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「我想」，達爾文曾經在筆記本中，潦草地寫下這兩個字。就這兩個字而已，旁邊還描繪一株生命樹的草稿；那是一八三七年，僅僅是從小獵犬號之旅回來一年后而已。二十二年之后，在《物種起源》第一版里面，多了一張更為精美的生命樹圖畫，這也是書中唯一的一張圖畫。生命樹的概念，幾乎就是達爾文思想的中心，而且從那時開始，也一直是演化生物學的主流。因此，當它被宣稱有誤時，自然會是一件相當令人震驚的消息。二○○九年，適逢《物種起源》出版的一百五十年紀念，《新科學人》雜志就曾經在一月號，用斗大的字體強調這件事。不過縱然雜志封面極盡吸引讀者之能事，內文本身卻相對低調保守得多，而且有其論證。誠然，就某種程度來說，生命樹確實有誤；但是這意思并不是說，達爾文對科學的最重要貢獻，也就是天擇機制的演化理論，也是錯的。我們頂多只能說，他當時所有的遺傳學知識，極為有限。但這也不是什么新鮮事，我們早就知道，在達爾文的年代，無人知曉DNA、基因與孟德爾定律；更不知道細菌會把基因傳來傳去，所以他等于是帶了一副深色墨鏡在看遺傳學。但是這一切都無損于他的天擇理論。因此，就技術上來說，這本雜志的封面雖有其道理；但是在深層的意義上來講，卻大大誤導。

若要說這篇文章達成了什么，那應該是讓大家看見一個非常重要的議題吧。生命樹的概念，根基于假設遺傳是「垂直的」，也就是說父母透過有性生殖，將基因的拷貝傳給子代。每一代每一代，這些基因幾乎都在同一個物種之間流傳，而物種之間極少有交集。同一個物種若被區隔成好幾群，各自繁衍的話，就會出現愈來愈大的差異；因為它們彼此之間的交流愈來愈少，隨著時間過去，新「種」就會誕生，這就形成了生命樹的分支。細菌則比較難懂。因為它們沒有跟真核生物一樣的有性生殖，所以也不會有一樣明確清晰的物種分類。要去定義細菌的「種」，一直都是個大問題。不過真正的問題在于，細菌會借著「水平」基因轉移，把自己的基因散布出去；也就是說，它們除了把整套基因，往下傳給子代細胞以外，還會把一小撮基因，像撒零錢一樣，傳給周圍其他的細菌同伴。不過這些現象都沒有顛覆天擇，它們仍然是「代代相傳，伴生著差異」，只不過造成「差異」的方式，比我們以前所知道的，要更復雜多元。

水平基因轉移盛行的程度，讓我們能夠知道些什么，變得大有問題。這個問題，就跟物理學里面的「測不準原理」一樣基本。在分子生物學興起之后的現代紀元，你所看到的任何一棵生命樹，都是根據分子譜系發生學家渥易斯，精心挑選出來的一個基因所繪制的。這個基因，就是負責轉錄「核糖體小次單元RNA」的基因。渥易斯主張（而且有其理論根據），這個基因屬于萬物共有，而且極少（就算真有的話）透過水平基因轉移，被傳來傳去。因此，可以用它來代表細胞唯一且真實的「種系發生」情況。就某方面來說，如果從一顆細胞分裂出一代又一代的子代細胞，那么這些子代細胞，確實都會跟親代細胞，有著一樣的核糖體RNA，這是沒錯的。但是，如果在許許多多世代之后，這些細胞其他的基因，都被水平基因轉移換掉了呢？當然在多細胞生物中，這情形很罕見。在多細胞生物中，我們可以去分析一只老鷹的核糖體RNA（譯注：這個步驟，科學家稱它為「定序」），定序（sequence）的結果會告訴我們：這是一只鳥類。然后我們可以據此推測，這個動物有喙、有羽毛、有鳥爪、有翅膀、會下蛋……等等。這是因為透過垂直遺傳，在核糖體RNA的「基因型」（genotype）跟個體的「表現型」（phenotype）之間，可以維持高度關聯性。所有這些負責「鳥類特征」的基因，都算是核糖體RNA演化之旅上的旅伴。它們一代又一代的并肩同行，雖然經過長久的時光后，必定有些許改變，但是絕少有劇烈的變動。

現在假設水平基因轉移，占了主導地位。當我們再去定序「核糖體RNA」，結果出來一樣顯示：這是一只鳥類的基因。然而，這只「鳥」卻有一個身體，六只腳，眼睛長在膝蓋上，全身長毛，會下如同蛙卵的蛋，沒有翅膀，叫聲卻像鬃狗。這聽起來當然很荒謬，然而，這正是當我們分析細菌基因的時候，所會遇到的問題。跟這些四不像的怪獸，面對面直接對視，其實是家常便飯，只不過因為細菌的體積實在很小，外形也相對簡單，所以我們沒有被嚇到驚慌尖叫。但是，從基因上來看，細菌幾乎全部都是嵌合體，其中有些更是怪獸中的怪獸，它們的基因支離破碎，就像我說的「鳥」一樣。從基因的角度來講，這確實值得讓我們大驚小怪。單從它們的核糖體基因型來看的話，實在很難去推測這些細菌，過去曾經長什么樣子，曾過著怎樣的生活。

如果測定「單一基因」的序列，沒有辦法告訴我們這些細胞從何而來，那這種分析還有什么用處呢？其實，隨時間遠近、基因轉移速率的不同，在某些情況下，定序還是有其用處。如果水平基因轉移的速率很慢（像植物、動物、許多原生生物，還有某些細菌），而且只要我們小心不要跨足到太久以前，那么在核糖體RNA基因型跟細胞表型之間，就會有很高的相關性。但是如果水平基因轉移的速率很快，那么這樣的相關性就不存在了。比如說，從核糖體RNA序列上，看不出變種的致病性大腸菌跟無害的大腸菌之間，差別在哪里；讓大腸菌變成具有侵略性的，是從其他地方獲得的基因。而不同株的大腸菌之間，其基因體的差異，可高達百分之三十，這可是人類跟黑猩猩之間差異的十倍之多呢！但是，我們卻還是認為它們在分類上屬于「同一種」！對于要了解這些小殺手來說，從核糖體RNA的親緣關系，所分析出的資訊，恐怕是最不重要的事了。反過來說，即使水平基因轉移的速率很低，但是時間一久遠，相關性一樣會消失。這也就是說，要知道細菌如何在三十億年前生活，幾乎是不可能的事，因為就算基因轉移的速率很低，但是在這么長的時間之內，它們的基因恐怕也已經被替換過好幾次了。

所以，盡管經過精心設計，繪制出來的生命樹還是錯了。我們一直希望能夠找到一個辦法，重建所有細胞彼此之間的親緣關系，這樣才能推測每一個物種，如何從其他物種演變過來；然后一直追溯所有生物的關系，直到起點，最終讓我們可以拼湊出，地球上所有生物共同祖先的基因組成。如果真的做到這一點，那我們就可以知道，這個最后共祖細胞的所有特征，從它的細胞膜組成，一直到它生存在怎樣的環境下，甚至它靠著吃哪些分子過活。但是我們卻無法知道得這么詳細。馬丁做過一個驚人的測試，視覺效果相當矛盾，他稱之為「神奇的消失樹」。他選了四十八個「所有生物都共有的」基因，為每一個基因都畫一棵生命樹，借此來探討五十種細菌，以及五十種古菌之間的親緣關系。在最高的樹梢上，根據這四十八個基因，對這一百種細菌所做的分析，都顯示出一樣的親疏遠近關系。而在靠近樹根的地方也一樣，四十八個基因的分析結果都顯示出，最初的分岔，應該是介于細菌跟古菌之間。換句話說，這個萬物最近共祖，我們又昵稱為「露卡」，就是細菌跟古菌的共祖。但是當我們想看細菌與古菌族群，稍微深入一點的分支部分時，卻發現四十八個基因顯示出完全不同的結果。四十八個基因居然可以畫出了四十八棵不一樣的樹！這結果可能是肇因于技術上的問題（因為地質時間久遠，訊號被磨耗光了），也可能是因為水平基因轉移（垂直傳遞基因形成的模式，被四處任意傳播的個別基因摧毀了）。我們不知道原因是哪一個，而目前看起來，似乎也無法得知。

