地球上的第一个生命，至今还在我们体内传承。诺贝尔奖得主杜维认为，从化学反应的本质来说，生命更应该在1万年内诞生，而不是100亿年。虽然时间不确定，不过从化学角度来看，随着38亿年前的地球自转，生命不可避免地出现了。

彼时日夜不断地交替，地球上的白昼最多不过五六个小时。地球绕着地轴发疯似地旋转。而月亮距离地球也比现在近得多，所以看起来异常巨大、沉重且具威胁性地挂在天上。因为空气中充满了尘与雾，其他的星星极少闪耀，倒是不断快速划破大气的陨石，让夜晚的天空绚丽非凡。偶尔透过晦暗红雾看见的太阳，也显得微弱不已，远不是今日这耀眼的样子。人类无法在这种环境下生存。虽然我们的眼睛不会像在火星上那样膨胀破裂，但会发现大气中无丝毫氧气可供呼吸。我们也许会绝望地挣扎上一分钟，然后窒息而亡。

称这个星球为“地球”其实根本名不副实，“海球”还差不多。就算是现在，海洋也占据着这个行星三分之二的面积，这一点从太空中看会很明显。而那时的地球更是一片汪洋，仅有少数火山岛从狂暴的巨浪间露出。因为受到那轮阴森巨月的牵引，海潮汹涌无比，可达几十米高。小行星和彗星的撞击已经比以前少很多了，曾经最强烈的一次撞击甚至把地球撞出一块，形成了月球。不过就算后来撞击已平静不少，海洋却仍然滚沸翻腾。海底也是一样，不断冒出气泡。此时地壳布满了裂缝，岩浆从下面涌出堆积成团，众多火山让整个世界如炼狱一般。这是一个永不平衡、无止境躁动的世界，是一个发烧的婴儿星球。

38亿年前，或许就是受到这个躁动不安的行星所激发，生命出现了。我们会知道这些，是因为有极少数岩石碎片历经万古，从不间断的变动中幸存下来。这些石头里残存着极少量的碳元素，从它们的原子成分来看应当是生命的痕迹无误。或许对于如此重大的历史事件来说，这样的证据过于薄弱，所以在学界也没有对此达成共识。但是如果我们再抽丝剥茧深入时间之中去，那34亿年前的生命迹象是毋庸置疑的。那时地球被细菌占满，这些细菌留下的除了碳元素痕迹以外，还有许多不同形态的微体化石，以及1米高的叠层石，这些曾经都是细菌生活的圣殿。往后的25亿年间，地球继续被细菌支配，直到第一个真正的复杂生物出现在化石记录中。不过有些人认为至今细菌仍然主宰着地球，因为动物和植物的生物量根本无法与细菌匹敌。

早期地球如何将生命的呼吸注入一堆无机物中？我们是唯一的吗？是极为罕见的吗？还是只不过是宇宙中无数孕育生命的场所之一？从人择原理的角度来看，这个问题一点也不重要。人择原理认为，如果宇宙中出现生命的概率是千万亿分之一，那在这千万亿行星中出现生命的概率就接近于1。既然我们已经出现在地球上，那么很明显，我们所居住的行星必然就是那千万亿分之一颗。无论生命多么罕见，在这无垠的宇宙中生命总会出现在一颗行星上，而我们必定住在这一颗上面。

如果你和我一样，对于这种过度耍滑头的统计结果不满意的话，那再听听另一个同样令人不满的解释，是两位大科学家提出的：英国天文学家弗雷德·霍伊尔（Fred Hoyle），以及获得诺贝尔生理医学奖的弗朗西斯·克里克（Francis Crick）。他们主张生命在别处形成，然后要么偶然，要么由某种类神的外星高等智慧“感染”到地球上的。这并非不可能，谁敢说这绝不可能呢？然而大部分的科学家恐怕都会对这个解释退避三舍。他们有理由规避，因为这等于宣告科学无法回答这个问题，而且连试一下的机会也没有。通常认为需要去宇宙的其他地方寻找救赎的原因是，地球上没有足够的时间让生命进化出复杂的形态。

但谁说时间一定不够？同样卓越的诺贝尔奖得主克里斯蒂安·德·杜维（Hristian de Duve），就提出了另一个更惊人的观点，他说依照化学原则，生命的形成应该非常迅速。他认为从本质上来说，化学反应必须迅速发生，否则就根本不会发生。如果某种反应要花上千年的时间才会完成，那所有的反应物在这段时间之内，大概早就消失殆尽或者降解掉了，除非还有其他更快的反应不断补充这些反应物。生命的起源必定是某种化学反应，所以同理，生命的基本反应肯定是自发而迅速的，否则就不会发生。对杜维来讲，生命更应该在1万年内诞生，而不是100亿年。

我们永远无法知道生命如何出现在地球上。就算我们真的在试管里让细菌或一只虫子从一团旋转的化学物质中析出，我们还是不知道生命当初是否就这样出现在地球上。充其量也只能说有这种可能，比我们曾经的设想更可能一些。但是科学找的不是例外，而是规律。让生命在地球上出现的规律，应该放诸宇宙而皆准。对于生命起源的探索，并不是想要重现公元前38.51亿年星期四早上六点半发生了什么事，而是想要知道在宇宙中任何生命起源的一般规律。特别在地球上是如何发生的，毕竟这里是目前唯一已知有生命的地方。虽然我们可以肯定将要看到的故事不是所有细节都正确，但我认为大体上是可信的。我想要呈现的是，生命的起源并不像人们有时认为的那样神秘难解，相反，随着地球转动，生命的出现几乎不可避免。

科学当然不只是规律，还包括用来阐明这些规律的实验。我们的故事从1953年揭开序幕。这是历史上重要的一年，英国女王伊丽莎白二世加冕、人类首度登上珠穆朗玛峰、斯大林之死、DNA结构的发现，以及同样重要的一件事，那就是米勒-尤里实验，它象征着一系列生命起源研究的开端。斯坦利·米勒（Stanley Miller）那时候还是诺贝尔化学奖得主哈罗德·尤里（Harold Urey）实验室里面一名固执的博士生。他于2007年过世——也许还带着极度的不甘——直到临终前还在为捍卫自己半世纪前提出的观点而奋战。不过不论米勒那独特的观点后来命运如何，他真正留给后人的遗产，应该是通过那些非凡的实验开启的对生命起源领域的探索，现今这些实验的结果依然让人啧啧称奇。

当年米勒在一个大烧瓶里装满水和混合气体——他选择了氨气、甲烷和氢气，用来模拟地球大气的原始组成。这是因为当时的人们认为这些气体是木星的大气组成成分（来自光谱分析），所以米勒认为年轻的地球很可能也充斥着同样的大气。接着米勒在这瓶混合物中用电火花来模拟闪电，然后静置几天、几个礼拜或数月后，把样品拿出来分析，看看他到底煮出了些什么。实验结果出乎意料，远远超过他的想象。

