化学伊甸园

蒂姆·雷夸德

1983年，格拉斯哥，在春季一个温暖的夜晚，麦克·罗素遇到了灵光乍现的时刻，当时他11岁的儿子刚刚弄坏了一个新玩具。这是一个小型塑料罐做的化学花园，石笋状的卷须从放置在矿物溶液里的晶种中长出。虽然这些卷须从外部看是固体，但被砸碎之后露出了它们的本质：每一个实际上都是由一堆中空管组成的，好像一束一束微小的鸡尾酒吸管。

那时，地质学家罗素正在为如何理解他最近发现的一块不寻常的岩石而苦恼。这块岩石也是外部固体，内部充满了中空管，中空管薄薄的管壁上布满了显微小室。他逐渐开始明白，这块岩石一定是在某种特殊的溶液中变成那样的，就像他儿子玩具中的晶体形成那样。罗素假设了一整套新的地质现象来解释它：海底热液口，从地球内部喷出的富含矿物质的水体，在周围的低温海水中沉淀，在海床上创造出一个高耸并且中空的岩石组成的化学花园。

麦克·罗素

这是一个凭直觉获得的飞跃，但是很快就让罗素产生了更为古怪的想法。“我顿悟到生命是从这些岩石中产生的，”他说，“很多年之后，人们会跟我说这个想法很令人惊讶，但对我来说并不是。我只不过是在地质学家应该了解的知识的引导下，在一个不同的领域里思考。我并没有打算研究生命起源，但这看上去实在是一目了然。”

在罗素看来一目了然的，是他假设的化学花园可以解开关于生命起源的一个最深的谜团：能量问题。那时和现在一样，关于生命起源的许多主流理论都植根于查尔斯·达尔文关于“温暖的小池塘”的推测，在那里，无生命的物质由热量、阳光或者闪电提供能量，形成了复杂分子，最终开始复制自己。几十年以来，大多数有关生命起源的研究都聚焦在这种自我复制的化学机制如何才能出现上。这些研究很大程度上将其他关键问题置之不顾，比如说，最早的生物如何获得能量来生长、繁殖和演化出更高的复杂度。

但是在罗素看来，生命起源和其所需的能量来源是同一个问题，是难分难解相互缠绕的两个方面。作为一名地质学家（目前在位于加利福尼亚州的美国航空航天局喷气推进实验室工作），他跟具有生物学背景的同事切入这个问题的角度非常不同。罗素意识到，海底的化学花园能够在同一地点提供充足的物质和能量——这种环境有利于自我复制发生，也为初级生物提供了免费的午餐。

长期以来，生命的出现似乎依赖于会产生更高复杂度的极度不可能的化学事件，这一点一直困扰着研究人员。通过把能量放在首要位置来考虑，罗素相信他可以解决这个问题。在他看来，生物复杂度的出现并不是不可能，而是不可避免。

在将近30年中，罗素的能量本位观点在大多数情况下都遭到质疑。现在，大家的态度正在转变：地质学的最新发现——基因组和分子生物学——给他的假说提供了新的凭证。随着这一转变产生了生命定义的新观点，以及对生命在宇宙中优越地位的令人振奋的挑战。罗素认为生命的出现根植于控制星系、行星和龙卷风产生的相同原理。他指出，生命不是一种反常的事件，而是畅通无阻的物理叙事整体中的一部分，“仅仅是正在膨胀的宇宙中能量流连续体的另一个部分”。

地球上没有留下生命最初出现的直接证据，但是创造我们的故事隐藏在我们的基因和生化过程中。1953年DNA结构的发现，以及随之崛起的分子生物学，给科学家提供了可以用来解读这个故事的放大镜。所有的证据都指向单一的共同祖先，一个设法在35亿年前原始地球的恶劣环境中存活并且繁衍生息的生物。从这一生命体萌发出了整棵生命之树。

专注于DNA使研究的注意力相应地集中在了可能会导致自我复制实体的化学机制，而非产生这些实体所需的能量，因此寻找生命起源在很大程度上变成了寻找DNA祖先分子的起源。到了20世纪60年代，研究者开始形成一套看似合理的理论来解释事情的经过。根据他们的理论，生命起源于RNA世界。RNA是DNA的化学近亲，两者都可以储存遗传信息，帮助早期生命执行存活所需的

