与生命相关的三个基本问题(上):生命是如何进化的？

三联生活周刊

生活是如何从零开始进化的？科学家越来越接近事实

text |袁岳

呆在家里，每个人除了看电视和听歌，还在吃东西和喝酒？你想用你的大脑燃烧额外的卡路里吗？然后花些时间和我一起探索与生活相关的3个基本问题。让我们今天讨论第一个问题:生命是如何进化的(后两个问题将在明天和后天陆续介绍)有些人可能会说生命是上帝创造的。这个想法很容易理解，因为至少到目前为止，地球上所有的生物都是由生物孕育而成的，而且科学家还没有观察到任何生物是在没有其他生物的情况下，从一堆死去的生物中自发产生的，所以许多人只能借助“上帝”(或某种神秘的“第一推动力”)来理解生命的起源

其他人认为地球上的生命来自外层空间，并通过陨石传播到地球然而，首先，这种说法没有足够的科学依据。其次，即使这个解释是正确的，我们仍然可以问:外层空间的生命从何而来？因此，这种解释和宗教之间没有本质的区别，这相当于一个圆圈后回到原点。因此，对于我们无神论者来说，我们必须找到一种方法，从原理上解释生命是如何在地球的基础上从零开始进化的。

是地球人面临的最重要的科学问题之一，而且没有一个。

在科学研究之前，我们必须首先找到正确的工具。生命的起源涉及遥远的古代历史。我们有两种常用的研究工具可供选择:化石考古和DNA分析通过前者，我们知道地球上的生命起源于大约40亿年前。当然，这个值的误差是几亿，但是数量级应该是正确的。考虑到地球本身诞生于45亿年前，这个结果表明地球诞生后不久将会有生命。通过后者，我们知道地球上所有的生物都来自同一个祖先。科学家称之为“最后一个宇宙共同祖先”这是因为所有生物都有相同的遗传密码，它们的基本代谢模式也是一样的。如果地球上的生命有多种起源，很难解释这种现象。

达尔文应该是科学史上第一个对生命起源做出正确猜测的人。当他构思《物种起源》一书时，他在纸上画了一棵“生命之树”，暗示所有物种都起源于同一祖先。他还推测生命的共同祖先应该来自一个“温暖的小池塘”。考虑到达尔文当时甚至不知道什么是DNA，他的猜测确实比他同时代的人超前了许多年。不幸的是，化石考古学和DNA分析都有很大的局限性。前者只能帮助我们研究可能留下化石证据的生命。这种生活只占全部生活的一小部分。后者最多只能帮助我们追溯上亿年，因为DNA的遗传模式存在一定的不确定性。如果我们向前推进，不确定性太大，根本无法得出任何有意义的结论。

在这种情况下，有可能在实验室里重复生命起源的最初过程吗？芝加哥大学的斯坦利·米勒和哈罗德·尤里做到了1953年，两人将甲烷、氨、氢和水注入几个玻璃瓶，然后用电极制造人工闪电，模拟生命出现前的地球环境。一周后，在玻璃瓶中检测到单糖、脂类和氨基酸等有机化合物，表明有机物质可以在没有上帝帮助的情况下在地球环境中自发产生。

是斯坦利·米勒在左边，哈罗德·尤里

在右边。不幸的是，后来的研究表明，地球早期的大气成分不同于米勒-尤里实验的初始条件，这可能是错误的。

即使实验是正确的，简单的有机物和复杂的生命之间仍有巨大的差距，这是仅靠简单的玻璃瓶实验无法跨越的。退一万步说，即使两个人在一个玻璃瓶中发现了原始生命，这也不能证明地球上的生命是这样进化的，这个问题必须由一些基本的自然法则推回去，才有可能得出一个可靠的结论在

下面，让我们从一些基本的生活规则开始，看看我们能得出什么结论。

02

首先，让我们定义什么是生活

的问题在宏观世界中非常简单。任何正常的成年人都可以用肉眼区分什么是“活着”和什么是“死去”。但是在微观世界中，这样的区分并不容易。即使是生物学家也不一定有资格。必须邀请化学家甚至物理学家用更基本的自然法则来区分它。

1943年，奥地利物理学家埃尔温·薛定谔出版了一本名为《什么是生命》的小册子，首次从物理学的角度定义了生命在他看来，生活最本质的特征是它会从外界吸收“负熵”，以抵制熵增加的趋势，并传递这一技能。

