在以前本小組的討論中，我曾提到“比如你如果不理解所有生物共有的膜滲透能量供應化學原理，你就根本無從評價任何生命起源的理論。
在一篇題為“為什么還有這么多人相信進化論？（http://www.douban.co
前文回顧：《二十世紀最“反直覺”的偉大生物學發(fā)現(xiàn)：化學滲透（三）》
【Peter Mitchell 接受諾貝爾化學獎】
在1961年米切爾拋出他的重磅炸彈時，他確實沒有什么實驗基礎，這也是大多數(shù)學者本能上不接受他最主要的原因。然而這個獨辟蹊徑，自己宣示一個新體系的假說，卻是建立在米切爾對已知科學事實和實驗結果深入分析的基礎上。透過他奇特的視角和迷霧一樣的語言，越來越多的人認識到，米切爾的化學滲透假說像一塊奇形怪狀，但是邊邊角角都恰好合適的拼圖板，解釋了有氧呼吸研究中眾多的不解之謎：
首先就是膜。原核細胞生物（細菌和古菌）都有脂質(zhì)細胞膜。而真核細胞生物中，線粒體有氧呼吸制造ATP，葉綠體的光合作用也制造ATP，這些跟能量相關的細胞器也都有脂質(zhì)膜。在以往的研究中，生物膜被當做是僅僅結構上的東西，沒有人從功能上意識到它的重要性，化學滲透學說解釋了為什么ATP的制造場所無一例外都有生物膜。因為化學滲透的全部動力就來自于這個“水壩”制造的濃度隔離。
氧化場所和ATPase物理隔絕的問題也迎刃而解。因為化學滲透的能量傳遞過程就像你在一處用抽水機蓄水，而在另一處用泄洪道發(fā)電，整個水庫（整個線粒體內(nèi)外膜之間）環(huán)繞著所有的設備。這時候你的設備在哪里當然無所謂了。
ATP異常的高比例問題也是這樣輕易解決。只要線粒體內(nèi)膜外積聚著足夠濃度的質(zhì)子庫，ATPase就能持續(xù)把ADP轉(zhuǎn)變成ATP，保持ATP在細胞內(nèi)的高濃度。而這時候氧化強度怎樣是無關痛癢的。水庫蓄夠了水，哪怕抽水機停上一陣，發(fā)電也在持續(xù)進行。
葡萄糖氧化量和ATP制造量配不平的問題，在這個場景下也不成其為問題。因為這樣看來，制造ATP的數(shù)量根本不是受實時的氧化量控制的（實際上是受細胞能量需要控制，由其他來自外部的化學信號調(diào)節(jié)的）。就像發(fā)多少電是受電網(wǎng)需求控制的，跟實時的抽水量沒有嚴格對應關系。只有長期、大體上的宏觀比例，這就是28-38這個含糊數(shù)字的含義。
最精彩的是這個假說一下子就解決了眾多解偶物質(zhì)的共性。答案對化學家們來說真是郁悶，因為實在是太簡單了。以往尋找共性的時候，化學家們總是在找它們的反應特性，完全沒想到這些東西都有兩個最簡單，在高分子的生物化學中根本“不值得”考慮的屬性：它們都是脂溶性的弱酸。弱酸的特點是兩性化：在酸性較大的環(huán)境中表現(xiàn)為“堿”，跟氫離子（也就是質(zhì)子）結合。在中性或堿性環(huán)境中恢復酸的本性，釋放氫離子。脂溶性使得它們能夠自由穿越脂質(zhì)生物膜，在線粒體外表的酸性水庫中拽住質(zhì)子，穿越回來回到內(nèi)部又釋放質(zhì)子。而且它們受到內(nèi)外酸堿度差和電位差的往復壓力，會不停地做這種來回運動。這些解偶物質(zhì)就像偷渡船，把細胞色素工廠辛辛苦苦泵出去的質(zhì)子又都給運了回來，只要它們達到一定濃度，外部的“水庫”就被放得失去了足夠勢能，ATP制造當然停滯了。一個千瘡百孔的大壩是蓄不了水，發(fā)不了電的。
【線粒體有氧呼吸-化學滲透反應鏈路】
一個健康有力的科學假說，不但需要解釋已經(jīng)存在的疑問，而且通常都能做出一些具體、可驗證的預言，描述尚未發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象，去引導實驗科學家加以證實。1965年以后，米切爾本人和他的助手Moyle當然在做實驗，其他一些腦子逐漸被米切爾的喋喋不休掰過來的科學家也加入了實驗行列，其中包括一些米切爾以前論戰(zhàn)得最苦澀的論敵，比如Racker。
60年代末，米切爾和Moyle首先實驗證實了他自己的預言：線粒體內(nèi)外膜之間不但有明確的酸性濃度梯度，和膜內(nèi)還有150毫伏的電位差。不要小看這150毫伏，因為它的距離間隔僅僅是5納米的線粒體內(nèi)膜。等比例換算的話這個強度大概和大氣閃電的強度差不多，比家用電高1000倍，堪稱自然界強度最高的電勢能場。
Racker跟著做了一個精巧的實驗，他把細胞色素氧蛋白綜合體從線粒體中提取出來，放進人造的脂質(zhì)膜泡中，測得膜外仍然能積蓄起質(zhì)子濃度。這個實驗的含義是排除了有氧呼吸的消耗段：ATPase，以及ATPase自己和其他所有細胞環(huán)境循環(huán)影響質(zhì)子濃度的可能性，單純檢測供應段。結果是完全符合化學滲透假說的前半段。在此之前，沒人相信已經(jīng)研究得十分透徹的葡萄糖氧化過程真的是“質(zhì)子泵”。Racker的皈依影響了學界大量的人，風向開始轉(zhuǎn)變了。
