能量和自我復(fù)制是生命從混亂無序的環(huán)境中萌發(fā)并萬世長(zhǎng)青的兩個(gè)基本條件
（一）
著名的米勒-尤里實(shí)驗(yàn)（Miller-Urey experiment）。米勒讓水在通電的氣體燒瓶（左上）和加熱的液體燒瓶（右下）之間循環(huán)往復(fù)，從而模擬了原始地球海水沸騰、電閃雷鳴、暴雨傾盆的情景[圖片]
短短一天之后，某些奇怪的事情就發(fā)生了——燒瓶里的水不再澄清，而是變成了淡淡的粉紅色，一定有某些全新的物質(zhì)生成了。即便有這樣的心理準(zhǔn)備，當(dāng)一周之后米勒停止加熱，關(guān)掉電源，從燒瓶里取出“海水”進(jìn)行分析的時(shí)候，結(jié)果還是大大出乎他的意料。海水中出現(xiàn)了許多全新的化學(xué)物質(zhì)，甚至包括五種氨基酸分子！
眾所周知，氨基酸是構(gòu)成蛋白質(zhì)分子的基本單位。
依據(jù)熱力學(xué)第二定律，任何一個(gè)孤立系統(tǒng)的混亂程度——物理學(xué)家更喜歡用“熵”這個(gè)物理量來表述——總是在增大的
早在20世紀(jì)初，人們就已經(jīng)知道在肌肉收縮的過程中，葡萄糖可以變成乳酸并釋放能量。后來人們意識(shí)到，這個(gè)過程其實(shí)和巴斯德研究過的啤酒變酸的過程是一回事：一個(gè)葡萄糖分子轉(zhuǎn)變成兩個(gè)乳酸分子，同時(shí)產(chǎn)生了兩個(gè)ATP。
在米切爾看來，辛辛苦苦地去尋找什么未知的化學(xué)反應(yīng)，壓根兒就走錯(cuò)了方向！制造ATP的過程和電站蓄能發(fā)電的原理是一樣的。電站蓄能發(fā)電可以分成兩步，首先是晚間用電抽水蓄能，然后是白天開閘放水發(fā)電。而在生命體內(nèi)也是一樣分成兩步，只不過能量的存儲(chǔ)形式不是電而是ATP；往復(fù)流動(dòng)產(chǎn)生能量的不是水而是某些帶電荷的離子（特別是氫離子）；筑起大壩的不是鋼筋混凝土而是薄薄的一層細(xì)胞膜；水壩上安裝的水力發(fā)電機(jī)不是傻大黑粗的鋼鐵怪物，而是一個(gè)能夠讓帶電離子流動(dòng)產(chǎn)生ATP的蛋白質(zhì)機(jī)器罷了。
這個(gè)過程可以簡(jiǎn)單地描述為：首先，生命體利用營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)（特別是葡萄糖）的分解產(chǎn)生能量，能量驅(qū)動(dòng)帶正電荷的氫離子穿過細(xì)胞膜蓄積起來，逐漸積累起電化學(xué)勢(shì)能。之后，在生命活動(dòng)需要能量的時(shí)候，高濃度的氫離子通過細(xì)胞膜上的蛋白質(zhì)機(jī)器反方向流出，驅(qū)動(dòng)其轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生ATP。
人們發(fā)現(xiàn)，在動(dòng)物細(xì)胞的能量工廠——一種叫作線粒體的微型細(xì)胞機(jī)器中，確實(shí)存在極高的氫離子濃度差?？缭骄€粒體內(nèi)層膜，僅僅幾納米的距離跨度就有上百毫伏的氫離子濃度差，這個(gè)差別堪比雷雨云和地面之間的電荷差別。
細(xì)胞內(nèi)的微型水電站也可以根據(jù)細(xì)胞內(nèi)的能量需求來決定生產(chǎn)ATP的效率。28~38，這組讓生物化學(xué)家無比抓狂的數(shù)字，就這么輕松地得到了解釋！
