地球生命在地球形成約5億年后就已出現(xiàn)，然而在這之后的20億年內(nèi)，生命一直停滯在簡(jiǎn)單的細(xì)菌水平。

在大約20億~15億年前，一種擁有精細(xì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和空前能量代謝水平的復(fù)雜細(xì)胞一躍而出。這份復(fù)雜性遺傳給了大樹(shù)和蜜蜂，也遺傳給了人類中的你和我。我們與蘑菇有著天壤之別，但在顯微鏡下觀察到的細(xì)胞又如此相似。從有性生殖到細(xì)胞衰老再到細(xì)胞凋亡，復(fù)雜生命共有的一套細(xì)胞特征在不同的物種間有著驚人的相似程度。

生命為什么是現(xiàn)在這個(gè)樣子？在40億年的漫長(zhǎng)歲月中，從簡(jiǎn)單的細(xì)菌到令人敬畏的復(fù)雜生命，這樣的演化飛躍事件為何只發(fā)生了一次？

不得不承認(rèn)，在生物學(xué)的核心地帶，橫亙著一個(gè)巨大的認(rèn)知黑洞。

生活在細(xì)菌體內(nèi)的細(xì)菌

生物化學(xué)家尼克·萊恩（Nick Lane）從生物能量角度，交給了我們一把有望解開(kāi)生物起源之謎的鑰匙。

怪異的生物能量生產(chǎn)機(jī)制從各方面限制了細(xì)胞，而一次罕見(jiàn)的一個(gè)細(xì)菌入住到一個(gè)古菌體內(nèi)的內(nèi)共生事件，打破了這些限制，使得復(fù)雜細(xì)胞的演化成為可能。

看似偶然發(fā)生的單次事件，卻因?yàn)槟芰康募s束而必經(jīng)一種演化歷程，許多最重要也最基礎(chǔ)的生命特征，也由此可以通過(guò)基本的生物化學(xué)規(guī)律進(jìn)行推斷。

我們?cè)谘莼^(guò)程中取舍權(quán)衡生殖力和年輕時(shí)的健康，換來(lái)衰老和罹患疾病的代價(jià)。

生命的起源、人類的健康乃至生死，都可以從能量角度重新發(fā)問(wèn)。

《復(fù)雜生命的起源》，后浪，2020年10月

什么是生命？

撰文|尼克?萊恩（Nick Lane）

譯者 | 嚴(yán)曦

42臺(tái)巨大的射電天文望遠(yuǎn)鏡聳立在加利福尼亞北部灌木叢生的山區(qū)，它們組成了松散的“艾倫”望遠(yuǎn)鏡陣列：掃視天空，全神貫注，夜以繼日。白色的碟狀天線如同一張張沒(méi)有表情的臉，全體凝視著天外遙不可及的某一點(diǎn)，就像一群渴望回家的外星入侵者在此集結(jié)。這幅奇異的景象似有深意。望遠(yuǎn)鏡陣列屬于“搜尋地外文明計(jì)劃”（SETI）。半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，該組織一直致力于掃描太空，尋找地外智慧生命的蹤跡，至今仍一無(wú)所獲。即使是SETI的支持者們，也不對(duì)它的成功抱太多希望。然而，熱情并未因此消退。幾年前撥款資金用盡時(shí)，他們直接求助于公眾，很快“艾倫”望遠(yuǎn)鏡陣列就恢復(fù)了運(yùn)作。在我看來(lái)，SETI的探索象征著人類為自己在宇宙中的處境無(wú)限困惑，也象征著科學(xué)本身的脆弱。這樣通天徹地、近似科幻的技術(shù)，卻被用來(lái)證明一個(gè)科學(xué)基礎(chǔ)薄弱、近乎天真的夢(mèng)想：我們?cè)谟钪嬷胁⒉还陋?dú)。

SETI的艾倫望遠(yuǎn)鏡陣(ATA-42)

即使SETI的望遠(yuǎn)鏡永遠(yuǎn)找不到地外生命，它的努力仍然很有價(jià)值。我們不能把射電望遠(yuǎn)鏡倒過(guò)來(lái)使用，但可以把其中的科學(xué)思路倒過(guò)來(lái)，由此產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊力。我們到底在尋找什么？宇宙中其他的智慧生命應(yīng)該和我們一樣使用電磁波嗎？它們一定是碳基生命嗎？它們是否依賴水和氧氣？這些問(wèn)題，其實(shí)不是在思考可能存在的外星生命，而是在思考地球上已知的生命：為什么地球上的生命會(huì)是這樣？SETI的望遠(yuǎn)鏡就像一面反射鏡，把問(wèn)題拋回給地球生物學(xué)家。科學(xué)之精要，在于能夠提供規(guī)律。比如物理學(xué)中最迫切的問(wèn)題在于，為什么物理定律是這樣的？使用什么樣的基本規(guī)律，才能推演出宇宙中已知的各種物理特性？生物學(xué)的規(guī)律性遠(yuǎn)弱于物理學(xué)。盡管生物學(xué)規(guī)律不需要像物理定律那樣嚴(yán)密普適，演化生物學(xué)的預(yù)言能力還是弱得令人汗顏。關(guān)于演化的分子生物機(jī)制和地球的生命歷史，我們已經(jīng)積累了海量的知識(shí)，但對(duì)其中的規(guī)律性仍然知之甚少。在生命的歷史中，哪些部分事出偶然？如果在另一顆行星上演化，生命可能會(huì)經(jīng)歷完全不同的軌跡。而哪些部分又由物理定律和約束條件決定？