在這個階段米切爾的促狹鬼性格開始作怪：他公開建立了一個表格，表格上記錄他以前每一個批評者“皈依”的日期，Racker大人榮登榜首。其他還沒歸順的學者一個個先列出來，日期留白。
下一個實驗突破是瑞典的雅根多夫，他不是能量生物學家，而是植物學家。在一個科學會議上，他偶爾聽到米切爾跟人論戰(zhàn)，當時的感受是米切爾態(tài)度惡劣而且說的都是胡話---然而是他自己可以證偽的胡話，因為米切爾不但認為線粒體符合他的假說，還說葉綠體中光合作用制造ATP的機理也是同樣的。對米切爾強烈的反感促使雅根多夫和他的美國同事設計了一個實驗：把葉綠體膜分離出來，排除其他一切細胞環(huán)境和葉綠體內(nèi)部結構，在簡單的人造環(huán)境溶液中加以測試。首先用PH=8的弱堿性平衡內(nèi)外酸堿度，然后加入酸液把外部PH調(diào)整到4。這相當于把米切爾的假說還原到最簡結構。結果是，葉綠體膜內(nèi)馬上產(chǎn)生了大量ATP。當時雅根多夫簡直不相信自己的眼睛。后來他發(fā)表自己的實驗數(shù)據(jù)后，主動申請加入“歸順榜”。
越來越多的實驗結果，一項項填補的細節(jié)空白，逐漸把化學滲透假說從丑小鴨變成了羽翼豐滿的大怪物。進入70年代之后，能量生物學界已經(jīng)全面倒戈，化學滲透成了整個有氧呼吸研究的新范式，建立在它基礎上的新研究、新突破方向也爆炸性地出現(xiàn)了。比如美國女生物學家Lynn Margulis在1971年發(fā)表的轟動論文，證明了所有生物的線粒體前身是遠古的細菌，與真核生物細胞之間是共生關系。這個成果的基礎，就是線粒體有氧呼吸和細菌的基本能量代謝完全使用相同的質(zhì)子泵-生物膜驅(qū)動模式（下一節(jié)會詳細介紹細菌的問題）。米切爾本人獨得了1978年的諾貝爾化學獎。1961年到1978年，17年時間就從“門外漢”的狀態(tài)登上了榮譽和成就的頂峰，這在諾貝爾獎的歷史上是罕見的。物理、化學和生物學這三個獎項，大多頂尖科學家在做出自己最顯赫的貢獻后30-40年才能獲諾貝爾獎。更不要說很多人終身無望。
這樣的殊榮，加上米切爾囂張的氣焰，再加上獲得化學獎的“化學滲透”理論是這樣一個介乎化學、物理、生物三個領域之間，出乎所有人想象之外的怪異機制，使得學界的很多人大吐酸葡萄。米切爾在領獎致辭中這樣感謝他們：
“馬克斯.普朗克（著名物理學家）曾經(jīng)說過，一個新的科學理論不是靠使權威反對者信服來取得勝利的，而是靠這些權威反對者逐漸死掉。這是非常悲觀但也非常現(xiàn)實的箴言。我最大的成就是證明了普朗克也有說錯的時候。”
1997年的諾貝爾化學獎得主沃克，他的主要成就是利用新發(fā)展的衍射晶體學技術測定了ATPase的原子級別精細結構。而這個成果，實際上是給20年前米切爾理論的登基進行了遲來的加冕。沃克昭示的ATPase精細結構，簡直是一部鬼斧神工的蛋白質(zhì)機器。我們在這部分最后來欣賞一下大自然炫目的工程杰作。
ATPase是一個蛋白質(zhì)復合酶，微小到在一般電子顯微鏡下也只是隱約可見，像蘑菇一樣星星點點地點綴在線粒體內(nèi)膜上。它是由很多個微小的、運動的蛋白質(zhì)部件構成的，各部件大體上呈同心圓環(huán)狀排列。結構上，ATPase分成兩個部分，一個是蛋白質(zhì)排列拼合成的孔道，這個孔道直接從膜內(nèi)穿透到膜外。孔道的內(nèi)端是另一個部件：一個軸樣的旋轉(zhuǎn)頭。這個旋轉(zhuǎn)頭像鐘表里的齒輪一樣，有三個固定刻度。每個刻度之間角度相差120度。外部的高濃度質(zhì)子“水庫”產(chǎn)生的勢能促使質(zhì)子從孔道內(nèi)滑落，大致每三個質(zhì)子的滑落的能量會讓旋轉(zhuǎn)頭轉(zhuǎn)過120度，即一個刻度，10個質(zhì)子穿過完成一個循環(huán)。這個蛋白質(zhì)旋轉(zhuǎn)頭每次轉(zhuǎn)動一個刻度，它的分子張力都讓跟它接觸的ATP、ADP分子化學鍵生成或者打破。第一個刻度處結合ADP分子，第二個刻度處俘獲一個磷酸基團(Pi)并把它附著到ADP上，變成ATP，在生成這個化學鍵的同時鎖定了能量（來自質(zhì)子的滑落）。第三個刻度處打破結合鍵釋放ATP分子。
