第32章 生命的起源与目的
生命的起源与目的
在飞向蒙大拿州博兹曼一个学术会议的拥挤航班上，我当时正在读几篇关于统计物理与生命起源之间联系的研究论文。坐在我旁边的男人扫了一眼，面露好奇。“啊啊，”他对我说，“这个研究我很熟。”
在作为物理学家的职业生涯中，你会碰见这样的人，他们自己有一套宇宙如何运作的理论，还热切希望和你分享。这些理论很少有什么前景。也许对生命的研究也会吸引数量相当的喋喋不休的发烧友。但摆在我们面前的毕竟是漫长的飞行；我问了问他对此有什么想法。
“很简单，”他点点头，说：“生命的目的就是给二氧化碳加上氢。”
这不是我预期的答案。我意外地坐到了迈克尔·罗素（Michael Russell）的身边，他是NASA喷气推进实验室的地球化学家，离我所在的研究机构加州理工学院不远。这并不完全是意外——他和我都是为了在同一个会议上作报告才出行的。后来发现，罗素是生命起源研究中的一位（可能有点打破常规的）领军人物，他的研究途径特别偏向物理。我们相处得不错。
在生命起源的辩论中，罗素是相信最初关键的一步是新陈代谢的出现那一方的领头人之一。这个阵营认为最关键的事件就是在地球年轻时期的环境下，出现了一个由化学反应构成、能够利用自由能的复杂网络。一旦开了头，这个网络就能利用自由能来为复制提供能量。还有一个复制先行的阵营，目前在研究人员中更加流行。他们倾向于认为能量来源相对充足，不会有太大问题，而在生命发展中的重要飞跃就是合成一种能携带信息的分子（大概是RNA，就是核糖核酸），它们能够自我复制并传递遗传信息。
我们不去评判这项分歧：这都是些答案仍属未知的困难问题。但并非毫无解答的希望。无论是在理论上还是在实验上，对自然发生的理解在几个不同的方向上都有进展。不管新陈代谢和复制以何种次序出现，它们两者都是必须的，而科学的乐趣有一部分就在于找出所有这些原料整合成最终配方的方法。
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如果你想理解生命如何起步，从观察现有生命形态共有的特征开始是个合理的想法。这样的特征之一似乎是我们在第30章讨论过的参与化学渗透的质子动力。细胞膜从光子或者像糖类这样的化合物中收集能量，用这些能量来将电子排出细胞，让内部产生质子过剩。质子相互排斥制造的力量能用来进行有用的工作，比如说制造ATP。
生命是从哪里得到这个想法的呢？这并不是细胞操纵能量最显然的方法。当彼得·米切尔和珍妮佛·莫伊尔在20世纪60年代解明化学渗透的过程时，他们面对的是生物研究者的巨大质疑，直到获得了确凿的实验证据为止。自然发现这个技术很有用的事实，可能提示了自然在一开始就利用了它。
这就是给二氧化碳加氢这个想法登场的时机。罗素的评论暗指的是，在二氧化碳（CO2）和氢气（H2）的混合物中有被固定的自由能，这两种气体在地球年轻时期的某些环境中相当丰富。如果碳原子有办法将旁边的两个氧原子甩掉，用氢原子代替的话，我们得到的就是甲烷（CH4）和水（H2O）。这个组成拥有更少的自由能；就热力学第二定律来说，这是一个“希望”自行发生的转变。
但它不会自行发生。无论你什么时候点燃一根蜡烛，或者放火烧别的东西，你都在通过将燃料和氧气结合的方式释放自由能。但蜡烛不会就这样突然燃烧起来，它们需要一点火花来启动这个反应。
对于二氧化碳来说，我们需要比火花更复杂的东西。很容易设计出一系列化学反应，将氧原子逐步从碳原子上移走并用氢原子代替它们。问题在于，尽管这些反应作为整体会放出能量，要做的第一步实际上要消耗能量，因此不能自行发生。从二氧化碳中提取自由能就像抢银行：里边钱很多，但你要花上大量的努力才能把它拿出来。