米勒所煮的是一锅原始汤，一锅近乎谜般的有机分子，其中还包括一些蛋白质的基本组分，也就是氨基酸，这或许就是当时最能代表生命的分子了，因为那时DNA还默默无名。更惊人的是，米勒煮出的氨基酸正好就是生命使用的那几种，而不是大量可能生成的组合中随机抽取的。换句话说，米勒仅仅电击了很简单的混合气体，构筑生命所需的最基本成分就这么凝结而出，好像它们早就等待已久随时准备登场。霎时，生命的起源看起来变得非常简单。这一结果必定符合当时的某些潮流，因为它登上了《时代》周刊的封面，让这项科学实验引起了空前的轰动。

不过随着时间的流逝，原始汤假说渐渐失去支持。因为分析远古岩石后发现，至少在小行星大轰炸把月亮轰出去之后，地球上从来没有充满过氨气、甲烷和氢气。此时原始汤假说的人气跌到谷底。远古那次大轰炸粉碎了地球最初的大气，把它们整个儿扫到外太空去了。如果用更接近实情的大气组成来做实验，结果则令人失望。对二氧化碳和氮气的混合气体，外加极微量的甲烷和其他气体电击一阵子之后，只会得到很少的有机分子，而且几乎没有氨基酸。现在原始汤除了单纯的新奇之外再无意义，尽管它依然能够证明有机分子可以在实验室里简单地制造出来。

不过随后科学家又在太空中找到大量的有机分子，这一发现拯救了原始汤假说。有机分子多半存在于彗星和陨石上，有些几乎就是混杂了大量有机分子的脏冰块，而包含的氨基酸种类和电击气体产生的非常相近。在惊讶之余，人们开始觉得生命分子似乎有某种特别的偏爱——在所有可能存在的有机分子库中独宠那么一小群。至此，小行星大轰炸有了另外一个面貌，它不全然是毁灭性的，这些撞击变成所有水和有机分子的源头，而这些水和有机分子是生命所必需的。此时的原始汤并非来自地球，而是来自外太空。虽然大部分的有机分子会在撞击的过程中耗损掉，不过计算结果显示，仍有足够的分子可以留下来成为汤的原料。

该假设虽然不像弗雷德·霍伊尔所提倡外太空播种那样极端，不过它确实把生命起源（或至少原始汤）和宇宙联系在一起。地球生命不再只是一个例外，而是统治整个宇宙的定律之一，就像引力一样无可避免。天文学家当然很欢迎这个理论，至今依然如此，除了因为这点子实在不错以外，还因为这让他们的工作有了保障。

分子遗传学让这锅汤更为美味，主要是因为有观点认为生命的本质是“复制子”，这些复制子由DNA和核糖核酸（RNA）构成，特别是其中包含的基因片段，它们可以一代又一代精确地自我复制（在下一章会讲得更详细）。事情就变成，自然选择少了“复制子”这类东西绝对行不通，而生命由简而繁也只有通过自然选择才行。因此对许多分子生物学家来说，生命的起源就等同于复制的起源。而原始汤符合他们的需求，因为汤里面有各式各样的成分，足以让彼此竞争的复制子成长进化。这些复制子可以在足够浓稠的汤里各取所需，形成越来越长、越来越复杂的聚合物，最终学会操纵更多分子形成精巧的构造，比如合成蛋白质或建成细胞。从这个观点来看，这锅汤就像漂满英文字母的海洋，正在拼凑出许多单词，现在只等着自然选择将它们钓上来，去撰写漂亮的散文。

但是，原始汤是有毒的。它有毒并不是说该假说必然错误，事实上，远古时期有可能真的有原始汤，只不过稀稀落落的，远不像当初想的那般浓稠。它有毒是因为它让科学家在寻找生命真相的时候，走了几十年的冤枉路。如果我们把一大罐杀菌罐头的汤（或者花生酱也行）放上几百万年，生命会跑出来吗？当然不会。为什么？因为这些成分只会渐渐分解，什么都不会发生。就算你持续通电也不会改善情况，那些成分只会分解得更快。偶然像闪电那样的强大放电，也许会让某些分子凝结成团，不过更有可能劈碎它们。我很怀疑复杂的生命复制子能从这锅汤中出现，就像那首写阿肯色州的旅者的歌中所唱：“你无法从这里走到那里。”因为这不符合热力学定律，同样地，对一具尸体持续通电也无法让它复活。

对任何一本伪装畅销的书来说，热力学都应是极力避免使用的词语之一。但是如果真正理解其本质的话，它的魅力无穷，因为这是关于“欲望”的科学。原子和分子的存在是由“吸引”、“排斥”、“想要”以及“释放”所支配的，它们是如此重要，以至于在写化学书籍时几乎不可避免地用些情色拟人法：分子“想要”失去或得到电子、异性电荷相互吸引、同性相互排斥、分子想要与性质相似的分子共存。当化学物质的每个分子伙伴都想要配对的时候，化学反应就会发生，或者它们也会不情愿地被强大的外力按在一起发生反应。当然也有某些分子其实想要进行反应，却无法克服本身的羞赧。轻柔的调情也许会引发强烈的欲望，然后释放出极大的能量。不过，或许我该在这里打住了。

我想说的是，热力学定律让这个世界转动。两个分子如果不想进行反应的话，那就很难引起反应。如果它们想反应的话，反应就会进行，就算要花点时间去克服彼此的羞赧。我们的生命由这种“想要”所驱动。在食物中的分子其实真的很想跟氧气反应，不过幸好反应不会自发进行（这些分子其实非常害羞），否则我们现在就在火焰中燃烧了。但是让我们存活下来的生命之火，也就是分子间缓慢的“燃烧反应”——食物中的氢原子跑出来跟氧原子结合，释放出让我们存活的能量，这其实跟真的燃烧是同一种反应。[1]从本质上来讲，所有的生命都由类似的“基础反应”所维持，这些反应自己“想要”发生，然后释放出能量去驱动其他的副反应，整个过程就形成了新陈代谢。所有的反应、所有的生命归结起来都是如此，是出于两个不平衡的分子并列在一起时，彼此趋向完全平衡的本能。比如氢和氧，两个相反的个体各取所需，结合成一个分子并释放出能量，然后除了一小摊热水，什么也没有剩下。

而这就是原始汤的问题所在。从热力学观点来看，它是死路一条。在汤里面并没有哪个分子真的想要发生反应，至少不是像氢和氧那样想要发生。因为在这汤里面并没有什么不平衡，并没有什么驱力把生命不断往上推，推过陡峭的活化能（指分子从常态转变为容易发生化学反应的活跃状态所需要的能量）高峰之后，形成一个复杂的聚合物，比如蛋白质、脂类或多糖类，特别是像RNA或DNA之类的分子。有些人猜测第一个生命分子是RNA这类复制子，它比任何热力学驱动力出现得都要早。这样的想法用地质学家迈克·罗素（Mike Russell）的话来说，就像“把汽车的发动机拿掉之后，还希望能通过电脑驾驶它”般荒谬。但是生命如果不从原始汤中诞生，又能从哪里来呢？

科学家第一次找到线索是在20世纪70年代初，那时他们注意到沿着太平洋底的加拉帕戈斯裂谷，有热水形成的羽流现象（一种**在另一种**中运动，流体柱扩大形成羽毛状外观）。该海底裂谷离加拉帕戈斯群岛不远，当年群岛上富裕的资源给了达尔文灵感，如今也恰好提供了生命起源的线索。