【上面這個鏈接是精美的ATPase 精細結構動態(tài)圖（下部模糊部分是線粒體內(nèi)膜，H+從下方涌入），你可以看見整個機械的旋轉(zhuǎn)，上部轉(zhuǎn)子部分在每120度處蛋白結構形狀和張力改變，ADP和Pi被“吸入”，ATP被釋放。每個360度循環(huán)制造3個ATP。人體內(nèi)ATPase的旋轉(zhuǎn)每秒大致150次，每天一個人的全身ATP更新量要超過自己的體重（當然這些分子都是循環(huán)使用的）。圖片出處：http://www.mrc-mbu.cam.ac.uk/research/atp-synthase】
這是一個自然界最微小的輪軸系統(tǒng)（“關于大自然為什么沒發(fā)明輪子”的討論可以休矣），一部細微精巧藐視所有人類技術的納米機器。自己本身就是一條復雜而高效率的分子生產(chǎn)線。而且這個機器隨時可以反向工作，即消耗內(nèi)環(huán)境已有的ATP，把它們分解成ADP和Pi，利用釋放的能量把質(zhì)子泵向膜外（下一節(jié)會討論什么情況下需要反向工作）。最初發(fā)現(xiàn)ATPase的時候，實際上發(fā)現(xiàn)的是它的后一種工作狀態(tài)，也因此得名。最初的發(fā)現(xiàn)者驚奇的是這個微小的酶工廠好像無所不在，所有真核生物的線粒體和葉綠體內(nèi)膜，所有細菌的內(nèi)膜上，都有基本相同的ATPase。當時的發(fā)現(xiàn)者說“ATPase的普遍，看起來就像生命的基本粒子”。遠遠在化學滲透發(fā)現(xiàn)之前，他根本沒有意識到他說得有多么正確和深刻。
做基礎科學研究的人，能遇到的最讓人郁悶的問題就是這個：
“這個研究到底有什么實際應用？”
不去評價發(fā)問者暴露了什么樣的思想境界，只說被提問者。很多基礎科學研究者被這樣問的時候，傾向于變得自我防衛(wèi)。比如我前面說“相對論用在GPS校正上”，這就很防衛(wèi)。其實那只是相對論最不值一提的后果。
我最喜歡美國一個理論物理學家的回答。當他代表美國的大型強子對撞機項目向政府申請十億美元撥款時，國會要求他出席聽證會，在聽證會上他就被議員們這樣問。他的回答是：“從現(xiàn)在已知的技術來看，絕對、絕對沒有任何實際應用。”
“那么有什么理由花十億美元去做呢？“
“因為我們想知道。其實你們也想知道。只是你們不知道你們想知道。”
申請失敗了。但是這個回答卻值得載入史冊。絕大多數(shù)基礎科學研究，都不是受實際的技術需要推動的。也不可能：既然是未知的東西，誰又能預測它的應用？整個科學都是靠人類旺盛的好奇心，靠人類天生對秩序、邏輯和知識的熱愛推動的。科學是美麗神秘的森林，技術只不過是沿路采摘的果實。知識本身不但可以應用，而且會改變我們個人和社會看待整個世界的眼光和方法，從根本上使我們的存在變得更廣大，更美好。
像物理、化學、生物這些基礎學科，在一般人的眼中很可能枯燥且無實用價值，然而對于真正學懂而且融會貫通的人，他們眼中的世界跟我們普通人是不一樣的。大概十年前，我有幸遇到這樣一個人，在短短一小時內(nèi)就給了我以上的感悟，讓我發(fā)現(xiàn)了在一個銳利的頭腦支配下，簡單的科學原理可以變得如此明徹，充滿力量。
【地球和火星，圖片出處：www.buzzle.com】
那是在美國的一個小天文館，當時有一群大學新生（大概是個興趣小組）在搞參觀活動，館長出來接待（我是不沾邊的，記住了答案的旁觀游客）。館長是一個穿著夏威夷襯衫的笑瞇瞇小老頭，學生們連珠炮一樣提問，他隨口回答：
“火星為什么是紅色的？”
“紅色是三價鐵的顏色---火星表面被氧化了。金星也是一樣。鐵銹是什么顏色？”
“火星是鐵的嗎？”
“任何巖石行星都可以說是鐵的。鐵是宇宙中最多的金屬元素。”
“為什么？”
“鐵的原子核結合能在所有元素中最低。恒星在燃燒，最終的灰燼都是鐵。我們的行星都來自于灰燼。地球也不例外。地球有一個融化的大鐵核。不然你認為地磁場是哪里來的？”
“那地球怎么不是紅色的，怎么沒有被氧化？”
“誰說不是？科羅拉多大峽谷看起來就像火星。其他的地方，我們有生命保護著。”
“火星上不是沒有氧氣嗎？”
“沒有，但是火星上曾經(jīng)有水。”
“水到哪里去了？”
“太陽紫外線和宇宙射線把它烤干了。這是化學的烤干，在海洋的表面，微量的水被射線分解成氧氣和氫氣，火星大概用了20億年。來，誰來給我寫個反應式？”
“那火星上有很多氧氣和氫氣？”
“氧氣和巖石中的鐵結合了，變成了紅色的氧化鐵。還會氧化其他的巖石成分。氫氣太輕，火星重力拉不住它，泄漏到宇宙中去了。”
“地球為什么沒有被烤干？”
“因為地球有很多氧氣。分解出來的氫氣一離開水面，就和大氣層的氧氣重新結合，變回了水，最終會回到海洋。”
“為什么地球很很多氧氣？”
“因為我們有光合作用，有生命。火星上氧氣不能積累是因為微量的氧氣被鐵和碳不斷消耗，固定在巖石中。地球上的固定氧被風和水不斷粉碎，又被光合作用釋放出來。”
“也就是說生命保護了地球？”
“是的，地球也保護了生命。”
“地球上為什么會有生命，而火星上沒有？”
“這個，我不知道...”
