化學伊甸園

蒂姆·雷夸德

1983年，格拉斯哥，在春季一個溫暖的夜晚，麥克·羅素遇到了靈光乍現的時刻，當時他11歲的兒子剛剛弄壞了一個新玩具。這是一個小型塑料罐做的化學花園，石筍狀的卷須從放置在礦物溶液里的晶種中長出。雖然這些卷須從外部看是固體，但被砸碎之后露出了它們的本質：每一個實際上都是由一堆中空管組成的，好像一束一束微小的雞尾酒吸管。

那時，地質學家羅素正在為如何理解他最近發現的一塊不尋常的巖石而苦惱。這塊巖石也是外部固體，內部充滿了中空管，中空管薄薄的管壁上布滿了顯微小室。他逐漸開始明白，這塊巖石一定是在某種特殊的溶液中變成那樣的，就像他兒子玩具中的晶體形成那樣。羅素假設了一整套新的地質現象來解釋它：海底熱液口，從地球內部噴出的富含礦物質的水體，在周圍的低溫海水中沉淀，在海床上創造出一個高聳并且中空的巖石組成的化學花園。

麥克·羅素

這是一個憑直覺獲得的飛躍，但是很快就讓羅素產生了更為古怪的想法。“我頓悟到生命是從這些巖石中產生的，”他說，“很多年之后，人們會跟我說這個想法很令人驚訝，但對我來說并不是。我只不過是在地質學家應該了解的知識的引導下，在一個不同的領域里思考。我并沒有打算研究生命起源，但這看上去實在是一目了然。”

在羅素看來一目了然的，是他假設的化學花園可以解開關于生命起源的一個最深的謎團：能量問題。那時和現在一樣，關于生命起源的許多主流理論都植根于查爾斯·達爾文關于“溫暖的小池塘”的推測，在那里，無生命的物質由熱量、陽光或者閃電提供能量，形成了復雜分子，最終開始復制自己。幾十年以來，大多數有關生命起源的研究都聚焦在這種自我復制的化學機制如何才能出現上。這些研究很大程度上將其他關鍵問題置之不顧，比如說，最早的生物如何獲得能量來生長、繁殖和演化出更高的復雜度。

但是在羅素看來，生命起源和其所需的能量來源是同一個問題，是難分難解相互纏繞的兩個方面。作為一名地質學家（目前在位于加利福尼亞州的美國航空航天局噴氣推進實驗室工作），他跟具有生物學背景的同事切入這個問題的角度非常不同。羅素意識到，海底的化學花園能夠在同一地點提供充足的物質和能量——這種環境有利于自我復制發生，也為初級生物提供了免費的午餐。

長期以來，生命的出現似乎依賴于會產生更高復雜度的極度不可能的化學事件，這一點一直困擾著研究人員。通過把能量放在首要位置來考慮，羅素相信他可以解決這個問題。在他看來，生物復雜度的出現并不是不可能，而是不可避免。

在將近30年中，羅素的能量本位觀點在大多數情況下都遭到質疑。現在，大家的態度正在轉變：地質學的最新發現——基因組和分子生物學——給他的假說提供了新的憑證。隨著這一轉變產生了生命定義的新觀點，以及對生命在宇宙中優越地位的令人振奮的挑戰。羅素認為生命的出現根植于控制星系、行星和龍卷風產生的相同原理。他指出，生命不是一種反常的事件，而是暢通無阻的物理敘事整體中的一部分，“僅僅是正在膨脹的宇宙中能量流連續體的另一個部分”。

地球上沒有留下生命最初出現的直接證據，但是創造我們的故事隱藏在我們的基因和生化過程中。1953年DNA結構的發現，以及隨之崛起的分子生物學，給科學家提供了可以用來解讀這個故事的放大鏡。所有的證據都指向單一的共同祖先，一個設法在35億年前原始地球的惡劣環境中存活并且繁衍生息的生物。從這一生命體萌發出了整棵生命之樹。

專注于DNA使研究的注意力相應地集中在了可能會導致自我復制實體的化學機制，而非產生這些實體所需的能量，因此尋找生命起源在很大程度上變成了尋找DNA祖先分子的起源。到了20世紀60年代，研究者開始形成一套看似合理的理論來解釋事情的經過。根據他們的理論，生命起源于RNA世界。RNA是DNA的化學近親，兩者都可以儲存遺傳信息，幫助早期生命執行存活所需的