這是什么意思呢？基本上，這就是說，我們不知道哪一株細菌或是古菌，算是最古老的菌種。某一棵基因樹可能暗示著產甲烷菌是最古老的細菌，另一棵樹暗示不是。因此，實際上我們無法重建，最古老的細菌可能擁有過的特征。而且即使我們用了某些聰明的技巧，證明了產甲烷菌，確實是最古老的古菌，但是我們卻無法知道，它們是否跟現代產甲烷菌一樣，一直靠著制造甲烷維生。即便使用「把這些基因接在一起，去增強訊號」的辦法，也無助于解決困境，因為每個基因都可能有不同的故事，因此組合出來的訊號，并無法代表任何事實。

但是馬丁從這四十八個共有基因中所得到的結論，也就是在一棵生命樹上，最早出現的第一個分歧，應該是介于細菌跟古菌之間，這倒是給我們帶來一線希望。如果我們可以找出，哪些特征是所有細菌跟古菌所共有；哪些特征又是各自特有、是之后才出現在某些族群中的，那么我們或許有機會拼湊出露卡的「肖像」。不過，這樣做很快就遇到另外一個問題：有些所謂細菌跟古菌所「共有」的基因，很有可能本來只存在于其中一群，之后透過水平基因轉移，傳遍所有細菌。基因有時會傳遍全域生物，這并不稀奇。如果這種現象發生在演化早期，比如說，發生在那棵神奇的消失樹，從樹干到樹枝中間空白的那一段呢？如此一來，這個基因看起來，就會像是透過垂直遺傳，從共祖那里傳出來，而其實并非如此。另外，愈是有用的基因，愈有可能在演化早期，被廣泛地傳播。為了要避開這種水平基因轉移，把基因大量傳播的現象，我們還是不得不回歸到真正的共有基因，也就是所有細菌跟古菌里面，每一群細菌的代表菌種都有的基因身上。至少，這些基因透過早期的水平基因轉移，被四處傳播的可能性，會少很多。不過問題是，這樣的基因，大概只有不到一百個，數量非常少，而透過這些基因所畫出來的露卡，非常獨特。

在第二章中，我們已經提過這個獨特的露卡肖像。根據現有的資料，露卡已經有了蛋白質跟DNA：這些萬物通用的遺傳密碼已經就緒、開始運作了；也就是說，露卡已經開始將DNA轉錄成RNA，再透過核糖體這些大家都需要的小工廠，去制造蛋白質。這些性能精良，用來讀取DNA以及制造蛋白質的小機器，是由細菌與古菌體內常見的蛋白質以及RNA所組成。從它們的構造以及基因序列來看，這些小機器，應該在演化非常早期就開始分化，而且應該沒怎么被水平基因轉移，四處隨意散布。還有一點，細菌跟古菌都使用化學滲透機制，都利用在膜兩側建立質子梯度，來合成ATP。 ATP合成酶跟核糖體一樣，也是一個極度精巧而且一樣古老的機器，而且也跟核糖體一樣，被良好地保存在所有細胞體內。但是這個酶，在細菌跟古菌體內，結構略有差別；這個現象顯示，ATP合成酶，應該也是從露卡這群共祖之一流傳下來，同時并沒有被水平基因轉移，改變太多。所以ATP合成酶、核糖體、DNA還有RNA，露卡應該全部都有。此外，還有一些核心生化反應，像是氨基酸合成反應、一部分的克氏循環（Krebs cycle），在細菌跟古菌體內也都一樣；代表露卡應該也有。但是除此之外，就沒什么別的線索了。

這很重要嗎？其實非常驚人。要知道在細菌跟古菌體內，用來復制DNA的酶，大部分都是不一樣的。還有什么功能，要比這個更基礎的嗎？大概除了細胞膜以外吧？說到這個，細菌跟古菌的細胞膜，也是不一樣的。還有它們的細胞壁也不一樣。也就是說，關于這兩層，將活細胞與環境隔絕開來的柵欄，細菌跟古菌，居然采用完全不同的方式。這樣一來，我們根本無法得知，它們的共祖有怎樣的膜。我們還可以繼續列出它們的差異，不過現在夠了。在前一章里面講到活細胞的六項基本特質：碳流、能量流、催化劑、DNA復制、隔間，還有排泄。這些特質里面，只有前三個，在所有生物之間，有古老而深遠的相似性，而且盡管如此，這些相似性也只局限于某些方面，等一下我會介紹。

對于這種現象，有幾個可能的解釋。其中之一是露卡可能每樣東西都有兩套，后來細菌遺失了其中一套，而古菌遺失了另外一套。這解釋或許聽起來很蠢，但是我們不能輕易否定。舉個例子來說，我們知道將細菌與古菌的脂質混在一起，也可以形成結構穩定的膜，因此，或許露卡真的同時有兩種脂質，而它的后代因為丟掉其中一種，而慢慢開始特化。不過這個解釋，也許對某些特征來說講得通，但是卻無法適用全體，因為它會陷入一個我們稱之為「亞當的基因體」的困境里面。如果露卡本來什么都有，而她的后代卻開始瘦身變得精練，那么露卡一開始一定要有一套極大的基因體，要比今日任何一種原核生物的基因體都大才行。對我來說，這種說法根本是舍本逐末，這表示露卡本來應該很復雜，后代卻變得很簡單？而且為何所有的后代，每件東西都碰巧遺失一套呢？實在難以置信。所以來看看第二個可能。

另一個解釋是，露卡其實是一個如假包換的細菌，它有細菌的細胞膜、細胞壁，以及DNA復制系統。后來不知道何時，其中一支后代，也就是第一個古菌，可能為了要適應極端氣候，像是熱液地區的高溫，所以把所有的特征都換掉了。這可能是目前最被廣為接受的解釋了，但是這個解釋一樣有難以說服人的地方。如果這個假設為真，那為什么在細菌與古菌體內，用來轉錄DNA跟轉譯蛋白質的程序，如此之像，而只有復制DNA的程序不一樣呢？而如果，古菌的細胞膜跟細胞壁，真的有助于它們適應熱液地區的環境，那為什么其他的「嗜極端細菌」（extremophile bacteria，譯注：適應極端環境的細菌），一樣也生活在熱液區，卻沒有把它們的細胞膜跟細胞壁，換成古菌的版本，或者至少是其他類似的東西呢？又為什么生活在土壤里面，或是海洋中的古菌，沒有把它們的細胞膜跟細胞壁，換回成細菌的版本呢？事實上，在地球上許多角落，都有古菌跟細菌并存，但是，在這些地方，盡管水平基因轉移可以橫跨這兩大域，它們的遺傳跟生化機制，仍然是徹頭徹尾的不同。要說這些非常基礎的差異，是為了適應極端環境而出現，但是卻是古菌限定版本，實在沒什么說服力；同時，所謂為了適應極端環境的系統，到了其他許多地方卻沒換掉，不就顯得非常不合時宜了嗎？