小老頭終于被問倒，全體學生大笑，我卻一直在驚奇和震撼中。他說的全是簡單物理、化學，我在學校基本都學過，卻從來沒有給我如此透徹的視界。
從那時起，我明白了科學=世界觀。它不斷回答我們對這個世界、對我們自身大大小小，乃至終極的疑問。下面要提到的公案，就是不同的回答在科學層面上的角力。
美國乃至整個西方，在二戰(zhàn)后掀起了一股原教旨主義的潮流。如果你留意過近年美國社會的爭論焦點和美國大選的論題，就會知道這不是一個小潮流，而是整個社會的精神大分裂。作為旁觀的中國人來看，有的時候覺得美國人真是神經(jīng)，總統(tǒng)辯論、政治風向天天吵這些雞毛蒜皮的事。殊不知，這是兩個陣營之間從世界觀到價值觀全方位的大戰(zhàn)，這些雞毛蒜皮都是刀尖。
新的原教旨主義者分成兩種，一種在自己的地盤上以自己的武器戰(zhàn)斗，比如堅稱圣經(jīng)句句真理。一種在現(xiàn)代文明的地盤上用科學的武器戰(zhàn)斗，比如我們下面將要提到的鞭毛爭論。比較好玩的是無論哪種論調(diào)，都很會給自己取名字。名字通常都冠冕堂皇充滿現(xiàn)代知性的光輝，不管內(nèi)容有多蒙昧。
比如“支持生命“（Pro Life）。什么意思？要求立法不準墮胎，極端者甚至不準強奸、亂倫的受害者墮胎。前幾天共和黨候選人羅姆尼宣布自己Pro Life，特別加上了“除了強奸、亂倫和危及母親生命”，以示自己是溫和派。與之相反支持墮胎權利的主張叫“支持選擇(Pro Choice)”。
再比如“家庭價值”（Family Value）。什么意思？反對同性戀，以圣經(jīng)中的判決來認定他們是社會的終極罪人。
還有“青年地球”（Young Earth）。這些人認為地球上有生命的歷史不超過4000年。因為按照圣經(jīng)上面的事件年代計算是這樣的。比較牛X的青年地球?qū)＜遥焯旖o公眾解釋諾亞方舟是怎么能夠容納一對霸王龍的。（霸王龍化石在美國太有名，你很難跟化石戰(zhàn)斗）。
【霸王龍大戰(zhàn)方舟】
再比如“平等教育”（Equal Educational Opportunity)。什么意思？美國是憲法規(guī)定政教分離的國家，接受政府資助的學校都不能教任何宗教。“平等教育”論者要求你可以講進化論，但必須用同樣的課時講“替代觀點”。否則你就不準講進化論。
什么替代觀點呢？不，我們不講經(jīng)書，不呼上帝之名，講“智慧設計”（Intelligent Design）。
智慧設計論者是原教旨主義者中的膽小鬼。他們千方百計回避直呼宗教之名，以繞過法律和輿論的障礙，而把矛頭指向基督教最痛恨的科學：進化論。智慧設計論者也是外派的特種部隊，他們通常都會用科學的語言（未見得是科學的方法）來發(fā)起挑戰(zhàn)。比較老也比較經(jīng)典的一個論戰(zhàn)是關于眼睛的問題。智慧設計論者說，眼睛是一個非常精密的裝置，各個部件離開整體都沒有什么用處，因此它不可能是逐漸進化出來的（因為你們進化論者說進化出來的東西必然有用嘛！），那么，它只能是某種高級智慧設計出來的。什么高級智慧？可能我不知道。它的名字我不能說。這個邏輯，他們稱作Irreducible Complexity, “不可降解的復雜度”。
關于眼睛的論戰(zhàn)跟這篇文章的科學關系不大，只說結果：它被完全地駁倒了。生物學家找到了若干種中間形態(tài)和中間產(chǎn)物的生物證據(jù)。事實上這場論戰(zhàn)推動了這方面研究的發(fā)展。
進入九十年代，智慧設計論者找到他們新的旗手：比希（Behe），以及新的戰(zhàn)場：細菌鞭毛。比希是美國LeHigh大學的生物化學教授。我在第一節(jié)中曾把他歸類于神棍，這里要致下歉，因為比希比通常的神棍要嚴謹、講道理得太多太多。比希在2000年后，曾經(jīng)出來糾正他以往的看法，說他不再相信“青年地球”，并相信生物有共同祖先。問題在于比希被自己的論點捆綁得太深（我最近在LeHigh大學的主頁上還看見校方的免責聲明：我們尊重比希教授的獨立見解，但我們大學整體不同意他的任何理論。呵呵），而且他被原教旨主義的狂潮無限炒作、歪曲和濫用了。
