和生命有關的3個基本問題（上）：生命是如何進化出來的？

2023-04-01 04:30:00 1

與生命相關的三個基本問題(上):生命是如何進化的？

三聯生活周刊

生活是如何從零開始進化的？科學家越來越接近事實

text |袁嶽

呆在家裡，每個人除了看電視和聽歌，還在吃東西和喝酒？你想用你的大腦燃燒額外的卡路裡嗎？然後花些時間和我一起探索與生活相關的3個基本問題。讓我們今天討論第一個問題:生命是如何進化的(後兩個問題將在明天和後天陸續介紹)有些人可能會說生命是上帝創造的。這個想法很容易理解，因為至少到目前為止，地球上所有的生物都是由生物孕育而成的，而且科學家還沒有觀察到任何生物是在沒有其他生物的情況下，從一堆死去的生物中自發產生的，所以許多人只能藉助「上帝」(或某種神秘的「第一推動力」)來理解生命的起源

其他人認為地球上的生命來自外層空間，並通過隕石傳播到地球然而，首先，這種說法沒有足夠的科學依據。其次，即使這個解釋是正確的，我們仍然可以問:外層空間的生命從何而來？因此，這種解釋和宗教之間沒有本質的區別，這相當於一個圓圈後回到原點。因此，對於我們無神論者來說，我們必須找到一種方法，從原理上解釋生命是如何在地球的基礎上從零開始進化的。

是地球人面臨的最重要的科學問題之一，而且沒有一個。

在科學研究之前，我們必須首先找到正確的工具。生命的起源涉及遙遠的古代歷史。我們有兩種常用的研究工具可供選擇:化石考古和DNA分析通過前者，我們知道地球上的生命起源於大約40億年前。當然，這個值的誤差是幾億，但是數量級應該是正確的。考慮到地球本身誕生於45億年前，這個結果表明地球誕生後不久將會有生命。通過後者，我們知道地球上所有的生物都來自同一個祖先。科學家稱之為「最後一個宇宙共同祖先」這是因為所有生物都有相同的遺傳密碼，它們的基本代謝模式也是一樣的。如果地球上的生命有多種起源，很難解釋這種現象。

達爾文應該是科學史上第一個對生命起源做出正確猜測的人。當他構思《物種起源》一書時，他在紙上畫了一棵「生命之樹」，暗示所有物種都起源於同一祖先。他還推測生命的共同祖先應該來自一個「溫暖的小池塘」。考慮到達爾文當時甚至不知道什麼是DNA，他的猜測確實比他同時代的人超前了許多年。不幸的是，化石考古學和DNA分析都有很大的局限性。前者只能幫助我們研究可能留下化石證據的生命。這種生活只佔全部生活的一小部分。後者最多只能幫助我們追溯上億年，因為DNA的遺傳模式存在一定的不確定性。如果我們向前推進，不確定性太大，根本無法得出任何有意義的結論。

在這種情況下，有可能在實驗室裡重複生命起源的最初過程嗎？芝加哥大學的斯坦利·米勒和哈羅德·尤裡做到了1953年，兩人將甲烷、氨、氫和水注入幾個玻璃瓶，然後用電極製造人工閃電，模擬生命出現前的地球環境。一周後，在玻璃瓶中檢測到單糖、脂類和胺基酸等有機化合物，表明有機物質可以在沒有上帝幫助的情況下在地球環境中自發產生。

是斯坦利·米勒在左邊，哈羅德·尤裡

在右邊。不幸的是，後來的研究表明，地球早期的大氣成分不同於米勒-尤裡實驗的初始條件，這可能是錯誤的。

即使實驗是正確的，簡單的有機物和複雜的生命之間仍有巨大的差距，這是僅靠簡單的玻璃瓶實驗無法跨越的。退一萬步說，即使兩個人在一個玻璃瓶中發現了原始生命，這也不能證明地球上的生命是這樣進化的，這個問題必須由一些基本的自然法則推回去，才有可能得出一個可靠的結論在

下面，讓我們從一些基本的生活規則開始，看看我們能得出什麼結論。

02

首先，讓我們定義什麼是生活

的問題在宏觀世界中非常簡單。任何正常的成年人都可以用肉眼區分什麼是「活著」和什麼是「死去」。但是在微觀世界中，這樣的區分並不容易。即使是生物學家也不一定有資格。必須邀請化學家甚至物理學家用更基本的自然法則來區分它。