不过随后几年并没有太大的进展，一直到1977年，也就是在航天员尼尔·阿姆斯特朗（Neil Armstrong）登陆月球的8年之后，美国深海潜艇阿尔文号才下降到裂谷里去探查。有热水羽流的地方应该就有热泉，而他们确实找到了。有热泉并不意外，但是在这漆黑的裂缝深处，生命的蓬勃生机着实令人震惊。这里有巨大的管虫，有些达2米多长，还有许多如餐盘大小的蛤蜊与贻贝。巨大生物或许在深海里并不稀奇（想想深海里的巨大乌贼），但其数量之多却让人瞠目结舌。裂谷中的族群密度简直可以与热带雨林或珊瑚礁匹敌，唯一的差别是，裂谷由热泉滋养，而雨林和珊瑚由太阳滋养。

其中最引人注目的，或许是后来被称为“黑烟囱”的海底热泉（见图1.1）。现今世界各地已知的海底热泉一共有200多处，沿着太平洋、大西洋与印度洋中脊分布。跟它们比较起来，加拉帕戈斯裂谷的热泉显得平平无奇。这些弯弯曲曲的烟囱，有些高如摩天大楼，顶端喷发的黑烟冲入上方的海洋。当然这不是真的黑烟，它们只是炽热的金属硫化物，由下方的岩浆向上冲入深海。它们酸得跟醋一样，并在喷入海底遇冷沉淀之前，在高压下能达到400℃高温。黑烟囱由喷发出的黑烟雾沉淀堆积而成，所以由含硫矿物，比如黄铁矿（其外形很像黄金，俗称愚人金）组成，广泛分布在各地区。有些烟囱生长迅速，以每天30厘米的速度生长，在倒塌之前可以一直长到60米左右。

图1.1　左图是火山活动所造成的“黑烟囱”，正喷出350℃的热液。此烟囱位于太平洋东北方的胡安·德富卡海岭，图中比例尺（A）代表1米。

这个怪异而独立的世界像极了怪诞画家耶罗尼米斯·博斯（Hieronymus Bosch）眼中的地狱，四处充斥着硫黄，而污浊恶臭的硫化氢蒸气则从各处的烟囱中袅袅冒出。也只有在博斯头脑混乱的时候，才会想出那些既没有嘴巴也没有肛门的巨大管虫，以及在烟囱下成群结队、像蝗虫大军一样怪异的无眼虾。在这里的生命不光忍受着地狱般的生活，而且无法离开这里而活，它们根本是依靠这环境而兴盛。但是，这是如何办到的？

答案就在“不平衡”这三个字。当冰冷的海水渗入黑烟囱下面的岩浆时，它们会被加热，同时混入矿物和气体，其中大部分是硫化氢。海底的硫细菌可以从这堆混合物中提取出氢，然后把它与二氧化碳结合在一起生成有机分子。这个反应就是所有热泉生命的基础，它让细菌可以不依赖太阳而繁殖。但是硫细菌需要氧气参与反应来产生能量，以便把二氧化碳转换成有机物。硫化氢与氧反应产生的能量为整个热泉世界的生命所用，就和我们依靠氢与氧反应产生的能量来维持生命是一样的。这些反应的产物都是水，不同之处在于硫化氢反应之后还会产生硫黄，如同《圣经》中提到的硫黄之火，而硫细菌也因此得名。

需要指出的是，热泉的细菌除了利用热泉冒出来的硫化氢以外，并没有直接使用热泉的热能或任何其他能量。[2]而硫化氢本身所含的能量并不多，细菌主要依靠的是它和氧气反应时产生的能量。而这个反应需要在海底热泉和深海的交界处进行，也就是说，必须依赖两个世界交界处的动态不平衡。只有同时被两个世界吸引而住在热泉旁边的细菌，才能进行这种化学反应。而热泉旁的动物，比如虾类，只是啃食这一片细菌草原而活，或者有些动物让细菌在体内生长，宛如经营一座体内牧场。这就是为什么像巨型管虫这种动物并不需要消化道，因为营养可以直接由体内的细菌牧场供应，没什么需要消化的。不过要给细菌提供氧和硫化氢这两种原料，对宿主来说也不容易，因为这等于要同时在体内维持两种小世界。管虫体内许多复杂难解的构造就是为了满足细菌的这些高要求。

科学家很快就注意到，海底热泉这个极为特殊的环境可能跟生命起源有关。最早提出这种主张的人是美国华盛顿大学西雅图分校的海洋学家约翰·鲍罗什（John Baross）。海底热泉确实帮原始汤假说解决了很多麻烦，其中最重要的当属前面提过的热力学问题，因为在这个黑烟囱的世界里，没有什么东西是平衡的。然而要注意的是，现代海洋与热泉的交界环境和早期地球的交界环境必定不同。首先早期地球就没有氧气，至多也只有微量氧气，所以早期细菌不可能和现代细菌一样，利用硫化氢与氧反应供能，这是现代版的呼吸作用。细胞的呼吸作用本来就是个复杂的过程，它需要一些时间来进化，早期的生物不可能利用这种呼吸作用供能。德国一位突破传统的化学家兼专利律师冈特·瓦赫特肖瑟（Günter W?chtersh?vse）就主张，最古老的供能反应是硫化氢与铁反应生成黄铁矿。这是自发性反应，会释出一点可被利用的能量，至少从理论上来说这些能量可为生命供能。

瓦赫特肖瑟提出了一个不同以往的生命起源化学反应系统。但是生成黄铁矿释放出来的能量太低，并不足以把二氧化碳转换成有机物，所以他又提出将一氧化碳作为中间产物，它的活性比较高，更容易发生反应，而且在酸性热泉环境中也可以找到一氧化碳。瓦赫特肖瑟还认为各种不同形式的硫铁矿物可以引发许多缓慢的有机化学反应，这类矿物似乎有特殊的催化能力。他的团队也在实验室里证实这些反应确实可以发生，而不只是理论上可行。这一精心完成的作品颠覆了数十年来传统的生命起源假说，现在生命可能从地狱般的环境中，由最不可能的物质（硫化氢、一氧化碳和黄铁矿，两种是毒气，另一种是愚人金）产生。有位科学家在第一次读瓦赫特肖瑟的论文时评论道，感觉好像一篇21世纪末的论文，经由时光隧道掉到他眼前一般。

瓦赫特肖瑟是对的吗？随着他的观点提出，批评也蜂拥而至。原因很多，一部分是由于这个真正的革命家，正企图推翻长久以来被大家看重的生命起源假说；一部分是因为他傲慢的态度激怒了科学界的同僚；不过还有一部分是因为他所勾勒出的蓝图确实有可疑之处。其中最棘手的缺陷，跟原始汤一样，就是“浓度问题”。理论中的有机分子，都溶解在大量的海水里，所以几乎不可能发生偶遇，然后形成如DNA或RNA之类的大型聚合物。没有什么东西把这些分子原料包起来，增加它们相遇的机会。瓦赫特肖瑟认为所有必需的反应，都可以在矿物表面（比如黄铁矿）发生。不过问题还是没有解决，因为化学反应的终产物如果无法从催化剂表面释放出来，这个反应就不能持续。所有的产物要不是被粘死在催化剂表面，就是在稀薄的**里消失不见。[3]