現在我們剩下最后一種可能性。或許，這些看起來自相矛盾的現象，其實一點也不矛盾。露卡真的使用化學滲透，來操作ATP合成酶，但是它也確實沒有現代化的細胞膜，也沒有任何現代細胞具備的大型呼吸復合物，可以泵出質子。它確實有DNA，會使用通用的遺傳密碼，它會轉錄、會轉譯，更會操縱核糖體；但它確實也還沒有發展出現代化的DNA復制技術。這個若隱若現的鬼魂細胞，如果生活在大海中，一點意義也沒有，但是若是把前面討論過的堿性溫泉環境，也考慮進來，那就有點意思了。我們要從「細菌跟古菌如何在溫泉區討生活」出發，去尋找線索。它們之中至少有一些族群，可能靠著一種比較原始的代謝過程生存，我們稱之為「乙酰輔酶A」路徑，這條路徑跟溫泉附近的地質化學環境，有非比尋常的相似性。

解密「露卡」的崎嶇之路

在整個生物世界中，總共只有六條化學反應途徑，可以固定碳元素。所謂固碳，就是將二氧化碳這種無機物，轉換成有機分子。六條路徑中的五條都很復雜，而且都需要額外的能量來推動反應，其中一個例子就是使用陽光的光合作用。舉光合作用為例，還有另外一個原因，那就是它進行卡氏循環（Calvin cycle）。透過卡氏循環，生物可以把二氧化碳轉換成糖之類的有機分子；而這個循環只存在光合細菌身上（當然還有植物，因為植物抓了光合細菌，把它們變成葉綠體）。這意思也就是說，卡氏循環多半不是我們祖先的生化反應。因為如果露卡也會行光合作用的話，難道所有的古菌，后來都一起拋棄了這個非常有用的能力嗎？這未免也太不明智了。因此，卡氏循環比較有可能是后來才跟光合作用一起出現，只在光合細菌身上演化出來而已。其他幾條固碳反應路徑，也都有差不多的問題。在所有的固碳反應里面，只有這一個反應，同時存在細菌跟古菌體內，那就是乙酰輔酶A路徑。這也就是說，這反應很可能曾出現在它們的共祖身上。

不過其實這樣講并不完全正確。在細菌跟古菌身上的乙酰輔酶A路徑，還是有一些奇怪難解的差異，晚一點我們再回來談這一點。現在暫且讓我們看一下，為何這條路徑，有資格被認為是先祖反應（雖然譜系發生學研究，尚未肯定這種說法，但是倒也沒有否定就是了）。使用乙酰輔酶A路徑的古菌，叫做產甲烷菌，此外還有產乙酸菌（細菌）。有些生命樹，會將產甲烷菌放在很早期很低的分支上；有些則將產乙酸菌放在很早的分支上；還有一些樹，則把這兩群細菌都放在比較晚期的分支上，因為有人認為，這種比較簡單的細菌，代表生物經過專一化、精簡化的演化過程，所以比較可能出現在演化晚期，而不是先祖時期。但是如果我們只能嚴守譜系發生學的研究，可能至今還深陷五里霧中，毫無頭緒。幸好我們不需要如此。

乙酰輔酶A路徑，由氫氣跟二氧化碳開始，就是在上一章中我們提過，在堿性熱液噴發區這兩種分子都很豐富。我們也說過，透過 H2跟 CO2去合成有機分子的反應，是一種「釋能反應」，會放出能量；原則上來說，這個反應應該會自動發生才對。但是實際上，這反應有一道能量障壁，讓 H2跟 CO2不會很快發生反應。今日的產甲烷菌，利用質子梯度去克服這道能量障壁，而我認為，它的祖先應該就是如此。就先假設我是對的，總之，產甲烷菌跟產乙酸菌，都只利用 H2跟 CO2之間的反應來生存：光靠這兩個分子，它們就可以獲得生長所需的一切能量與碳分子。光是這一點，就讓乙酰輔酶A路徑，跟其他五條反應路徑遠遠分開。地質化學家夏柯（Everett Shock），曾經說過一句名言來總結這個現象，他說：「這就像是有人付錢請你吃一頓免費的午餐。」這餐點或許并不豐盛，但是在熱液區，卻是全天無限供應。

還有，乙酰輔酶A路徑，不同于其他反應途徑；它很短，而且是直線進行。從簡單的無機分子開始，只需要很少的反應步驟，就可以制造出所有細胞都有的核心代謝分子，這個分子就是乙酰輔酶A，它是個不算太大，但具有高度反應性的分子。你不需要擔心這些專有名詞拗口，「輔酶A」就是「輔助酶A」的意思，它是一個重要而萬物通用的化學「掛鉤」，它會鉤住小分子，讓這些小分子容易被其他酵素催化。不過這個鉤子的重要性，遠不及它鉤住什么東西。在乙酰輔酶A中，它鉤住的是乙酰基（acetyl group）這個小分子。乙酰基跟乙酸（acetic acid，就是醋里面的醋酸）同源，是一個簡單的二碳分子，它在所有細胞的生化代謝反應中，都扮演舉足輕重的角色。當乙酰基被輔酶A鉤住時，會進入活化的狀態（常被稱為「活化的醋酸鹽」，其實就是有反應性的醋），這讓它很容易跟其他有機分子反應，因此可以驅動所謂的生合成反應。

因此，乙酰輔酶A路徑可以從 H2跟 CO2分子出發，只透過幾個步驟，就產生出活化的有機小分子，同時還會釋出足夠的能量，這些能量不只可以驅動核苷酸跟其他分子的合成，還足夠把它們連接起來，聚合成長鏈的DNA、RNA、蛋白質等等的大分子。催化乙酰輔酶A路徑前幾步的酵素，帶有含鐵、鎳跟硫的無機金屬簇。可以把電子傳到 CO2上面，把它變成活化的乙酰基。這些無機金屬簇基本上就是礦物質，也就是巖石，它們的結構，跟沉淀在熱液區的硫化鐵礦物質差不多。堿性熱液區所發生的地質化學反應，跟產甲烷菌以及產乙酸菌體內的化學反應，大部分都非常類似，事實上，用「類似」兩字恐怕還不足以去形容。類似的意思是很相似，但是可能只是表面上相似而已。而這兩者相近的程度，基本上應該被視為同一物才對：其中一套反應是另一套反應的始祖。也可以說，這是從地質化學演化出了生物化學，從無機物演變成有機生物，完全無縫接軌。化學家加納（C. David Garner）說得好，「是無機元素使有機化學導致了生命之崛起」。

不過，產生乙酰輔酶A最大的好處，應該是這個分子，剛好就處于碳代謝與能量代謝反應的分岔路口。最早指出乙酰輔酶A跟生命起源有關的人，是比利時優秀的生化學家德杜維（Christian de Duve），時間是一九九○年代初期；不過那時候他是在太古濃湯假說的架構中提出，而非堿性熱液里面。乙酰輔酶A不只可以驅動合成有機分子，它也會直接跟磷酸鹽發生反應，形成乙酰磷酸鹽分子（acetyl phosphate）。這個分子的重要性，雖然不及當前的生物能量貨幣ATP，但是在生命世界中，它仍被廣泛使用，而且功能跟ATP差不多。在上一章我們提過，ATP不單只會釋放能量，它還會驅動脫水反應，也就是說，從兩個氨基酸分子或是其他的生物分子中，抓走一個水分子，讓這兩個分子可以連在一起，形成長鏈。我們也說過，在溶液中進行脫水反應的問題，就好像在水中想要擰干衣服一樣麻煩，但是這正是ATP分子會做的事。而我們在實驗室里面已經成功地證實了，乙酰磷酸鹽分子，可以引起一樣的反應，因為它跟ATP的化學性質基本上一樣。這結果代表，乙酰輔酶A這種簡單的硫酯類化合物，非常可能可以推動最原始的碳代謝跟能量代謝。

「簡單的化合物？」也許你會這樣問。乙酰輔酶A上面的乙酰基，因為只有兩個碳，結構相當簡單。但是輔酶A可是一個復雜的分子，它毫無疑問是天擇的杰作，因此應該是演化后期的作品。所以，這一切只是循環論證嗎？其實不是。因為科學家找到一個非常簡單且「非生物性」的分子，可以算是乙酰輔酶A的相等物。乙酰輔酶A的反應性，來自于一個被稱為「硫酯鍵」的鍵結，硫酯鍵的結構，就是一顆硫原子接上一顆碳原子，然后這個碳原子上還連了一個氧原子。它的化學式可以這樣寫：

