第一个细胞是怎么形成的

你好，我是王立铭，欢迎来到生命科学50讲，我们继续讲细胞的故事。

上节课结尾，我留了一个关于细胞的逻辑难题。这个问题的核心在于，当地球上第一个细胞出现的时候，它是如何一下子就把构成生命的其他要素——物质、能量和自我复制的机能——同时包裹到细胞膜里的呢？

这个问题听起来有点傻，但如果你仔细琢磨一下，会发现难以回答。

说到底，这又是一个“先有蛋还是先有鸡”的问题。这里的“鸡”是细胞膜，而“蛋”是细胞膜里面的蛋白质、DNA、RNA和其他生命物质。

我们说过，细胞膜是起到物理屏障和约束作用的一种结构，主要是由特殊的脂类分子组成的。

细胞像一个装满水的气球，细胞里面的DNA、RNA和蛋白质，也是喜欢水、不喜欢油的分子。所以它们根本不可能自由穿过细胞膜，因此，也就被牢牢约束起来了。

但这样一来，问题就出现了。

如果是先有“鸡”，也就是先出现细胞膜的结构，那环境里的蛋白质、DNA、RNA等等分子，就根本没法穿过膜，进入到细胞内部。这样的细胞是个空心的气球，完全没用。

反过来，如果是先有“蛋”，也就是蛋白质、DNA等分子，好像也不行。因为没有细胞膜的约束，这些分子是会自由扩散的。还没等细胞膜形成，这些分子就已经在地球海洋中扩散得无影无踪了。

说到这里，我需要插一个背景介绍：今天的细胞其实不存在这个问题，因为它能够依靠细胞膜上面各种各样的蛋白质分子进行物质运输。这些蛋白质分子能够形成狭窄的小孔，让各种物质有秩序地进出细胞。

在磷脂双分子层的细胞膜中，镶嵌着各种各样的蛋白质分子

但是不要忘记，在第一个细胞形成的时候，这些帮助细胞运输物质的蛋白质分子，应该都是不存在的。因为在第一个细胞出现之前，这些蛋白质分子根本没用。

这个“先有鸡还是先有蛋”的问题怎么解决呢？

你也许会想，如果一堆脂类分子正在缓慢聚集成空心球的时候，恰好在它们中间漂浮着几个DNA分子、RNA分子、蛋白质分子。这样一来，它们就非常意外地被包裹在细胞膜内了。

但是，如果想要这样的情形出现，那概率实在是太小了。因为我们需要的已经不仅仅是化学反应上的可能性了，还需要这几件事情在时间和空间上存在惊人的巧合。

所以，关于这个逻辑难题，大家一直在寻找更合理的解释。

今天，我会告诉你生物学家们提出的三种可能的解释，你也来看看哪一个更靠谱。

假说一：千疮百孔的细胞膜

第一种解释跟“鸡”，也就是细胞膜有关。有人猜测，在早期的细胞生命中，细胞膜还没有今天这样密闭。

换句话说，最早的细胞生命有一个千疮百孔的外壳。这样一来，和生命活动相关的分子，就可以慢慢地通过这些孔洞进入细胞内了。

这个说法还得到了一些实验证据的支持。

比如，在默奇森陨石上找到的脂类分子，就和今天地球生命细胞膜上的脂类分子有所不同，形成的膜的密闭性也有些差别。

当然，这个假设有一个逻辑问题，那就是，如果早期的细胞真的是千疮百孔，那么生命物质能进去，自然也就能出来。

说到底，这个千疮百孔的细胞膜好像也就没有什么实际用处。而且，这些远古生命是怎么慢慢地让这个细胞膜越来越密闭，越来越结实的呢？在这个过程中，它们又怎么保证生命物质不会全部流失呢？这些问题也不好回答。

假说二：能够翻转的细胞膜

我们再看第二种解释，这个解释跟“第一种解释”针锋相对。

有人认为，生命物质压根儿不需要“进去”。生命物质完全可以呆在细胞膜的外面，而且可以通过某种方法固定在细胞膜表面，不能自由离开。

这个说法在逻辑上的确能自圆其说。我们知道，细胞膜的一个重要功能就是空间约束作用，能把和生命活动相关的物质、能量等要素聚拢在一起。

那么，不管是把它们包裹在细胞之内，还是把它们固定在细胞外表面，其实都能实现一样的目的。

然后呢？可能不知道到了什么时候，细胞膜发生一个大尺度的翻转。本来附着在细胞外表面的物质就会翻转到内侧。

就像是你冬天脱掉手套的时候，要是从手套根部使劲一扯，手套的外面就会翻到里面去了。

这种猜测的问题是，逻辑上很完美，但是没有多少实际证据的支持。当然了，有一个间接证据是，今天的地球细胞确实有折叠扭曲细胞膜的能力。

比如我们身体内的白细胞，就能通过改变细胞表面的形态，像形成一个凹陷，或者伸出几只触手，把周围的细菌和细胞碎片，吞到它的内部。这是第二种解释。

细胞膜的大尺度流动可以产生“吞咽”和“吐出”的效果

假说三：ATP合成酶的小孔是天然通道

那第三种解释是什么呢？其实，如果你回想一下上一个“先有鸡还是先有蛋”问题的解决方案，你可能自己也能想到思路。

我们来一起回忆一下。上一个“先有鸡还是先有蛋”的问题，说的是保存遗传信息的物质DNA，和推动生命活动的物质蛋白质，究竟谁先出现。因为它们俩难以独立存在，但是同时出现、相互配合的概率又微乎其微。