1943年，奧地利物理學家埃爾溫·薛丁格出版了一本名為《什麼是生命》的小冊子，首次從物理學的角度定義了生命在他看來，生活最本質的特徵是它會從外界吸收「負熵」，以抵制熵增加的趨勢，並傳遞這一技能。

奧地利物理學家歐文·薛丁格

熵(熵)可以簡單地理解為一個「衡量系統有序程度」的物理量。系統越有序，熵值越低。熱力學第二定律規定，一個封閉系統的熵值一定會增加，所以這個定律也叫熵增加定律。毫無例外，這是宇宙的最高原則之一。換句話說，任何封閉的系統肯定會變得越來越混亂我們的宇宙可以被看作是一個巨大的封閉系統，所以有一天宇宙會變成一個甚至死亡的狀態，不會有更多有趣的事情發生。

生活顯然是一件非常有序的事情，所以生活必須一直從外界吸收負熵(包括有序的物質營養和能量)，並排出正熵(包括有形的浪費和無形的熱量)。這個過程被稱為「新陳代謝」這是我們定義「生命」和「非生命」的最高標準。那些有新陳代謝的人被稱為生命，而那些有新陳代謝的人已經死了。

根據這個標準，病毒不是完整的生命，而是生命的附屬品。

似乎是熵增原理的一個局部悖論，如果把生命單獨進行考察的話。然而，如果我們把生命及其環境看作一個整體，生命的出現會加速整體熵的增加，這是由反應動力學決定的。

，例如，當氧和氫混合在一起而沒有反應時，熵值相對較低，而當兩者經過化學反應變成水時，熵值顯著增加。根據熵增原理(或更確切地說是熱力學)，兩者應該發生反應，但反應動力學決定了兩者之間的化學反應不會自然發生，而是需要一定的前提條件，如高溫或電火花等。如果不滿足這些條件，兩者將永遠不會反應，熵值也永遠不會增加。

從熱力學的角度來看，生命是一種由自然進化而來的減少化學反應條件的東西(例如生物酶就是這樣做的)結果，許多原本不會發生的化學反應會在生活場所發生，導致總熵增加率增加。另一方面，生命利用這些生化反應釋放的能量來完成自身的生長和繁殖，從而催化更多的化學反應。這是生命的熱力學定義

換句話說，生命本身似乎違反了熵增定律，但如果把生命和它的環境放在一起考慮，生命的出現是一種最符合熵增定律的自然現象。

寫到這裡，必須加上一句:如果這是真的，上一段中熵的定義是不準確的。例如，如果你將一些脂質分子混合到一碗水中，後者不會均勻地分布到所有地方，而是會聚集成一個整體。這種狀態似乎比均勻分布更有序，但它是一種熵更高的狀態，因此熵實際上描述了組成系統的微小粒子的行為概率。

在某些情況下，這些微小的粒子會自發地處於某種有序狀態。這種現象被稱為「自組織行為」這裡的細節相當複雜，這裡就不再討論了。但這種差異在討論生命起源時非常重要，因為生命的三大要素之一「細胞膜」，可以在地球的「原始湯」中自發形成，而無需任何外力。

細胞膜

可以通過自組織行為自發形成生命的另外兩個要素是新陳代謝和遺傳1953年的另一個重大事件將遺傳的重要性提高到了前所未有的水平，即發現了DNA的雙螺旋結構。從那時起，生物研究就被DNA壟斷了，這使得許多人忽視了能量對於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關鍵。

03

科學家們早就知道，地球上所有的生命活動都毫無例外地依賴ATP分子提供能量有些人把三磷酸腺苷比作生物鈔票，但更準確的比喻是可充電電池。三磷酸腺苷處於充滿電的狀態。當它攜帶的能量耗盡時，它就變成了二磷酸腺苷，被輸送到「充電站」，並與磷酸基團一起再次變成三磷酸腺苷。

每一個活的人類細胞每分鐘需要消耗大約1000萬個三磷酸腺苷分子，因此，一個人每天消耗的三磷酸腺苷分子數量與他的體重相當。然而，人體內的三磷酸腺苷分子總量只有60克左右，但平均每分鐘充電兩次，重複利用率極高。

從能量的角度來看，一個體重65公斤的人每天消耗的能量大約相當於一個130瓦的燈泡。這個數字似乎很低，但是如果按照單位重量釋放的能量計算，一個人比太陽高10，000倍。如果你是熵，你肯定會很高興看到生命進化，因為它會更好地滿足你「增長」的願望。儘管三磷酸腺苷分子

