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第1章 生命起源（第1页）

能量和自我复制是生命从混乱无序的环境中萌发并万世长青的两个基本条件

（一）

着名的米勒-尤里实验（miller-urey

experiment）。米勒让水在通电的气体烧瓶（左上）和加热的液体烧瓶（右下）之间循环往复，从而模拟了原始地球海水沸腾、电闪雷鸣、暴雨倾盆的情景[图片]

短短一天之后，某些奇怪的事情就发生了——烧瓶里的水不再澄清，而是变成了淡淡的粉红色，一定有某些全新的物质生成了。即便有这样的心理准备，当一周之后米勒停止加热，关掉电源，从烧瓶里取出“海水”进行分析的时候，结果还是大大出乎他的意料。海水中出现了许多全新的化学物质，甚至包括五种氨基酸分子！

众所周知，氨基酸是构成蛋白质分子的基本单位。

依据热力学第二定律，任何一个孤立系统的混乱程度——物理学家更喜欢用“熵”这个物理量来表述——总是在增大的

早在20世纪初，人们就已经知道在肌肉收缩的过程中，葡萄糖可以变成乳酸并释放能量。后来人们意识到，这个过程其实和巴斯德研究过的啤酒变酸的过程是一回事：一个葡萄糖分子转变成两个乳酸分子，同时产生了两个atp。

在米切尔看来，辛辛苦苦地去寻找什么未知的化学反应，压根儿就走错了方向！制造atp的过程和电站蓄能发电的原理是一样的。电站蓄能发电可以分成两步，首先是晚间用电抽水蓄能，然后是白天开闸放水发电。而在生命体内也是一样分成两步，只不过能量的存储形式不是电而是atp；往复流动产生能量的不是水而是某些带电荷的离子（特别是氢离子）；筑起大坝的不是钢筋混凝土而是薄薄的一层细胞膜；水坝上安装的水力发电机不是傻大黑粗的钢铁怪物，而是一个能够让带电离子流动产生atp的蛋白质机器罢了。

这个过程可以简单地描述为：首先，生命体利用营养物质（特别是葡萄糖）的分解产生能量，能量驱动带正电荷的氢离子穿过细胞膜蓄积起来，逐渐积累起电化学势能。之后，在生命活动需要能量的时候，高浓度的氢离子通过细胞膜上的蛋白质机器反方向流出，驱动其转动产生atp。

人们发现，在动物细胞的能量工厂——一种叫作线粒体的微型细胞机器中，确实存在极高的氢离子浓度差。跨越线粒体内层膜，仅仅几纳米的距离跨度就有上百毫伏的氢离子浓度差，这个差别堪比雷雨云和地面之间的电荷差别。

细胞内的微型水电站也可以根据细胞内的能量需求来决定生产atp的效率。28~38，这组让生物化学家无比抓狂的数字，就这么轻松地得到了解释！

2016年，德国杜塞尔多夫大学的科学家威廉·马丁（william

martin）分析了现存地球生物600多万个基因的dna序列，从中确认有355个基因广泛存在于全部主要的生物门类中。根据这项研究，马丁推测，这355个基因应该同样存在于现在地球生物的最后共同祖先（last

universal

n

ancestor，露ca，见图2-8）体内，并且因为它们有着极端重要的生物学功能，从而得以跨越接近40亿年的光阴一直保存至今。在这355个基因里，赫然便有atp合成酶基因的身影。与之相反，在现存地球生物体内负责驱动其他atp合成途径的酶，例如催化葡萄糖分解为乳酸或酒精从而制造atp的那些蛋白质，却不见踪影。

露ca。它并不一定是地球上最早出现的生物，但是现今地球所有生物（动物、植物、细菌、古细菌等）都是它的子孙后代。严格来说，露ca是一种生物学家假想出的生物，在今天的地球上无迹可寻。但是根据现存物种的基因组信息比较结果，人们可以推测露ca大致生活在距今38亿年至35亿年前，嗜热厌氧

在海拔四五千米的青藏高原，氧气浓度下降到10%多一点，人体就会出现缺氧的症状。反过来，如果吸入的氧气浓度过大，人体就会出现所谓的“氧中毒”现象，神经系统、肺和眼球都会受到严重损伤。同样的例子还有温度。人体适宜的环境温度在25摄氏度上下浮动。如果人体长期处于40摄氏度以上的环境中，很容易引起中暑死亡；处于低温环境下也不行，人在5摄氏度的海水里只能活个把小时。

在46亿年前地球形成的时候，大气的主要成分是二氧化碳、氮气、二氧化硫和硫化氢。直到差不多25亿年前，第一批能够利用阳光的细菌出现在原始海洋中，利用太阳光的能量分解大气中的二氧化碳，并以其中的碳原子为食，这才制造出了氧气。

在20世纪中叶，当dna→rna→蛋白质这套遗传信息传递的所谓“中心法则”刚刚被提出的时候。1968年，dna双螺旋的发现者之一克里克就在一篇文章中大胆地猜测，也许看起来多余的rna才是最早的生命形态。他甚至说：“我们也不是不能想象，原始生命根本没有蛋白质，而是完全由rna组成的。”

到了1982年，切赫他们干脆放弃了对rna分子各种徒劳的提纯，直接在试管里合成了一个新的rna分子。然后，利用这条理论上就不可能存在污染的纯净rna，他们终于可以明白无误地确认，这条rna在什么外来蛋白质都没有的条件下，仍然固执地实现了自我剪接，把那段没用的中间序列切割了出来。

rna分子，居然可以身兼dna和蛋白质的双重功能：它显然可以和dna一样存储信息，同时也可以像蛋白质一样催化生物化学反应——在切赫的例子里，这个化学反应就是对自身进行切割和缝合

马蒂亚斯·雅各布·施莱登（matthias

jakob