R-S-CO-CH3

在這里「R」的意思表示「其他的」分子，在乙酰輔酶A中，R就是「輔酶A」。右邊的 CH3則代表一個甲基（譯注：甲基跟 CO 接在一起就是乙酰基：-CO-CH3，所以才叫乙酰輔酶A）。不過其他化合物的R，未必需要是像輔酶A一樣復雜的分子，它也可以簡單如甲基，這樣就變成一個小分子，硫代乙酸甲酯（methyl thioacetate）：

CH3-S-CO-CH3

這也是一個具有活性的硫酯類化合物，在化學性質上跟乙酰輔酶A一樣，但是結構夠簡單，可以在堿性熱液區，由 H2跟 CO2產生反應直接合成。胡伯（Claudia Huber）跟瓦赫特紹澤，曾經成功地用 CO 跟 CH3SH 合成這個分子。此外，硫代乙酸甲酯跟乙酰輔酶A一樣，都可以直接跟磷酸鹽反應，產生乙酰磷酸鹽。因此，有人提出了一個假設，主張這個具有反應性的硫酯類化合物，一方面可以直接驅動新的有機分子合成；另一方面也可以透過合成乙酰磷酸鹽，去釋放能量，讓新分子聚合，然后形成復雜的長鏈分子，像是蛋白質或是RNA等等。我們正積極地設計實驗，用實驗室里的桌上型反應器，去驗證這個假設，并且最近才剛剛成功地做出了乙酰磷酸鹽呢，雖然濃度并不高就是了。

這種原始的「乙酰輔酶A路徑」，原則上，已經足以讓原始的細胞，從堿性熱液噴發孔的微孔結構里面開始演化了。我認為這有三個階段。在第一個階段，堿性熱液微孔結構中形成的質子梯度，被帶著硫化鐵礦物質的薄壁分開，這種環境有利于簡單有機分子合成。這些有機分子，流往熱液出口的眾多小孔時，會因為海水溫度較低，而被熱泳效應濃縮；接著，如同我們在第三章談過，它們會變成效果比較好的催化劑。這就是生物化學的起源，這個過程會持續生產并濃縮有活性的前驅物，促進分子之間的反應，并形成簡單的聚合物。

第二階段則是在堿性熱液的細小微孔結構里面，形成簡單而有機的原始細胞。根據有機的分子之間的交互作用，形成這種簡單而脆弱的細胞狀耗散結構，應該是必然的趨勢；這樣的結構，這只不過是物質自我組織的本性，并不需要遺傳基礎，也還沒有任何復雜性。我認為這些原始細胞，一樣是靠著質子梯度，去合成有機分子的結構，只不過以前是隔著堿性熱液噴發孔的巖石薄壁，現在則是隔著有機膜（比如由脂肪酸自動合成的脂雙層膜）。這些過程都不需要蛋白質的參與，如前所述，質子梯度本身，就會驅使硫代乙酸甲酯跟乙酰磷酸鹽的合成，因此也就會驅動碳代謝與能量代謝。這一階段跟前一階段，只有一處關鍵的不同：現在有機分子是在原始細胞內部合成；而驅動它們的，則是橫跨生物有機膜的天然質子梯度。回頭重讀這一段，我發現自己不斷地重復著「驅動」（drive）這個詞。或許是因為我的字匯貧瘠之故，但是，其實真的也沒有更好的詞了。我所要傳遞的訊息，就是「這并不是被動的化學反應」，這些反應是被強迫、被推著走的，是被不斷流入的碳、能量、質子等等所驅動。這些反應必須要發生，唯有如此，這些還原性、富含氫氣的堿性熱液，進入一種氧化的、充滿金屬的酸海中時，所產生的脆弱化學不平衡，才有可能消散。而也唯有如此，物質才能進入幸福的熱力學平衡狀態。

第三個階段，才是基因密碼的起源、是真正的遺傳，它讓原始細胞開始有能力，去復制跟自己大同小異的新細胞。最原始的天擇，也就是完全依靠物質合成與降解的速率，來決定勝敗，會慢慢演變成真正的天擇：帶有基因跟蛋白質的原始細胞，慢慢開始在堿性熱液噴發孔的微孔結構中，為生存而競爭。演化的機制，最終讓這些早期細胞，開始制造復雜一點的蛋白質，像是核糖體與ATP合成酶；結果這些蛋白質就這樣，一路完好地保存到今日所有細胞中。我認為，「露卡」，這個細菌與古菌的共同祖先，應該是住在堿性熱液噴發孔的微孔結構中。這意思也就是說，從最原始的無機物，一直到露卡誕生的三個階段，應該都發生在這些小孔中。所有的事件，都是由隔著無機石頭薄壁、或是有機膜的質子梯度來驅動。但是復雜的蛋白質像是ATP合成酶的出現，則要在露卡這段崎嶇旅途的晚期才會發生。

我不擬在這本書中討論太古生化反應的細節，像是遺傳密碼從何而來？或是其他同樣難解的問題。這些都是貨真價實的難題，而且已經有很多聰明的科學家投身其中去研究。答案雖然尚未可知，但是有供應充足而活化的前驅物，則是所有研究都預設的前提。舉個簡單的例子來說，根據分子生物學家柯普莉（Shelley D. Copley）、史密斯（D. Eric Smith）與莫洛維茲（Harold Morowitz）對遺傳密碼的起源所做的研究，他們推測，具有催化功能的二核苷酸（也就是有兩個核苷酸連在一起的分子），有可能可以透過丙酮酸鹽（pyruvate）這種簡單的前驅物，去制造氨基酸。他們的理論架構很聰明，同時透過這些「注定會發生的化學反應」，也為遺傳密碼的出現，提供了一種可能性。對于有興趣的讀者，在我的上一本著作《生命的躍升》中，有為DNA的起源，專門寫了一章，里面也稍微觸及了這些問題。但是所有的假設，都理所當然的認為，核苷酸、丙酮酸鹽，或是其他前驅物，會源源不絕地穩定供應。而我們在這里想處理的問題則是，到底是哪些力量，迫使生命在地球上誕生？我的論點則是，關于有機碳分子、能量，以及催化劑的出現，然后開始形成復雜的生物分子，一直向上發展出基因與蛋白質，最后出現露卡，這里面實在沒有什么觀念上難以理解之處。

靠著 H2與CO2維生的古菌，也就是產甲烷菌，它們體內的生化反應，跟我們在這里描繪的熱液世界之間，有著完美的連續性，兩者靠著「乙酰輔酶A路徑」連接起來。這些細菌很明顯地極度古老，它們隔著細胞膜，創造了質子梯度（等一下我會解釋它們是如何辦到的），也完整復制了原本在堿性溫泉區可以自由取用的一切。質子梯度驅動乙酰輔酶A路徑的方式，是利用一種嵌在膜中間的鐵硫蛋白質，它叫做「能量轉換氫化酶」（energy-converting hydrogenase），縮寫是 Ech。這個酶會引導質子通過膜，把質子傳給另一個叫做鐵氧化還原蛋白（Fd）的鐵硫蛋白質，然后把 CO2還原。在上一章中我曾假設過，隔著熱液微孔鐵硫薄壁的天然質子梯度，可以借著改變 H2與 CO2的還原電位，把 CO2還原。我猜，從奈米等級的尺度來看，這也正是 Ech 所做的工作。酶經常會在自己的蛋白質皺折中，也就是幾埃的距離之中，精密地控制生理條件，比如改變質子濃度；因此，Ech 很可能也會如此。果真是這樣的話，那么古早細胞所維持的原始狀態，與現代產甲烷菌的生理狀態，就有著牢不可破的連續性：原始細菌在脂肪酸形成的細胞膜中，嵌著許多硫化鐵礦物，并讓短短的多肽穩定地結合著來推動代謝；現代產甲烷菌則靠著基因編碼，制造 Ech 這種膜蛋白，來推動碳代謝。

