第一章
原始浓汤？
可贵的错误理论
在“生命起源问题”的早期研究中，1953年的米勒-尤里实验是最重要的那一个。这个实验在装有一氧化碳、水和氨等无机物的烧瓶里不断通电，模拟电闪雷鸣的原始大气，果然产生了许多种类的有机物，甚至包括了一些氨基酸。
从实验本身上讲，它很成功，从舆论上讲，它也达到了声势浩大的“祛魅”效果，让人们普遍接受了生命和非生命之间并无不可逾越的鸿沟的事实。
但很遗憾，由此提炼的原始有机汤假说很可能不是正确的。尽管许许多多的后继研究者努力想要修补这个假说，让它更加吻合地质化学上的观察数据，但它始终面临着一个更根本的难题。
如果要选择一个象征生命科学的符号，那么，DNA（脱氧核糖核酸）双螺旋结构一定当仁不让，甚至要选择能代表自然科学的符号，人们也只会在双螺旋结构和卢瑟福的原子模型
之间犹豫不决。
图1—1 图表化的DNA双螺旋结构和卢瑟福原子模型。（作者绘）
的确，纵观人类的整个科学史，富兰克林、克里克与沃森等人发现DNA双螺旋结构绝对排在20世纪最重大自然科学成果的前三名，但是回到1953年，DNA双螺旋结构的论文在《自然》杂志上发表的那一年，这篇论文却并没有吸引太多目光，因为整个生物学界都在谈论爆炸性的“米勒-尤里实验”：有人在烧瓶里模拟了生命诞生前的原始地球，结果，烧瓶里自动出现了生命诞生的关键材料——氨基酸。
“米勒-尤里实验”是人类历史上第一次用科学实验探索生命的起源，当时的人们普遍认为它成功地证明了生命可以在无机环境中自发诞生，甚至解释了生命的起源。
这个实验的声望如此煊赫，解释起来却并不复杂。它试图验证的就是那个公众最熟悉的生命起源假说——原始有机汤假说：在原始地球上，无机物在某种条件下形成了许多有机物，它们积累在海洋中，使海水变成了“原始有机汤”，而这些有机物彼此之间发生了越来越复杂的反应，最终形成了生命。
这个假说本来在20世纪20年代就已经问世，但最初的提出者只停留于理论构想而已，并没有想到用可以观察的事实验证一下。于是，1953年2月，在助教斯坦利·米勒（Stanley Miller，1930—2007）的热情的感染下，芝加哥大学的化学教授哈罗德·尤里（Harold Urey，1893—1981）放下了研究陨星成分的课题，转投到这件近乎浪漫的事情上。
·星空与海洋·
是的，生命起源研究和天体化学有着千丝万缕的联系。比如在20世纪50年代，当时的天文学家已经通过光谱分析，知道了木星和土星等气态巨行星的大气主要由氢、氨和甲烷等还原性气体构成，并且据此推测原始地球也有这样的大气和剧烈的风暴。
图1—2 米勒-尤里实验装置的示意图。当代版本一般会在最下方的“冷凝水”部分加一个取样探头，方便检测反应产物。（来自YassineMrabet | Wikicommons及本书作者）
于是，米勒和尤里在一个盛了水的烧瓶里充满这些气体，密封后插入电极，不断用电火花模拟原始地球上的闪电，一直持续了一个星期。然后，他们发现10%到15%的碳元素都形成了有机物，而且复杂程度远远超过他们最疯狂的想象：除了甲酸、乙酸、丙酸、乳酸这样常见的羧酸以外，还有2%的有机物是氨基酸，其中不乏甘氨酸、丙氨酸、谷氨酸和天冬氨酸这些蛋白质中常见的氨基酸。
1953年5月，“米勒-尤里实验”在《科学》杂志上发表，立刻在科学界引起了强烈的反响，因为它有力地证实了即便脱离生命，简单的无机化学反应也能产生丰富的有机物，进一步地，人们普遍认为这证明了原始有机汤假说。
所以，在此后的半个多世纪，不断有研究者设计类似的实验，除了模仿原始地球的闪电和强紫外线之外，富含硫元素的火山喷发也被模拟出来，他们试图发现原始有机汤中究竟包括哪些分子，果然又有十几种氨基酸在烧瓶里相继问世。另一些生物化学家致力于研究这些简单有机物如何进一步形成核酸和蛋白质，比如在2009年，《自然》杂志上的一篇论文就讨论了这些简单有机物如何在水中形成胞苷一磷酸（CMP）——遗传密码中的字母“C”I。
这样说来，原始有机汤假说已经顺理成章地解释了许多问题：那些小分子无机物在原始地球的各种条件下发生了各种越来越复杂的化学反应，产生了越来越复杂的有机物。这些有机物溶解在原始的海洋里，又彼此发生了更加复杂的联系：核酸浓缩起来形成了遗传密码；氨基酸浓缩起来形成了蛋白质，催化各种新陈代谢；最后，磷脂则因为分子两端有相反的极性，而在海水中自发地聚集成囊泡和薄膜，把这一切包裹住……事儿就这样成了，细胞诞生了！