2016年，德國(guó)杜塞爾多夫大學(xué)的科學(xué)家威廉·馬?。╓illiam Martin）分析了現(xiàn)存地球生物600多萬個(gè)基因的DNA序列，從中確認(rèn)有355個(gè)基因廣泛存在于全部主要的生物門類中。根據(jù)這項(xiàng)研究，馬丁推測(cè)，這355個(gè)基因應(yīng)該同樣存在于現(xiàn)在地球生物的最后共同祖先（last universal common ancestor，LUCA，見圖2-8）體內(nèi)，并且因?yàn)樗鼈冇兄鴺O端重要的生物學(xué)功能，從而得以跨越接近40億年的光陰一直保存至今。在這355個(gè)基因里，赫然便有ATP合成酶基因的身影。與之相反，在現(xiàn)存地球生物體內(nèi)負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)其他ATP合成途徑的酶，例如催化葡萄糖分解為乳酸或酒精從而制造ATP的那些蛋白質(zhì)，卻不見蹤影。
LUCA。它并不一定是地球上最早出現(xiàn)的生物，但是現(xiàn)今地球所有生物（動(dòng)物、植物、細(xì)菌、古細(xì)菌等）都是它的子孫后代。嚴(yán)格來說，LUCA是一種生物學(xué)家假想出的生物，在今天的地球上無跡可尋。但是根據(jù)現(xiàn)存物種的基因組信息比較結(jié)果，人們可以推測(cè)LUCA大致生活在距今38億年至35億年前，嗜熱厭氧
在海拔四五千米的青藏高原，氧氣濃度下降到10%多一點(diǎn)，人體就會(huì)出現(xiàn)缺氧的癥狀。反過來，如果吸入的氧氣濃度過大，人體就會(huì)出現(xiàn)所謂的“氧中毒”現(xiàn)象，神經(jīng)系統(tǒng)、肺和眼球都會(huì)受到嚴(yán)重?fù)p傷。同樣的例子還有溫度。人體適宜的環(huán)境溫度在25攝氏度上下浮動(dòng)。如果人體長(zhǎng)期處于40攝氏度以上的環(huán)境中，很容易引起中暑死亡；處于低溫環(huán)境下也不行，人在5攝氏度的海水里只能活個(gè)把小時(shí)。
在46億年前地球形成的時(shí)候，大氣的主要成分是二氧化碳、氮?dú)狻⒍趸蚝土蚧瘹?。直到差不?5億年前，第一批能夠利用陽光的細(xì)菌出現(xiàn)在原始海洋中，利用太陽光的能量分解大氣中的二氧化碳，并以其中的碳原子為食，這才制造出了氧氣。
在20世紀(jì)中葉，當(dāng)DNA→RNA→蛋白質(zhì)這套遺傳信息傳遞的所謂“中心法則”剛剛被提出的時(shí)候。1968年，DNA雙螺旋的發(fā)現(xiàn)者之一克里克就在一篇文章中大膽地猜測(cè)，也許看起來多余的RNA才是最早的生命形態(tài)。他甚至說：“我們也不是不能想象，原始生命根本沒有蛋白質(zhì)，而是完全由RNA組成的。”
到了1982年，切赫他們干脆放棄了對(duì)RNA分子各種徒勞的提純，直接在試管里合成了一個(gè)新的RNA分子。然后，利用這條理論上就不可能存在污染的純凈RNA，他們終于可以明白無誤地確認(rèn)，這條RNA在什么外來蛋白質(zhì)都沒有的條件下，仍然固執(zhí)地實(shí)現(xiàn)了自我剪接，把那段沒用的中間序列切割了出來。
RNA分子，居然可以身兼DNA和蛋白質(zhì)的雙重功能：它顯然可以和DNA一樣存儲(chǔ)信息，同時(shí)也可以像蛋白質(zhì)一樣催化生物化學(xué)反應(yīng)——在切赫的例子里，這個(gè)化學(xué)反應(yīng)就是對(duì)自身進(jìn)行切割和縫合
馬蒂亞斯·雅各布·施萊登（Matthias Jakob Schleiden）和西奧多·施旺（Theodor Schwann）是細(xì)胞學(xué)說的集大成者。1839年，兩人分別提出植物和動(dòng)物都是由許多個(gè)微小的細(xì)胞組成的，細(xì)胞是生命的基本單元。
首先，它必須是一種不溶于水的化學(xué)物質(zhì)，否則就會(huì)在地球原始海洋里輕易地分崩離析。其次，它必須能夠形成致密的結(jié)構(gòu)，要是孔隙太大，各種物質(zhì)能夠自由進(jìn)出，這層膜也就沒有用了。而基于這兩點(diǎn)，我們還能猜想出這層膜的第三個(gè)性質(zhì)：它必須具備一定程度的通透性，能夠讓某些分子穿梭于細(xì)胞內(nèi)外，例如氧氣、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、細(xì)胞產(chǎn)生的廢物，等等。