奥地利物理学家欧文·薛定谔

熵(熵)可以简单地理解为一个“衡量系统有序程度”的物理量。系统越有序，熵值越低。热力学第二定律规定，一个封闭系统的熵值一定会增加，所以这个定律也叫熵增加定律。毫无例外，这是宇宙的最高原则之一。换句话说，任何封闭的系统肯定会变得越来越混乱我们的宇宙可以被看作是一个巨大的封闭系统，所以有一天宇宙会变成一个甚至死亡的状态，不会有更多有趣的事情发生。

生活显然是一件非常有序的事情，所以生活必须一直从外界吸收负熵(包括有序的物质营养和能量)，并排出正熵(包括有形的浪费和无形的热量)。这个过程被称为“新陈代谢”这是我们定义“生命”和“非生命”的最高标准。那些有新陈代谢的人被称为生命，而那些有新陈代谢的人已经死了。

根据这个标准，病毒不是完整的生命，而是生命的附属品。

似乎是熵增原理的一个局部悖论，如果把生命单独进行考察的话。然而，如果我们把生命及其环境看作一个整体，生命的出现会加速整体熵的增加，这是由反应动力学决定的。

，例如，当氧和氢混合在一起而没有反应时，熵值相对较低，而当两者经过化学反应变成水时，熵值显著增加。根据熵增原理(或更确切地说是热力学)，两者应该发生反应，但反应动力学决定了两者之间的化学反应不会自然发生，而是需要一定的前提条件，如高温或电火花等。如果不满足这些条件，两者将永远不会反应，熵值也永远不会增加。

从热力学的角度来看，生命是一种由自然进化而来的减少化学反应条件的东西(例如生物酶就是这样做的)结果，许多原本不会发生的化学反应会在生活场所发生，导致总熵增加率增加。另一方面，生命利用这些生化反应释放的能量来完成自身的生长和繁殖，从而催化更多的化学反应。这是生命的热力学定义

换句话说，生命本身似乎违反了熵增定律，但如果把生命和它的环境放在一起考虑，生命的出现是一种最符合熵增定律的自然现象。

写到这里，必须加上一句:如果这是真的，上一段中熵的定义是不准确的。例如，如果你将一些脂质分子混合到一碗水中，后者不会均匀地分布到所有地方，而是会聚集成一个整体。这种状态似乎比均匀分布更有序，但它是一种熵更高的状态，因此熵实际上描述了组成系统的微小粒子的行为概率。

在某些情况下，这些微小的粒子会自发地处于某种有序状态。这种现象被称为“自组织行为”这里的细节相当复杂，这里就不再讨论了。但这种差异在讨论生命起源时非常重要，因为生命的三大要素之一“细胞膜”，可以在地球的“原始汤”中自发形成，而无需任何外力。

细胞膜

可以通过自组织行为自发形成生命的另外两个要素是新陈代谢和遗传1953年的另一个重大事件将遗传的重要性提高到了前所未有的水平，即发现了DNA的双螺旋结构。从那时起，生物研究就被DNA垄断了，这使得许多人忽视了能量对于生命的每一刻都是不可或缺的，所以能量是研究生命起源的关键。

03

科学家们早就知道，地球上所有的生命活动都毫无例外地依赖ATP分子提供能量有些人把三磷酸腺苷比作生物钞票，但更准确的比喻是可充电电池。三磷酸腺苷处于充满电的状态。当它携带的能量耗尽时，它就变成了二磷酸腺苷，被输送到“充电站”，并与磷酸基团一起再次变成三磷酸腺苷。

每一个活的人类细胞每分钟需要消耗大约1000万个三磷酸腺苷分子，因此，一个人每天消耗的三磷酸腺苷分子数量与他的体重相当。然而，人体内的三磷酸腺苷分子总量只有60克左右，但平均每分钟充电两次，重复利用率极高。

从能量的角度来看，一个体重65公斤的人每天消耗的能量大约相当于一个130瓦的灯泡。这个数字似乎很低，但是如果按照单位重量释放的能量计算，一个人比太阳高10，000倍。如果你是熵，你肯定会很高兴看到生命进化，因为它会更好地满足你“增长”的愿望。尽管三磷酸腺苷分子