不論如何，在已經有了基因與蛋白質的現代環境中，Ech 是利用甲烷生成時產生的質子梯度，來還原 CO2。產甲烷菌也會利用質子梯度，透過ATP合成酶去直接合成ATP。所以，對現代產甲烷菌來說，質子梯度可以同時驅動碳代謝跟能量代謝；而在溫泉區則可以免費提供帶有質子梯度的環境。最早住在堿性溫泉區的原始細胞，或許正是利用一模一樣的機制，去推動它們的碳代謝與能量代謝。這論點聽起來，可信度相當高。然而依賴質子梯度，會有它本身的問題，而且是非常嚴重又難解的問題。馬丁跟我都知道，要解決這個問題，唯有一個方法。同時，這也讓我們更深入看透了，為何細菌跟古菌，會在根本上不同。

細胞膜滲透性的問題

我們細胞里面的線粒體，它們的膜，對于質子來說幾乎完全不能穿透。這一點是絕對必要的。如果線粒體奮力把質子泵出膜外，質子卻馬上又透過無數小孔漏回來，那可一點也不妙。這就像你把水打入一個水缸里，但是缸底卻是一層會漏的網子一樣糟糕。我們的線粒體，借著傳輸出質子來建立一條電流回路，而這層膜就像絕緣體一樣：質子被打出膜后，大部分會從某個像渦輪一樣的膜蛋白中間流回去，同時推動渦輪。如果這個膜蛋白是ATP合成酶，那從這個奈米機器中流過的質子，就會推動ATP合成。不過請注意，這一切的過程，所依賴的都是能主動運作的泵。如果我們把這些泵堵住，那所有動作都會戛然停止。這就是氰化物毒藥的作用原理。如果你吞下一顆氰化物，它會馬上堵住線粒體里面呼吸鏈中最后一個質子泵。當呼吸鏈的泵受到這樣干擾后，剩下外面的質子，還會繼續從ATP合成酶中間流回幾秒鐘，但當膜內外的質子濃度趨于一致時，所有的電流都會消失。雖說死亡跟生命一樣都難以定義，不過當線粒體的膜電位，受到不可逆的崩解時，應該幾乎就是死亡的同義詞了。

那么，天然的質子梯度，要如何推動ATP合成呢？它會遇到跟「氰化物」一樣的難題。想像在熱液噴發隔間中，有一顆原始細胞，它靠著天然的質子梯度提供能量。細胞的一邊，面對的是持續流過的海水；細胞的另一邊則是持續流過的堿性熱液。四十億年以前，海洋可能呈弱酸狀態（pH 5–7），而堿性熱液則跟今天一樣，大概是 pH 7–9 的堿性。這樣巨大的酸堿差異，讓 pH 的差異橫跨了三到五個單位，也就是說，兩側液體的質子濃度，可能差了一千倍到十萬倍之多。簡單的來講，就先假設一開始，在細胞里面的質子濃度跟溫泉液里的一樣好了。這樣一來，細胞內外就形成了巨大的質子梯度，而質子傾向從濃度梯度高的海水，流往梯度較低的細胞內。不過除非有辦法把流進來的質子搬走，否則在幾秒鐘之后，這個流動就會停止。有兩個原因會讓質子停止流入：第一，因為內外的質子濃度，很快就一致了；第二，除了濃度以外，還有電荷的問題。質子（H+）是帶正電的，但是在海水中，它們的正電會被帶負電的離子中和，比如被氯離子（Cl-）平衡掉。但是質子進入細胞的速率，會比氯離子要快得多，因此，大量進入細胞中的正電荷，將無法被負電荷平衡掉，這就造成了問題；細胞里面很快就會比外面帶更多的正電，如此一來就會阻止更多的 H+繼續流入。簡而言之，除非有一個泵，可以把質子不斷打出細胞，否則這種天然的質子梯度，將無法驅動任何反應。它們會進入平衡狀態，而平衡，就是死亡。

不過有一個例外。如果這層細胞膜讓質子難以穿透，那么質子流確實會停止，因為進到細胞里面的質子無法出去。但是如果這層膜是會漏的，那情況就不一樣了。持續從海水進入的質子，可以從其他出口漏出去，雖然是被動的，但是至少可以透過滲漏的膜，流往細胞的另一側。結果，會漏的膜反而比較不會對質子流造成阻礙。此外，從堿性熱液流過來的氫氧離子（OH-），穿過膜的速率跟質子差不多。當它們碰到一起的時候，就會形成水（H2O），因此可以同時一并消除流入的質子跟正電荷。我們可以利用傳統的電化學方程式，透過電腦模擬一顆假設的細胞，根據膜的通透性，來計算質子流入跟流出細胞的速率。我跟波明安可夫斯基所指導的一個博士班學生蘇活（Victor Sojo），就在研究這個問題。蘇活主修化學，也對于生命起源的大問題很有興趣。我們測量了在穩定狀態下，當質子濃度不同的時候，單純因為細胞內外 pH 梯度的不同，所能獲得的自由能（∆G）有何差別？結果計算出非常漂亮的結果。我們發現，膜對質子的通透性，是推動質子流入的力量。如果這層膜通透性很高，那么質子會進來得非常快，但是也消失得快，因為它們很快就會被用同樣速率滲進來的 OH-離子中和掉。不過我們也發現，即使是通透性很大的膜，質子透過脂質膜直接進入細胞的速率，仍不及透過膜蛋白（像是ATP合成酶這種）進入的速率。這意思也就是說，質子流可以透過像 Ech 這種膜蛋白，來合成ATP或是來還原 CO2。如果把離子濃度差異跟電荷都納入考量，再加上ATP合成酶這種蛋白質，我們發現只有通透性非常高的細胞膜，才有可能利用質子流來驅動碳代謝以及能量代謝。值得注意的是，根據計算，這些漏很大的細胞，在內外差了三個 pH 的情況下，就可以從天然的質子梯度，得到跟現代細胞借著呼吸作用所得到一樣多的能量。

事實上，這些細胞可能會獲得更多能量。想想看產甲烷菌，它們大部分的時間就是在制造甲烷，自然因此得名。平均來講，產甲烷菌每產生一份有機物質就要制造四十倍的垃圾（也就是甲烷跟水）。所有借著合成甲烷所獲得的能量，都用來泵出質子。產甲烷菌大約花掉將近百分之九十八的能量預算，借著甲烷生成作用，去制造質子梯度；大約只有百分之二的能量，用來合成新的有機物質。如果有天然的質子梯度，加上會滲漏的細胞膜的話，這些額外的能量浪費都是不必要的。它們可以得到一樣多的能量，但是經常性開支卻可以降低四十倍，這是非常明顯的優勢！想想看，如果你可以得到四十倍之多的能量！那活力可以遠遠勝過自己的后代。在前一章里面，我曾經講過，原始的細胞會比現代細胞，需要更多的能量與碳元素，但是如果不需要依賴泵而活的話，那它們其實會有更多的碳跟能量來運用。

假設有一顆會滲漏的細胞，處于天然的質子梯度環境中。還記得我們現在已經身處于擁有基因與蛋白質的時代了。我們的基因跟蛋白質，是天擇作用在原始細胞身上的結果。如果這顆會滲漏的細胞，可以利用天然質子流，去操作前面提過的 Ech，來推動碳代謝。 Ech 讓 H2能夠跟 CO2反應，去生產乙酰輔酶A，從此開始就可以制造所有所需的建筑材料。這個會漏的細胞，還可以利用天然質子梯度，去驅動ATP合成酶來合成ATP。當然它接著就可以利用ATP，去聚合氨基酸跟核苷酸，這樣就可以合成蛋白質、RNA還有DNA，最后就有能力自我復制。還有很重要的一點，這顆會滲漏的細胞，并不需要消耗能量來泵出質子，所以即使使用的是幾十億年以前、尚未受到演化雕琢的低效能原始酶，它們仍應該能夠好好地生長。