现在任职于美国宇航局喷气推进实验室的迈克尔·罗素，在20世纪80年代中期，为这些问题提供了一个可能的解答。罗素给人的印象，宛如一位吟唱科学预言的诗人，倾心于“地质诗篇”带来的魔法，他对生命起源的看法都是根植于热力学与地质化学的，对于许多化学家来说十分难懂。几十年来，罗素的想法渐渐吸引了一群跟随者，因为许多人看出，他的远见确实可以为生命起源难题提供独特而可行的解答。

罗素和瓦赫特肖瑟都认为海底热泉是生命起源的中心，但是除此之外两人的观点可以说是天差地别。一人主张火山作用，一人相反；一人倾向酸，一人偏爱碱。这两个理论常常被人搞混，可是它们的差别有如云泥。下面让我来解释给你听。

黑烟囱所在的大洋中脊，是现在已知的新海底诞生扩张之地。地底岩浆从这些火山活动的中心地慢慢冒出，将周围的板块渐渐推开，移动的速度大概跟脚指甲的生长速度差不多。这些慢慢移动的板块终究会在远处相撞，其中一块被迫插入另一块底下，在上面的一块则激烈地震动隆起。喜马拉雅山、安第斯山和阿尔卑斯山，都是这种板块碰撞后产生的隆起。因为地幔就在地壳下面，所以新生成的地壳在海底慢慢移动时会暴露出地幔，形成新的岩石。这种岩石会造成跟前面提到的黑烟囱完全不同的第二种热泉，罗素所谈论的正是这种热泉。

第二种海底热泉并没有火山作用或岩浆参与其中，而是由海水和新露出的岩石作用产生。海水不只会渗透，还会跟新生岩石发生实实在在的反应，嵌入其中并改变岩石结构，形成如蛇纹石这类含水的矿物（蛇纹石之名来自岩石上犹如蛇鳞片般的绿色斑点）。海水渗透会让岩石膨胀，进而崩解成小块，而碎裂成小块的岩石则更利于海水渗透，然后再崩解，如此周而复始。这种反应的规模十分惊人，通过这种方式渗入岩石中的海水体积，可能与海水本身的体积相等。随着海底板块移动，这些含水的岩石最终会有部分被压入地底重新回到地幔，然后被加热。此时岩石会从地球深处把水释放出来。这样一来，夹杂着海水的地幔驱动了地幔对流，进而迫使大洋中脊和火山等处的岩浆向上升至地壳表面。我们行星上剧烈的火山运动，就是被海水持续不断地注入地幔而产生的循环所驱动，是它让我们的世界保持不平衡。这是我们地球的转折点。[4]

海水与地幔里岩石发生的反应，不只造成地球上持续不断的火山运动，同时还会释放出热能，并且同时产生大量气体，比如氢气。事实上，这一反应改变了溶解在海水里面的所有成分，给它们全部加上一些电子（用化学术语来说，这些成分被“还原”了），就好像一面哈哈镜一般，完全改变了站在它面前的物体形象，然后反射出扭曲的影像。因为海水的主要成分是“水”，所以排放最多的气体自然就是氢气，同时还有少量其他气体，不禁让人想起米勒当初煮原始汤时使用的那些气体——很适合用来合成复杂分子（蛋白质、DNA等）的前身——被还原以后，二氧化碳被转换成甲烷，氮气被转换成氨气，而硫酸盐则转换成硫化氢，材料都全了。

热能和气体要从地幔上升至地壳表面，需要找通路冒出来，于是形成了第二种热泉系统。不管从哪个角度来看，这跟第一种黑烟囱都不一样。第二种热泉冒出的是强碱，黑烟囱冒出的是强酸。第二种热泉或温或热，但不管怎样温度都远低于黑烟囱的超高温，而它们所处的位置一般都离大洋中脊这个海床摇篮有一段距离。另外黑烟囱通常只有一个孔口，而第二种热泉则常常形成非常复杂的结构，雕饰着许多小气泡或小空腔，这是温暖的碱性**冒出来后，遇到上方冰冷的海水沉淀所形成的构造。我猜很少有人听过第二种海底热泉的原因，是由于它的名称“蛇纹石化”（因蛇纹石这种矿物而得名）不讨喜。所以就让我们叫它“碱性热泉”吧，虽然听起来软绵绵的，不如“黑烟囱”那样孔武有力。不过稍后我们会看到，“碱性”这个词有什么意义。

很有趣的是，不久以前，碱性热泉还只存在于理论预测中，只有极少数化石遗迹中表明曾经出现过这种热泉。其中最有名的当属在爱尔兰泰纳夫发现的一块3.5亿年前的岩石化石。这块化石促使罗素在20世纪80年代开始认真思考生命起源的问题。他在电子显微镜下面，细细观察这个充满气泡孔洞的热泉岩石切片时，注意到有些空腔的大小跟有机细胞的尺寸差不多，直径约0.1毫米或更小一点，它们彼此连接形成迷宫一样的网络。他推测当碱性热泉冒出，并混入上方酸性海水时，就会形成这种“矿物细胞”，而很快他在实验室里通过混合酸碱物质也造出了类似的多孔岩石构造。1988年他刊登在《自然》上的一篇论文里指出，碱性热泉所形成的多孔岩石构造是孕育生命的理想场所。这些结构里面的小空腔，可以很自然地聚集有机分子，而富含硫铁矿物的空腔壁（比如四方硫铁矿）有很强的催化能力，足以支持瓦赫特肖瑟提出的反应条件。在另一篇1994年发表的论文里，罗素与同事写道：

这些渐渐堆积起来的硫化铁小空腔中，充满了碱性物质与高还原态的热泉溶液，而生命会在这里诞生。40亿年前在大约离海底扩张中心有些距离的地方，受某个海底硫化物温热的泉液作用，这些小空腔膨胀成形。

这些文字真是充满远见，因为在当时尚未发现活动的海底碱性热泉。接着在世纪交替之际，科学家派出的潜水艇亚特兰蒂斯号，就在离大西洋中脊15千米远的地方，无意间发现了这种热泉，巧合的是，热泉所在地碰巧也叫作亚特兰蒂斯山。这个热泉理所当然地根据传说中消失的亚特兰蒂斯城，被命名为“失落之城”。此处精美的白色柱状与手指状的碳酸盐柱群，在漆黑的深海里向上伸展的景象，也与命名十分契合。这个热泉区完全不像过去发现的热泉，尽管有些柱子高度可与黑烟囱比拟，比如说最高的一座被称为海神波塞冬，高达60米。但是不同于黑烟囱粗糙的结构，这些手指般的白柱像华丽雕饰的哥特式建筑，用英国作家约翰·尤利乌斯·诺维奇（John Julius Norwish）的话来说：充满空洞无意义的图案。这里冒出的热泉是无色的，所以真的给人一种错觉，似乎整个城市被瞬间抛弃，只剩那些难解的哥特式华丽建筑被完整保存下来。这里没有地狱黑洞般的黑烟囱，只有精巧的白色不冒烟的柱子，像手指般的石化结构向上伸往天堂（见图1.2）。