有一些研究者，其中除了罗素还包括威廉·马丁（William Martin）和尼克·莱恩（Nick Lane），他们努力探索不同的场景，其中正确的一系列反应能以正确的方法连接起来，利用环境中的自由能这份奖赏。他们有好几个巧妙的小工具可资利用。其中之一是催化：利用周围的那些本身不参加反应，但却能改变参加反应的化学物质的性质或者形状的化合物，来加快所需的反应。另一个就是非平衡态：能够用于驱动所需反应的附近位置状态之间的不平衡。
这些因素在一个特殊的环境下以正确的方式结合在了一起，那就是深海热泉。特别是碱性热泉——它们生产了吸引质子的碱性化学物质。它们不是我们能够从中搜寻生命起源唯一可能的环境，再举另一个例子的话，蛇纹岩化泥火山是另一种早期生命可能宜居的海底结构。然而碱性热泉有些很好的性质。
早在1988年，基于自己有关生命起源的想象，罗素预测了一种仍未被发现的特殊水下地质构造：一种水下的喷泉，特点是带有碱性、温暖（但不会过热）、非常多孔（遍布小孔洞，就像海绵一样），并且相对稳定，可以维持很长时间。他的想法是那些小孔洞可以在任何种类的有机细胞膜出现之前创造某种区室，而在热泉中的碱性化学物质和周围含有丰富质子的酸性海水之间的不平衡会自然制造出某种质子动力，这是生物细胞的最爱。
在2000年，在由海洋地质学家德博拉·凯利（Deborah Kelley）领导的一次远洋考察中，在船航行到大西洋中部时，格蕾琴·弗吕-格林（Gretchen Früh-Green）在船下深处接近海洋底部的摄像机拍摄到的视频中偶然发现了一组如同幽灵的苍白塔状结构。幸而他们带着一个名为“阿尔文”（Alvin）的深潜器，凯利将它送到了这些结构附近进行探索。进一步的调查表明这就是罗素预料中的那种碱性热泉构造。位于南卡罗来纳州以东两千英里，离大西洋洋中脊不远的失落城市海底热泉域（Lost City hydrothermal vent field）至少存在了三万年，而且可能只是一种非常普遍的地理构造的第一个已知案例。关于海底我们还有很多不知道的。
类似失落城市的那类热泉中有着各种各样的化学反应，推动它们的那些化学梯度可能合理地预示了生命的新陈代谢通路。类似的受控实验中的反应能产生数种氨基酸、糖类和组装RNA最终需要的其他化合物。对于新陈代谢先行的支持者来说，非平衡态提供的能量来源一定是先出现的；导向生命的化学反应最终会依附于其上。
阿尔贝特·圣捷尔吉（Albert Szent-Györgyi）是一位匈牙利生理学家，他因为发现了维生素C而获得了1937年的诺贝尔奖。他曾经提出这样的观点：“生命不过是电子在寻找安息之处。”这很好地总结了新陈代谢先行这个观点。在某些化学组态中存在被固定的自由能，而生命是释放它的一种方式。这个图景中有一个令人信服的方面，就是它并没有单纯从“我们知道生命存在，它们怎么产生的？”这一点倒推回去，而是提出生命是解决如下问题的方法：“我们有一些自由能，怎么样才能释放它们？”
行星科学家推测，类似失落城市那样的深海热泉可能在木卫二和土卫二上大量存在。未来对太阳系的探索也许能够对这幅图景进行另外一种测试。
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在自然发生研究者的生态环境中，新陈代谢先行的支持者属于无畏的少数派。最流行的研究方向正如之前所说，是复制先行。