化學反應。RNA儲存信息的能力已經得到確認。發現RNA可以不依賴蛋白質或者其他分子的幫助獨立進行化學反應的事實，使得RNA世界假說在1978年得到了實質性的推動。RNA分子看上去組成了一個可以自我構建和復制的齊整的化學系統。

研究人員從這里推測，RNA開始被密封在脂類形成的小泡里，也就是組成今天細胞膜的油性分子。因為脂類小泡可以自然生長和分裂，最好的RNA復制體可以持續和擴增。最終，這些原始實體中的一部分偶然獲得了編碼簡單蛋白質的能力，因此使得從環境中獲取能量的代謝通路的發展成為可能。最終，存儲遺傳信息的功能被轉移給了DNA，我們熟知的生命出現了。

但是，現代生物體中存在的另一條有關生命起源的線索比DNA更加晦澀但同樣普遍，那就是細胞通過帶電分子轉運獲取能量的方式。這一過程被稱為“化學滲透”，于1961年由英國生物化學家彼得·米切爾最先提出。化學滲透缺乏DNA編碼的嚴謹，但是原始的混亂性或許正好使它很能夠說明問題。

羅素認為能量一定出現在任何類似DNA或者RNA的實體之前，所以化學滲透的起源能夠幫我們解開最早的生物體如何產生這一謎團。化學滲透在我們體內細胞深處上演，大多數細胞內存在成百上千被稱作線粒體的顯微結構。線粒體從食物中提取化學能量，在我們吸入的氧氣的幫助下，將這些能量轉化為一種被稱為三磷酸腺苷（ATP）的分子。ATP與DNA一樣，是重要的生命分子，它是我們生長、運動和思考時花費的“貨幣”。每個人體內的40萬億細胞使用大約1000萬個ATP分子。我們每天可以將等同于體重的物質轉化為這種特殊的分子。

能量跨越線粒體細胞膜的流動通過一個魯布·戈德堡式的復雜分子裝置執行，這套分子裝置精細復雜到難以理解。一條由幾十種蛋白質組成的結構鏈，每一種蛋白質都由上千個原子組成，捕捉來自食物的高能電子，像救火梯隊一樣將它們沿鏈傳遞到下游。電子在蛋白質鏈中的運動產生電流，用來在線粒體的內膜和外膜之間捕捉大量質子。質子離開膜間隙的唯一途徑是另一種非凡的蛋白質，即ATP合成酶。該酶是一個工程學奇跡，由分子轉子、定子和轉動軸組成，質子通

過時轉動軸會像水車一樣以每秒幾百次的速率旋轉，以生產ATP。

目前還沒有哪個聚焦在復制上的生命起源理論，能為與之平行的化學滲透精細機制的起源提供解釋。但是羅素指出，他的化學花園假說能為捕捉質子梯度勢能的分子的出現提供自然環境。地球的原始海洋很可能是酸性的，意味著它含有高濃度的質子。相較之下，從沸騰的熱液煙囪里冒出的水體通常是堿性的，意味著含有較少的質子。這種差異會從海洋到巖石產生一個天然的質子瀑布，微小的質子滲透過礦物質的迷宮。

羅素相信，質子梯度產生的能量使得電子轉移并與質子流相連的簡單反應成為可能。然后，隨著蛋白質的進化，有些細胞開始通過原始的ATP合成酶捕捉質子流。基因組數據支持了這一系列事件。ATP合成酶分子在地球上每個生物體當中都是相似的，但是用來捕捉質子的蛋白質鏈并不相同。這種不同意味著最早的生物體在發展出自己創造質子梯度的功能之前，已經演化出了利

用現成質子梯度的能力。羅素的化學花園可能就提供了這種梯度。之后的生物體進化出了能夠自身產生質子梯度的蛋白質，并在此過程中擦除了我們最早來源的明顯證據。

當羅素的理論奄奄一息地徘徊在科學的邊緣上時，一位杰出的生物學家比爾·馬丁注意到了它。馬丁是在杜塞爾多夫大學工作的得克薩斯人。作為一名進化生物學家，馬丁認為化學滲透早于RNA 出現非常合情合理。“如果你在一組生物體中發現了一種共同特性，你會把這種特性歸結到一個共同祖先上。這里的‘一組生物體就是我們所知的一切生命，而這個共同特性就是利用離子梯度的能力。”他說。