图1.2　失落之城里面，坐落于蛇纹石的岩**高达30米的碱性热泉烟囱——自然塔。亮白色的区域显示活跃冒出热泉的地方。图中比例尺（B）代表1米。

这里冒出的烟雾或许透明不可见，但是它们确确实实在喷发，而且足以支持整个城市的生命。这些白色烟囱虽然不是硫铁矿物构成的（铁基本上很难溶解在富含氧气的现代海洋里，罗素所预测的结构存在于早期地球），不过结构仍然是多孔状，如充满细小房间的迷宫，墙壁上布满羽状文石（见图1.3）。较老的结构塌陷后静静地躺在一旁，已经不再充满热泉液，而是填满了方解石，因此质地更坚硬。而正在活动的热泉是真的活着，如蜂巢一样，空腔里充满了活跃的细菌，它们充分利用了环境中的化学不平衡。这里也有很多动物，其多样性足以跟黑烟囱相媲美，但是体积却小得多。这可能是因为生态系统差异造成的。黑烟囱热泉中的硫细菌适应了住在宿主体内的生活方式，而在“失落之城”里的细菌（严格来说，都是古细菌），则没有形成这种共生关系。[5]因为缺少了类似的内在“牧场”，热泉动物的生长效率就比较低。

“失落之城”里的生命系统，是构筑在氢气与二氧化碳的反应上的。地球上几乎所有的生命系统都是如此，不过失落之城和其他系统最大的不同，在于失落之城里二氧化碳直接与氢作用，而其他地方都须间接获取氢原子。所以从地底汩汩冒出的氢气，是我们行星上罕见的恩赐。生命常常需要在其他隐晦的地方寻找氢原子，它们往往与其他原子紧紧地结合在一起，比如在水分子或硫化氢分子中。要把氢原子从这些分子里面拔出来，接到二氧化碳上去，需要消耗能量。这些能量往往要通过光合作用从太阳光中撷取，或者如热泉的细菌一般利用化学不平衡产生。只有氢气本身可以不耗能，自发地供应氢原子，虽然反应很慢很慢。从热力学的观点来看，这就像埃弗雷特·绍克（Everett Shock）那句令人难忘的名言：这个反应等于别人请你吃饭还要给你付钱。就是说，这一反应可以产生有机分子，同时还产生很多能量，理论上，这些能量可以再去驱动其他有机化学反应。

图1.3　碱性热泉的显微结构，图中显示出众多复杂空腔彼此相连的样子，非常适合作为生命起源的摇篮。图中切面宽约1厘米，厚约30微米。

至此，罗素的碱性热泉符合孕育生命的各种条件。这类热泉是更新地球表面板块系统不可或缺的一部分，它推动地球上永不止歇的火山活动。它与海洋总是处于不平衡状态，持续地冒出氢气，氢气再和二氧化碳反应产生有机分子。它会形成如迷宫般的多孔状结构，可以保存并浓缩新生成的有机分子，让它们有机会形成类似RNA的大聚合物（或非常相近的分子，我们在下一章会看到）。热泉系统的寿命很长，至今失落之城已经喷发了4万年，比大部分黑烟囱热泉的寿命多出两个数量级。它们在早期地球上可能更普遍，因为那时正在冷却的地幔与海水接触更直接。而且那时海洋中还溶有大量的铁，所以热泉所形成的微型孔洞，会因为含有硫铁矿物而极具催化性，成分应该很像在爱尔兰泰纳夫发现的热泉化石。它们可能像个天然的反应器，让存在热和电化学梯度差的**，不断地流过具催化能力的小空腔，从而持续反应。

这些听起来非常完美，不过单单一个反应器，再有用也不是生命。你也许会问，生命真的就是在这样的反应器里面，由简而繁慢慢发展，最终变成我们四周无所不在、惊人奇妙、创意满满的样子？答案当然是：不知道。不过生命的基本属性倒是提供了一些线索，特别是地球上所有生命至今都共同使用的那些最基础的核心代谢反应。这些核心代谢反应，就像生物内在的活化石，保留了古老过往的回音，与远古碱性热泉中诞生的生命旋律，彼此应和。

有两种方法可以寻找生命的起源：“由下往上”或“由上往下”。到目前为止，本章讨论的都是“由下往上”，我们从地质化学环境和热力学的角度来考虑，早期地球可能是什么样的。我们找到了海底热泉，它们汩汩冒出氢气，输送到充满二氧化碳的海洋中，这里极有可能是生命的源头。天然的电化学反应器，确实可以同时产生有机分子和能量，然而我们还没有认真思考过，哪些反应会发生，以及这些反应如何导出我们所知的生命。

真正能带我们找到生命起源的，是现在已知的生命形式，换句话说，要采取“由上往下”的策略去寻找。我们可以将现今所有已知生命根据特征分门别类，然后从中找到一个理论上可能的“最近一般共同祖先”，她有个可爱的名字叫“露卡”（LUCA，Last Universal Common Ancestor）。现在举几个例子来看看，因为只有少数种类的细菌可以进行光合作用，所以我们推测露卡可能也不会进行光合作用。如果她会，那等于说她大部分的子孙都放弃了这一宝贵的技能，尽管也有可能，但老实说这太不合理。再来看看所有生命共同的特征：所有的生命都由细胞组成（除了病毒，病毒只能活在细胞里）；所有生命都有DNA承载的基因；所有的基因在编码蛋白质时，都使用同一套密码系统来编码氨基酸。此外所有的生命都使用同一套“能量货币”，叫作三磷酸腺苷，简称ATP，它像10英镑的纸币，可以用来支付所有细胞干活的薪酬（后面会详细讨论）。据此，我们可以合理地推测，所有生命都从他们共同的祖先露卡那里，继承了这些特征。

现在所有的生命，还共享一系列基础代谢反应，这一系列反应的中心是一个循环反应，那就是著名的克氏循环（或称三羧酸循环），由德国的诺贝尔生理医学奖得主汉斯·克雷布斯爵士（Sir Hans Krebs）发现，在20世纪30年代逃离纳粹德国后，他在英国谢菲尔德大学首次阐明了这个反应。克氏循环在生物化学里极为神圣，但是对一代又一代的学生来讲，却是所有老掉牙的故事中最糟糕的那个，死记硬背只为应付考试，考完之后就一忘皆光。

不过克氏循环还是有象征性意义的。在生物化学系杂乱的办公室里，桌上堆满一摞摞经年累月未清理的书籍与论文，多到堆在地上或装满箱子，但你一定会看到墙上钉着一张褪色翻烂了的生化代谢反应图表。当你在等待教授回来的时候，会怀着忐忑又迷恋的心情研究这张图表。图表复杂得惊人，活像疯子画的地下管线图。图上有许多小箭头指往各个方向，有些又绕回来，彼此交错。虽然图褪色了，不过你还是可以看出，很多箭头用颜色来区分它们的代谢路径，比如说蛋白质是红色的，脂质是绿色的。往图表最下方看，你会感觉这里似乎是一切混乱箭头的中心，这里有一个圆圈，或许是整张图上唯一的圆圈，唯一有秩序的地方。这个圈，就是克氏循环。随着你慢慢研究这张图表，你会发现似乎所有的箭头都从克氏循环发散出去，像自行车轮子的辐条一般。这里是一切的中心，是所有细胞最基础的代谢反应。