新陈代谢本质上就是“燃烧燃料”，在我们身边处处可见，从点燃蜡烛到发动汽车引擎都是如此。复制似乎要更困难、更罕见、更难得到。如果“生命”中有哪部分会是它起步的瓶颈，那就是生物会自我复制的这个事实。
火是我们熟悉的一种能轻易复制自身的化学反应，它可以在森林中从一棵树跳到另一棵树，但对于绝大部分定义来说它都算不上有生命。我们希望有些东西能在复制的过程中携带信息，这种东西要令“后代”能拥有某些有关自己从何而来的信息。
这样的东西有一个简单的例子：晶体。某些原子可以自己组织成有规律的排列，这被称为晶体。同样的原子可以支撑不同的可行晶体结构：当碳原子以立方面心排列时，得到的就是钻石，但如果以六边形网格排列时，得到的就只是石墨。晶体可以通过添加原子而生长，也很容易通过一刀两断的形式分割。每个后代都继承了亲代晶体的结构。
这还不算是生命，即使可以算是更接近了一步。基本的晶体结构可以传承下去，但结构中的变化——随机变异——却不能。变化当然可以出现；真正的晶体经常布满杂质，或者受制于缺陷，也就是结构中不遵循整体模式的部分。但它们没有办法将有关这些变化的知识传给下一代。我们想要的是一种类似晶体的构型（意即存在一个能被复制的固定结构），但要比单纯重复的模式更为精巧。
约翰·冯·诺依曼（John von Neumann）描述了我们需要的这种东西，他是一位杰出的匈牙利裔美国数学家，在量子力学、统计力学和博弈论的发展中扮演了重要的角色。在20世纪40年代，他用抽象的方式列出了一个系统需要什么才能自我复制并没有限制地进行演化。他的（纯粹数学意义上的）机器——“冯·诺依曼通用构造器”——不仅包含一个能实际进行自我复制的机制，还有一根编码了机器结构的“纸带”。冯·诺依曼式的自我复制机器已经在计算机模拟中被实现了，其中还包含变异和演化的可能性。还没有人建造出一台能拥有如此行为的大型实体机器，但在物理定律中没有什么能阻止我们这样做，而NASA和其他机构已经在严肃地探索这样做的可能性。冯·诺依曼通用构造器的物理实现有没有被称为“有生命”的资格？
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埃尔文·薛定谔在《生命是什么》中认识到了将信息传给下一代的需要。晶体做不到这一点，但也算接近；考虑到这一点，薛定谔提出要寻找的应该是某种“非周期晶体”——一组以能够复制的方式整合在一起的原子，但它应该能携带大量的信息，而不是只能机械地重复同一个模式。这个想法激发了两位年轻科学家的想象，他们沿着这个方向，确定了确实能携带遗传信息的分子的结构。他们就是弗朗西斯·克里克（Francis Crick）和詹姆斯·华生（James Watson），他们推导出了DNA的双螺旋结构。
脱氧核糖核酸，也就是DNA，是几乎所有已知生物储存那些指引它们运作的遗传信息时所用的分子（有一些病毒依靠的是RNA而不是DNA，但它们算不算“生物”还有争议）。这些信息被编码在一个序列之中，它仅仅由四个字母组成，每个字母对应一个被称为核苷酸的特殊分子：腺嘌呤（A）、胸腺嘧啶（T）、胞嘧啶（C）和鸟嘌呤（G）。这些核苷酸就是书写基因的语言所用的字母表。这四个字母的字符串一起组成了长长的链条，而每个DNA分子都包含两条这样的长链，以双螺旋的形式互相缠绕。每条链都包含相同的信息，因为一条链中的核苷酸会与另一条链中的互补核苷酸配对：A与T配对，而C与G配对。华生和克里克在他们的论文中用带有一点满足的低调语气写道：“我们没有忽视一点，就是我们推测的特殊配对暗示了遗传材料的一种可能的复制机制。”