化学反应。RNA储存信息的能力已经得到确认。发现RNA可以不依赖蛋白质或者其他分子的帮助独立进行化学反应的事实，使得RNA世界假说在1978年得到了实质性的推动。RNA分子看上去组成了一个可以自我构建和复制的齐整的化学系统。

研究人员从这里推测，RNA开始被密封在脂类形成的小泡里，也就是组成今天细胞膜的油性分子。因为脂类小泡可以自然生长和分裂，最好的RNA复制体可以持续和扩增。最终，这些原始实体中的一部分偶然获得了编码简单蛋白质的能力，因此使得从环境中获取能量的代谢通路的发展成为可能。最终，存储遗传信息的功能被转移给了DNA，我们熟知的生命出现了。

但是，现代生物体中存在的另一条有关生命起源的线索比DNA更加晦涩但同样普遍，那就是细胞通过带电分子转运获取能量的方式。这一过程被称为“化学渗透”，于1961年由英国生物化学家彼得·米切尔最先提出。化学渗透缺乏DNA编码的严谨，但是原始的混乱性或许正好使它很能够说明问题。

罗素认为能量一定出现在任何类似DNA或者RNA的实体之前，所以化学渗透的起源能够帮我们解开最早的生物体如何产生这一谜团。化学渗透在我们体内细胞深处上演，大多数细胞内存在成百上千被称作线粒体的显微结构。线粒体从食物中提取化学能量，在我们吸入的氧气的帮助下，将这些能量转化为一种被称为三磷酸腺苷（ATP）的分子。ATP与DNA一样，是重要的生命分子，它是我们生长、运动和思考时花费的“货币”。每个人体内的40万亿细胞使用大约1000万个ATP分子。我们每天可以将等同于体重的物质转化为这种特殊的分子。

能量跨越线粒体细胞膜的流动通过一个鲁布·戈德堡式的复杂分子装置执行，这套分子装置精细复杂到难以理解。一条由几十种蛋白质组成的结构链，每一种蛋白质都由上千个原子组成，捕捉来自食物的高能电子，像救火梯队一样将它们沿链传递到下游。电子在蛋白质链中的运动产生电流，用来在线粒体的内膜和外膜之间捕捉大量质子。质子离开膜间隙的唯一途径是另一种非凡的蛋白质，即ATP合成酶。该酶是一个工程学奇迹，由分子转子、定子和转动轴组成，质子通

过时转动轴会像水车一样以每秒几百次的速率旋转，以生产ATP。

目前还没有哪个聚焦在复制上的生命起源理论，能为与之平行的化学渗透精细机制的起源提供解释。但是罗素指出，他的化学花园假说能为捕捉质子梯度势能的分子的出现提供自然环境。地球的原始海洋很可能是酸性的，意味着它含有高浓度的质子。相较之下，从沸腾的热液烟囱里冒出的水体通常是碱性的，意味着含有较少的质子。这种差异会从海洋到岩石产生一个天然的质子瀑布，微小的质子渗透过矿物质的迷宫。

罗素相信，质子梯度产生的能量使得电子转移并与质子流相连的简单反应成为可能。然后，随着蛋白质的进化，有些细胞开始通过原始的ATP合成酶捕捉质子流。基因组数据支持了这一系列事件。ATP合成酶分子在地球上每个生物体当中都是相似的，但是用来捕捉质子的蛋白质链并不相同。这种不同意味着最早的生物体在发展出自己创造质子梯度的功能之前，已经演化出了利

用现成质子梯度的能力。罗素的化学花园可能就提供了这种梯度。之后的生物体进化出了能够自身产生质子梯度的蛋白质，并在此过程中擦除了我们最早来源的明显证据。

当罗素的理论奄奄一息地徘徊在科学的边缘上时，一位杰出的生物学家比尔·马丁注意到了它。马丁是在杜塞尔多夫大学工作的得克萨斯人。作为一名进化生物学家，马丁认为化学渗透早于RNA 出现非常合情合理。“如果你在一组生物体中发现了一种共同特性，你会把这种特性归结到一个共同祖先上。这里的‘一组生物体就是我们所知的一切生命，而这个共同特性就是利用离子梯度的能力。”他说。