比希的原始論點是這樣的：很多細菌都有自己的運動裝置，鞭毛。鞭毛是由幾十個蛋白質(zhì)部件組合而成的，各自有非常獨立和確定的作用，使得細菌可以在液體中快速運動。這個機械的各部分分開都沒有明確的作用，而且非常復雜，因此，這是不可降解的復雜度，因此，它不可能是進化來的，因此...簡而言之，這就是眼睛問題的翻版，不同在于深入到分子生物化學的層面，顯得異常高深和有說服力。1996年，他把鞭毛理論上升到對整個達爾文進化論解釋的質(zhì)疑，寫成一本書：《達爾文的黑匣子》。這本書在美國超級暢銷，遠遠超過一般高水平的科普書籍。一時間智慧設計論塵囂直上，所有的宣傳都鸚鵡學舌般應用鞭毛悖論。在google上搜“鞭毛”和任何智慧設計論關鍵詞的組合，回來的結果都能淹死你。比希一炮打響，影響力到了這種程度：美國一場“平等教育”論者起訴學校的風頭官司，從小地方直打到憲法法院，比希作為原告唯一的科學界證人出庭作證：智慧設計論到底是不是科學？結果官司是打輸了。比希成了悲情英雄，這場官司也就成了美國政府為了黨派利益壓制“科學研究”的鐵證，好比美國“平等教育派”的溫泉關戰(zhàn)役。
我們借助2000年左右的科學深度，來看看鞭毛到底是個什么東西。
鞭毛是一個復合蛋白裝置，穿透細菌的細胞膜延伸到外部。在膜內(nèi)部，鞭毛的蛋白構件呈同心圓環(huán)狀排列，有三個環(huán)繞根基分開120度的蛋白“齒”，作為定子的凸起曲桿。鞭毛受化學滲透作用驅(qū)動，細胞膜外的質(zhì)子水庫透過穿透鞭毛的同心圓蛋白孔道滑落，賦予定子張力，定子順次扭轉(zhuǎn)一部分化學鍵，驅(qū)動中間的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子是穿透整個裝置延伸到外部的蛋白構件，形狀就像你喝可樂的麥稈，外部彎折，拐彎處還有一個蛋白護套。轉(zhuǎn)子根部受定子驅(qū)動而旋轉(zhuǎn)，外部跟著攪動，就像你用手搓麥稈，吸口處發(fā)生的攪動。細菌就用這樣的裝置“劃水”，轉(zhuǎn)子速度可達每秒幾千轉(zhuǎn)，細菌的運動速度可達每秒60個身位，（獵豹的最高速度也才每秒25個身位），可見這個運動機器的高效。鞭毛還有一個開關蛋白，稍稍變化形狀就能反轉(zhuǎn)整個裝置旋轉(zhuǎn)的方向。
【分子水平動態(tài)模型圖，圖片出處：http://www.mrc-mbu.cam.ac.uk/】
確實是非常復雜精密的機器，難怪比希會產(chǎn)生那樣的哲思。但是這個結構和驅(qū)動原理是不是似曾相識？
沒錯。比希在具體方法上的悲哀之處就在于他的書幾乎和沃克的研究同時代，錯過了沃克及其他人對ATPase的后續(xù)挖掘。還有一個悲哀是在他的時代，蛋白質(zhì)基因定序分析來源的技術還沒有成熟。不管是在結構上，驅(qū)動原理上，還是在組成蛋白的來源上，現(xiàn)在的分子生物學界都明確了ATPase是鞭毛的進化雛形。其中還有好幾個中間狀態(tài)。大致是這樣一種進化階段關系：
原始生命的胞膜進出孔道→ATPase→III型細菌分泌系統(tǒng)→細菌粘附裝置→細菌纖毛→鞭毛
每個階段的形態(tài)都受化學滲透驅(qū)動，采用一樣的動力結構，而特化或者移植新的蛋白成分。其中“III型細菌分泌系統(tǒng)”是細菌特有的一種主動運輸裝置，它和鞭毛的相似是論戰(zhàn)一開始就被其他科學家指出的。它含有一根由ATPase中空轉(zhuǎn)子特化形成的“針管”，細菌用來分泌化學物質(zhì)到環(huán)境中，給其他微生物“打針”，甚至用來和其他細菌“性交”，它也是鞭毛轉(zhuǎn)子的雛形。
比希的“不可降解”理論在新的科學證據(jù)下跌得粉粉碎，曾經(jīng)有一個反對者尖刻地說：“不可降解？是你不會降解。”但是直到今天，鞭毛仍然是智慧設計論者的“上帝之鞭”，你上網(wǎng)隨便看一篇他們的宣傳都能看見他們興高采烈地揮舞。
化學滲透和ATPase在生物學理論上最根本的意義就是它完全是生命的基本特征。原核生物細菌、古菌類，真核生物的線粒體和葉綠體，全都使用相同的動力，全都擁有基本一致的ATPase。在最原始的細菌中，質(zhì)子動力的普遍性和根本性表現(xiàn)得最充分，細菌不僅用化學滲透制造ATP，還用它進出口物質(zhì)，驅(qū)動自己運動，保持膜外的質(zhì)子濃度是細菌壓倒一切的代謝優(yōu)先任務。細菌是比我們高明得多的化學家，不僅僅使用氧氣氧化糖來泵出質(zhì)子（有時候還使用鈉離子替代質(zhì)子），還使用幾乎是無限多種氧化還原反應，比如用硫化物氧化鐵鹽（這種代謝貢獻了我們現(xiàn)在開采的所有的高品位鐵礦帶），或者硫化氫與甲烷，甚至還有氧化鈾元素的強悍細菌（它們聚集的鈾殘留物曾經(jīng)讓法國人相信非洲國家偷偷研發(fā)了核武器）。能在生物體內(nèi)成立的氧化還原動力，細菌幾乎都發(fā)明了。不管是那一種化學動力，最終都歸結于泵出質(zhì)子。當氧化還原反應原料不夠，膜外H+濃度告急時，很多細菌還停止其他一切活動，采用最古老的無氧呼吸：發(fā)酵，低效率地生產(chǎn)ATP，用這些ATP來驅(qū)動ATPase反向工作，把質(zhì)子泵出去，保持膜外濃度---因為細菌需要化學滲透不僅僅是為了生產(chǎn)ATP，它是細菌的生命線，一切生命活動的基礎。進化到你我這樣的人類，這種機制仍然存在：你狂奔之后是否肌肉酸痛？那是因為你的體內(nèi)的“細菌動力”---線粒體跟不上能量需求，細胞發(fā)酵葡萄糖產(chǎn)生半截子的乳酸和ATP，是乳酸的毒性讓你刺痛。