已经被发现很久了，但它的充电方法一直是个谜。大多数科学家认为细胞可能通过一些简单的氧化还原反应给三磷酸腺苷充电，因为食物通过氧化还原反应给我们提供能量，这显然是最有效的。然而，英国生物化学家彼得·米切尔发现事实并非如此。三磷酸腺苷分子被细胞膜上的电压差充电。

英国生物化学家彼得·米切尔

具体来说，细胞膜两侧的质子浓度存在差异，有高外低内。细胞膜是半渗透的。质子从高浓度一侧移动到低浓度一侧，形成电流三磷酸腺苷合酶是一种跨膜蛋白。它利用电流提供的能量将二磷酸腺苷转化为三磷酸腺苷。每10个质子穿过膜时产生的能量可以用来产生3个三磷酸腺苷分子。

为了维持细胞膜两侧的质子浓度差，细胞需要进食。他们吃的食物通过氧化还原反应一个接一个地释放出更多的质子来维持电压差。早在1961年，米切尔就在《自然》杂志上发表了他关于这个问题的第一篇论文。每个人都很困惑，因为这个理论听起来太违背常识了。人们不相信生命应该用如此愚蠢的方法来为细胞活动提供能量。

ATP和ADP循环图

，相反，是DNA的双螺旋。一旦论文发表，它立刻引起了轰动，因为一旦你看了它，你就能立即理解为什么DNA必须是这样的。双螺旋模型确实符合理论预期。

伦敦大学学院的生物化学家尼克·莱恩甚至认为，这是继达尔文进化论之后，人类发现的最反常识的东西。

lane教授在2015年出版了一本书，名为《重要问题:为什么生活如此？《关键问题:为什么生活是这样的？)在这本书里，瑞安详细描述了米切尔的论文发表后发生的事情。生命诞生的奥秘与米切尔的发现密切相关。

“重要问题:为什么生活如此？”尽管米切尔获得了1978年诺贝尔化学奖，但他的发现一直困扰着许多人然而，在其他人看来，生命之所以采取这种奇怪的方式来产生三磷酸腺苷，只能解释一个问题，那就是，地球上最早的生命使用了这种方法。你知道，能源供应对生命如此重要，一刻也不能停止。因此，所有生命形式只能在此之后继续使用这种方法。没有反复试验的余地，也没有办法发展出更合理或更有效的方法。

换句话说，地球上的生命可能起源于一个具有天然质子浓度梯度的地方。

最令人惊讶的不是“黑色烟囱”本身，而是烟囱周围的黑暗海洋实际上是一个生物多样性热点。潜水员在这里发现了大量奇怪的生物，其中大部分是地球其他地方没有发现的新物种。它们从海底喷出的各种气体中获取能量，并依靠这种能量合成各种有机化合物。在

米切尔的论文发表后，一位名叫君特·威彻斯特豪斯的德国化学家受到了启发，第一次提出这些喷口可能是生命的起源，因为有一个天然的质子浓度梯度。然而，这些黑色热液喷口的温度太高，生命不能直接在这里诞生。除了其他技术上的原因，这个理论已经被许多人所怀疑，并且还没有流行起来。

8年，一位名叫迈克尔·拉塞尔的美国地质学家在《自然》杂志上发表了一封读者来信，首次提出“碱性热液喷口”是生命的真正发源地。这些喷口不是由海水和岩浆直接形成的，而是海水和地幔相互作用的产物。它们的温度比黑色热液喷口的温度低得多，更有可能孕育生命。美国宇航局喷气推进实验室的

迈克尔·拉塞尔(左)和他的同事

拉塞尔首次在一个3.5亿年前的化石中发现了这个结构。他正确地猜测了这个结构的起源，并根据他自己的生物学知识，提出这个出口很可能是生命的诞生地。这封

读者来信自发表以来并未引起太多关注。然而，一位名叫比尔·马丁的美国生物化学家读了这篇论文，深受启发。他立即用他扎实的生物化学基础知识，编写了一套完整的化学反应方程式，补充了这一理论的大部分细节。

