二十世纪最“反直觉”的伟大生物学发现：化学渗透（终结）
三观正的读者都点赞了
◆ ◆ ◆ ◆ ◆
编者按：任性地发了六期生物学的话题，今天是最后一期。这一期讲的是各种生命的起源的假说。无论是那种假说，虽然都有各种破绽或者不能自洽的地方，但是也比设计论要更加符合科学的范式。要想否定这些假说，也只能用科学的方法，比如用热二定律或者统计学的规律去否定一些假说，而不是把目前还无法解释、无法证明的问题一股脑地交给了神学。这是思维的懒惰，是矇昧时代的产物，历史已经证明，人类的发展不会从中收益。
作者关于自己的星星细语：私人教育机构讲师，计算机专业硕士
基于科学松鼠会网站声明取得授权转载 | 编辑：爽临
吹皱一池春水
生命起源的问题，向来是生物学中的皇冠，同时也是Mission Impossible。这是一个发生在近40亿年前，绝大部分物质证据都早已湮没的问题。又是一个我们已知的世界中只发生过一次的孤立事件，没有可以归纳的基础。同时它横跨生物、化学、地理、地质、气候、海洋、宇宙学诸领域，涉及的已知和未知千头万绪。最麻烦的是，即使有人真的发展出和事实相符合的理论，也几乎没有可能验证---这个实验本身很可能耗时千万年，或者上亿年。然而这丝毫没有驱散各领域科学家对这个问题无休止的兴趣。自从宗教的枷锁打破之后，科学性的生命起源假说有不下几十种，随着各学科的进步不断演进，不断丰富细节和淘汰伪说。
这些学说在方法上大体上分为两类，一类是正向的还原法，即不断搜集地球生命初始时代遗留下来的蛛丝马迹，包括化石、碳痕迹、同位素异常等等，不断试图还原当时的大气、海洋或者地质化学条件，试图通过模拟的实验，一点点验证生命起源的历程。这是传统的方法，它搜集和整理了大量的证据和数据，尤其在年代测定方面发展了很多高明的技术，取得了很多成果。到目前为止，最早的生命活动残迹可以上溯到38亿年之前，是由极其古老的岩石中碳同位素扰动间接证明的（生命是已知唯一改变碳同位素比例的自然过程）。
另一类是反向的反演法。最早的生命虽然早已死亡，但是它们的后代充满地球生物圈。这些后代种类极其繁杂，但是它们在分子生物和生物化学的层面具有令人惊奇的共性。这除了让科学研究者更加坚定了“生命同源”的信心之外，还提供了一个新的思路：共性即共祖特征。共性越多的生物，它们的亲缘关系越近。越普遍的共性，越有可能是生命在遗传树“根部”的特性。绝对普遍的生物共性，几乎一定是生物起源时的特性。跟传统的还原法正好相反（还原法是苦于证据太少太不完整），现代的生理学和基因科学为反演法提供了海量的各种生物遗传信息。整个生物圈的数码化遗传信息：基因组都是证据，只看研究者如何去挖掘和解读。难在如何穿透近40亿年生物分化、变异和灭绝造成的数据迷雾。如果我们能反推出最初的生物是什么样的特性，则如何起源的问题就解决了大半。因为在生物学中，“你是什么”基本就表述了“环境怎样造就了你”。反演法的研究最喜欢的一个术语就是LUCA（Last Universal Common Ancestor）：“最后的共同祖先”。它是一个定义在逻辑上的生物，是现存所有生物的共同祖先。（之所以说最后，是因为不排除它之前更早的分支已灭绝且未留下后代）
曾经有一个建立在还原法上的假说，占据了权威地位，基本统治了二十世纪的大半部分。它的统治地位来源于50年代著名的“米勒实验”。米勒实验在简单的封闭系统中用氢气、甲烷和氨混合的气体模拟地球约40亿年前的“原始还原性大气”，辅以含水环境（模拟原始海洋）和不断制造的电火花（模拟大气中的雷电），在数天的时间内，就检测到了溶液中有基本有机小分子生成，时间越长数量越多，种类越丰富，包括各种氨基酸和核酸。这个实验当时可谓震惊科学界，因为谁也没有预计到如此简单的无机物原料和模拟环境，就制造出了蛋白质和DNA、RNA的基本组成单位，完成了从无生命到“几乎是生命”的飞跃。