在2003年至今的一系列論文中，羅素和馬丁合作研究了化學花園假說的生物學意義。在他們具體化了的假說中，最初的生命并不是可以自由游動的、以在海洋中漂流的天然有機分子為食的生物，而是在水下巖石的礦物隔室中自己制造食物的房客。最初，海洋熱液口僅僅是地質點，氣體和溶解的礦物質從中沸騰而出，形成巖石。但在這些巖石中，有些不尋常的事開始發生了。在正常條件下，海洋中的二氧化碳和來自熱液的氫無法發生化學反應，然而隔室壁中富含鐵和硫的礦物，促成了這個非自發的伙伴關系。這些反應產生了小型有機分子，例如乙酰CoA，它是迄今發現的代謝通路中最古老的一種。

擴展了的化學花園假說提到了生命起源的另一個關鍵問題：構造生物的分子模塊是如何集中到能夠相互反應和連接的濃度的。羅素預計橫跨海洋的熱液巖石有一個溫度梯度——外部是冷的，內部是熱的。這一梯度會造成一種叫作熱泳的對流過程，將較大的有機分子滯留在隔室內，促進糖、氨基酸、脂和核苷酸分子的形成——這些分子就是構建生命的元件。在深海強烈的溫度和壓力條件下，這些生命元件不可避免地開始相互連接，形成更大更復雜的分子。

在羅素和馬丁看來，只有在這時遺傳元件才開始形成。利用復雜有機分子集中供應的有利條件，自我復制的化學系統可以通過微孔從一個巖石隔室擴散到另一個。并且由于多孔巖石會持續形成新的隔室，能用來殖民的領域非常充足。在這些隔室里出現了最早的細胞。對羅素來說，這是唯一合理的解釋：“生命的出現是一個地質事件。如果你不這樣看待這個問題，就只能自己編造初始條件了。”

羅素的解釋里有一個很大的問題，那就是這個化學花園——也就是他推測的生命實驗場——似乎只存在于他的想象里。1977年，人們在海底發現了一個多少有些類似的礦物質結構，甚至引發了其作為生命起源地的討論。但是這個觀點很快就遭到了打擊——因為劇烈的火山活動，這里的生命周期很短。斯坦利·米勒，當時世界上最有名的生命起源研究者，在1992年告訴《探索》雜志，所謂的熱液噴口假說“是徹徹底底的失敗。我不明白為什么我們還要討論它”。

然后，在2000年冬季的一個夜晚，一組地質學家將遙控設備ArgoⅡ下放到了大西洋平靜的海水里，以調查海底山系。設備在下降中通過盤旋的珊瑚和成群的磷蝦，越過太陽產生的環境光逐漸消失在黑暗中的海洋透光層，越過深度計上800米的標記。突然，設備的燈光照亮了一幅人們完全沒有預料到的景象：一群從海底升起、有如外星世界的尖峰，有20層樓那么高。加熱的海水通過尖峰頂端翻騰而出，形成閃爍著光芒的羽流，就像煙囪中冒出的煙。在這個奇特的景觀上有一個獨特的生態系統：蝸牛、螃蟹、蠕蟲和甲殼類動物以微生物為食，微生物則靠轉化利用地球

內部的原始元素來生存，完全不依賴太陽。這片熱液噴口被稱為“失落的城市”， 與羅素1983年做出的預測幾乎完全一致。他的化學花園被找到了。

現在看起來高溫生命很可能首先產生，地表上適應于更加適宜溫度的生物則晚些時候才進化出來。

在此之后的15年中，更多支持生命起源于化學花園的數據出現了。其中一個重要的變化是，大多數研究者都確信生命的共同祖先是自養生物（意思是說它靠無機物自己制造食物），就像羅素和馬丁預測的那樣。2015年的一項基因組研究為此提供了目前最令人信服的證據。一份針對將近40個基因的分析強有力地指出，最古老的微生物通過二氧化碳和氫氣生產甲烷。

其他數據也支持最早的生物體起源于高溫的巖石區域這一觀點。數十年來，大多數生物學家認為生命只能在地球表面相對較窄的溫度范圍內生存。但是到了21世紀，逐漸積累的證據表明，大部分位于進化樹早期分枝上的生物都是喜愛高溫的。現在看起來，很可能高溫生命首先產生，地表上適應于更加適宜溫度的生物則晚些時候才進化出來。另外，有些從微生物到哺乳動物中均存在的蛋白質，在其結構的核心位置都含有礦物質簇，表明早期生命跟巖石有密切關系。羅素關于“來自礦物質隔室中的能量驅動生命產生”的想法看上去再也不是那么具有顛覆性了。

