生命来自热泉口

你好，我是王立铭，欢迎来到生命科学50讲。

今天是能量的最后一讲。上节课，你知道了生命体制造ATP的过程，在绝大多数时候根本不是典型的化学反应，而是更像水力发电站一样，借助了细胞里面薄薄的膜作为屏障，借助了氢离子浓度差储存势能，借助了ATP合成酶做微型水力发电机，来制造能量货币。

上一节，我们这个答案完美地解决了20世纪最大的生物学谜团——生命体的能量来源问题。

不过，你有没有好奇过这样一个问题：生命为什么选择用水力发电站这种方法来制造能量货币呢？我们说过，ATP的使用已经显得有点多余了，但是制造ATP的过程好像更多此一举。

你想想看，化学反应本来就是可以产生ATP的，而且葡萄糖分解为乳酸的化学反应，已经普遍存在于各种生物体内。

生命为什么不遵循这种更稳妥、更精确的思路，在葡萄糖一步步分解的化学反应中获取能量，制造ATP？ 难道这种多此一举的办法有什么特别的优势么？

这节课，让我来开开你的脑洞。

尽管这个问题目前还没有确定的答案，但是近来的一些研究，提供了很有说服力的视角：制造ATP的方式，并不是被地球生命所普遍选择的，而是这种方式本身催生了地球生命的出现。

三十多亿年前的蛋白质分子机器

我之前提过，进化生物学家们推测出，三四十亿年前，LUCA是地球生命的共同祖先。2016年，科学家威廉·马丁分析了现存地球生物六百多万个基因的DNA序列，确认了有355个基因广泛存在于主要的生物门类。

LUCA模拟图，它是一种生物学家假想出的生物，在今天的地球上无迹可寻

所以马丁推测，这355个基因应该存在于LUCA体内。并且，因为它们有着极端重要的生物学功能，以至于跨越了三十多亿年的光阴，一直保存至今。

而在这355个基因里，就有ATP合成酶基因的身影，就是那个像水力发电机的一样的蛋白质。

这是不是说，在地球生命形成的早期，水力发电站的形态就已经形成了，就可以利用高强度的离子浓度差来供给能量了呢？

如果是这样，那就很有意思了。

现在的地球生命生产ATP的时候，从逻辑上一定是至少两个元件同时参与的，即除了ATP合成酶，还需要一个把氢离子从低水位泵到高水位的东西。前者负责释放能量，制造ATP，后者负责储存能量，相辅相成，缺一不可。

可是，在335个核心基因里面，只有ATP合成酶的基因，另一个却没有。

这就意味着，如果地球生命的祖先想要利用离子浓度差持续地获取能量，只有一个可能性——他们得找一个天然就存在离子浓度差的环境。

那么，这样天然存在高离子浓度差的环境，会在自然界里存在吗？换句话说，如果我们在自然界能找到这样的环境，那是不是也就找到了地球生命起源的场所呢？

其实，回忆一下我们讲过的热力学第二定律，你就会知道，找到一个天然存在离子浓度差的环境会很困难。

就像往咖啡里倒牛奶，要不了多久就混合均匀了。离子浓度差就算天然出现了，也根本无法维持，很快就会混合均匀的。

所以，要想在天然的条件下维持一个离子浓度的差别，就需要有一道物理屏障，让离子不能随随便便从一边运动到另一边才行。这个屏障的功能就像是河流上的水坝，能阻挡水的流动，或者像是细胞里面的膜，能阻挡氢离子的流动。

原始生命在海底热泉口制造能量

那么在远古的地球环境里，这样的地方在哪？

如果只是单纯地在海水中寻找，是不可能找到这种屏障的，所以，很多科学家就将目光投向了海底。

上个世纪七八十年代，在大洋深处几千米深的海底，海洋生物学家先后发现了一些海底喷泉，那里持续喷发热量和化学物质。根据这些喷泉周围岩石的颜色，它们也被分别叫做“黑烟囱”和“白烟囱”。

大家立刻意识到，在“黑烟囱”或者“白烟囱”的周围，确实存在天然的物理屏障和离子浓度差。

深海“白烟囱”

这是怎么回事儿呢？首先我们说说烟囱是怎么形成的。

在大洋底部、特别是地球板块之间，存在一些非常深的裂缝，可以一直通到地壳的深处，甚至地幔。

海水在这些裂缝的深处被加热到一二百摄氏度，甚至四五百摄氏度，然后滚烫的水沿着裂缝喷涌而出。喷出的过程中，把来自地幔和地壳的很多化学物质也带了出来。

持续不断喷涌出的化学物质，就像持续不断地往咖啡里滴入牛奶，在牛奶滴落进咖啡的那个非常小的地方，牛奶浓度总是会比其他地方高。

所以，在热泉水与海水接触的界面上，一定存在非常高的离子浓度差。

当然，这里的离子可以是氢离子本身，也可以是海洋中富含的其他金属离子，比如钠离子和钙离子。但是无论如何，只要有分布不均的带电荷离子，就有可能被生物体利用产生能量。

这还没完。在“黑烟囱”和“白烟囱”周围，来自海底裂缝的化学物质会逐渐地沉淀下来。这些沉淀下来的岩石，往往具有非常疏松的结构，就像是一大块海绵，里面有非常多细小的孔洞。这些微小的孔洞就形成了天然的物理屏障，能阻止化学物质自由扩散。