有机小分子在原始海洋中不断生成，浓度越来越大，整个海洋成了富含有机物的“浓汤”。各种大分子（蛋白质、DNA、RNA）由小分子通过化学键像串珠一样串起来而生成（这是一个有实验基础的自发化学过程），开始互相竞争、淘汰、变异、组合。DNA、RNA的稳定性、自我复制性，辅以蛋白质的无限生物化学多变性使它们最终形成了机器-联盟，开始主动摄取能量，自我保存，自我传播---这已经是生命的定义。
这就是大名鼎鼎的“原始汤”假说。至少在我念书的年代，它还是各种学院教育中的正统学说，我相信现在不少国家的中学、大学课本仍然是这样教的。但以21世纪的研究眼光来看，这个假说已经被三振出局了。——不能怪其他领域的科学社区或者教育者们反应慢，因为并没有哪个学说在它之后取得那样的权威地位。
浓汤，图片出处：http://www.blueanimalbio.com
首先动摇它的根基的是地质学和太阳系研究的进展。米勒实验本身的初始条件，也是受更早的理论指导的，最早在20年代，英国的哈尔丹和俄国的欧柏林就同时提出了原始还原性大气的假说。他们当时的根据是：氢气、甲烷和氨，这是木星的大气成分（可以通过光谱技术精确测定）。地球和木星同样在太阳系的冷却中形成，那么假设地球初始大气和木星一样是有道理的。在米勒实验辉煌的光环下，这个假设维持了四十多年，直到60年代才被注意到它的粗陋。现在的看法是：一，地球初生年代长达5亿年的陨石大轰炸，早就把原始的“木星三气”轰光。二，地质证据表明当时的大气主要含氮气（来自轰击化学和火山活动）、二氧化碳（来自火山活动）、水蒸气和其他微量气体。这样，米勒实验的初始条件被挖空了一半。
1967年，“斯皮格曼的怪物”又给了原始汤理论重重一击。斯皮格曼是美国伊利诺伊大学的分子生物学家，他设计了一个实验，想用来确定自然选择条件下最小的遗传个体。他把一种非常简单的病毒从寄生细胞里分离出来，放在充满必要营养物（即各种有机小分子）和必要催化酶的溶液中自由生长。所谓病毒，就是蛋白质壳包裹的核酸序列，最接近“原始汤”主角的东西。这种病毒只有4500个碱基字节长，可谓极其简单。最初这些病毒正常复制，接着，有一些复制发生变异，丢失了基因。如果在寄生细胞中，病毒丢失基因意味着缺失某种功能，下场就是死亡。但在这个接近“原始汤”的充裕环境中，这反而成了优势：更短的序列复制更快，抢占资源更多，淘汰更长的对手。最终的结果是病毒逐渐退化成了只有220个字节的破碎残片，以疯狂的速度复制，充满整个培养液。这个实验不但其他科学家重复结果相同，更有普遍意义的是换成其他更复杂的病毒，结果仍然类似。
“斯皮尔曼的怪物”除了否定“原始汤”理论的发展性，还颠覆了很多生物学中的根本概念。从前认为“复杂化”和“进化”是生物的默认发展方向，现在省悟了根本没有任何预设方向，只随环境适应。对原核生物来说，简单化和退化甚至更有优势。
米切尔的化学渗透理论，以及化学渗透的绝对普遍性，基本宣告了原始汤理论的谢幕。同时把生命“能量”的一面重新放在聚光灯下。前面说过，由于20世纪基因科学的盛况，不管是公众还是生物学界，都对能量面有所忽视，把注意力集中在生命的信息面，所谓“太初有词”。“词”就是DNA承载的信息，信息支配结构和功能，支配新陈代谢，是遗传的本质和生命的意义。化学渗透理论说，不完全是这样。
最大的一个悖论就是：在开放的原始海洋中，任何聚集的化学物质浓度都趋于扩散、淡化。这是简单物理原则决定的。而我们现在知道，所有生物最基础的能量代谢形式都是基于浓度聚集的质子动力，都依靠生物膜。这就成了典型的“蛋鸡问题”。没有DNA上的信息，谁制造了生物膜？没有生物膜驱动的能量，就没有基本代谢，那么用什么来维持整个生命机器，制造蛋白质和复制DNA？如果有更基本的能量代谢形式来启动，那么我们为什么在现存的生物信息和生理中找不到它的遗迹？