在2003年至今的一系列论文中，罗素和马丁合作研究了化学花园假说的生物学意义。在他们具体化了的假说中，最初的生命并不是可以自由游动的、以在海洋中漂流的天然有机分子为食的生物，而是在水下岩石的矿物隔室中自己制造食物的房客。最初，海洋热液口仅仅是地质点，气体和溶解的矿物质从中沸腾而出，形成岩石。但在这些岩石中，有些不寻常的事开始发生了。在正常条件下，海洋中的二氧化碳和来自热液的氢无法发生化学反应，然而隔室壁中富含铁和硫的矿物，促成了这个非自发的伙伴关系。这些反应产生了小型有机分子，例如乙酰CoA，它是迄今发现的代谢通路中最古老的一种。

扩展了的化学花园假说提到了生命起源的另一个关键问题：构造生物的分子模块是如何集中到能够相互反应和连接的浓度的。罗素预计横跨海洋的热液岩石有一个温度梯度——外部是冷的，内部是热的。这一梯度会造成一种叫作热泳的对流过程，将较大的有机分子滞留在隔室内，促进糖、氨基酸、脂和核苷酸分子的形成——这些分子就是构建生命的元件。在深海强烈的温度和压力条件下，这些生命元件不可避免地开始相互连接，形成更大更复杂的分子。

在罗素和马丁看来，只有在这时遗传元件才开始形成。利用复杂有机分子集中供应的有利条件，自我复制的化学系统可以通过微孔从一个岩石隔室扩散到另一个。并且由于多孔岩石会持续形成新的隔室，能用来殖民的领域非常充足。在这些隔室里出现了最早的细胞。对罗素来说，这是唯一合理的解释：“生命的出现是一个地质事件。如果你不这样看待这个问题，就只能自己编造初始条件了。”

罗素的解释里有一个很大的问题，那就是这个化学花园——也就是他推测的生命实验场——似乎只存在于他的想象里。1977年，人们在海底发现了一个多少有些类似的矿物质结构，甚至引发了其作为生命起源地的讨论。但是这个观点很快就遭到了打击——因为剧烈的火山活动，这里的生命周期很短。斯坦利·米勒，当时世界上最有名的生命起源研究者，在1992年告诉《探索》杂志，所谓的热液喷口假说“是彻彻底底的失败。我不明白为什么我们还要讨论它”。

然后，在2000年冬季的一个夜晚，一组地质学家将遥控设备ArgoⅡ下放到了大西洋平静的海水里，以调查海底山系。设备在下降中通过盘旋的珊瑚和成群的磷虾，越过太阳产生的环境光逐渐消失在黑暗中的海洋透光层，越过深度计上800米的标记。突然，设备的灯光照亮了一幅人们完全没有预料到的景象：一群从海底升起、有如外星世界的尖峰，有20层楼那么高。加热的海水通过尖峰顶端翻腾而出，形成闪烁着光芒的羽流，就像烟囱中冒出的烟。在这个奇特的景观上有一个独特的生态系统：蜗牛、螃蟹、蠕虫和甲壳类动物以微生物为食，微生物则靠转化利用地球

内部的原始元素来生存，完全不依赖太阳。这片热液喷口被称为“失落的城市”， 与罗素1983年做出的预测几乎完全一致。他的化学花园被找到了。

现在看起来高温生命很可能首先产生，地表上适应于更加适宜温度的生物则晚些时候才进化出来。

在此之后的15年中，更多支持生命起源于化学花园的数据出现了。其中一个重要的变化是，大多数研究者都确信生命的共同祖先是自养生物（意思是说它靠无机物自己制造食物），就像罗素和马丁预测的那样。2015年的一项基因组研究为此提供了目前最令人信服的证据。一份针对将近40个基因的分析强有力地指出，最古老的微生物通过二氧化碳和氢气生产甲烷。

其他数据也支持最早的生物体起源于高温的岩石区域这一观点。数十年来，大多数生物学家认为生命只能在地球表面相对较窄的温度范围内生存。但是到了21世纪，逐渐积累的证据表明，大部分位于进化树早期分枝上的生物都是喜爱高温的。现在看起来，很可能高温生命首先产生，地表上适应于更加适宜温度的生物则晚些时候才进化出来。另外，有些从微生物到哺乳动物中均存在的蛋白质，在其结构的核心位置都含有矿物质簇，表明早期生命跟岩石有密切关系。罗素关于“来自矿物质隔室中的能量驱动生命产生”的想法看上去再也不是那么具有颠覆性了。