但是這種滲漏細胞，也會因此被局限在原生地，變成完完全全依賴著堿性熱液，而無法在其他地方存活。一旦有一天熱液停止噴發，或是噴口轉移到其他地方，這些細胞就完蛋了。更糟的是，它們很可能處于一種無法演化的狀態。改善細胞膜的通透性，并不會帶來任何演化上的好處。相反地，通透性比較小的膜，反而會因為無法排除堆積在細胞內的質子，結果反而摧毀質子梯度。所以任何細胞一旦發生變異，制造出「現代化」的不透膜的話，反而會被天擇淘汰。當然啦，除非它們同時學會如何泵出質子，然而這件事也是困難重重。我們剛剛講過，在一層會漏的膜上面泵質子，是沒有意義的事情。而我們自己的研究也顯示，即使細胞膜的滲透程度降低整整三個數量級，泵也不會帶來任何好處。

讓我細說，身處于質子梯度中的滲漏細胞，已經可以獲得大量的能量，大到足以驅動碳代謝跟能量代謝。假設出現某個神秘的演化過程，很快地變出一座功能完整的泵，然后放到細胞膜上，會怎樣呢？從獲得能量的角度來看，這樣一點好處也沒有：不管有沒有這座泵，細胞獲得的能量都一模一樣。把質子泵過一層會漏的膜，一點意義也沒有，因為它們馬上就會流回原處。即使把膜的通透性降低十倍，再試試看，結果還是沒什么用處。如果把膜的通透性降低一百倍呢？還是沒有什么用處；降低一千倍呢？仍然沒有好處。為什么會這樣呢？因為各種力量的影響，會達到一種平衡。雖然降低細胞膜的通透性，有助于泵的運作，但是同時也會讓質子梯度難以維持，因而降低細胞的能量供應。除非可以把大量的泵，布置在幾乎完全不透的細胞膜表面各處（大概跟我們今日的細胞膜一樣），泵的好處才會出現。這是很嚴重的問題。在溫泉世界沒有選擇的壓力，讓細胞需要去演化出現代化的細胞膜，以及現代化的質子泵。而沒有演化動力，它們就不會出現。可是現代化的細胞膜跟泵，明明就出現了，那么到底哪個環節有錯呢？

科學經常有著意想不到的結局出現，這里就有一個例子。我跟馬丁一直在苦思這個問題，我們假設產甲烷菌會使用一種叫做「反向運輸蛋白」（antiporter）的東西。我們所研究的產甲烷菌，實際上是泵出的是鈉離子（Na+）而非質子（H+），但是它們還是會有質子累積在細胞里面的問題。這個反向運輸蛋白，會用 Na+來交換 H+，就好像一座雙向的旋轉柵欄，或是旋轉門一樣。細胞每打入一個 Na+，就會吐出一個 H+。這其實是一座靠鈉離子梯度來驅動的質子泵。不過這座泵并沒有一定的運作方向。如果一顆細胞比較傾向泵入 H+而不是 Na+，那么反向運輸蛋白只需要倒轉運作即可。細胞每打入一個 H+，就有一個 Na+ 會被打出去。霎時間，我們就有了可用的工具。如果在堿性溫泉噴口的原始細胞，演化出 Na+/ H+反向運輸蛋白的話，它就好像有了一臺靠質子推動的 Na+泵。每一個 H+進入到細胞里，就必須丟出一顆 Na+，理論上來說，一臺反向運輸蛋白，會把天然的質子梯度，轉換成為生化的鈉離子梯度。

那這樣有什么幫助呢？我必須強調，這只是基于我們對蛋白質特性的了解，所做出的理論性推論，但是根據計算，這個蛋白質會改變很多事情。一般來說，脂質膜對于 Na+的通透性，比對 H+的通透性來說，要小了六個數量級；所以一層對質子來說極易滲透的膜，對于鈉離子來說會極不容易滲透。我們每泵出一顆質子，它會很快地流回膜內，但是如果泵出的是鈉離子，它不會那么快流回來。這也就是說，反向運輸蛋白可以被天然的質子梯度驅動：每泵進入一顆 H+，就會排出一顆 Na+。只要這層膜對質子一直保持著通透性，反向運輸蛋白就可以持續運作，把 Na+一直泵出去。因為這層膜不透 Na+，所以一旦被排出去，就會一直待在外面；或者，它要回來就必須透過某種膜蛋白，而不能直接穿過脂質膜流回細胞。這樣一來，把 Na+流加入細胞機器一起運作，對事情就有幫助。

當然啦，這樣會有幫助的前提是，那些驅動碳代謝跟能量代謝的膜蛋白（也就是 Ech 跟ATP合成酶），無法區別 Na+跟 H+有什么不同。這聽起來很荒謬，但是讓人訝異的是，竟然真的有這種事。有些產甲烷菌的ATP合成酶，可以同時被 H+或是 Na+推動，而效率幾乎一樣好。在無趣的化學字匯中，稱呼這種模式是「偶發的」。出現這種現象的原因，很可能是因為，這兩種離子的電荷數一樣，而粒子半徑也差不多。雖然 H+比 Na+要小很多，但是質子很少單獨存在。當它溶在水中時，會跟水分子結合成為 H3O+，這樣一來，半徑就幾乎跟 Na+一樣大了。另一個膜蛋白 Ech，對于 H+跟 Na+的辨識度也是「偶發的」，原因應該也一樣。這里最重要的一點就是，把 Na+泵出細胞外面去，并非全然無意義。首先，如果是靠天然的質子梯度來推動，那把 Na+泵出細胞根本不花一毛錢。而一旦細胞建立起鈉離子梯度之后，Na+比較有可能透過 Ech 跟ATP合成酶這類膜蛋白，而不是透過脂質膜，回到細胞里面。這樣一來，使用完全隔離的細胞膜，反而比較好，因為這樣比較不容易出現短路。而結果呢？細胞將有比較多種不同的離子，可以用來驅動碳代謝跟能量代謝，如此，細胞把離子泵出去的投資報酬率會比較好。

這樣一個簡單的新發現，會帶來許多意外的分歧。首先，把鈉離子打出細胞，必然會降低細胞里面的鈉離子濃度。我們發現許多細菌跟古菌的核心酶（比如說那些負責轉錄跟轉譯的酶），最適當的工作環境，都是在低 Na+濃度的情況下。這些酶，當初應該是在四十億年前的海洋中演化出來，而彼時海中 Na+濃度，應該不會低到哪里去，所以這樣的性質，無疑是天擇篩選的結果。因此，反向運輸蛋白可能很久以前就出現并開始運作，這樣才能解釋，為何所有細胞雖然從高 Na+的海洋中演化出來，卻最適應在低 Na+濃度的環境下工作。