如果你没有留意到这一点的话，这个复制机制如下：两条DNA链可以先互相分离，然后作为模板，让游离的核苷酸到达分离的每条链上的适当位置。因为每个核苷酸只会和它特定的搭档配对，得到的结果就是原来双螺旋的两份复制品——如果复制过程中没有出错的话。
在DNA中被编码的信息指引着细胞中的生物活动。如果我们将DNA看成一系列的蓝图，我们可能会猜想，会有某种分子建筑工人会过来阅读蓝图，然后离开去做需要的各种工作。这几乎是正确的，蛋白质就扮演了建筑工人的角色。但细胞的生物活动在整个过程中间又加插了一层文书工作。蛋白质不会直接与DNA互动；这项工作属于RNA。
RNA的结构与DNA相似，但它通常以单链的形式存在。RNA与DNA链条的“骨架”稍有不同，而在RNA中与腺嘌呤配对的是一种叫作尿嘧啶（U）的核苷酸，而不是胸腺嘧啶。在化学上它比DNA更不稳定，但它在独有的核苷酸序列中能携带数量相同的信息。
当DNA双链分离，序列被复制到RNA片段时，信息就离开了DNA。这些RNA片段被称为信使RNA，它们将遗传信息携带到细胞中的另一个单元，也就是核糖体。核糖体的发现要追溯到20世纪50年代，它们结构复杂，会将RNA中的信息提取出来，用于建造蛋白质。这个分步的过程允许一个相对稳定的信息储存系统（DNA）制造有用的分子（蛋白质），其中用到了没那么稳定的信使（RNA）和另一个完全分离的建造设施（核糖体）。
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与区室化和新陈代谢相似，复制也面临着“我们怎么走到这一步？”这个问题，要将现代生物学中的精细结构联系到那些有可能在无生命物质中出现的更简单的系统。对区室化来说，我们需要理解怎么得到磷脂构成的脂双层，而答案也许能在脂肪酸中找到。对于新陈代谢，我们需要知道怎么能得到由质子动力驱动的细胞，而答案可能就是碱性热泉中的小孔空腔。对于复制，我们需要知道DNA是怎么得来的，而答案可能是RNA。
RNA和DNA的关系就像口口相传的诗歌和形诸笔墨的文字。它们能传递相同的信息，但DNA要远远更可靠稳定。然而DNA相当精巧，很难明白它怎么能自己出现。当DNA被复制时，这项工作的一大部分是由蛋白质完成的。但是蛋白质的建造本应利用DNA中编码的信息。它们之中的一个怎么可能在另一个还没存在的情况下出现呢？
自然发生研究者最喜爱的答案是一个被称为RNA世界的场景。它的基本想法是在20世纪60年代由几位研究者提出的，其中包括亚历山大·里奇（Alexander Rich）、弗朗西斯·克里克、莱斯利·奥格尔（Leslie Orgel），还有卡尔·乌斯（Carl Woese）。DNA擅长储存信息，而蛋白质擅长执行生化功能；RNA两件事都能做，尽管工作完成得没有前两者那么好。RNA可以在DNA或者蛋白质之前出现，充当某种更原始更不稳定的早期生物形式的基础，之后演化才逐渐将这些责任分担给更有效的DNA和蛋白质。
RNA从DNA提取信息的这个角色相当早就被认识到了，但要等到后来，生物学家才正式确认RNA同样可以作为催化剂，加快和管理生化反应的速率。特别是20世纪80年代发现的核酶，这是一种特殊的RNA，能催化它们自身还有蛋白质的合成。核酶的英语名称ribozyme和核糖体的英语名称ribosome相似得令人恼火，但后来发现核糖体的关键结构由核酶RNA组成。也就是说核糖体基本上就是核酶。（就是这种黑话让年轻的科学家转向了物理学和天文学。）