美国生物化学家威廉·马丁

2000一群潜水员首次在大西洋中脊附近发现了一大群活跃的碱性热液喷口。它们像烟囱一样，因此被命名为“失落的城市”现场调查证明拉塞尔的预测是正确的。喷嘴确实是由海水和热岩石的直接作用形成的，所以从烟囱喷出的气泡是白色的，温度大约在60℃到90℃之间上图

显示左侧为“失落的城市”碱性热液喷口，右侧为喷射黑色气泡的普通高温热液喷口。两个数字左下角的白色刻度分别代表1米。自

年以来，罗素、马丁、瑞安等人对“失落的城市”中的碱性热液喷口进行了详细的研究和分析，最终提出了一个近乎完美的理论，揭示了生命诞生的奥秘。

05

以下对生命诞生过程的描述大多来自前面提到的瑞安的标志性著作据说比尔·盖茨付钱给远在英格兰的瑞安，让他在读完这本书后立即去他的办公室，并向他寻求建议。这表明盖茨先生是多么确信。

英国生物化学家尼克·瑞安将主要功劳归于彼得·米切尔，他认为书中涉及的大多数理论都来自米切尔富有洞察力的发现。据瑞安说，米切尔是为数不多的具有广阔视野的科学家之一。他意识到生活和环境是不可分割的，必须一起研究。

米切尔提出的三磷酸腺苷合成理论颠覆了传统的“试管化学”研究范式。旧范式将化学试剂一个接一个地扔进试管，让它们相互反应。这种化学反应不是定向的。只有米切尔意识到生命和它的周围环境之间有一层膜，两者之间的化学反应是有方向性的。最后，这证明了他的想法是正确的。生命是一个定向的化学过程。

都依靠这种洞察力来解释生命的起源。

中叙述的这一部分相当复杂，我们只能简单地总结一下。在碱性热液喷口，下沉的海水遇到热地幔，在铁和镁等金属元素的催化下释放出大量的氢。地球诞生初期的海水是酸性的，因为它富含二氧化碳。结果，富氢碱性水热溶液沿着海底烟囱内部的小海绵状孔径一路上升，并与周围的酸性海水形成连续的自然质子浓度梯度，为烟囱内部的微环境提供不间断的电源。段内

碱性热液喷口化石

烟囱本身富含铁和硫，它们结合后成为良好的催化剂。在硫化铁催化剂的作用下，二氧化碳、氢气和水利用质子梯度产生的连续能量合成蛋白质、脂肪酸、碳水化合物和其他构成生命的基本物质，并逐渐填满烟囱中的所有微小空间。最初的新陈代谢开始于这种环境，这是一种定向的化学反应

值得一提的是，除了质子浓度梯度，还有一个原有的性质保留下来，那就是催化剂。代谢所需的大多数最重要的酶的核心结构是包裹在蛋白质外壳中的硫化铁，蛋白质外壳是这些酶的催化反应中心。这表明新陈代谢所需的催化剂一直是硫化铁，但现在它以酶的形式存在。所有新陈代谢所需的

个三磷酸腺苷分子可能都是在这一时期演化出来的，而三磷酸腺苷分子最早的充电方法是碱性热液喷口与周围海水之间的质子浓度差，这也是一种定向化学反应。

由于上述原因，细胞膜很可能是在自然环境中自发产生的，因此一些脂肪酸自发聚集在一起形成细胞膜，取代了岩石缝隙所起到的隔离作用，成为细胞微环境和海洋环境之间的边界，而质子梯度继续为细胞膜的两侧提供电压差

之后，一些进化出质子泵的微环境逐渐脱离海底烟囱的束缚，被释放到海洋中，这是原始细胞的胚胎形式。由于这些质子泵的存在，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质作为燃料，为自己建立质子浓度梯度，并继续为三磷酸腺苷充电。

第一个原始细胞“卢卡”就这样诞生了

第一原始细胞“卢卡”的示意图

结论

至于DNA的起源，目前还没有特别完美的解释，但人们往往认为最早的遗传物质是RNA，它不仅可以负责蛋白质的编码，还可以充当酶和复制本身。通过这种方式，生命进化出了一种基本的遗传结构，它可以记录和传播自然的创新。一旦

进化出它的遗传机制，达尔文的进化论就会发挥作用几乎所有后来发生的事情都可以用进化来解释，除了一件事:线粒体的诞生。

，这就是我明天要讲的内容。

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袁岳

三重高级作者，低调，低调

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