现在克氏循环没有那么老掉牙了，因为最近的医学研究显示，克氏循环不只是生物化学的中心，也是细胞生理学的中心。当这个循环的速度改变时，它会影响细胞的一切，从衰老、癌症到细胞动力。不过另一个更让人惊讶的发现是，克氏循环是可逆的。通常克氏循环消耗从食物中得到的有机分子，然后释放出氢（最终和呼吸作用中的氧气反应）和二氧化碳。也就是说，克氏循环不只提供代谢反应的前体，它还附带提供生产ATP所需的氢。然而当循环逆向进行时，它会吸入二氧化碳和氢来形成新的有机分子——构建生命所需的材料。而此时它也从ATP的生产者变成消耗者。当我们提供ATP、二氧化碳和氢气时，这个循环会如同变魔术般产出生命建材。

逆向的克氏循环并不常见，即使在细菌界也很少见，但是对海底热泉区的细菌来说就比较常见。它虽然原始，却是把氢和二氧化碳变成生命建材的极为重要的方式。前耶鲁大学的生物化学先驱哈罗德·莫罗维茨（Harold Norowitz，现在任教于美国弗吉尼亚州费尔法克斯郡克拉斯诺高级研究所），曾经花了好几年的时间，梳理逆向克氏循环的特质。简单来说，他的研究结果就是，只要各种成分浓度足够，这个循环就会自己动起来。这其实是最基本的化学原理，只要化学反应的中间产物浓度足够，它自然会进行下一步。在所有可能的有机分子里面，组成克氏循环的那些是最稳定的，因此也最有可能率先合成。换句话说，基因并没有“发明”克氏循环，克氏循环只是化学概率和热力学的产物。基因后来才出现，它仅仅是在指挥一段已经存在的旋律，就好像乐团指挥只是负责诠释乐曲，如节奏、细节等部分，但乐曲本身跟指挥无关。这个乐章早就写好，这是大地的乐章。

一旦克氏循环启动，同时又有足够的能量，那么逆反应必然发生，进而合成更复杂的前体，比如氨基酸或核酸。地球上有多少生命的核心代谢反应是自发进行的，又有多少是在基因和蛋白质出现后才产生的，这是一个非常有趣的问题，但是已远远超过本书的讨论范围。不过这里我想提一点，那就是绝大多数企图人工合成生命建材的实验，都有点太过“纯粹主义”了。他们常常从简单但是跟生命化学完全无关的分子开始，比如氰化物，而事实上，我们知道氰化物不只无关，甚至还有害。然后他们开始摆弄各种实验参数，比如压力、温度、放电等这些完全无关“生物”的因素，看看能不能合成生命建材。可是为什么不直接从克氏循环相关的分子，外加一些ATP开始，然后在理想的环境下，比如罗素所提出的天然电化学反应器中尝试呢？在办公室里的那张图表上，有多少反应会自发进行，然后产生符合热力学原则的分子，最后逐渐填满整张图表？应该会生成很多分子吧？甚至可能会合成小型蛋白质（严格来说是多肽）或RNA等级的分子，接着自然选择就会开始接手处理——而我并不是唯一一个这样想的人。

上面所谈的东西，都还需要实验去证明，而大部分实验都还没做。不过要想让这一切成为现实，都需要稳定供应神奇的分子——ATP。谈到此，你可能会觉得我们的进度有点太快了，还没学会走就想跑。要上哪里去找ATP分子？关于这个问题，我觉得比尔·马丁（Bill Martin）的答案最有说服力。马丁是一位极聪明且以敢言著称的美国生物化学家，现在任德国杜塞尔多夫大学的植物学教授。在一切和生物起源有关的问题上，马丁总是持续不断地提出各种打破常规的观点，虽然不是全对，但总让人振奋，并且提供了看待生物学的新角度。几年前，马丁和罗素开始合作，从地质化学探讨到生物学。由此，他们的想象和洞察力开始飞驰。让我们跟着他们一起去看看。

马丁和罗素先从最基本的问题开始：碳原子如何进入有机世界？他们注意到，现在我们知道细菌和植物会通过五种代谢途径，将氢原子和二氧化碳结合生成有机分子，从而把碳带入生命世界，其中一种就是前述的逆向克氏循环。这五种反应中的四种要消耗ATP（和克氏循环一样），所以只有输入能量才能发生。而剩下的第五种，不但可以让氢原子直接和二氧化碳分子结合产生有机分子，同时还会产生能量。现今已知有两群古老的生物可以通过一系列大同小异的步骤实现第五种反应。其中一群生物我们已经介绍过了，就是在失落之城里十分兴旺的古细菌。

如果马丁与罗素是对的，那40亿年前生命拂晓之时，这些古细菌的远祖，就在碱性热泉中进行氢气和二氧化碳的反应。不过氢气和二氧化碳结合的反应，并不像听起来那样简单，因为这两个分子都不会自发性地结合，它们算是“害羞”的分子，需要催化剂的鼓励才能让它们共舞，同时也需要灌注一点能量来启动反应。只有当这两个条件都满足时，两个分子才会结合然后放出更大的能量。催化剂的成分很简单，现今这一反应的催化酶，核心是一个含铁、镍和硫原子的原子簇，其结构跟热泉区发现的矿物很像。该线索表明古细菌可能只是利用了现成的催化剂，同时也暗示这条代谢通路已经出现很久了，它不需要靠进化产生的复杂蛋白质帮助就能反应。如同马丁与罗素指出的，这个反应已有“坚石”的基础。

而要推动该反应所需要的初始能源，最终还是要靠热泉提供。有个预料之外的产物揭示了热泉这个幕后黑手。这个热泉产物就是乙酰硫酯，一种活化的醋。[6]热泉会生成乙酰硫酯，是由于二氧化碳本身是个稳定的分子，不容易和氢反应，但是二氧化碳容易和碳或硫化物形成的自由基反应（自由基的活性较高），而热泉正好有很多这种自由基。所以，热泉产出了活性很高的自由基，然后促使二氧化碳和冒出来的氢反应，最终合成了乙酰硫酯。

乙酰硫酯之所以重要，是因为它代表了古老代谢反应里的一个岔路口，而且至今仍可以在生物体内看到。当乙酰硫酯和二氧化碳反应时，我们就站在岔路的一端进入复杂有机分子世界。该反应是自发的，除了释出能量，还会产生三碳分子，叫作丙酮酸。看到丙酮酸这个名字，生物化学家的眼睛都会为之一亮，因为这可是进入克氏循环的起点。换言之，只需要几个符合热力学规律的简单化学反应，被带有矿物核心的酶催化（它们都带着“坚石”的基础），就可以带我们直接进入克氏循环这个生命的代谢中心，不费吹灰之力。一旦我们进入了克氏循环，就只需要稳定供应ATP来推动循环去生产生命所需的材料了。