跟我們原本的目的比較有關的改變，是反向運輸蛋白可以在原本的 H+梯度外，又快速地增加了 Na+梯度這件事。細胞仍然需要靠質子梯度提供能量，因此它們還保有質子滲透膜；但是現在又多了 Na+梯度，而根據我們的計算，比起只依賴質子時，細胞又可以多百分之六十額外的能量。這會為細胞帶來兩大好處：首先，有反向運輸蛋白的細胞，可以獲得比較多的能量，因此比那些沒有的細胞，可以更迅速地生長與復制；這很明顯會讓它們在天擇競爭中，占盡優勢。再來，即使天然的質子梯度降低，細胞也還可以繼續生存。根據我們的研究，帶有滲漏膜的細胞，可以在質子梯度為三個 pH 單位的環境中，生長的很好。三個 pH 單位的意思就是說，海洋中的質子濃度（約為 pH 7），比起堿性熱液（約為 pH 10），要高了三個數量級。當細胞有了反向運輸蛋白之后，可以從天然質子梯度獲得比較多的能量，它們就可以在梯度小于兩個 pH 單位的環境下生存；這讓它們有辦法擴散，并定居在更廣的范圍內，或是搬到鄰近的熱液系統處。因此，帶有反向運輸蛋白的細胞，應該會勝過其他細胞，也會在熱液噴發孔演化并擴散。但是，因為它們仍是完全依賴天然的質子梯度而活，所以還不能離開熱液噴發孔。還差一步。

現在情況進到一個關鍵點。有了反向運輸蛋白，細胞尚不能離開熱液噴發孔，但是它們已經準備好了。我們可以說，反向運輸蛋白其實是一種「預先適應」（preadaptation），是助長之后演化發展，一個必要的第一步。反向運輸蛋白的出現，是第一個有利于主動泵演化的因素，這件事相當出人意料（至少對我來說如此）。之前我曾經說過，用主動泵把質子打出滲漏膜，并沒有好處，因為它們馬上就會流回來。但是反向運輸蛋白出現之后，好處也浮現了。當質子被傳輸出去后，有一些不見得會直接從脂質膜漏回來，而會從反向運輸蛋白進入，同時把一個 Na+交換出去。既然細胞膜對 Na+的隔絕性比較好，那么當細胞花能量把質子打出去后，就會轉換成膜兩側的鈉離子梯度。每多打出去一個鈉離子，它們就多一點點留在外面的機會。因此也可以說，現在每傳輸出一個質子，也就可以多一點好處，而以前則是毫無用處。因此，質子泵只有在反向運輸蛋白存在的情況下，才會有用。

除此之外，當質子泵演化出來后，改善細胞膜的滲透性，也開始有點好處了。我再解釋一次：要利用天然質子梯度，一定要有一層會滲漏的細胞膜才行。在這種膜上操作質子泵，沒有任何意義。反向運輸蛋白可以改善一些情況，因為它讓細胞在天然質子梯度外，又可以額外多獲得一點能量；但是它并沒有辦法，切斷細胞對質子梯度的依賴性。但是有了反向運輸蛋白后，運輸出質子就開始有一點好處了，也就是說，細胞將可以少依賴一點天然質子梯度。而也只有在這種情況下，有一片滲漏比較少的細胞膜，會比較好。細胞膜少滲漏一點，質子泵的好處就多一點。愈改善，好處就會愈大，一直到現代化的質子隔離膜出現為止。而這應該也是史上第一次，一股持續性的演化動力，可以同時創造質子泵跟現代化細胞膜。演化到最后，細胞終于有辦法切斷它跟天然質子梯度的臍帶：現在它們可以自由地離開熱液噴發孔，奔向外面空曠而寬廣的世界中。

這一組物理條件的制約，非常漂亮。從這種限制上去思考，它跟譜系發生學的研究方法不同，譜系發生學提供的答案很少，也很模糊；物理條件的限制，卻可以把演化可能出現的步驟，按照順序先后排列出來，從依賴天然質子梯度為始，到出現現代化細胞（橫跨不透膜，自己制造質子梯度）為終。此外，這樣的物理條件限制，還可以解釋細菌與古菌當初如何分歧。雖然這兩種細菌，都靠著「隔著細胞膜所產生的質子梯度」來生產ATP，但是這兩種不同域的細菌，它們的細胞膜，從根本上來說就完全不同；外加上其他許許多多特征上面的不同，像是膜泵、細胞壁、DNA復制機制。下面我將一一解釋。

為什么細菌跟古菌完全不同

這個故事講到現在，我來幫它做個總結吧。在上一章中，我們從能量的觀點來討論，早期地球上哪些環境，可能導致生命出現？我們慢慢排除各種可能，最后鎖定在堿性熱液區，因為這里可以穩定地供應碳元素跟能源，同時還有礦物質催化劑、以及天然的微小隔間。但是這些熱液有個問題：這里的碳跟能量，是以 H2跟 CO2的形式流進來，而這兩種分子，本來并不容易發生反應。不過地質化學所造成的天然質子梯度、熱液噴發孔微孔隔間的半導性薄壁，都有助于讓分子橫跨原本的能量障壁，發生反應。反應會產生如硫代乙酸甲酯（功能上等同于乙酰輔酶A）之類的活化硫酯類分子，就可以在有質子梯度的環境中，驅動碳代謝跟能量代謝。這些代謝反應所形成的有機分子，會堆積在熱液噴發孔的小洞中。分子堆積在一起，有利于「脫水」反應進行，然后形成像是DNA、RNA以及蛋白質這樣的復雜聚合物。在這里，有些細節被我刻意略過，像是遺傳密碼如何出現之類的問題；我只著重在觀念上的論證，說明根據理論，這樣的環境，可以制造出帶有基因跟蛋白質的原始細胞。這樣一群細胞，就成了完美的天擇作用目標。我認為，細菌跟古菌的最后一個共同祖先，也就是稱為「露卡」，應該就曾經住在堿性熱液噴發孔的小孔中。它是這里眾多簡單細胞群中的一員，依賴著天然質子梯度而活，后來被天擇篩選出來。天擇會讓復雜的蛋白質慢慢演化出來，像是核糖體、Ech 還有ATP合成酶等等。這些蛋白質，后來被保存下來，成為萬物共有的特征。

原則上，露卡可以借著天然的質子梯度，透過ATP合成酶與 Ech，來供應自身碳代謝與能量代謝所需要的一切東西。不過這樣一來，露卡需要有一層滲透性極高的細胞膜。它將無法演化出現代細菌跟古菌的細胞膜，因為那種完全不透的「現代化」細胞膜，將會摧毀露卡賴以為生的質子梯度。不過，后來出現了反向運輸蛋白，改善了這種情況。這個蛋白質可以將天然的質子梯度，轉換成生化的鈉離子梯度，這樣可以提供額外的能量，讓細菌可以在質子梯度低一點的地方生存。這樣一來，細菌就有辦法擴散，并在原本站不住腳的范圍內生存，也比較容易讓族群開始分化。一旦細菌可以拓展到比較廣的范圍生存，它們就甚至可以開始「感染」鄰近的熱液系統；而在古早的地球上，堿性熱液噴發孔在海底的分布，應該要比今日廣泛得多，那時候許多地方都容易發生蛇紋巖化作用。

反向運輸蛋白，同時也有利于質子泵的發展。最終，我們要來討論一下一件奇怪的事，也就是關于產甲烷菌跟產乙酸菌，兩者為何有不同的乙酰輔酶A路徑。這樣的差異，暗示了主動泵，應該是反向運輸蛋白的幫助下，分別出現在兩群不同的細菌身上，而這兩群細菌，都是從共祖分化出來的。回想一下，產甲烷菌屬于古菌，產乙酸菌屬于細菌，這兩種細菌，分別代表了原核生物的兩大域，同時也是「生命樹」上最最古老的分支。細菌跟古菌有非常相似的DNA轉錄跟轉譯系統、相似的核糖體、相似的蛋白質合成系統等等。但是它們也有一些非常基本的不同處，包括細胞膜的成分。我還提過，它們的乙酰輔酶A反應路徑，雖然都是非常古老的反應路徑，但是在細節上面卻不一樣。這兩域細菌的相同與不同處，揭露了一些秘密。