胡克在軟木標(biāo)本中看到的蜂巢結(jié)構(gòu)其實(shí)是細(xì)胞壁，一種植物細(xì)胞特有的堅(jiān)硬外殼[圖片]
大家都知道“油水不相容”，這是因?yàn)樗肿訋в袕?qiáng)烈的極性，它的氧原子上帶有強(qiáng)烈的負(fù)電荷，氫原子上則帶有正電荷，因此水分子之間能夠通過正負(fù)電荷的吸引形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。相反，大多數(shù)脂類分子的電荷分布很均勻，一旦放入水中，不僅不能和水分子形成電荷吸引，反而還會(huì)破壞水分子之間的穩(wěn)定關(guān)系。因此脂肪分子不溶于水，而且在水中還會(huì)自發(fā)聚集成團(tuán)，盡可能減少表面積，減少暴露在水分子面前的機(jī)會(huì)。這樣一來，由脂類分子構(gòu)成的膜當(dāng)然就不會(huì)在水中分崩離析，而且天然地形成致密的結(jié)構(gòu)，包裹住細(xì)胞內(nèi)的生命物質(zhì)。
根據(jù)歐福頓的理論，這層膜是脂類分子，因此可以用有機(jī)溶劑輕松提純。然后，高特和格蘭戴爾把從紅細(xì)胞中提取的這些物質(zhì)平鋪到一杯水上，小心翼翼地拉成了一層膜。
高特和格蘭戴爾提出的磷脂雙分子層模型。簡(jiǎn)單來說，細(xì)胞膜是由兩層緊密排列的磷脂分子構(gòu)成的，磷脂分子的極性“頭”朝外，和水分子親密結(jié)合，非極性“尾”則隱藏在分子內(nèi)部?？梢钥闯?，這樣的結(jié)構(gòu)最大限度地避免了電中性的尾巴和水分子的接觸，物理性質(zhì)很穩(wěn)定
歐福頓預(yù)測(cè)，細(xì)胞膜的物質(zhì)成分是磷脂和膽固醇，而這兩種脂類分子都有一個(gè)異乎尋常的特性：分子骨架的絕大多數(shù)地方都是電中性的，因此天然排斥水分子。但是兩種分子的頂端卻恰好都有一個(gè)帶有電荷的“頭”，因此是可以和水分子親密結(jié)合的。
細(xì)胞膜上“鑲嵌”著各種各樣的蛋白質(zhì)分子，它們可以幫助物質(zhì)進(jìn)行跨細(xì)胞膜流動(dòng)，或者說它們能夠形成一個(gè)狹窄的孔道，讓分子自由進(jìn)出細(xì)胞（取決于細(xì)胞內(nèi)外的濃度），水分子和金屬離子大多數(shù)時(shí)候是這樣進(jìn)出細(xì)胞的。有時(shí)候，細(xì)胞膜上的蛋白質(zhì)甚至可以將物質(zhì)從低濃度一側(cè)運(yùn)輸?shù)礁邼舛纫粋?cè)，當(dāng)然毫無疑問，這需要消耗能量。較大的分子就是依靠這種機(jī)制運(yùn)輸?shù)摹?p> 細(xì)胞甚至可以通過大尺度的扭曲折疊來運(yùn)輸分子。比如，我們血液里的白細(xì)胞可以將整個(gè)細(xì)菌都包裹起來“吞噬”進(jìn)細(xì)胞內(nèi)，我們大腦里的神經(jīng)細(xì)胞可以反其道而行之，將細(xì)胞內(nèi)的小液泡釋放到細(xì)胞外，進(jìn)行神經(jīng)信號(hào)的傳遞。
如果一個(gè)細(xì)胞的直徑擴(kuò)大一倍，那么體積就會(huì)變?yōu)橹暗陌吮?，但是?xì)胞膜的表面積卻僅僅擴(kuò)大為原來的四倍。也就是說，在這個(gè)大號(hào)細(xì)胞里，細(xì)胞膜進(jìn)行物質(zhì)交換的壓力就大了一倍。
生命現(xiàn)象需要蛋白質(zhì)分子的驅(qū)動(dòng)，而蛋白質(zhì)合成需要遺傳物質(zhì)DNA作為模板。
科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，僅僅需要改變DNA密碼本的一個(gè)字母（也就是DNA鏈條上的一個(gè)核苷酸的身份），就能夠讓一種單細(xì)胞生物變成雪花狀的多細(xì)胞生物。