能量的来源正在岔路的另一端，这回让乙酰硫酯与磷酸盐反应。好吧，严格来说反应并不会产生ATP这个能量分子，而是一种形式比较简单的分子，叫作乙酰磷酸。但是它的用途和ATP差不多，而且至今仍有某些细菌可以同时使用乙酰磷酸和ATP作为能量来源。乙酰磷酸和ATP所做的事情一模一样，它们都是把活化的磷酸基团传给另一个分子，有点像帮其他分子贴上能量标签来活化它们。整个过程类似小孩子玩的游戏，其中一个孩子当“鬼”去抓人，而被“鬼”抓到的小孩则会变成“鬼”。游戏中当鬼的小孩持有的反应“活性”，可以传给第二个小孩。磷酸基团传递差不多也是这样。原本稳定的分子会因为接受磷酸基团而活化。ATP就是如此逆向推动克氏循环的，而乙酰磷酸也可以做到。当乙酰磷酸把具有活性的磷酸基团传给下一个分子后，剩下的产物就是醋，这也是现在大部分细菌的产物。下回如果你开了一瓶酒没喝完，然后放久变酸了（变成醋），可以想一想这是许多细菌在里面勤奋工作，然后代谢出和生命一样古老的废料。这样一想，这个废料甚至比一瓶上好的酒还要珍贵。

总的来说，碱性热泉可以持续生产乙酰硫酯，乙酰硫酯可以供应合成复杂有机分子所需的原料，以及合成它们所需的能量，而这种能量的形式与今天细胞使用的基本相同。在前面提到的热泉区烟囱里的矿物细胞，可以一次性满足众多条件。它可以让反应物集中在一起，有利于反应进行。它也提供可以加速反应的催化剂，而此阶段反应并不需要复杂的蛋白质参与。同时，不断冒出的氢气与其他气体，进入烟囱迷宫之后可以源源不绝地提供各种反应原料，也确保各原料彻底混合。如此看来，这烟囱真的是一个生命之泉，不过还遗漏了一个至关重要的小细节。

小细节就是引起氢气和二氧化碳反应所需的起始能量。我前面说过，这在热泉区并不是问题，因为这里的环境可以提供活性大的自由基分子来开启反应。但是对于不住在热泉区需要自食其力的生命来说，就是个大问题了。没有自由基，它们就要消耗ATP来开启反应，就好像要自掏腰包买酒来化解初次约会的尴尬。这有什么不对的吗？问题在于划不划算。因为即使氢和二氧化碳反应可以放出足够的能量，产生一个ATP分子，但如果你花一个ATP分子只得到另一个ATP分子，那可是一点赚头也没有。如果没有赚头的话就没有多余的能量，就无法逆推克氏循环，也就不会有复杂的有机分子。因此生命也许可以从碱性热泉诞生，但是可能要永远留在热泉旁，无法切断由热泉母亲提供能量的热力学脐带。

但是很明显，生命并没有留在热泉旁。然而前面的计算结果又是如此精确，那么我们是如何离开热泉区的呢？马丁与罗素对这个问题的解答令人拍案叫绝，他们完美地解释了为何现在大部分生物都用一套奇特的呼吸代谢反应来产生能量，而这套反应可能是生物学中最令人困惑、最不直观的机制了。

在小说《银河系搭车客指南》里面有一段情节：笨到无药可救的现代人类祖先，不幸坠落在一颗叫作地球的行星上，然后赶走了土著猿人。他们组织议会，重新发明轮子之类的工具，并且指定树叶为法定货币，结果每个人都变成亿万富翁。然后他们必须面对严重的通货膨胀，物价狂飙到需要花三片落叶林的树叶才够买一小船花生。为了解决问题，我们的祖先展开了激烈的通货紧缩政策，他们直接烧掉了所有森林。听起来是不是恐怖得跟真的一样？

我认为在这个戏谑的故事背后，藏有一个很严肃的问题，那就是货币的意义，货币并没有一个绝对的价值。一粒花生可以贵如一条金条，贱如一枚便士，或者抵得上三片森林，这一切都取决于它们彼此间的相对价值、稀有程度等因素。同样的10英镑也可以等同于任何东西。然而在化学世界里面可不是这样。前面我用10英镑来比拟ATP是有原因的。假如一个ATP分子里化学键的能量总合就是10英镑，那等于你一次要付10英镑来得到一个ATP，或用掉一个ATP来得到一张10英镑钞票，分毫不差。跟人类的货币不一样，它的价值不是相对的，而这正是要离开热泉自力更生的细菌所要面临的严重问题。和10英镑不同的是，ATP并没有那么通行无阻，它的价值十分固定，而且也没有零钱这种东西。如果你想点一杯饮料来化解初次约会的尴尬，那你必须付出整张10英镑钞票，就算这杯饮料只值2英镑，老板也不会找零，因为这世上没有“1/5个ATP分子”。同样，当你获得氢和二氧化碳反应所产生的能量，你也只能以10英镑为单位来储蓄。举例来说，如果这个反应产生18英镑，但这不够买两个ATP分子，所以你只能换到一个分子，而损失8英镑。我们在国外旅行时，也会在外币兑换处遇到同样恼人的问题，这些兑换处只收大钞，不收零钱。

所以总结来说，不论是只需花2英镑来约会，或者赚到18英镑，一旦我们被迫使用统一的10英镑钞票，那就一定要花10英镑来赚10英镑。没有细菌可以无视这个问题，因为它们无法只利用ATP以及氢与二氧化碳的反应来生存。然而细菌毕竟存活下来了，因为它们找到了一个非常天才的办法，把10英镑钞票换成零钱。该方法有个了不起的名字叫作“化学渗透说”，由1978年诺贝尔生理医学奖得主、古怪的英国生物化学家彼得·米切尔（Peter Mitchell）提出。米切尔的化学渗透说得到诺贝尔奖后，结束了学界数十年的激烈争辩。在人类正遥望下一个世纪之交时，我们终于了解到米切尔的研究可能是20世纪最重要的发现之一。[7]但是那些长期赞成化学渗透作用的少数研究人员，也很难解释为何如此怪异的机制，会普遍存在于各种生命系统中，就像放之四海而皆准的基因密码、克氏循环与ATP一般，化学渗透也被所有生命系统共享，并且可以追溯到生命的共祖露卡身上。马丁与罗素现在就帮你解答。

简单来说，化学渗透指的是质子穿过膜的运动（因为跟水分子穿过膜的运动类似，所以就借用了“渗透”这个词）。呼吸作用其实就是在执行化学渗透。我们把食物分子中的电子取出，通过一系列传递链，最后将电子传给氧气。在电子传递的过程中，每个步骤都会放出一点能量，并被用来把质子打到膜外。所以整个过程最终的结果是，膜的一侧堆积了一堆质子，形成了质子的浓度梯度。膜在这里的角色有点像水力发电厂的水坝，当水流从高处流下来时会推动涡轮运动发电，而质子流过细胞薄膜时，也会推动蛋白质涡轮来生产ATP。这个复杂的机制超乎想象，原本只是让两个分子结合在一起的简单反应，却需要怪异的质子梯度参与其中。