已經被發現很久了，但它的充電方法一直是個謎。大多數科學家認為細胞可能通過一些簡單的氧化還原反應給三磷酸腺苷充電，因為食物通過氧化還原反應給我們提供能量，這顯然是最有效的。然而，英國生物化學家彼得·米切爾發現事實並非如此。三磷酸腺苷分子被細胞膜上的電壓差充電。

英國生物化學家彼得·米切爾

具體來說，細胞膜兩側的質子濃度存在差異，有高外低內。細胞膜是半滲透的。質子從高濃度一側移動到低濃度一側，形成電流三磷酸腺苷合酶是一種跨膜蛋白。它利用電流提供的能量將二磷酸腺苷轉化為三磷酸腺苷。每10個質子穿過膜時產生的能量可以用來產生3個三磷酸腺苷分子。

為了維持細胞膜兩側的質子濃度差，細胞需要進食。他們吃的食物通過氧化還原反應一個接一個地釋放出更多的質子來維持電壓差。早在1961年，米切爾就在《自然》雜誌上發表了他關於這個問題的第一篇論文。每個人都很困惑，因為這個理論聽起來太違背常識了。人們不相信生命應該用如此愚蠢的方法來為細胞活動提供能量。

ATP和ADP循環圖

，相反，是DNA的雙螺旋。一旦論文發表，它立刻引起了轟動，因為一旦你看了它，你就能立即理解為什麼DNA必須是這樣的。雙螺旋模型確實符合理論預期。

倫敦大學學院的生物化學家尼克·萊恩甚至認為，這是繼達爾文進化論之後，人類發現的最反常識的東西。

lane教授在2015年出版了一本書，名為《重要問題:為什麼生活如此？《關鍵問題:為什麼生活是這樣的？)在這本書裡，瑞安詳細描述了米切爾的論文發表後發生的事情。生命誕生的奧秘與米切爾的發現密切相關。

「重要問題:為什麼生活如此？」儘管米切爾獲得了1978年諾貝爾化學獎，但他的發現一直困擾著許多人然而，在其他人看來，生命之所以採取這種奇怪的方式來產生三磷酸腺苷，只能解釋一個問題，那就是，地球上最早的生命使用了這種方法。你知道，能源供應對生命如此重要，一刻也不能停止。因此，所有生命形式只能在此之後繼續使用這種方法。沒有反覆試驗的餘地，也沒有辦法發展出更合理或更有效的方法。

換句話說，地球上的生命可能起源於一個具有天然質子濃度梯度的地方。

最令人驚訝的不是「黑色煙囪」本身，而是煙囪周圍的黑暗海洋實際上是一個生物多樣性熱點。潛水員在這裡發現了大量奇怪的生物，其中大部分是地球其他地方沒有發現的新物種。它們從海底噴出的各種氣體中獲取能量，並依靠這種能量合成各種有機化合物。在

米切爾的論文發表後，一位名叫君特·威徹斯特豪斯的德國化學家受到了啟發，第一次提出這些噴口可能是生命的起源，因為有一個天然的質子濃度梯度。然而，這些黑色熱液噴口的溫度太高，生命不能直接在這裡誕生。除了其他技術上的原因，這個理論已經被許多人所懷疑，並且還沒有流行起來。

8年，一位名叫麥可·拉塞爾的美國地質學家在《自然》雜誌上發表了一封讀者來信，首次提出「鹼性熱液噴口」是生命的真正發源地。這些噴口不是由海水和巖漿直接形成的，而是海水和地幔相互作用的產物。它們的溫度比黑色熱液噴口的溫度低得多，更有可能孕育生命。美國宇航局噴氣推進實驗室的

麥可·拉塞爾(左)和他的同事

拉塞爾首次在一個3.5億年前的化石中發現了這個結構。他正確地猜測了這個結構的起源，並根據他自己的生物學知識，提出這個出口很可能是生命的誕生地。這封

讀者來信自發表以來並未引起太多關注。然而，一位名叫比爾·馬丁的美國生物化學家讀了這篇論文，深受啟發。他立即用他紮實的生物化學基礎知識，編寫了一套完整的化學反應方程式，補充了這一理論的大部分細節。

美國生物化學家威廉·馬丁

2000一群潛水員首次在大西洋中脊附近發現了一大群活躍的鹼性熱液噴口。它們像煙囪一樣，因此被命名為「失落的城市」現場調查證明拉塞爾的預測是正確的。噴嘴確實是由海水和熱巖石的直接作用形成的，所以從煙囪噴出的氣泡是白色的，溫度大約在60℃到90℃之間上圖