那么到底是谁先出现的呢？我们给出的最有可能的答案是“RNA”。那是一个既像鸡又像蛋，既不是鸡也不是蛋的物质；一种既能像DNA一样存储遗传信息，又能像蛋白质一样催化生物活动的分子。

那么，今天这个“先有细胞膜，还是先有生命物质”的问题，会不会也有像RNA一样，一物两用、两全其美的解决方案呢？

你别说，这个思路可能真对了。具体的解决方案，实际上和我们提到过的一种蛋白质分子有关。

你可能还记得ATP合成酶。我们之前讲能量这个要素的时候说过，它是一种非常古老的蛋白质，能够利用细胞膜两侧出现的离子浓度差，持续生产能量货币ATP。

你可以把它想象成是一个组合式分子机器，它能在细胞膜上钻出一个小孔，插进去一个带着三个叶片的水力发电机。当氢离子穿过这个小孔流动的时候，就能够推动叶片转动，产生ATP。

其实，刚才不小心已经说出这第三种解释的关键词了——小孔。你有没有突然意识到，ATP合成酶的小孔，不就是一个天然的物质运输要道吗？

虽然今天地球生命ATP合成酶的小孔直径非常窄，只允许氢离子这样非常小的物质通过。但是，有进化生物学的证据显示，在数十亿年前，古老的ATP合成酶蛋白可能有个很大的孔，它可能有好几个纳米的直径。

贯穿细胞膜的ATP合成酶模型

这样的孔就足够大了，足够让很多物质进进出出。虽然那样一来，它生产ATP的效率肯定会受到影响，就像一台漏水的水力发电机，发不出什么电。但与此同时，这个较大的孔洞，就能让生命物质进入细胞内部了。

这样，第一个细胞的形成问题就解决了。远古的ATP合成酶以一己之身，完成了制造能量和运输物质的双重使命。

当然，沿着这第三种解释，你也可以想象，随着细胞生命的不断完善，越来越多的复杂蛋白质被生产出来。它们替代ATP合成酶，承担起细胞内外运输的职责。这时候，细胞膜就逐渐变得越来越密闭。

说到这，你觉得这三个解释哪个更靠谱呢？欢迎留言，告诉我你的想法，还有你思考的逻辑。

我必须得说，至今为止，它们都还只是假想的模型，现有的数据还不足以让任何一种模型说服所有科学同行。

但是不管哪个可能性是对的，地球上第一个细胞生命的出现这件事情，在逻辑上至少是说得通的。而第一个完整细胞出现，也确实让地球生命走上了快车道。

那是不是说，细胞出现之后，地球生命就开始一路狂奔，从单细胞生物变成多细胞生物，再从多细胞生物演化成各种五花八门的动物、植物，一直到智慧生命——也就是人类出现呢？

那还真不是。

首先我们得强调一点：从简单的细胞生命到更复杂的多细胞生命，并不是命中注定的发展道路。

很多人对生命演化的过程可能有个误解。他们天然认为，地球生命的发展历程有个积极乐观的方向：从简单到复杂，从低级到高级。

我猜，这也许是因为“进化论”这个词里“进化”两个字的误导。

实际上，地球生命本身并不存在“更复杂就是更成功”的价值判断。推动着生命变化的只有一个力量，那就是自然选择。

谁只要能活下来，只要能繁殖后代，就是好的。自然并不会天然青睐特别复杂或者所谓高级的生命。

从这个角度说，多细胞复杂生命的出现并不必然。

实际上，一直到今天，地球上数量最多、种类最多的生命，还是单细胞生命。我们反而需要给多细胞生命的出现找到一个实实在在的理由。这个理由，我留到下一个单元来细细说明。

同时，我还得强调第二点：虽然细胞已经出现了，有了物质、能量和自我复制的能力，但是它的生存发展是有个天花板的。

细胞生命其实像是一个巨人诞生在了一间低矮的房间里，只要他一抬头就会撞到结实的天花板。如果不是发生了一个偶然事件，细胞生命可能会被永远困在这个房间中。

那样的话，今天的地球上可能只会有非常简单的、像细菌这样的单细胞微生物。智慧生命可能根本就不会出现。

下一讲，我们就先来讨论一下困住细胞生命的天花板是什么，再看看细胞生命到底是怎样突破这个天花板的。

我们下一讲见。

细胞生命像一个巨人诞生在低矮的房间里，他一抬头就会撞到天花板。如果不是因为一个偶然事件，细胞生命可能会被永远困在这个房间中。