我們可以放心地說，生命最普遍的特征就是生命最初的特征。化學滲透普遍、基本到這樣的程度，它的發(fā)現(xiàn)對生命起源的理論必然造成重大影響。下一部分（也是最后一部分），將討論化學滲透在生命起源上的意義。這里還要還比希先生一個公道：他的例證和論點雖然被粉碎了，但是他的內(nèi)在邏輯并沒有。因為我們已經(jīng)看到化學滲透和ATPase本身也是非常復雜的機理和裝置，那么在生命之初，他們又是怎么產(chǎn)生，怎么進化來的呢？這是科學現(xiàn)在還不能自信回答的問題，在這個問題上，各種理論的交鋒，激烈程度不比美國政客玩墮胎差。不同的是，每種論點都有他自己的科學實證基礎，交鋒和證偽中大家的認識不斷進化，而不是龜縮到2000年前地中海邊的古書。
生命起源的問題，向來是生物學中的皇冠，同時也是Mission Impossible。這是一個發(fā)生在近40億年前，絕大部分物質(zhì)證據(jù)都早已湮沒的問題。又是一個我們已知的世界中只發(fā)生過一次的孤立事件，沒有可以歸納的基礎。同時它橫跨生物、化學、地理、地質(zhì)、氣候、海洋、宇宙學諸領域，涉及的已知和未知千頭萬緒。最麻煩的是，即使有人真的發(fā)展出和事實相符合的理論，也幾乎沒有可能驗證---這個實驗本身很可能耗時千萬年，或者上億年。然而這絲毫沒有驅(qū)散各領域科學家對這個問題無休止的興趣。自從宗教的枷鎖打破之后，科學性的生命起源假說有不下幾十種，隨著各學科的進步不斷演進，不斷豐富細節(jié)和淘汰偽說。
這些學說在方法上大體上分為兩類，一類是正向的還原法，即不斷搜集地球生命初始時代遺留下來的蛛絲馬跡，包括化石、碳痕跡、同位素異常等等，不斷試圖還原當時的大氣、海洋或者地質(zhì)化學條件，試圖通過模擬的實驗，一點點驗證生命起源的歷程。這是傳統(tǒng)的方法，它搜集和整理了大量的證據(jù)和數(shù)據(jù)，尤其在年代測定方面發(fā)展了很多高明的技術，取得了很多成果。到目前為止，最早的生命活動殘跡可以上溯到38億年之前，是由極其古老的巖石中碳同位素擾動間接證明的（生命是已知唯一改變碳同位素比例的自然過程）。
另一類是反向的反演法。最早的生命雖然早已死亡，但是它們的后代充滿地球生物圈。這些后代種類極其繁雜，但是它們在分子生物和生物化學的層面具有令人驚奇的共性。這除了讓科學研究者更加堅定了“生命同源”的信心之外，還提供了一個新的思路：共性即共祖特征。共性越多的生物，它們的親緣關系越近。越普遍的共性，越有可能是生命在遺傳樹“根部”的特性。絕對普遍的生物共性，幾乎一定是生物起源時的特性。跟傳統(tǒng)的還原法正好相反（還原法是苦于證據(jù)太少太不完整），現(xiàn)代的生理學和基因科學為反演法提供了海量的各種生物遺傳信息。整個生物圈的數(shù)碼化遺傳信息：基因組都是證據(jù)，只看研究者如何去挖掘和解讀。難在如何穿透近40億年生物分化、變異和滅絕造成的數(shù)據(jù)迷霧。如果我們能反推出最初的生物是什么樣的特性，則如何起源的問題就解決了大半。因為在生物學中，“你是什么”基本就表述了“環(huán)境怎樣造就了你”。反演法的研究最喜歡的一個術語就是LUCA（Last Universal Common Ancestor）：“最后的共同祖先”。它是一個定義在邏輯上的生物，是現(xiàn)存所有生物的共同祖先。（之所以說最后，是因為不排除它之前更早的分支已滅絕且未留下后代）
曾經(jīng)有一個建立在還原法上的假說，占據(jù)了權威地位，基本統(tǒng)治了二十世紀的大半部分。它的統(tǒng)治地位來源于50年代著名的“米勒實驗”。米勒實驗在簡單的封閉系統(tǒng)中用氫氣、甲烷和氨混合的氣體模擬地球約40億年前的“原始還原性大氣”，輔以含水環(huán)境（模擬原始海洋）和不斷制造的電火花（模擬大氣中的雷電），在數(shù)天的時間內(nèi)，就檢測到了溶液中有基本有機小分子生成，時間越長數(shù)量越多，種類越豐富，包括各種氨基酸和核酸。這個實驗當時可謂震驚科學界，因為誰也沒有預計到如此簡單的無機物原料和模擬環(huán)境，就制造出了蛋白質(zhì)和DNA、RNA的基本組成單位，完成了從無生命到“幾乎是生命”的飛躍。
