来源页 · 完整讲稿 · 第24讲
继承：生命的底层约束条件是什么？
读者，你好。欢迎来到《进化论 50 讲》，我是王立铭。
前面三讲，我们讨论了生命两个最核心的特征——秩序的建立和秩序的稳定传承。
但同时，也分别留下了一个让人困惑的先有鸡还是先有蛋的问题。
从能量的角度来说，复杂的化学渗透过程是怎么出现的？从信息的角度来说，复杂的 DNA 又是如何出现的？简而言之就是，维持和传承生命秩序的机制过于复杂，很难想象它们居然在生命起源之初就已经出现了。
有意思的是，针对这两个反常识问题的追问，反而能帮我们进一步理解生命起源的细节，也能让我们进一步看到进化的力量。
能量悖论和海底热泉
我们先看能量，也就是“化学渗透”过程。
从逻辑上说，化学渗透想要发生，至少需要生命体同时具备三个功能元件：
一个是类似水坝挡住水流那样的细胞膜，隔绝氢离子自由流动、形成氢离子蓄水池；一个是类似抽水机一样的微型分子机器，能够把氢离子持续不断的运进蓄水池，制造出细胞膜两侧氢离子的浓度差；还有一个是 ATP 合成酶，它类似于水坝上的水力发电机，能够在氢离子穿过的时候被氢离子推动，产生 ATP。
在生命起源的那一瞬间，我们无法想象，这三个元件怎么就能恰到好处的聚集在一起、产生能量呢？而如果这种巧合不发生，没有能量的持续供应，生命体又无法保持低熵状态，就算有点生命迹象，也会很快分崩离析。
这个先有鸡还是先有蛋的矛盾到底要怎么解决呢？
其实，恰恰是这种反常识的矛盾为我们寻找生命起源地提供了一个方向。
生物学家猜测，这三个元件确实不太可能恰好同时具备，而且还正好组装到了一起。但是，有没有可能在地球上的某个地方，这三个元件中的一个或者两个已经天然存在，只需要增加一个元件就能开工？如果有的话，这个地方很可能就是地球生命起源的候选地点。
结果还真有这样的地方。人们发现，海底深处的热泉口附近就满足了三个条件里的两个：
在深海底部的某些地点，海水会在压力的作用下渗透进地壳的裂缝，然后被裂隙深处的地幔加热、重新喷涌而出形成喷泉。这就是所谓的热泉。
而在热泉口附近，重返海洋的热水会将地底深处的化学物质带入海水，于是海水翻腾、气泡奔涌，来自地底深处的化学物质和海水之间持续发生各种新奇的化学反应，形成大量的固体沉积和高耸的岩石烟囱。
如果剖开烟囱细看，我们会看到海绵状的细小空腔。
请注意，烟囱的这种结构就同时满足了化学渗透过程出现的前两个条件：
一方面，细小空腔的存在，提供了一个至少能够部分隔绝离子流动的屏障，导致氢离子无法在空腔内外自由移动。
另一方面，在新旧海水的交界面上，一定会出现天然的化学物质浓度差。比如，今天人们发现的热泉泉水，都是强酸性或者弱碱性的。而远古海洋，大概率会因为溶解了大量二氧化碳，而呈现弱酸性，于是在热泉泉水和海水接触的界面，天然就存在氢离子的浓度差。
这样一来，在热泉附近，“水坝”是现成的，而“抽水机”是不必要的，于是我们就完全可以设想，只要出现一个水力发电机的雏形，镶嵌在“水坝”上面，生命活动所需的能量载体 ATP 就可以被源源不断的制造出来。
当然，我们还不知道最早的 ATP 合成酶是如何出现和开始工作的，更不知道岩石的微小空腔怎么就能变成今天的细胞膜结构，但既然在热泉口附近建立生命秩序的三个要素已经具备两个，那它当然就是生命最有可能起源的地点之一。
这就是进化论思维方式的价值。它不光能帮我们解释看起来违反常识的生命现象，还能反过来利用这种反常识的现象去预测和寻找新的规律。
信息悖论和 RNA 世界
同样的逻辑，也能帮助我们理解遗传物质 DNA 是如何在进化中出现的。
在上一讲的讨论里，我们把生命体的秩序传承过程，简化到了只有DNA 和蛋白质两者参与——DNA 负责记录和传递遗传信息，蛋白质在DNA 的指导下被生产出来，负责推动具体的生命活动。
但是在真实情况下，在从 DNA 到蛋白质的信息传递过程中，还需要一个中间产物——RNA；在 DNA 自我复制的过程中，也同样需要 RNA 分子的帮助。
这看起来是一个很多余的设计。因为我们完全可以设想一个根本不存在 RNA 的生物世界，DNA 和蛋白质之间形成闭环就可以。为什么在真实生物世界里，RNA 分子普遍存在？为什么生物非要在 DNA 和蛋白质中间绕个弯、搞个 RNA 呢？
恰恰还是这个反直觉又普遍存在的现象，帮助我们进一步接近了生命起源的最初面貌。
这就是所谓的“RNA 世界”的理论。
不少科学家认为，在生命刚刚起源的时候，可能既没有 DNA 也没有蛋白质，RNA 分子可以同时兼顾今天生命体中 DNA 和蛋白质的角色。
一方面，RNA 分子也是由四种碱基分子排列而成的，可以像 DNA 一样携带信息；另一方面，和单调无趣的 DNA 分子不同，RNA 分子在化学性质上更加“活泼”，可以像蛋白质一样，折叠扭曲成某个特定的三维立体形态，推动各种生命活动的发生。
