生命是如何进化出来的？

导语

上篇文章有很多人感兴趣，阅读量高达3万多！非常感谢大家的鼓励与支持，所以我再接着写下一个话题，那就是生命是如何从无到有的。

同样，这个话题尚无定论，但目前有一个很靠谱的理论，我把其要点介绍给大家。同样，这不是一篇正经文章，各位读者可以将其视为信息点的大集合，所有的起承转合与细节都被我省略掉了。

要想看完整的推理过程，请阅读这套理论的主要推手、英国伦敦大学学院的生化学家尼克·莱恩（Nick Lane）在2015年出版的一本书，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?）。这本书我已经推荐过N多次，属于颠覆我世界观的少数几本书之一。但这本书的阅读门槛较高，需要有大学生物专业的基础知识。

（我的新偶像尼克·莱恩）

据说该书版权已被国内某家出版社买下，但迟迟未见中译本，不知道是因为没人敢翻还是出版社怕没销量。如果是因为后者，那就太遗憾了。

生命是熵增原理的产物

再重复说一遍生命的定义：一般认为，生命最本质的特征就是它会主动地从外部吸收能量，维持自己的熵值，并把这个本事传递下去。

熵可以简单地理解为是一个“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不会减少，所以该定律又名熵增定律。按照这个定律，一个封闭系统一定会变得越来越无序，我们的宇宙总有一天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，要想维持这个有序状态，生命必须时时刻刻从外部吸收能量（又名负熵），并排出无序的废物（包括热量），这个过程叫做“新陈代谢”，这是我们定义“活”和“死”的唯一指标：有新陈代谢的都是活物，反之是死物。

按照这个标准，病毒不是生命，只是生命的一种衍生品。

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。

以莱恩为首的一批无神论科学家们所要做的，就是解释这个关键的转变到底是如何发生的。再次强调一点：生命是宇宙间最伟大的创造，对于生命起源的解释同样遵循创新的“相邻可能”原理，莱恩的理论也不例外，具体解释请看上一篇文章。

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），两者一定会发生反应，变为水。但是，反应动力学决定了两者之间的化学反应并不会立即发生，而是需要某些先决条件，比如高温或者电火花等等。如果条件不具备，两者甚至永远都不会反应，熵值始终增不上去。

生命的本质其实就是大自然进化出来的一种简便的方法，将很多化学反应的所需条件降低（酶的定义了解一下）。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，该整体的熵增速度被加快了。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原理，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原理的一种自然现象。

写到这里必须指出，如果较真的话，上面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”是可以在地球的“原始汤”中自发形成的，不需要借助外力。

能量决定一切

生命的另外两个要素是遗传和新陈代谢。前者自DNA双螺旋结构被发现后迅速成为生物学领域里的“显学”，吸引了最多人的关注，取得的成果也最多。后者则相对地被忽略了，但莱恩认为能量才是生命最核心的要素，解释生命起源的线索应该从新陈代谢中去寻找，而不是从DNA中。

我们很早就知道，地球上几乎所有的生命都依靠ATP分子来提供能量。有人将ATP比作生物界的钞票，我更愿意将其比作充电电池。ATP是充满电的状态，其携带的能量被用掉之后变为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。

（发现ATP秘密的伟大科学家皮特·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，和电流的方向正相反。ATP合成酶是一种跨膜蛋白，它利用了这种“正电”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》杂志上发表了第一篇关于这件事的论文，但却没有引来太多反响。多数人看得一头雾水，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生产能量。莱恩甚至认为这是继达尔文进化论之后人类所发现的最最反常识的事情。

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。

虽然米切尔最终拿到了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，在莱恩看来，生命之所以采取了这种奇怪的方式获取能量，说明最早的生命很可能用的是同一个方法。因为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，也就无法进化出更高效的方式。

换句话说，地球生命很可能起源于一个具有质子浓度梯度的地方。

生命源于海底

1970年代，潜水员们首次在海底发现了“热液喷口”（Hydrothermal Vent），它们位于那些地壳板块较薄的地方，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“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。原来，海底喷出的各种气体为细菌们提供了丰富的能量，围绕它们形成了一个海底生态圈。一位名叫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。

但是，这样的热液喷口温度太高了，生命是没办法直接从这里诞生的，再加上其他一些原因，这个理论遭到了很多人的质疑。

几年后，人们又在距离热液喷口不太远的地方发现了一种“碱性热液喷口”（Alkaline Hydrothermal Vent），其中最著名的就是位于大西洋中脊附近的“失落之城”（Lost City，不多解释，各位可以去搜一下）。这类喷口不是海水和岩浆直接作用而成的，而是由海水和炽热的岩石作用而成，从烟囱里喷出的气泡呈白色。

（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代表1米。）

美国科学家Michael Russell于1988年在《自然》杂志上发表了一篇很短的读者来信，首次提出“碱性热液喷口”更有可能是生命的发源地。另一位美国科学家William Martin受此启发，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，把生命起源的过程做了解释。

简单说，海底热液是一种富含氢气的碱性液体，地球诞生初期的海水则是富含二氧化碳的酸性环境。海底烟囱的内部状如海绵，充满了直径极小的空隙，这就构建了一个以无机物为分界线的微环境。海底热液顺着这些空隙一路向上，和周围海水形成了一个连绵不断的天然质子梯度，这就相当于为这个微环境提供了一个不间断电源。再加上烟囱本身富含铁，是一种很好的催化剂。于是，二氧化碳、氢气和水在金属催化剂的作用下，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，并逐渐堆满了整个微空间，原始的新陈代谢就是在这种环境下产生的。

ATP很可能就是在这一时期被进化出来的。

由于前文所说的原因，细胞膜是有可能在那种环境下自发产生的，于是一些细胞膜逐渐代替了岩石缝隙，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梯度，继续为ATP充电。

第一个原始细胞就是这样诞生的。

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。关于这件事及其意义，我可以再写一篇新的文章了。

结语

围绕着“碱性热液喷口”所发生的各种事件的生化细节，莱恩的书里有详细的解释，很多地方我也看得似懂非懂，但大致的逻辑并不难理解，最终的解释非常漂亮，多次令我拍案叫绝。

这一切都来自皮特·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。他提出的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，最终证明这个思路是正确的，生命是一种有方向性的自然过程。

以上介绍的只是莱恩这本书的前三分之一内容，之后他从能量使用的角度出发，推导出了很多生命现象出现的原因，包括细胞核、多细胞生物、有性生殖、两性生殖等等，甚至死亡，都得到了完美的解释。

如果大家给点鼓励，我会继续为大家介绍这本书中最精彩的后三分之二内容，你会彻底理解生命为什么变成了现在这个样子。作为生命中的一员，人类在漫长的地球历史当中走过的每一步都是有原因的。其中最奇妙的是，我们进化出了“寻求好解释”的渴望，这种渴望让我们逐渐理解了这个世界，未来也将逐渐帮助我们理解自己。

人性之大，莫过于此。