（二）
草履蟲，它是一種（更準(zhǔn)確地說是一類）兩三百微米長(zhǎng)、長(zhǎng)得像一只草鞋鞋底的單細(xì)胞生物。這種長(zhǎng)相怪異的單細(xì)胞生物靠細(xì)胞膜上密密麻麻的短毛劃水游動(dòng)，靠捕獵其他體形更小的單細(xì)胞生物過活。它們的食譜里包括細(xì)菌、綠藻和酵母。
小球藻（chlorella vulgaris）。這是一種古老而典型的單細(xì)胞生物，在水中隨波逐流，自由生活，利用太陽光作為能量來源，通過細(xì)胞分裂的方式完成繁殖。但是如果在水中加入一種體形稍大、專門吃小球藻的鞭毛蟲（ochromonas vallescia），那么僅僅需要一個(gè)月，繁殖10~20代的時(shí)間，小球藻就能迅速演化出多細(xì)胞形態(tài)。在這些多細(xì)胞小球藻體內(nèi)，八個(gè)細(xì)胞緊緊依靠在一起，外面包裹了一層厚厚的細(xì)胞壁（見圖5-3）。很明顯，這種八細(xì)胞小球藻的尺寸大大超過了它們一貫畏懼的天敵鞭毛蟲，可以逃過被吃的命運(yùn)。
一個(gè)螞蟻群體里僅有一只雌性（也就是蟻后）可以繁殖后代，其他的雌性都是為了保障蟻后的生存而活著的：工蟻負(fù)責(zé)覓食和照顧蟻后的后代，兵蟻負(fù)責(zé)抵抗外敵入侵，等等。就像體細(xì)胞一樣，工蟻和兵蟻也失去了繁殖的權(quán)利。當(dāng)然，群體遺傳學(xué)可以幫助我們解釋這種奇怪的利他行為：工蟻和兵蟻的遺傳物質(zhì)和蟻后幾乎一樣，因此幫助蟻后繁殖就等于傳遞自身的遺傳信息。
小腸上皮細(xì)胞的模式圖。相鄰的上皮細(xì)胞之間通過蛋白質(zhì)“鉚釘”形成了致密的連接，起到了屏障作用。而上皮細(xì)胞絨毛狀的突起則增強(qiáng)了吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的能力。[圖片]
新生的紅細(xì)胞是有細(xì)胞核的，但是在它們離開骨髓進(jìn)入血液前后，紅細(xì)胞會(huì)擠出細(xì)胞核，變成大家熟悉的中心薄、周圍厚的圓餅形狀。拋棄細(xì)胞核的好處是顯而易見的：這樣一來，紅細(xì)胞就留出了更多的空間裝載血紅蛋白分子，從而可以一次運(yùn)輸更多的氧氣分子。與此同時(shí)，沒有了細(xì)胞核的紅細(xì)胞更加柔軟，遇到狹窄的毛細(xì)血管時(shí)可以輕松地變形通過。
【小故事】
彼得·米切爾的一生就是一部傳奇。1920年出生，家境優(yōu)渥，受到了良好的精英教育。31歲獲得博士學(xué)位，35歲到愛丁堡大學(xué)任教，這一段人生旅途一帆風(fēng)順。但是1961年他在41歲的時(shí)候發(fā)表了驚世駭俗的化學(xué)滲透理論，從此不見容于主流學(xué)術(shù)界，甚至不得不半被迫地在1963年辭去了教職，回到鄉(xiāng)下，把精力主要花在整修他的鄉(xiāng)間別墅上。而在1965年，不甘就此沉淪的他自掏腰包，在自己的鄉(xiāng)間別墅成立了一家徹底的民間科學(xué)機(jī)構(gòu)——格萊恩研究所（Glynn Research Laboratories）——繼續(xù)為他的化學(xué)滲透理論尋求證明。在科學(xué)研究之外，米切爾還經(jīng)常饒有興致地用他的化學(xué)滲透理論來解讀社會(huì)現(xiàn)象。1978年，他的理論幫助他加冕諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，在演講中，他說了這么一句意味深長(zhǎng)的話：“偉大的馬克斯·普朗克說過，一個(gè)新的科學(xué)想法最終勝利，不是因?yàn)樗f服了它的對(duì)手，而是因?yàn)樗膶?duì)手最終都死了。我想他說錯(cuò)了?！?