实际上，在最极端的情况下，只要有持续的能量输入，一个 RNA 分子就能独立完成自我复制，完成秩序的稳定传承。科学家在实验室里还人工制造出了有这类功能的 RNA 分子。
因此，至少从逻辑上说，RNA 分子是最有可能单独支撑起生命之树的树根的。明白了这些，你也就不会为 RNA 的存在而困扰、为先有DNA 还是先有生命的问题而困扰了。
能量+信息：生命现象的底层约束条件
说到这里，你应该也看出来了，围绕能量和信息的两个先有鸡还是先有蛋的悖论，破解方式是很相似的：
在生命起源之初，可能既没有鸡也没有蛋，有的只是一个有点像鸡、也有点像蛋的东西。对于能量悖论来说，最初的生命可能需要依托于特定的物理环境来产生 ATP；而对于信息悖论来说，最初的生命可能需要用 RNA 分子来执行信息载体和生物学机器的双重使命。
但是无论如何，当能量和信息两个条件同时具备之后，地球上的生命活动就正式启动了。
这种启动方式带来了影响深远的结果——
- 第一，既然能量和信息是生命现象的基本特征，无可或缺，那就意味着，一旦最初的生命形态确定了用哪种方式制造能量、用哪种方式记录和传递信息，这些方式可能就会被永久性的保留下来。它构成了地球生命共享的底层约束条件，并且因为过于基本而无法被彻底替代。
道理也很简单。彻底替换就意味着至少有那么一个瞬间，生物体的秩序维持和传承存在停止的风险。而我们知道，从树根到树冠，生命之树的生长必须延绵不绝，一旦中断就万劫不复。
这也就解释了，为什么所有地球生命都使用氢离子蓄水池来制造ATP，为生命活动供给能量。并不是因为这个方式真的就是能量利用的最优解，而可能仅仅是因为，在海底热泉口附近萌发的生命祖先们使用了这种方式。尽管它的子孙后代远离了这种生活环境，但却无法彻底抛弃这种能量利用方式，只好亿万年的长久背负这个历史包袱。
同样的道理，今天的地球生物之所以保留了 RNA 分子这个看起来纯属多余的东西，也不是因为 DNA 和蛋白质两者无法完成秩序的传承，而可能仅仅是因为地球生命的祖先首先使用了 RNA 作为遗传物质和分子机器。对 RNA 的全面淘汰会让地球生物陷入秩序传承断档的危机。
- 第二，在保留底层约束条件不变的同时，一代代地球生物也在不断地探索，对它们进行优化、补充，甚至是再利用。
先说能量。
一直到今天，利用氢离子浓度差生产 ATP 这个过程，还顽固的保留在几乎所有地球生命体内。但这并不意味着，地球生命在过去几十亿年时间里完全无所作为。
比如，借助细胞膜的出现，借助氢离子泵的出现，地球生命不再需要依赖海底热泉口特殊的生活环境，而是可以在地球的各个角落，利用各种能量来源，蓄积氢离子、制造 ATP，从而安身立命、繁衍生息。
信息上也是如此。
RNA 曾经是生命世界的绝对主角，但在今天的地球生命体内，它已经把信息载体和分子机器的职能让渡给了能力更强的 DNA 和蛋白质。不过，RNA 也绝不是类似盲肠一样的进化残留。尽管它看起来像是 DNA 和蛋白质之间无关紧要的中介，但今天的地球生命也围绕它开发出了更多的玩法。
在这方面，最能体现生命创造力的要数 RNA 病毒了，比如流感病毒、新冠病毒等等都是。在 DNA 大行其道的现代世界，这类生物仍然顽固的使用 RNA 作为遗传物质。为什么坚持要用 RNA 呢？
一个合理的猜测是，对于这些病毒来说，RNA 分子作为遗传物质的缺陷，比如说错误率高，反而成了优势，能够让病毒快速产生大量的变异，从而逃逸宿主的识别和追杀。
总结
小结一下过去四讲的内容：
地球生命起源的很多细节，可能已经永久性的消散在历史中了，但我们可以推测：能量和信息这两个核心要素应该在生命起源的时候就已经存在，并共同实现了生命活动秩序的建立、维持和传承。
也因为持续的传承，地球生命祖先选取的获取能量和存储信息的方式，就成了此后几十亿年时间里，所有子孙后代生存繁衍的底层约束条件，只能修改完善，无法被彻底取代。
想到生命之树的样貌在那么久远的过去就已经被基本确定，我们在骄傲于祖先的荣光之余，大概也会对历史产生更强烈的敬畏吧。
下节预告
通过这四讲内容，我们从进化的视角讨论了生命的起源。接下来，我们同样用四讲内容，看看生命的增长问题。
我是王立铭，我们下一讲再见。
划重点
- 破解能量悖论：热泉附近，“水坝”是现成的，而“抽水机”是不必要的，只要出现一个“水力发电机”的雏形，能量载体ATP 就可以被制造出来。
- 破解信息悖论：在生命刚刚起源时，可能既没有DNA 也没有蛋白质，RNA 分子可以同时兼顾今天生命体中DNA 和蛋白质的角色。
- 一旦最初的生命形态确定了用哪种方式制造能量、记录和传递信息，这种方式可能就会被永久保留下来，只能优化迭代，无法彻底替换。