但是还有更加深刻的理由认为生命或许起源于水下的化学花园。乍一看，生命似乎违背了物理学规律。宇宙的趋势是从有序变为无序。房间变得混乱，堡垒成为废墟。这种无序性，被称为“熵”，热力学第二定律给出它的正式定义：一切过程都一定增加宇宙中整体的熵值。约翰·厄普代克在《熵的颂歌》中写道，变化“就像泼出去的水无法收回”。按照其逻辑推论，热力学第二定律阐明，当一切物质和能量都完全均匀分布时，任何事情都不会再次发生——这就是厄普代克所说的“灭绝的封印”。

然而生命却对抗熵。奥地利物理学家埃尔文·薛定谔在其1943年的一系列被收录进有影响力的著作《生命是什么》（1944）的具有远见卓识的讲座里，指出了这个对热力学第二定律的明显违背。他认为生命找到了一种利用能量的方式，能够在局部减少熵值，同时增加整体的熵值。这种局部熵减类似冰箱的作用，使用电能使内部冷却，将更多热量通过背部的线圈释放。（这就是为什么打开冰箱并不会使室内温度变低的原因。）生命与此相似，它利用能量在局部自我组织，

在此过程中将大量废弃物通过热量的形式释放。薛定谔指出，生物的生存依靠的是“持续从环境中吸收秩序”。

以从无序中产生有序这种方式考量生命，使它看上去极为不可能。生命是宇宙中的侥幸，也是完全符合自然规律的事件，是天体生物学中一个决定性的问题。英国天文学家弗雷德·霍伊尔将生命从一大堆杂乱无章的分子中自发产生的概率比作“龙卷风横扫废品收购站组装起了一架波音747飞机”。

对此，罗素的看法也非常不同。生命的起源不是一个从无序中产生有序的问题，而是一个从有序到有序的问题。“你必须要有一个组织良好的初始态，才能从这个初始态达到任何一种有组织的状态。”他说。换句话说，地质秩序首先产生。与此相关的问题是，生物复杂性是怎样从地质复杂性里产生的？卡内基梅隆大学的地质学家罗伯特·哈森将这一观点看作罗素对进化生物学的主要贡献：“生命的起源，也就是复杂度的起源，如果没有一个相对复杂的环境是不会产生的。”

罗素的能量驱动模型解释了这个复杂度首先是从哪里产生的。大约在一个世纪以前，科学家开始意识到，无生命系统可以作为自发组织者从环境中“吸收秩序”。这一观点在20世纪60年代由苏联化学家伊利亚·普里高津正式提出，他将这种自发组织系统称为“耗散结构”。这种结构非常容易找到：把浴缸里的塞子拔开，看看水形成的漩涡。由于引力驱动，水分子自发旋转出了比之前随便聚集在一起更加有序的模式。因为能使水更快地排掉，这个漩涡通过产生低熵值的局部结构而增加了总体的熵值。如果以恒定速率为浴缸注水，比如打开淋浴喷头，漩涡就会无限持续。当能量可以持续流经一个系统的时候，有趣的事情就会发生。

生命属于向能量流开放的一类系统，罗素说，用这种方式来思考生命能够重新对它进行定义。

生物信息系统，也就是生命繁衍所需的编码不会突然产生。

在过去半个世纪，生命起源的研究基本上由将化学过程置于能量之上作为需要解决的主要难题的科学家主导。这种观点部分产生于1953年由斯坦利·米勒主持的一个具有重要影响的实验，他当时是芝加哥大学的研究生。他将两个圆底烧瓶连接，其中一个装有水以模拟地球的早期海洋，另一个含有简单气体的混合物以模拟早期大气。米勒在这个玻璃装置内激发电火花，模拟雷雨