图1—3 磷脂分子组装成囊泡，把核酸与蛋白质包裹起来，形成原始细胞的示意图。那些两条尾巴的火柴头似的东西，代表我们在高中生物课上反复接触的磷脂分子。它们的尾巴不溶于水，因此互相纠缠起来，最终组装成一个空心的囊泡，而核酸与蛋白质会被包裹进去，这就形成了原始细胞。不过，为了表现方便，这张示意图格外夸大了磷脂分子的尺寸，以致囊泡里面的空间那样狭小，都画不下核酸和蛋白质了。但实际上，磷脂构成的细胞膜非常薄，图序—3才更加符合实际比例。（作者绘）
作为第一个建立在科学上，而且相对完整的生命起源理论，它获得了巨大的关注和信任，时至今日，几乎所有的公立学校教科书都会把“米勒-尤里实验”和“原始有机汤”结合起来，作为“生命起源”的标准回答。
但这个假说经不起推敲，人们只顾沉浸在科学突破的喜悦中，竟对两个明显的破绽视若无睹。
·时间的胶囊·
第一个破绽来自“米勒-尤里实验”本身：他们从一开始就没有弄明白原始地球的大气——它根本不是还原性的。
说来有些惊人，就在你的脚下，地球上到处都是纵横几十亿年的“时间胶囊”——锆石，也就是硅酸锆（ZrSiO₄）的天然晶体。锆石往往是岩浆逐渐凝固时的产物，广泛分布于酸性或中性的火成岩中，尽管大多是几百微米大的透明晶体，要在显微镜下才能看清，但它们的化学性质稳定得吓人：在常压下可以耐受3 000℃的高温，硬度与金属钨相当，能抵御各种酸碱腐蚀，当然也不溶于水，不会被任何生物作用破坏。实际上，它们简直就像《指环王》里的那枚魔戒，一旦在岩浆中铸成，就再难被破坏，在数十亿年的时间里辗转流传。地球表面的火成岩、变质岩和沉积岩，乃至一切沙与土，在各种地质作用下循环变化，锆石也随之出现在其中的任何地方。谁都不能改变它们——除了当初创造它的岩浆，也除了它们自己内部的放射性元素。
这是因为，铀元素与锆元素很相似，在岩浆结晶形成锆石的时候经常掺进去一点。但铀元素具有放射性，在漫长的岁月中会逐渐衰变，转化成锆石中本来没有的铅元素。而铀元素的衰变速度比锆石的化学性质还要稳定，不受任何外界因素影响，所以当我们拿到一块锆石，测量锆石中铀与铅的比例，就能算出这些铀元素经历了多长时间的衰变，也就知道了岩浆是在何时凝固成锆石的——从45亿年前到100万年前，测量的误差只有1%到10%，这就是“铀铅放射性测年法”。
图1—4 锆石偶尔也有几厘米大的。如果质地纯粹，可以用作宝石。（图片来源：Ruslan Minakryn）
图1—5 显微镜下的锆石微粒。注意里面的杂质和气泡。（图片来源：Russ Crutcher）
而最妙的是，锆石在形成的时候常常把微量的大气、海水等各种物质包裹进去，在漫长的岁月里保护它们不受任何侵蚀，我们只要测定这些锆石的年纪，也就知道了其中的海水和大气来自哪个年代，这个年代的大气和海洋有哪些成分。
于是，我们遍寻40多亿年前的“时间胶囊”打开来看，结果遗憾地发现，40多亿年前的原始大气并不像“原始有机汤”假设的那样，是还原性的氢、氨、甲烷等物质，而是以二氧化碳和氮气为主的中性大气，这让米勒-尤里实验从根源上受到了质疑。II
当然，科学假说总有支持者，原始有机汤假说也不例外。他们提出，虽然配方不对，但是海洋可以提供丰富的水蒸气，而水蒸气就可同这些中性气体反应，产生氢、氨、甲烷这样的还原性气体。如果考虑到40多亿年前频繁的火山活动，这样的还原性气体还会更丰富，所以那些有机物仍然会出现在海洋里。III
而更加激动人心的是，天体化学又有重大斩获：太空中竟然也充满了有机物，哪怕最普通的弥漫在遥远星际的分子云中，也存在着大量的小分子有机物。至于太阳系内部，事情就更加美妙了。那数不清的彗星里，主要的成分是水，同时也含有氢、氨、甲烷和二氧化碳。当它们在引力的摄动下闯入太阳系内部，就在太阳的高能辐射下形成了巨量的有机物，其中也包括了种类丰富的氨基酸，这在实际的观察中已经得到了充分的证实。比如2004年罗塞塔号探测器造访的彗星67P，它的横截面就比洛杉矶还大，其中竟然有接近一半的质量来自有机物。而在太阳系形成早期，彗星们横冲直撞，三天两头就坠毁在行星上。所以，这些彗星就像“有机”风味的浓汤宝，一旦撞上刚刚形成的地球，溶解在海洋里，就会形成一锅醇厚的“原始有机汤”。