但是還有更加深刻的理由認為生命或許起源于水下的化學花園。乍一看，生命似乎違背了物理學規律。宇宙的趨勢是從有序變為無序。房間變得混亂，堡壘成為廢墟。這種無序性，被稱為“熵”，熱力學第二定律給出它的正式定義：一切過程都一定增加宇宙中整體的熵值。約翰·厄普代克在《熵的頌歌》中寫道，變化“就像潑出去的水無法收回”。按照其邏輯推論，熱力學第二定律闡明，當一切物質和能量都完全均勻分布時，任何事情都不會再次發生——這就是厄普代克所說的“滅絕的封印”。

然而生命卻對抗熵。奧地利物理學家埃爾文·薛定諤在其1943年的一系列被收錄進有影響力的著作《生命是什么》（1944）的具有遠見卓識的講座里，指出了這個對熱力學第二定律的明顯違背。他認為生命找到了一種利用能量的方式，能夠在局部減少熵值，同時增加整體的熵值。這種局部熵減類似冰箱的作用，使用電能使內部冷卻，將更多熱量通過背部的線圈釋放。（這就是為什么打開冰箱并不會使室內溫度變低的原因。）生命與此相似，它利用能量在局部自我組織，

在此過程中將大量廢棄物通過熱量的形式釋放。薛定諤指出，生物的生存依靠的是“持續從環境中吸收秩序”。

以從無序中產生有序這種方式考量生命，使它看上去極為不可能。生命是宇宙中的僥幸，也是完全符合自然規律的事件，是天體生物學中一個決定性的問題。英國天文學家弗雷德·霍伊爾將生命從一大堆雜亂無章的分子中自發產生的概率比作“龍卷風橫掃廢品收購站組裝起了一架波音747飛機”。

對此，羅素的看法也非常不同。生命的起源不是一個從無序中產生有序的問題，而是一個從有序到有序的問題。“你必須要有一個組織良好的初始態，才能從這個初始態達到任何一種有組織的狀態。”他說。換句話說，地質秩序首先產生。與此相關的問題是，生物復雜性是怎樣從地質復雜性里產生的？卡內基梅隆大學的地質學家羅伯特·哈森將這一觀點看作羅素對進化生物學的主要貢獻：“生命的起源，也就是復雜度的起源，如果沒有一個相對復雜的環境是不會產生的。”

羅素的能量驅動模型解釋了這個復雜度首先是從哪里產生的。大約在一個世紀以前，科學家開始意識到，無生命系統可以作為自發組織者從環境中“吸收秩序”。這一觀點在20世紀60年代由蘇聯化學家伊利亞·普里高津正式提出，他將這種自發組織系統稱為“耗散結構”。這種結構非常容易找到：把浴缸里的塞子拔開，看看水形成的漩渦。由于引力驅動，水分子自發旋轉出了比之前隨便聚集在一起更加有序的模式。因為能使水更快地排掉，這個漩渦通過產生低熵值的局部結構而增加了總體的熵值。如果以恒定速率為浴缸注水，比如打開淋浴噴頭，漩渦就會無限持續。當能量可以持續流經一個系統的時候，有趣的事情就會發生。

生命屬于向能量流開放的一類系統，羅素說，用這種方式來思考生命能夠重新對它進行定義。

生物信息系統，也就是生命繁衍所需的編碼不會突然產生。

在過去半個世紀，生命起源的研究基本上由將化學過程置于能量之上作為需要解決的主要難題的科學家主導。這種觀點部分產生于1953年由斯坦利·米勒主持的一個具有重要影響的實驗，他當時是芝加哥大學的研究生。他將兩個圓底燒瓶連接，其中一個裝有水以模擬地球的早期海洋，另一個含有簡單氣體的混合物以模擬早期大氣。米勒在這個玻璃裝置內激發電火花，模擬雷雨