进一步的研究表明有几种不同种类的RNA，它们负责细胞内的不同职能。除了信使RNA和核糖体RNA以外，我们还有将氨基酸带到正确的地方来制造蛋白质的转运RNA，还有帮助指引基因表达的调控RNA，如此等等。这些发现让RNA世界这个假设流行起来。如果你想从复制先行的角度让生命出现，你需要一个能携带遗传信息的分子，它能不依靠其他复杂机制就复制自身。RNA似乎正中红心。
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RNA可能是遗传信息的第一个携带者，同时可以做到自我复制和组装其他在生物化学上有用的结构，这个想法动人而美丽。与许多好模型一样，RNA世界这个场景最棒的特点之一就是它促进了不计其数激动人心的研究。
考虑RNA可以作为酶的这个事实：它可以催化化学反应，不管是为了自组装还是为了合成蛋白质。这些能力从哪里来？一串核苷酸怎么储存信息这很清楚，但要作为酶那样运作似乎需要一种截然不同的天赋。
解决这个问题的是大卫·巴特尔（David Bartel）和杰克·绍斯塔克（Jack Szostak）在1993年做的一个实验（绍斯塔克分享了2009年的诺贝尔奖，原因是他有关DNA复制时染色体如何被保护起来的工作）。他们的技术基本上就是达尔文式演化的人工辅助版本。他们从大量的随机RNA开始，就是数以万亿没有包含特定核苷酸序列的分子。然后他们取出这些分子中的一部分，就是那些似乎与某种更高的催化速率相关的部分，然后将它们复制多份。这个过程重复了数次：寻找那些似乎在催化某些反应的RNA，然后复制它们。在每个复制的阶段，随机变异都会发生，偶尔会导致复制后的RNA变成比复制前更好的催化剂。在重复这个过程仅仅十次之后，结果显而易见：最后一批分子比一开始的样本在化学反应的催化上好大概三百万倍。这生动地展示了没有方向性的随机变异如何能巨大提高化学物质完成生命所需功能的能力。
另一个激动人心的进展来自生物学家特蕾西·林肯（Tracey Lincoln）和杰拉尔德·乔伊斯（Gerald Joyce）在2009年的工作。他们创造了一个由两种RNA酶的分子——也就是核酶——组成的系统，它们在一起可以进行自我维持的复制。在没有周围的蛋白质或者其他生物学结构的帮助下，这些分子仍然能够在大约一个小时内完整复制自己。更妙的是这些分子有时候还会突变，因此能进行达尔文式演化，更适应的结构更倾向于存活。这在任何意义上都算不上一个细胞，但你不用花大力气就能明白为什么这能够成为从化学到生命这条路的其中一步。
即使RNA在生命起源中扮演了中心角色，我们仍然没有一幅完整的图景。区室化、新陈代谢和复制都要组合为一体。RNA和脂肪酸构成的脂双层也许能够共生——它们能帮助对方在地球早期混沌扰攘的环境中繁荣兴旺。一层膜能替脆弱的RNA抵御外部的喧嚣，让它能存活足够的时间来进行复制。而同时一个RNA分子能够吸引其他生物分子进入膜中，让它生长到能自然一分为二——这就是一种原始形式的细胞分裂。
将新陈代谢纳入其中可能有点麻烦，但绍斯塔克不认为这是个大问题。他设想了一种原始细胞，就是被一层简单的膜包裹住的RNA，它漂浮在一端温暖另一端寒冷的池塘中。对流推动原始细胞在两端前后往复。在寒冷的一端，RNA通过从周围收集核苷酸而生长，这时两条RNA链会卷在一起，好像在寻求温暖。当原始细胞漂流到池塘更暖的一端时，上升的温度逐渐将两条链剥离；外膜会连接更多脂肪酸分子，直到它一分为二，而我们就（有时有希望）会得到两个原始细胞，每个包含一条RNA链。它们两者都会飘回池塘寒冷的一端，原始生命的循环又重新开始。