所以这样一来，在海底烟囱内部，在那些密密麻麻的小孔的墙面上，就很容易蓄积起高强度的离子浓度差。

这个稳定存在的离子浓度差异，一旦被ATP合成酶这样的蛋白质分子机器所利用，那么生产出能量货币ATP，继而供给生命活动，就是顺理成章的事情了。

说到这里，我们居然给地球生命的祖先找到了一个天然的、能产生能量的地方。

不过，我猜你又提出了另一个问题：不管是海底“黑烟囱”还是“白烟囱”，那可都是在几千米以下的海底，海水的压力巨大，温度非常高，还没有阳光，这样极端的环境怎么可能会有生命呢？

然而，即使在今天，那样的海底深处依然有许多你无法想象的生命存在。

在热泉口的高温环境中，存在着许多种类的古细菌。别看它们叫做古细菌，感觉是远古时代遗存下来的古代的细菌。其实，它们和我们日常生活中提到的细菌非常不一样，在进化历史上早早地就已经分道扬镳了。

这些古细菌能够抵抗滚烫的泉水，而且还能靠泉水从地底深处带出来的化学物质生存。而它们本身也成了天然的食物来源，吸引了更多的海底生物来热泉口附近生活，比如软体动物、鱼和虾。

所以，地球生命的祖先出现在海底热泉口这个说法，现在听起来没有那么耸人听闻了吧？

天然的离子浓度差，为最初的生命提供了最简单的能量获取方式。只需要在一次偶然的机会下，诞生出ATP合成酶，生命的发动机就可以启动了。

回到我们最开始的问题：生命为什么选择用离子浓度差，这种看起来节外生枝的方法，来制造能量货币，而不是直接用简明扼要的化学反应呢？

也许一个答案是这样的：并不是今天的地球生命不约而同地选择了这种方式，反而是这种方式催生了地球生命的出现。

明白了这一点，我们就能把视野放得再广阔些。

或许在宇宙深处，生命应该也不罕见。因为不需要阳光，不需要环境适宜，只要存在离子浓度的差别，存在能够阻挡离子流动的物理屏障，生命就有可能诞生。

很可能，不需要到特别遥远的地方，在我们太阳系某颗星球上，就存在着可以利用离子浓度的原始生命。

我们回到地球。当生命的祖先掌握了利用离子浓度差制造能量的技能后，同时，他们也就掌握了远离热泉口的能力。因为，他们已经不再需要现成的氢离子浓度差和天然的岩石水坝来制造能量了。

此时的他们拥有了能够蓄积氢离子的水泵，能够稳定储存氢离子的水坝，能够制造ATP的水力发电机，甚至还能将能量储存在诸如葡萄糖这样的营养物质中长期备用。

三四十亿年弹指一挥间，当今天的你在饱餐一顿出门上班，穿上跑鞋开始运动，坐上飞机飞向远方的时候，在幕后默默支持你的，仍旧是氢离子永不停歇的流淌。

(A) 为什么生命需要能量？

生命活着需要对抗热力学第二定律，攫取“负熵”，降低自身的混乱程度。

• 热力学第二定律是指在封闭系统内，系统的混乱程度只会增大，不会减少，混乱程度用“熵”表示。

(B) 生命是怎么利用能量的？

太阳光是能量的最终来源，葡萄糖是一切生命储存能量的物质。葡萄糖分解产生能量，供生命使用。

• 葡萄糖有两大优势：一、分子结构稳定；二、方便快速释放能量，因此一切生命都选择葡萄糖作为能量之源。

(C) 既然葡萄糖可以产生能量，为什么还需要“中介”ATP？

ATP存储能量的单位更小，生产能量的化学反应更易发生。

• ATP与ADP之间极易发生相互转化，从而完成能量的释放和存储，这个过程循环进行，使能量生产和利用更高效。

(D) 产生ATP的过程是什么样的？

米切尔提出的水电站模型解释了ATP的生产原理。

• 葡萄糖分解产生的能量，将离子从低浓度的一侧运到高浓度的一侧，积累势能。然后离子通过ATP合成酶，带动ATP合成酶内的叶片结构转动。每通过3个氢离子，就能带动产生1个ATP分子。

(E) 生命为什么用水电站的方式生产ATP，而不是用化学反应？

不是生命选择了这种方式，而是这种方式催生了生命的出现。

• 在生命初期的自然界中，海底热泉口周围存在天然的离子浓度差，一旦ATP合成酶出现，浓度差就会带动ATP合成酶，用水电站的方式产生ATP，进而为生命提供能量，加速生命的出现。

下节课，我会开始讨论另一个生命中必不可少的要素——自我复制。我们下讲见。

当你饱餐一顿出门上班，穿上跑鞋开始运动，坐上飞机飞向远方的时候，在幕后默默支持你的，仍旧是氢离子永不停歇的流淌。