天气。在一周的时间内，瓶内的水变黄、变粉，最终变成深红色。他在这个烧瓶里找到了含量丰富的有机物，包括氨基酸。他使空气固化成了构建生命的元件。

不久之后，米勒登上了《时代》杂志的封面，小报上尽是合成生物从实验室里爬出的故事。一些化学家开始争相从头创造生命，至少是创造生命所需的化学物质。尽管取得了一些进展，但是关注复杂度的研究者一致认为这些实验中采用的原始能量源，不论是闪电还是紫外线辐射，对创造复杂生物分子来说都过于不稳定，破坏性太强了。而另一方面，化学花园这个避风港里存在的化学梯度，看上去似乎刚合适。

“这就是为什么我喜欢热液喷口这个主意：能量势能梯度和化学梯度都非常清晰。而梯度能够产生复杂度。”在德国海德堡欧洲分子生物学实验室研究生物系统自发组织的埃里克·卡尔森提说。如果没有能量梯度，即使对创造一个RNA世界来说所有的组分都齐全，生命也不会出现。也就是说，生物信息系统，也就是生命繁衍所需的编码不会突然产生。“生命系统产生的关键在于形成一套能量存储的构造系统，并且利用这一能量机器构建通过DNA和RNA存储信息的系统。” 卡尔森提解释说，“我认为能量系统是先产生的。”

罗素把这一观点套用在了更加常见的术语上：“我的丰田普锐斯没有电脑也能跑，但是没有引擎就不行了。”

关于生命起源的理论有很多，但真相都隐藏在上亿年的历史之中，罗素对能量流的关注把这种障碍转化为几乎诗意的朦胧。“我不喜欢‘起源这个说法，”他说，“实际上我们应该把它叫作‘出现。如果你用能量来考量生命，那么生命的出现就向前联系在了能量流的源头，也就是宇宙大爆炸。”罗素在2013年的一篇论文中写道，“那时宇宙处在几乎无穷的热力学压力之下。”宇宙的演化就是通过这种压力的耗散来推进的。看上去似乎自相矛盾，但摆脱压力的最有效方法，就是从有序推进到无序，即创造临时但是有序的系统，就像浴缸中的漩涡，或者风暴中的

龙卷风那样。“宇宙中的一切秩序，”罗素和合作作者总结道，“推测起来都是源自这种悖论。”

生命就是一个这样的秩序绿洲。在大爆炸之后，从理论上讲宇宙能够膨胀成一个物质和能量的均匀分布体。如果情况确实如此，什么都不会发生，包括生命在内什么都不会形成。然而一切发生了。宇宙结构中的量子波动或许破坏了物质和能量的分布，触发了全宇宙结构和组织的积累。粒子汇聚在一起，引力场中微小的变化吸引其他粒子，很快，不同区域的物质通过引力相结合，出现了大面积的相对真空。

一些物质坍缩形成恒星。这些恒星周围由气体和尘埃组成的吸积盘生成了具有熔化的内核、不间断的板块运动、动荡的火山活动的行星。这种不均衡导致海底热液对流，驱动了蛇纹岩化，这是一种形成热液喷口结构，也就是罗素的化学花园的地质过程。至少在一颗行星上，这些矿物质塔将地质学的不均衡引入了化学过程，复杂的原初代谢系统最终进化出了生命。这样看来，生命的起源根本不是起源，而只是由宇宙大爆炸引发的一系列事件中的一步。

从能量方面来考量生命起源挑战了生命的根本定义。“问题不在于生命是什么，”罗素说，“而在于生命做什么。”毕竟，平均下来每隔几年你体内的所有原子就会被更换一遍。在这层意义上，与其说生命是一种实体，不如说生命是一种存在的形式，是一种连续触发的毁灭和创造。如果它能够被定义，那就是这样：生命是一种自我维持、高度组织的通量，一种物质和能量在特定条件下自我表达的自然方式。

罗素把我们这个物种以及其他生命看作能量模式，也就是宇宙初期剧烈波动产物。这或许会让我们感到自己有点不那么特殊了。不过话说回来，或许也能让我们感到不那么孤独了。我们是从时间源头产生的完整能量谱系的衍生物。达尔文也凭直觉意识到了生物学和物理学之间的这种深层联系，推测“可能生命的原理从此将被视作某种普遍规律的一部分或者是结果”。并且，他还加了一句，“这种生命观也有它宏伟壮丽的地方”。