有機小分子在原始海洋中不斷生成，濃度越來越大，整個海洋成了富含有機物的“濃湯”。各種大分子（蛋白質(zhì)、DNA、RNA）由小分子通過化學鍵像串珠一樣串起來而生成（這是一個有實驗基礎的自發(fā)化學過程），開始互相競爭、淘汰、變異、組合。DNA、RNA的穩(wěn)定性、自我復制性，輔以蛋白質(zhì)的無限生物化學多變性使它們最終形成了機器-聯(lián)盟，開始主動攝取能量，自我保存，自我傳播---這已經(jīng)是生命的定義。
這就是大名鼎鼎的“原始湯”假說。至少在我念書的年代，它還是各種學院教育中的正統(tǒng)學說，我相信現(xiàn)在不少國家的中學、大學課本仍然是這樣教的。但以21世紀的研究眼光來看，這個假說已經(jīng)被三振出局了。——不能怪其他領域的科學社區(qū)或者教育者們反應慢，因為并沒有哪個學說在它之后取得那樣的權威地位。
【濃湯，圖片出處：http://www.blueanimalbio.
首先動搖它的根基的是地質(zhì)學和太陽系研究的進展。米勒實驗本身的初始條件，也是受更早的理論指導的，最早在20年代，英國的哈爾丹和俄國的歐柏林就同時提出了原始還原性大氣的假說。他們當時的根據(jù)是：氫氣、甲烷和氨，這是木星的大氣成分（可以通過光譜技術精確測定）。地球和木星同樣在太陽系的冷卻中形成，那么假設地球初始大氣和木星一樣是有道理的。在米勒實驗輝煌的光環(huán)下，這個假設維持了四十多年，直到60年代才被注意到它的粗陋。現(xiàn)在的看法是：一，地球初生年代長達5億年的隕石大轟炸，早就把原始的“木星三氣”轟光。二，地質(zhì)證據(jù)表明當時的大氣主要含氮氣（來自轟擊化學和火山活動）、二氧化碳（來自火山活動）、水蒸氣和其他微量氣體。這樣，米勒實驗的初始條件被挖空了一半。
1967年，“斯皮格曼的怪物”又給了原始湯理論重重一擊。斯皮格曼是美國伊利諾伊大學的分子生物學家，他設計了一個實驗，想用來確定自然選擇條件下最小的遺傳個體。他把一種非常簡單的病毒從寄生細胞里分離出來，放在充滿必要營養(yǎng)物（即各種有機小分子）和必要催化酶的溶液中自由生長。所謂病毒，就是蛋白質(zhì)殼包裹的核酸序列，最接近“原始湯”主角的東西。這種病毒只有4500個堿基字節(jié)長，可謂極其簡單。最初這些病毒正常復制，接著，有一些復制發(fā)生變異，丟失了基因。如果在寄生細胞中，病毒丟失基因意味著缺失某種功能，下場就是死亡。但在這個接近“原始湯”的充裕環(huán)境中，這反而成了優(yōu)勢：更短的序列復制更快，搶占資源更多，淘汰更長的對手。最終的結果是病毒逐漸退化成了只有220個字節(jié)的破碎殘片，以瘋狂的速度復制，充滿整個培養(yǎng)液。這個實驗不但其他科學家重復結果相同，更有普遍意義的是換成其他更復雜的病毒，結果仍然類似。
“斯皮爾曼的怪物”除了否定“原始湯”理論的發(fā)展性，還顛覆了很多生物學中的根本概念。從前認為“復雜化”和“進化”是生物的默認發(fā)展方向，現(xiàn)在省悟了根本沒有任何預設方向，只隨環(huán)境適應。對原核生物來說，簡單化和退化甚至更有優(yōu)勢。
米切爾的化學滲透理論，以及化學滲透的絕對普遍性，基本宣告了原始湯理論的謝幕。同時把生命“能量”的一面重新放在聚光燈下。前面說過，由于20世紀基因科學的盛況，不管是公眾還是生物學界，都對能量面有所忽視，把注意力集中在生命的信息面，所謂“太初有詞”。“詞”就是DNA承載的信息，信息支配結構和功能，支配新陳代謝，是遺傳的本質(zhì)和生命的意義。化學滲透理論說，不完全是這樣。
最大的一個悖論就是：在開放的原始海洋中，任何聚集的化學物質(zhì)濃度都趨于擴散、淡化。這是簡單物理原則決定的。而我們現(xiàn)在知道，所有生物最基礎的能量代謝形式都是基于濃度聚集的質(zhì)子動力，都依靠生物膜。這就成了典型的“蛋雞問題”。沒有DNA上的信息，誰制造了生物膜？沒有生物膜驅(qū)動的能量，就沒有基本代謝，那么用什么來維持整個生命機器，制造蛋白質(zhì)和復制DNA？如果有更基本的能量代謝形式來啟動，那么我們?yōu)槭裁丛诂F(xiàn)存的生物信息和生理中找不到它的遺跡？