電子顯微鏡拍攝的火星隕石ALH84001，一些科學(xué)家認(rèn)為照片中顯示的可能是化石化的細(xì)菌形式的生命體。

并非科學(xué)家不夠努力。一大批諾貝爾獎(jiǎng)得主和生物學(xué)巨匠都活躍在這個(gè)領(lǐng)域，然而以他們的學(xué)識(shí)和智慧，甚至也遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)成共識(shí)。40年前分子生物學(xué)發(fā)端之時(shí)，法國(guó)生物學(xué)家雅克·莫諾（Jacques Monod）在他的名作《偶然性和必然性》中悲嘆，生命在地球上的起源是一次異乎尋常的偶然事件，人類在空蕩蕩的宇宙中絕對(duì)孤立。莫諾書中的最后一段結(jié)合了科學(xué)與形而上學(xué)，充滿詩(shī)意：

上古的神契不復(fù)存在；人類終于認(rèn)識(shí)到，他在無(wú)知無(wú)覺(jué)的浩瀚宇宙中孤立無(wú)助，他的出現(xiàn)只是偶然的產(chǎn)物。何為他的天命，何為他的職責(zé)，更是無(wú)從索解。仰視天國(guó)的信念，還是沉入現(xiàn)實(shí)的混沌？他只能獨(dú)自抉擇。

也有人提出對(duì)立的觀點(diǎn)：生命是宇宙化學(xué)的必然產(chǎn)物。在每顆條件適宜的行星上，生命都會(huì)迅速產(chǎn)生。那么，一旦行星上有了生命，接下去又會(huì)如何演化呢？科學(xué)家們?cè)僖淮螣o(wú)法達(dá)成共識(shí)。生命可能受制于有限的系統(tǒng)工程方案，無(wú)論始于哪里，演化的路徑最終都將匯聚到有限且相似的形式。因?yàn)橛兄亓Φ南拗疲w行動(dòng)物的體重應(yīng)該較輕，而且都會(huì)有類似翅膀的器官。生物應(yīng)該都由類似細(xì)胞的部件組成，依靠這些微小的單元把自身內(nèi)部環(huán)境與外部世界隔離。如果此類約束條件主導(dǎo)著生命的發(fā)展，那么，外星生命很可能十分類似于地球生命。另一方面，生命的演化也可能由偶發(fā)事件決定。生命是什么樣子，可能純屬隨機(jī)結(jié)果，由全球性災(zāi)難事件的偶然幸存者決定，比如地球生命史上導(dǎo)致恐龍滅絕的小行星撞擊事件。

一顆幾千米直徑的小行星撞擊地球的視覺(jué)模擬圖。這樣的撞擊可以釋放出相當(dāng)于幾百萬(wàn)枚核武器同時(shí)引爆的能量。

假設(shè)我們把時(shí)鐘撥轉(zhuǎn)到5億多年前的寒武紀(jì)，也就是化石記錄中的“生命大爆炸”剛剛發(fā)生之時(shí)，然后重新開(kāi)始——那個(gè)平行世界會(huì)與我們的世界相似嗎？也許是巨型章魚滿山亂爬呢。

生命的時(shí)間線

地球上的細(xì)菌曾有過(guò)一個(gè)機(jī)會(huì)，通過(guò)這次獨(dú)一無(wú)二的機(jī)會(huì)，它們演化成了真核生物。