天氣。在一周的時間內，瓶內的水變黃、變粉，最終變成深紅色。他在這個燒瓶里找到了含量豐富的有機物，包括氨基酸。他使空氣固化成了構建生命的元件。

不久之后，米勒登上了《時代》雜志的封面，小報上盡是合成生物從實驗室里爬出的故事。一些化學家開始爭相從頭創造生命，至少是創造生命所需的化學物質。盡管取得了一些進展，但是關注復雜度的研究者一致認為這些實驗中采用的原始能量源，不論是閃電還是紫外線輻射，對創造復雜生物分子來說都過于不穩定，破壞性太強了。而另一方面，化學花園這個避風港里存在的化學梯度，看上去似乎剛合適。

“這就是為什么我喜歡熱液噴口這個主意：能量勢能梯度和化學梯度都非常清晰。而梯度能夠產生復雜度。”在德國海德堡歐洲分子生物學實驗室研究生物系統自發組織的埃里克·卡爾森提說。如果沒有能量梯度，即使對創造一個RNA世界來說所有的組分都齊全，生命也不會出現。也就是說，生物信息系統，也就是生命繁衍所需的編碼不會突然產生。“生命系統產生的關鍵在于形成一套能量存儲的構造系統，并且利用這一能量機器構建通過DNA和RNA存儲信息的系統。” 卡爾森提解釋說，“我認為能量系統是先產生的。”

羅素把這一觀點套用在了更加常見的術語上：“我的豐田普銳斯沒有電腦也能跑，但是沒有引擎就不行了。”

關于生命起源的理論有很多，但真相都隱藏在上億年的歷史之中，羅素對能量流的關注把這種障礙轉化為幾乎詩意的朦朧。“我不喜歡‘起源這個說法，”他說，“實際上我們應該把它叫作‘出現。如果你用能量來考量生命，那么生命的出現就向前聯系在了能量流的源頭，也就是宇宙大爆炸。”羅素在2013年的一篇論文中寫道，“那時宇宙處在幾乎無窮的熱力學壓力之下。”宇宙的演化就是通過這種壓力的耗散來推進的。看上去似乎自相矛盾，但擺脫壓力的最有效方法，就是從有序推進到無序，即創造臨時但是有序的系統，就像浴缸中的漩渦，或者風暴中的

龍卷風那樣。“宇宙中的一切秩序，”羅素和合作作者總結道，“推測起來都是源自這種悖論。”

生命就是一個這樣的秩序綠洲。在大爆炸之后，從理論上講宇宙能夠膨脹成一個物質和能量的均勻分布體。如果情況確實如此，什么都不會發生，包括生命在內什么都不會形成。然而一切發生了。宇宙結構中的量子波動或許破壞了物質和能量的分布，觸發了全宇宙結構和組織的積累。粒子匯聚在一起，引力場中微小的變化吸引其他粒子，很快，不同區域的物質通過引力相結合，出現了大面積的相對真空。

一些物質坍縮形成恒星。這些恒星周圍由氣體和塵埃組成的吸積盤生成了具有熔化的內核、不間斷的板塊運動、動蕩的火山活動的行星。這種不均衡導致海底熱液對流，驅動了蛇紋巖化，這是一種形成熱液噴口結構，也就是羅素的化學花園的地質過程。至少在一顆行星上，這些礦物質塔將地質學的不均衡引入了化學過程，復雜的原初代謝系統最終進化出了生命。這樣看來，生命的起源根本不是起源，而只是由宇宙大爆炸引發的一系列事件中的一步。

從能量方面來考量生命起源挑戰了生命的根本定義。“問題不在于生命是什么，”羅素說，“而在于生命做什么。”畢竟，平均下來每隔幾年你體內的所有原子就會被更換一遍。在這層意義上，與其說生命是一種實體，不如說生命是一種存在的形式，是一種連續觸發的毀滅和創造。如果它能夠被定義，那就是這樣：生命是一種自我維持、高度組織的通量，一種物質和能量在特定條件下自我表達的自然方式。

羅素把我們這個物種以及其他生命看作能量模式，也就是宇宙初期劇烈波動產物。這或許會讓我們感到自己有點不那么特殊了。不過話說回來，或許也能讓我們感到不那么孤獨了。我們是從時間源頭產生的完整能量譜系的衍生物。達爾文也憑直覺意識到了生物學和物理學之間的這種深層聯系，推測“可能生命的原理從此將被視作某種普遍規律的一部分或者是結果”。并且，他還加了一句，“這種生命觀也有它宏偉壯麗的地方”。