產乙酸菌跟產甲烷菌一樣，都利用 H2跟 CO2發生的反應，去制造乙酰輔酶A，其反應步驟非常相似。這兩種細菌，都利用一種叫做電子分歧（electron bifurcation）的靈巧手法去推動質子泵。這手法最近才被德國優秀的微生物學家陶爾（Rudolf K. Thauer），跟他所帶領的團隊所發現；而這個現象，可以算得上是近幾十年來生物能量學領域中，最劃時代的突破了。這些隱晦的微生物，明明根據化學計量學的結果，是無法生長的，可是它們卻完全無視理論，持續產生能量并且大長特長。為何如此？數十年來學界始終一籌莫展。陶爾現在已經正式退休了，不過他的眾多發現，為這長年徒勞無功的解謎過程，畫下了一個句點。演化往往比我們所設想的還要精明。基本上，電子分歧可以看成一種「能源的短期租賃」過程，所依賴的是欠的債可以馬上償還。之前曾提過，H2跟 CO2的反應，整體來說是一種釋能反應（會放出能量）；但是這系列反應的前幾步，是需能反應（需要輸入能量）。電子分歧現象所促成的，其實只是把反應的后幾步，當 CO2被還原時所釋放出來的能量，挪用到前幾步來而已。既然最后幾步所釋放出來的能量，大于前幾步所需要的能量，多出的能量有一些會被用來制造質子梯度。整體來說，H2跟 CO2反應所產生的能量，是被用來將質子泵出細胞膜。

而關于這個反應最大的謎團，在于產甲烷菌跟產乙酸菌兩者體內，對于電子分歧的反應路徑，有著不同的「配線」（wiring）。雖然兩者都依賴類似的鐵－鎳－硫蛋白質，但是反應機制卻不一樣，而很多參與反應的蛋白質也不同。產乙酸菌跟產甲烷菌，都會把 CO2跟 H2反應所釋放出來的能量，轉換成隔著細胞膜的 Na+或是 H+梯度；兩者也都利用這個離子梯度，來驅動碳代謝跟能量代謝。不過雖然產乙酸菌跟產甲烷菌一樣，也有ATP合成酶跟 Ech；但是產乙酸菌卻不直接使用 Ech 去推動碳代謝。相反地，有些產乙酸菌，會把它當成 Na+或是 H+泵來使用。同時它們兩者碳代謝反應過程，也迥然不同。由于這些不同處實在太過基礎，以至于一些學者認為，搞不好兩種細菌反應的相似處，并不是來自于共同祖先，而是趨同演化、或是水平基因轉移的結果。

不過，關于這些相同處與不同處，如果考量到露卡確實是生活在「依賴天然質子梯度」的環境中，那就變得合理了。這樣一來，質子泵演化的關鍵就在于，質子原本是從哪一個方向流過 Ech 的：它是自然地從 Ech 流入細胞內，去進行固碳作用；或者反過來，由 Ech 扮演質子泵的角色，把質子打出細胞呢？我認為，在遠古的細胞體內，原本天然的質子流通過 Ech 時，是用來還原「鐵氧化還原蛋白」，如此才能還原 CO2。兩群細菌分家后，各自演化出質子泵。其中一群，也就是后來變成產乙酸菌的細菌，倒轉了 Ech 的方向，它們透過氧化「鐵氧化還原蛋白」所產生的能量，把質子運輸出細胞外面。這樣既簡單又有好處，但是卻馬上出現了問題：以前用來還原二氧化碳的鐵氧化還原蛋白，現在被用來幫助把質子運輸出細胞。所以產乙酸菌必須另辟蹊徑來還原二氧化碳，而且不能依賴鐵氧化還原蛋白。它們的祖先找到了解藥，那就是透過電子分歧這聰明的手段，讓它們可以間接地還原 CO2。整個產乙酸菌的生化反應，其實就是根基在一個簡單的前提下：當流經 Ech 的質子流方向反轉時，帶給產乙酸菌一個有用的質子泵，但同時也留給它一道難題去解決。

第二群細菌，也就是后來變成產甲烷菌的細菌，找到了另外一條路徑。它們維持著祖先的習慣，仍然用質子梯度來還原「鐵氧化還原蛋白」，然后用這個被還原的蛋白質去固碳。但是現在它們必須要從無中生有，來「創生出」一個質子泵。好吧，或許不是真的從無中生有，它們很可能只是改裝了現有的蛋白質。目前看來，它們似乎是改裝了某個反向運輸蛋白，讓它變成一臺泵。基本上，這并不是太困難的事，但是有一個難題：哪里來的電力，讓泵運作呢？為此，產甲烷菌發明了不一樣的電子分歧手法。它使用了一些跟產乙酸菌一樣的蛋白質，但是因為需求不同，連接的泵也不同，所以它用不同的方式連接。這兩域細菌的碳代謝與能量代謝反應，一般認為是根據流經 Ech 的質子方向，而發展出來的。因為流動方向不同，而有兩種選擇，結果產乙酸菌跟產甲烷菌，分別做了不同的決定。

一旦細菌發展出了主動泵，它們就有動機去改善細胞膜的品質了。從以前到目前為止的每一步，細菌都還沒有辦法從「現代化」的細胞膜中，獲得任何好處。要有現代化的細胞膜，必須把材料換成磷脂質（phospholipid），這很可能是有害的。但是當細菌有了反向運輸蛋白跟質子泵，把甘油分子加到原本細胞膜的脂質上，就開始有好處。在這件事上，這兩域的細菌，似乎是各自獨立演化的，所以古菌采用甘油的一種立體異構物，而細菌則采用了它的鏡像（見第二章）。

現在這些細菌都演化出了主動離子泵，同時也都有了現代化的細胞膜，它們已經可以離家出走，奔向寬廣的海洋了。因為細菌跟古菌，是從住在堿性熱液區質子梯度中的共祖細胞，各自獨立演化出來的，所以后來它們發展出不同的細胞壁，來保護自身面對的新沖擊，并不足為奇。而它們各自「創生出」DNA復制系統，也就理所當然。在分裂的時候，細菌會把它們的DNA黏在細胞膜上，一個叫做「復制子」（replicon）的地方，這步驟可以確保分裂出來的子代細胞，都可以拿到一份DNA的拷貝。因此，把DNA黏在細胞膜上的分子機器，以及DNA復制時的許多細節，多多少少都會受到「如何黏上去」的影響。因為兩種細菌的細胞膜是獨立演化出來的，這就解釋為何它們的DNA復制過程如此不同。關于細胞壁也是一樣，它的零件一定要從細菌體內，透過細胞膜上特定的小孔送出來。因此，要如何合成細胞壁，要看細胞膜的特性如何，所以兩者的細胞壁「理應」不同。

現在，我們差不多接近尾聲了。雖然生物能量學，并沒有根據第一原理，去預測細菌跟古菌兩者在基礎上，應該會出現哪些不一樣；不過從能量的觀點去考量，確實可以解釋這些差異「如何」、以及「為什么」會出現。原核生物的兩大域，彼此之間的差異，跟需不需要去適應高溫這種極端環境，一點關系也沒有；這純粹是那些為了產生能量，而必須維持滲漏細胞膜的細菌，后來分家的故事。細菌與古菌分歧的方式，或許無法根據第一原理去預測，但是關于這兩域細菌，都使用化學滲透機制（也就是在細胞膜兩側制造質子梯度）這件事，倒是遵守著前兩章所談到的各種物理原理。不論是在地球上，或是在宇宙中任何一個角落，最有可能孕育生命的場所，大概就是堿性熱液了。這種熱液，迫使細菌使用天然的質子濃度梯度，最后迫使它們制造自己的質子梯度。在這樣的脈絡下，今日地球上所有的生物，都使用化學滲透機制，實在是理所當然。我認為宇宙中其他的生命，很可能也使用化學滲透機制。這意思也就是說，它們可能面臨的問題，跟我們在地球上所面臨的問題一樣。在后面，我們要來看看，為何這種靠質子發電的普世需求，讓復雜的生命注定十分罕見。

2024-07-06 16:48:55