顯示左側為「失落的城市」鹼性熱液噴口，右側為噴射黑色氣泡的普通高溫熱液噴口。兩個數字左下角的白色刻度分別代表1米。自

年以來，羅素、馬丁、瑞安等人對「失落的城市」中的鹼性熱液噴口進行了詳細的研究和分析，最終提出了一個近乎完美的理論，揭示了生命誕生的奧秘。

05

以下對生命誕生過程的描述大多來自前面提到的瑞安的標誌性著作據說比爾·蓋茨付錢給遠在英格蘭的瑞安，讓他在讀完這本書後立即去他的辦公室，並向他尋求建議。這表明蓋茨先生是多麼確信。

英國生物化學家尼克·瑞安將主要功勞歸於彼得·米切爾，他認為書中涉及的大多數理論都來自米切爾富有洞察力的發現。據瑞安說，米切爾是為數不多的具有廣闊視野的科學家之一。他意識到生活和環境是不可分割的，必須一起研究。

米切爾提出的三磷酸腺苷合成理論顛覆了傳統的「試管化學」研究範式。舊範式將化學試劑一個接一個地扔進試管，讓它們相互反應。這種化學反應不是定向的。只有米切爾意識到生命和它的周圍環境之間有一層膜，兩者之間的化學反應是有方向性的。最後，這證明了他的想法是正確的。生命是一個定向的化學過程。

都依靠這種洞察力來解釋生命的起源。

中敘述的這一部分相當複雜，我們只能簡單地總結一下。在鹼性熱液噴口，下沉的海水遇到熱地幔，在鐵和鎂等金屬元素的催化下釋放出大量的氫。地球誕生初期的海水是酸性的，因為它富含二氧化碳。結果，富氫鹼性水熱溶液沿著海底煙囪內部的小海綿狀孔徑一路上升，並與周圍的酸性海水形成連續的自然質子濃度梯度，為煙囪內部的微環境提供不間斷的電源。段內

鹼性熱液噴口化石

煙囪本身富含鐵和硫，它們結合後成為良好的催化劑。在硫化鐵催化劑的作用下，二氧化碳、氫氣和水利用質子梯度產生的連續能量合成蛋白質、脂肪酸、碳水化合物和其他構成生命的基本物質，並逐漸填滿煙囪中的所有微小空間。最初的新陳代謝開始於這種環境，這是一種定向的化學反應

值得一提的是，除了質子濃度梯度，還有一個原有的性質保留下來，那就是催化劑。代謝所需的大多數最重要的酶的核心結構是包裹在蛋白質外殼中的硫化鐵，蛋白質外殼是這些酶的催化反應中心。這表明新陳代謝所需的催化劑一直是硫化鐵，但現在它以酶的形式存在。所有新陳代謝所需的

個三磷酸腺苷分子可能都是在這一時期演化出來的，而三磷酸腺苷分子最早的充電方法是鹼性熱液噴口與周圍海水之間的質子濃度差，這也是一種定向化學反應。

由於上述原因，細胞膜很可能是在自然環境中自發產生的，因此一些脂肪酸自發聚集在一起形成細胞膜，取代了巖石縫隙所起到的隔離作用，成為細胞微環境和海洋環境之間的邊界，而質子梯度繼續為細胞膜的兩側提供電壓差

之後，一些進化出質子泵的微環境逐漸脫離海底煙囪的束縛，被釋放到海洋中，這是原始細胞的胚胎形式。由於這些質子泵的存在，這些原始細胞不再需要海底熱液了。它們可以從環境中吸收有機物質作為燃料，為自己建立質子濃度梯度，並繼續為三磷酸腺苷充電。

第一個原始細胞「盧卡」就這樣誕生了

第一原始細胞「盧卡」的示意圖

結論

至於DNA的起源，目前還沒有特別完美的解釋，但人們往往認為最早的遺傳物質是RNA，它不僅可以負責蛋白質的編碼，還可以充當酶和複製本身。通過這種方式，生命進化出了一種基本的遺傳結構，它可以記錄和傳播自然的創新。一旦

進化出它的遺傳機制，達爾文的進化論就會發揮作用幾乎所有後來發生的事情都可以用進化來解釋，除了一件事:線粒體的誕生。

，這就是我明天要講的內容。

作者文件

袁嶽

三重高級作者，低調，低調

三聯生活周刊

⊙文章的版權屬於三聯生活周刊。請轉發給朋友圈。請聯繫後臺進行重印未經同意，嚴禁轉載至網站、APP等。

點擊圖片，一鍵訂購

"建築學會"