在化石記錄和種系發(fā)生學(xué)數(shù)據(jù)中，沒(méi)有任何證據(jù)表明復(fù)雜生命曾經(jīng)多次演化出現(xiàn)，卻只有現(xiàn)代真核生物種群生存下來(lái)。相反，真核生物的單源輻射演化，意味著它們獨(dú)特的起源是由內(nèi)在的物理限制決定的，與大氧化事件等環(huán)境劇變沒(méi)有多少關(guān)系。任何恰當(dāng)?shù)睦碚摚急仨毥忉尀槭裁磸?fù)雜生命的演化只發(fā)生了一次。我們的解釋必須有足夠的合理性令人信服，但也不能“太過(guò)合理”，因?yàn)檫@會(huì)令人疑惑：如此合理的事件為何沒(méi)有多次發(fā)生？對(duì)單一事件的任何解釋，多少都會(huì)顯得有些巧合。我們?cè)鯓硬拍茏C明是否出于巧合？事件本身過(guò)于久遠(yuǎn)，直接證據(jù)早已湮沒(méi)，可能難以發(fā)掘；但在事件的余波中，我們很可能會(huì)發(fā)現(xiàn)隱藏的線索，就像一把還在冒煙的槍能夠證明扣動(dòng)扳機(jī)之人先前的罪行。一旦擺脫了它們的細(xì)菌枷鎖，真核生物的形態(tài)就變得非常復(fù)雜，極其多樣。然而，它們復(fù)雜度的積累并未遵循常規(guī)的漸進(jìn)演化：它們一出現(xiàn)就擁有一整套全新的特征，從有性生殖到衰老，其中沒(méi)有哪種在細(xì)菌和古菌身上真正出現(xiàn)過(guò)。最早的真核生物，在一個(gè)絕世獨(dú)立的共同祖先身上聚集了所有這些奇異的特征。在形態(tài)簡(jiǎn)單的細(xì)菌和非常復(fù)雜的真核生物共同祖先之間，沒(méi)有已知的演化中間型來(lái)指明其演化過(guò)程。所有這些疑惑構(gòu)成了一幅激動(dòng)人心的前景：生物學(xué)中最大的問(wèn)題仍然懸而未決！在所有這些特征中，是否存在某種模式，能夠揭示它們的演化途徑？我認(rèn)為有。

△ 一群生活在藍(lán)細(xì)菌體內(nèi)的細(xì)菌。右邊的細(xì)胞中，波紋狀的內(nèi)膜是類囊體膜，是藍(lán)細(xì)菌進(jìn)行光合作用的場(chǎng)所。圍繞著細(xì)胞的深黑色線是細(xì)胞壁，細(xì)胞壁外側(cè)裹著一層半透明的凝膠外殼。內(nèi)共生的細(xì)菌包在顏色較淡的區(qū)域內(nèi)，這個(gè)結(jié)構(gòu)可能被誤認(rèn)為吞噬泡（phagocytic vacuole），但應(yīng)該只是制備樣本時(shí)人為造成的縮水現(xiàn)象，因?yàn)橛屑?xì)胞壁的細(xì)胞無(wú)法通過(guò)吞噬作用吞入其他細(xì)胞。這些細(xì)菌到底是如何進(jìn)去的，至今仍是個(gè)謎。但毫無(wú)疑問(wèn)，它們就是進(jìn)去了。自由生存的細(xì)菌體內(nèi)住著另外的細(xì)菌，即使極為罕見(jiàn)，但確實(shí)有活生生的實(shí)例。

DNA，迷人的生命代碼腳本，仿佛向我們?cè)S諾了所有的答案，讓我們忘記了薛定諤的另一基本信條：生命抵抗熵，抵抗世間萬(wàn)物固有的崩壞傾向。薛定諤在《生命是什么》的一條腳注中寫道：如果我的目標(biāo)讀者是一群物理學(xué)家，那么我的論證就不會(huì)圍繞熵進(jìn)行，而是“自由能”。那本精煉而影響深遠(yuǎn)的著作，書名就標(biāo)志了一個(gè)科學(xué)時(shí)代，但完全問(wèn)錯(cuò)了問(wèn)題。加入對(duì)能量的思考，問(wèn)題才變得切中要害：什么是活著？不過(guò)，薛定諤問(wèn)錯(cuò)問(wèn)題情有可原，因?yàn)樗?dāng)時(shí)不可能理解這一點(diǎn)。在他寫那本書的年代，沒(méi)有人對(duì)生物能量的流轉(zhuǎn)有深入理解。現(xiàn)在，我們已經(jīng)掌握了關(guān)于生物能量代謝的各種精深細(xì)節(jié)，直至原子水平。與基因編碼一樣，細(xì)胞采集能量的機(jī)制在所有生命中保有相同的形式，而這些機(jī)制嚴(yán)格地限制了細(xì)胞的基本結(jié)構(gòu)。但是我們還不知道它們是如何演化而來(lái)的，也不理解生物能量如何約束了生命的發(fā)展歷史。

這才是本書提出的問(wèn)題。

從能量角度思考生命能讓我們認(rèn)識(shí)人類自身的生物學(xué)特性，特別是演化過(guò)程中深層次的取舍權(quán)衡：生殖力和年輕時(shí)的健康，代價(jià)是衰老和疾病。我認(rèn)為，這些見(jiàn)解能夠幫助人類增進(jìn)健康，至少能加深對(duì)健康的理解。

本文節(jié)選自《復(fù)雜生命的起源》，后浪，2020年10月版。