并沒有顯得特別優秀；反過來說，非常非常多的細菌，都可以在溫泉中活得很快樂，它們的細胞膜用來應付環境中的高溫，一樣游刃有余。其實在大部分的環境中，細菌跟古菌都比鄰而居，而且常常還有很密切的共生關系。既然如此，為何其中一群細胞，會想去自找麻煩，只在某一次機會下，把細胞膜中的脂質全部換掉呢？而且，既然換掉細胞膜是有可能的，而細菌總是不斷的在適應新環境，那為什么我們沒有看到它們，在其他機會下，大量更換細胞膜呢？這樣做應該會比重新發明一套細胞膜要容易吧？為何住在溫泉中的細菌，沒有演化出古菌的細胞膜脂質呢？

其次，也是比較明顯的問題，顯示細菌與古菌細胞膜的主要差異，似乎是隨機產生的。細菌細胞膜使用甘油的一種立體異構物，古菌則使用另外一種（這兩種互為鏡像）。即使古菌真的為了適應高溫的環境，把細胞膜中的脂質全部換掉，但是實在沒有什么合理的理由，用一種甘油取代另一種甘油吧？這純粹是任性而已。更何況，用來制造左掌形甘油的酵素，跟制造右掌形甘油的酵素，連邊都沾不上。要從一種異構物邁向另外一種，首先細菌要先「發明」一種新的酵素（來制造新的異構物），然后即使這個新版的甘油，完全沒有任何演化上的優勢，每個細胞還是要全面淘汰舊的酵素（而且是運作完全正常的）。這根本難以置信。可是如果這兩種細胞膜中的脂質，并不是由一種取代另外一種的話，那么這個萬物最近共祖，原本到底有哪一種細胞膜呢？它的細胞膜，一定跟任何一種現代的細胞膜非常不同，這又是為什么呢？

至于化學滲透耦合，在很早很早以前就演化出來這種假設，也有很大的問題；第一個問題就是，這個機制太復雜了。之前我們花了很多篇幅，在解釋那些巨大的呼吸復合物，以及ATP合成酶；它們都是難以置信的分子機器，有著各種活塞跟旋轉馬達。它們真的有可能是早期演化的產物，甚至早于DNA復制機制出現嗎？我們一定會認為：當然不可能！但是，這只是純粹情緒性的答案而已。ATP合成酶，其實不比核糖體復雜到哪兒去，而大家卻都同意，核糖體必定很早就演化出來了。第二個大問題，涉及到細胞膜本身，而且又是跟「早期出現的東西，有沒有辦法這么復雜」這惱人的問題有關。在現代細胞中，只有當這層膜對質子完全不透的時候，化學滲透耦合才可能運作。但是在所有實驗中所模擬出的，假設性原始細胞膜，卻都顯示它們對質子的通透性很大。要把質子擋在膜外面，可謂極度困難。所以問題就是，只有當這層膜不透質子時，再嵌上這些復雜的蛋白質，化學滲透耦合才有可能發揮作用，否則，它根本一無是處。所以，這些零件到底是怎樣先演化出來的呢？這是一個典型的「雞生蛋蛋生雞」問題。如果你沒有辦法維持質子梯度，那有必要去學習如何傳輸出質子嗎？而如果你不會傳輸出質子，那又何必去學習維持質子梯度呢？在第四章中，我會試著解答這個問題。

在第一章的結尾，我提了幾個關于地球上生命演化的大問題。為何生命出現的如此之早？又為什么它們的外形會停滯不前好幾十億年？為什么在這四十億年中，復雜的真核細胞只演化出一次？為什么所有真核生物都有數種令人費解的特征，而這些特征──從有性生殖、兩種性別，一直到老化都是，卻從來沒有出現在細菌或是古菌身上？現在，我要再加上兩個同等讓人困惑的問題：為何所有的生命，都利用在膜兩側制造質子梯度這種方式，來儲存能量？以及這種既獨特又基本的技術，是如何（以及何時）演化出來的呢？

我認為這兩組問題，是互相關聯的。在本書中，我將論證：在地球上，自然界本來就有的質子梯度，在某個非常獨特的環境下，驅動了生命的誕生。這個環境雖獨特，但卻幾乎可以確定，是橫跨宇宙普遍存在的，因為它只需要巖石、水跟二氧化碳就可以形成。我也要論證，化學滲透耦合限制了地球上的演化，讓它只能進行到細菌跟古菌的復雜程度，長達好幾十億年。在某一場意外中，一只細菌不知怎么地，跑到另一只細菌體內，結果突破了細菌身上這無窮無止的能量限制。這種內共生關系，最后產生了真核生物，也讓它們的基因膨脹了好幾個數量級；這些基因，又成為讓細胞變復雜的原始材料。我也要論證，宿主細胞與它內共生者（后來變成了線粒體）之間的親密關系，是所有真核生物種種怪異特征背后的主要原因。在宇宙中其他地方，演化應該會沿著類似的道路發展，受一樣限制的影響。如果我是對的（我從來不認為我會知道一切細節，但我希望至少大方向是正確的），那這些觀點，就讓生物學開始變得比較具有可預測性。有朝一日，我們或許可以根據宇宙任何一個地方的化學成分，去預測任何這些地方，生命可能的特征是什么。

2024-07-06 16:47:59