化学家通常习惯处理整数，因为一个分子不可能跟另外半个分子反应。而化学渗透说最让人困惑的地方或许就在于，这里充满了小数。电子传递链要传递多少电子，才够合成一个ATP分子？大约在8到9个之间。那需要打出多少质子？现今最准确的计算是4.33个。这些数字看起来一点意义也没有，直到我们认识到离子浓度梯度参与其中。因为一个梯度由无数个小梯度组成，所以它并不存在整数。而化学渗透最有利的地方在于，单一反应可以不断地重复发生，直到累积起产生一个完整的ATP分子的能量。如果每次反应产生的能量是整个ATP分子所需的0.01，那只需重复100次，就能慢慢累积足够的质子梯度去制造一个完整的分子。有了这个技巧，细胞突然可以存钱了，它有个装满零钱的小口袋了。

讲了这么多，化学渗透真正的意义何在？让我们回到之前的氢与二氧化碳的反应。现在细菌还是需要用掉一个ATP来启动这个反应，但它们每次可以生产多于一个ATP的能量，既然多出来的能量可以被存起来，多出几次之后它们就可以生产第二个ATP了。虽然并不宽裕，却是很踏实的生活。更重要的一点是，化学渗透让不可能兴起的生命变成有可能的。如果马丁与罗素是对的，如果最早的生命确实根据前述反应兴起，那么要离开海底热泉唯一的方法，就是化学渗透。现在唯一已知依赖氢与二氧化碳生化反应而生存的生命，完全依赖化学渗透而活，缺它不可。而我们也知道现在地球上几乎所有的生命都带有同一套古怪的化学渗透机制，尽管不一定缺它不可。为什么会这样？我认为就是因为大家都是从同一个生命共祖那里继承了这套机制，而生命共祖依赖这一机制而活。

马丁与罗素的观点还有一个最强有力的证明，那就是他们使用了质子（也即氢离子）。为什么不用其他带电离子，比如钠离子、钾离子或钙离子呢？我们的神经系统就使用它们呀，自然界没有理由独钟情于质子，而忽略其他带电离子。并没有什么理由必须使用质子，而且也有细菌利用钠离子梯度来工作，虽然属于特例。我认为最主要的原因是罗素那些热泉的特质。还记得那些热泉会持续地冒出碱性**，冲入溶解了大量二氧化碳的酸性海洋吗？酸是由质子来定义的，所谓酸就是含有大量质子，而碱则缺少质子。所以当冒出的碱性**进入酸性海洋中时，很自然地产生了一个天然质子梯度。换句话说，罗素提到的热泉矿物细胞，利用天然的质子梯度自动执行化学渗透。罗素在好几年以前就发现了这一现象，但是指出细胞必须依赖化学渗透才能离开热泉，则是他和马丁合作的成果，因为是马丁带来了微生物能量的观点。现在这些小的电化学反应堆，不只可以生产有机分子和ATP，甚至还有了逃脱计划，可以逃离普遍存在的10英镑难题。

当然，质子的梯度再好用，也要生命能够利用它才行，之后还要学会自己制造梯度。虽然利用天然的梯度要比自己制造梯度来得容易，但是哪种都不简单。毫无疑问，通过自然选择才能进化出这些机制。现在细胞需要大量由基因编码的蛋白质来执行化学渗透，如此复杂的系统一定要靠蛋白质和基因参与才有可能进化。所以这是一个环环相扣的问题。生命要先学会制造并使用化学梯度才可能离开热泉，而要制造自己的化学梯度又一定要有DNA和基因参与。看起来生命在这个矿物培育所里已经进化出非凡的复杂度了。

我们慢慢地为露卡这个地球上的生命之祖画出一张独特的肖像。如果马丁与罗素是对的（我认为他们是对的），那露卡应该不是一个自由生活的细胞，而是由矿物细胞组成的岩石迷宫：它靠着铁、镍和硫所组成的催化剂墙壁，以及天然的质子梯度而生存。地球上第一个生命是一个多孔的石头，在里面一边合成复杂的分子，一边产生能量，以准备生产DNA和蛋白质。也就是说，关于生命诞生的故事，本章只讲了一半。下一章我们将会继续另一半的故事：所有生命分子中最具标志性的物质，也是基因的载体——DNA。

[1]　这种“燃烧反应”都是氧化还原反应，比如氧和氢反应，因为氧比氢更想要电子，所以电子由供给者（氢原子）传递给接受者（氧原子）。反应会生成水，这是一个热力学上稳定的终产物。所有的氧化还原反应，都是由供给者把电子传递给接受者。而值得一提的是，所有生命的生存，都仰赖各种电子传递过程所释放出来的能量，从细菌到人类都是如此。如同匈牙利的诺贝尔奖得主阿尔伯特·森特·哲尔吉（Albert Szent Gy?rgy，因维生素C的发现和分离而获奖）所说，生命不过就是一个电子不断地在寻找栖身之所的过程。

[2]　这么说其实不全对。热泉其实会放出一些微光（请见第七章），尽管这些光对我们的肉眼来说太过微弱，但足以驱动某些细菌进行光合作用。不过这些细菌与这里丰富生态系统的关系不是很大，无法与硫细菌相比。附带一提，在某些冰冷的海底渗漏区，也发现了与热泉区同样兴盛的动物群，这也证明了热泉生态系统并不依赖热泉的光与热。

[3]　其他的问题还包括温度，因为热泉环境的温度过高，有机分子恐怕难以生存；或者酸度，大部分黑烟囱所在地的酸度都不适合瓦赫特肖瑟提到的反应，而他本人在实验室里做的合成反应，也都是在碱性环境下模拟的。另外早期地球上硫的浓度可能远高于现代有机化学所需。当然这些问题都还在争论中，未有定论，因此我也就此打住。

[4]　这又造成了一个有趣的问题，那就是不断的循环会冷却地球。当地幔渐渐冷却，海水就会嵌在岩石里面成为结构的一部分，无法再继续被加热，从而无法经由火山作用回到地球表面。行星有可能这样耗竭自己的海洋，慢慢冷却下来，这很可能是火星上海洋消失的原因之一。

[5]简单的原核生物可以被分成两大域——古菌域和细菌域。在失落之城里的居民主要属于古菌域，它们通过制造甲烷来获得能量。古细菌使用的生化反应，和复杂的真核细胞差异极大。现今已知的病原菌或寄生虫，全部都属于细菌域，没有古菌域。细菌域的细菌跟宿主细胞所使用的生化机制更相似。古细菌可能和其他细菌都不同。唯一已知的例外，是一个古细菌与细菌的共生结构，而这个共生结构很可能在20亿年前进化成真核细胞（请见第四章）。

[6]　醋的化学名称是乙酸（醋酸），这是乙酰硫酯“乙”这个字根的来源。在乙酰硫酯里面，含两个碳的乙酰基会连在一个具活性的硫基上面。20多年前德·杜维就认为，乙酰硫酯在早期生命进化史中具有重要的地位。现在他的观点终于经由实验得到科学界的正视。

[7]　关于这诡异又无比重要的化学渗透说，如果你想知道更多，我建议你去看我的另一本书：《能量、性、死亡：线粒体与生命的意义》。