這個悖論破壞了原始湯理論的設定場所和基本邏輯。也開啟了從能量角度闡釋生命起源之門，大量的新假說涌現(xiàn)出來。生命能量的一面現(xiàn)在必須和信息的一面緊緊糾纏在一起。比如說，病毒，從前定義成最簡單的生命，也有很多看法懷疑它是最初的生命，而現(xiàn)在可以肯定病毒不是最初的生命，甚至被重新定義成“介于生命和非生命之間”的物質(zhì)。因為病毒沒有自己的能量代謝設施。它只含有信息，以及利用其他生物細胞能量代謝設施為自己服務的本事，而且通常是嚴格地針對某一類生物細胞。它是一種絕對寄生的東西，只能由有能量代謝能力的生物派生出來。它是活細胞的信息殘片，是基因組的逃亡者，是不斷移民、掠食甚至定居的基因流民。
而細胞的本源性被大大提高，不再被僅僅看做是基因們的豪宅。Compartmentalization: “封閉化”，成了生命最基礎的要求。
介紹兩個有趣的新假說。第一個不太為人所知，但很有個性：完全是從“封閉化”入手的。它假設生命起源的地點不是開敞的原始海洋，而是某種淺海灣邊的的石灰?guī)r浸潤地帶。這種地帶的石灰?guī)r由于水的侵蝕和地質(zhì)結晶過程，內(nèi)部形成了非常細微的疏松孔道結構，這就是天然的封閉空間。生物大分子可以由海水浸潤流入，原始海洋中富含硫-鐵氧化還原材料，而且這些結構的薄壁允許Na+ Ca+離子（質(zhì)子的可替代品）的濃度聚集以及半通透性。換句話說，自然無機物的自組織性“免費”提供了“細胞膜”和一切能量代謝材料，最初的生物大分子只需要通過變異和選擇發(fā)明利用的方法就夠了。聽起來夠扯淡…但類似的地質(zhì)結構確實在歐洲西北部的島嶼周圍被發(fā)現(xiàn)了。而且實驗表明，給定合適的浸潤溶液配方，確實能夠驅(qū)動化學滲透。只是如果想要測試生物大分子能在里面玩出什么花樣，不知道要多少萬年！
另一個是目前最火熱的“黑煙囪”生命起源假說。它認為生命最可能的起源地點，是在深海底部高溫、高硫、強酸性、無光、無氧的“黑煙囪”生態(tài)環(huán)境。這些地方是海底的地殼薄弱處，地熱和高硫熔巖驅(qū)使高溫海水從地底噴出，由于噴泉含大量的硫，而且出口逐漸沉淀成高達數(shù)十米的巖層，看起來就像冒著一股股黑煙的煙囪，因而得名。這種地貌現(xiàn)在在太平洋的海底就現(xiàn)實存在，而且擁有一個相當多樣化的生物環(huán)境（甚至有些相當高等的動物也在這里定居，如一些蟹類，他們在這里適應得能忍受120度的高溫，你休想煮熟它）。這也是現(xiàn)在世界上唯一一種不依靠光合作用提供基本能量的生態(tài)圈。這里的基礎生物是古菌類，原核生物除了細菌之外的另一大基本門類，歷史和細菌一樣的古老。僅僅上面對黑煙囪環(huán)境的描述，就能看出化學滲透理論對這種假說的基本指導：白給的環(huán)境能量，白給的氧化-還原反應材料，嚴格地排除氧氣（氧氣對于原始生物都是劇毒的，學會用氧代謝是光合作用發(fā)明之后的事，但其他種類的氧化還原反應是基本需要），甚至白給的強酸性環(huán)境。如果生命起源于這種環(huán)境，只需要用著白給的能量發(fā)明膜就行了。
【上圖是一個典型的當代深海黑煙囪，這里沒有光合作用，但有一個興旺的生態(tài)系統(tǒng)。http://commons.wikimedia.org/wiki/File:High_Rise_black_smoker.jpg】
另一類研究方法：LUCA模型的建立，更是壓倒性地從能量生物學的角度入手。因為與能量代謝相關的基因，正是所有生物中最古老，變異最慢，共性最大也最核心的基因。生物學家們討論和試圖描述LUCA的時候，不是關注它長什么模樣，有多大個頭，而是關注它執(zhí)行何種氧化還原反應，有哪些代謝酶，生活在什么樣的地理和化學環(huán)境。這已經(jīng)完全是一種嶄新的體系了。
總之，九十年代之后的生命起源研究現(xiàn)狀是群雄并起，天下大亂。理論更新速度之快，新發(fā)現(xiàn)新假說之層出不窮，都是二十世紀前面大半部分所無法企及的。固然是因為各個學科的知識積累都在推進，但化學滲透理論的建立，無疑是新紀元的開始。
本文并非全部原創(chuàng)，其中有大量數(shù)據(jù)、理論和史料來自于英國生物化學家、科普作家 Nick Lane的著作 Oxygen 和 Mitochondria。這兩本書都是非常好的科普讀物，可惜沒有中譯本。大致引用了他的占1/3,自己發(fā)揮的占1/3,以及扯遠了的占1/3。特此聲明和致謝。