罗素和其他认为新陈代谢先行的人不认为事情有这么简单。他们相信困难的部分在于组装一个化学反应的复杂系统，它能够利用环境中的自由能，还有就是在水下多孔热泉的小空腔中建立质子动力。他们提出，从这里开始，这些反应可以自然地消耗任何它们能找到的环境中的自由能燃料。这可能意味着它们通过进入脂肪酸薄膜来离开岩石环境，然后通过利用酶调控自身反应来继续走下去，这些酶最终变成了RNA。
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也许两个场景都对，也有可能都错。
我们没有理由认为人类不可能理解生命是如何起步的。在研究生命起源的科学家中，哪怕是那些私下笃信宗教的，也没有人会指着某个特定的过程说：“就是在这一步我们需要援引非物理生命力的存在，或者是某种超自然干预的要素。”我们强烈确信，对自然发生的理解只关乎在已知的自然规律中解决谜题，而不是主张需要超脱这些规律的帮助。
这种信心来自科学确立的难以置信的往绩。即使关于生命起源还有很多问题科学仍未回答，但它已经回答的问题数量可观，其中任何一个本来都有可能是科学自身不能解决的问题（回想伊曼纽尔·康德充满自信地宣称不会出现能解明草叶的牛顿）。物种是如何从先前的物种进化而来的呢？有机分子是如何合成的呢？细胞膜是如何组装起来的呢？复杂的化学反应网络是如何克服自由能的障碍的呢？RNA分子是怎么能发展出作为生化反应催化剂的能力的呢？这些都是我们已经回答的问题。我们对于这串成功会继续下去的置信度的确应该非常高。
这个观点在某些群体中遇到了阻力，还不止于那些宗教原教旨主义者。生命可以从无生命之中产生的这个想法并非显然。我们不会在眼前看到这件事发生，不管扬·巴普蒂斯特·范·海耳蒙特是怎么想象的。现代的生物组织的复杂程度令人难以想象，组成它们的是能惊人地顺利协同工作的独立部件。它“就这样发生了”的想法难以让人心悦诚服。
弗雷德·霍伊尔（Fred Hoyle）是一位备受尊崇的天体物理学家，以他对大爆炸模型的坚决反对而闻名，他曾尝试量化这种不适感。他考虑了在诸如细胞的生物结构中的原子构型。然后，他从路德维希·玻尔兹曼那里学了一招，他将这些原子排列方式的总数与能算得上细胞的排列方式这个少得多的数目进行比较。将一大堆微小数字乘起来之后，他总结出生命自行组装起来的机会大概是1040000分之一。
霍伊尔是描绘生动影像的大师，他用一个著名的类比来阐明了他的观点：
更高的生命形式以这种方式出现的可能性媲美龙卷风吹过机器废品场时用里边的材料组装出一架波音747的可能性。
问题在于霍伊尔版本的“这个方式”跟真正的自然发生研究者相信生命出现的方式风马牛不相及。没有人认为第一个细胞出现的方式是固定的一堆原子反复以各种可能的方式重新排列，直到偶尔形成了类似细胞的构型。霍伊尔描述的本质上是玻尔兹曼大脑的场景——真正随机的涨落聚集在一起创造出某些复杂有序的东西。
真实世界并非如此。与低熵构型联系起来的“不可能性”在一开始就根植在宇宙之中，起因是大爆炸之后不久令人难以置信的低熵状态。宇宙的发展始于这个非常特别的初始条件，而不是在一个更典型的平衡状态系综中游荡，这个事实让宇宙的演化必须包含一个强烈非随机的层面。细胞和新陈代谢的出现反映了宇宙向高熵演化的进程，而不是在平衡态背景中的一件不大可能发生的偶然事件。就像牛奶与咖啡混合时的丝丝漩涡，生物机体玄妙之至的复杂性是时间箭头的自然结果。
在理解生命是什么以及生命如何出现上，我们已经取得了惊人的进展，有充分理由认为进展会一直持续下去，直到我们完全理解。之后的工作牵涉化学、物理、数学和生物学，但没有魔法。