这个悖论破坏了原始汤理论的设定场所和基本逻辑。也开启了从能量角度阐释生命起源之门，大量的新假说涌现出来。生命能量的一面现在必须和信息的一面紧紧纠缠在一起。比如说，病毒，从前定义成最简单的生命，也有很多看法怀疑它是最初的生命，而现在可以肯定病毒不是最初的生命，甚至被重新定义成“介于生命和非生命之间”的物质。因为病毒没有自己的能量代谢设施。它只含有信息，以及利用其他生物细胞能量代谢设施为自己服务的本事，而且通常是严格地针对某一类生物细胞。它是一种绝对寄生的东西，只能由有能量代谢能力的生物派生出来。它是活细胞的信息残片，是基因组的逃亡者，是不断移民、掠食甚至定居的基因流民。
而细胞的本源性被大大提高，不再被仅仅看做是基因们的豪宅。Compartmentalization: “封闭化”，成了生命最基础的要求。
介绍两个有趣的新假说。第一个不太为人所知，但很有个性：完全是从“封闭化”入手的。它假设生命起源的地点不是开敞的原始海洋，而是某种浅海湾边的的石灰岩浸润地带。这种地带的石灰岩由于水的侵蚀和地质结晶过程，内部形成了非常细微的疏松孔道结构，这就是天然的封闭空间。生物大分子可以由海水浸润流入，原始海洋中富含硫-铁氧化还原材料，而且这些结构的薄壁允许Na+ Ca+离子（质子的可替代品）的浓度聚集以及半通透性。换句话说，自然无机物的自组织性“免费”提供了“细胞膜”和一切能量代谢材料，最初的生物大分子只需要通过变异和选择发明利用的方法就够了。听起来够扯淡…但类似的地质结构确实在欧洲西北部的岛屿周围被发现了。而且实验表明，给定合适的浸润溶液配方，确实能够驱动化学渗透。只是如果想要测试生物大分子能在里面玩出什么花样，不知道要多少万年！
另一个是目前最火热的“黑烟囱”生命起源假说。它认为生命最可能的起源地点，是在深海底部高温、高硫、强酸性、无光、无氧的“黑烟囱”生态环境。这些地方是海底的地壳薄弱处，地热和高硫熔岩驱使高温海水从地底喷出，由于喷泉含大量的硫，而且出口逐渐沉淀成高达数十米的岩层，看起来就像冒着一股股黑烟的烟囱，因而得名。这种地貌现在在太平洋的海底就现实存在，而且拥有一个相当多样化的生物环境（甚至有些相当高等的动物也在这里定居，如一些蟹类，他们在这里适应得能忍受120度的高温，你休想煮熟它）。这也是现在世界上唯一一种不依靠光合作用提供基本能量的生态圈。这里的基础生物是古菌类，原核生物除了细菌之外的另一大基本门类，历史和细菌一样的古老。仅仅上面对黑烟囱环境的描述，就能看出化学渗透理论对这种假说的基本指导：白给的环境能量，白给的氧化-还原反应材料，严格地排除氧气（氧气对于原始生物都是剧毒的，学会用氧代谢是光合作用发明之后的事，但其他种类的氧化还原反应是基本需要），甚至白给的强酸性环境。如果生命起源于这种环境，只需要用着白给的能量发明膜就行了。
上图是一个典型的当代深海黑烟囱，这里没有光合作用，但有一个兴旺的生态系统。http://commons.wikimedia.org/wiki/File:High_Rise_black_smoker.jpg
另一类研究方法：LUCA模型的建立，更是压倒性地从能量生物学的角度入手。因为与能量代谢相关的基因，正是所有生物中最古老，变异最慢，共性最大也最核心的基因。生物学家们讨论和试图描述LUCA的时候，不是关注它长什么模样，有多大个头，而是关注它执行何种氧化还原反应，有哪些代谢酶，生活在什么样的地理和化学环境。这已经完全是一种崭新的体系了。
总之，九十年代之后的生命起源研究现状是群雄并起，天下大乱。理论更新速度之快，新发现新假说之层出不穷，都是二十世纪前面大半部分所无法企及的。固然是因为各个学科的知识积累都在推进，但化学渗透理论的建立，无疑是新纪元的开始。
参考作者声明
本文并非全部原创，其中有大量数据、理论和史料来自于英国生物化学家、科普作家 Nick Lane的著作 Oxygen 和 Mitochondria。这两本书都是非常好的科普读物，可惜没有中译本。大致引用了他的占1/3,自己发挥的占1/3,以及扯远了的占1/3。特此声明和致谢。
投稿邮箱：Easy.FM@qq.com