这个新论据不但在很大程度上拯救了原始有机汤假说，而且将地球上特殊的生命活动与普遍的宇宙联系在了一起，使生命变成万有引力一样广泛存在的事物，成为“泛种论”的当代版，惹得天文学家、化学家和生物学家纷纷怜爱。很快，“彗星在宇宙中给生命播种”这个极具浪漫主义色彩的假说在幻想艺术的黄金时代席卷了整个世界，恐怕每个关心生命起源问题的人都或多或少地听说过这个故事。
·混沌的佯谬·
但这仍然站不住脚，因为原始有机汤假说还有一个重大的理论破绽：要让小分子有机物形成大分子有机物，再形成生命，必须先让这些有机物达到相当高的浓度，并且维持这种浓度，否则那些诱人的化学反应在统计上根本就不会发生——要知道，生命要维持新陈代谢，每立方微米，或者说一立方厘米的一万亿分之一，就要有几十万个大分子的蛋白质，其他小分子有机物更是不计其数。我们常把细胞里面装的东西想象成一包“液体”，但它实际上比芝麻糊还要稠，几乎像果冻一样了。
而原始海洋里的小分子有机物再多，又能多到什么地步呢？地球上的海水大概有13亿立方千米，无论多么频繁的闪电和火山喷发，或者多么富饶肥沃的彗星，只要投进去，顿时就会泥牛入海，稀释得根本称不上是“汤”了。所以，又是什么惊人的力量，能在某时某刻，从浩瀚的海洋中搜刮来数千万个有机物分子，专门浓缩到一个细胞的尺寸上呢？
当然，“原始有机汤”的支持者依旧会试图挽救这一理论。
原始地球的地质活动更活跃，会形成很多火山湖和地热泉，原始地球频繁的天体撞击也会形成很多陨石坑。这些地方可以积蓄成分非常复杂的水，这里不仅有彗星撞击带来的有机物，而且由于原始地球没有臭氧层，强烈的紫外线也能像米勒-尤里实验里的电火花一样在水面上制造有机物。火山活动还会释放一种名叫羰基硫的化合物，这种物质能催化氨基酸缩合成各种多肽IV，也就是蛋白质的片段，这被认为非常有利于生命的起源。
更重要的是，火山湖、地热泉和陨石坑可比海洋渺小多了，很容易蒸发成一锅真正的“浓汤”，其中的有机物就更有机会浓缩成最初的生命，然后由于潮汐、风暴、河流改道等偶然原因进入广阔的大海，开始自由进化。
有了这些补救，假说的确看起来是一幅跌宕起伏的生命起源图景，但很难说补救是有效的。
从小分子有机物到大分子有机物，再到类似细胞的有机物复合体，最后到真正的细胞，需要持续数百万年的稳定环境，闪电当然达不到这样的条件，陨石坑也同样不具有这样的稳定性。而且，一切生化反应都非常脆弱敏感，所以孕育生命的环境不仅要稳定，还要足够温和。而闪电、火山活动、强紫外线都太过暴戾，它们虽然能够促使无机物转化成小分子有机物，但仅此而已，那些小分子胆敢长大一点，立刻就会被这些能量打碎。至于那些富含羰基硫的地热温泉，它们会含有更多硫酸，让那锅“原始有机汤”呈现出强烈的酸性——先不说这非常不利于大分子有机物生成，只说我们已经注意到的，如今一切细胞内部都是弱碱性的，哪怕是生活在强酸环境中的微生物也一定用种种代谢手段维持细胞内部的弱碱性，这就与强酸性的地热温泉方枘圆凿了。
图1—6 东非大裂谷的达洛尔（Dalol）火山湖毗邻红海。这地热温泉的产物富含高浓度的硫化物和盐，是研究嗜极微生物的好地方，绿色的湖底就与绿硫菌（Chlorobium）的活动有关——我们会在第七章和第八章再次遇到这种微生物。（来自Luce20006 | Dreamstime.com）
不仅如此，更根本地说，所有版本的原始有机汤假说都在讲述某种溶液，说溶液里能够发生复杂的反应，产生什么迷人的新物质，那一点儿也不奇怪，毕竟，绝大多数的化学合成实验就是这么做出来的。但溶液作为一个系统，从来都是越发展越均匀，如今非要说其中的物质非但没有均匀地溶解开，反而自动地凝聚成了结构复杂的生命，那就像“鸭子汤倒进海里，过了一阵子，一只活鸭子漂上来飞走了”一样难以置信。
总的来说，时至21世纪，原始有机汤假说已经尽到了“生命可以从无机环境中自然诞生”的启发使命，并且在探索中解释了大量从无机物到有机物的反应机制，收获颇丰。这个假说到了该寿终正寝的时候，我们如果继续沉迷在这些过往的发现中，不知厌倦地修修补补，将会浪费我们最宝贵的精力，拖住生命科学进步的脚步。
在探索之路上，我们将很快到达下一个转折点。