第一章　从无性到多性，生命起源的几种可能

“第一个生命”，它到底是从哪里来的？

这一部分，我们先从这个最为本质的问题开始。

我们曾试图用逻辑的方式解答“先有鸡还是先有蛋”这一古老的问题，虽然最终通过“先下定义再讨论”的方式找到了答案，但仍有一个悬念并没有解开：鸡生蛋蛋生鸡，如何一代一代繁衍，一代一代变异，在自然选择的作用下变得更加高等，更加复杂。

家鸡的祖先是原鸡，原鸡的祖先是某种鸟类，再早则是某种恐龙，而恐龙之前是某种爬行动物；爬行动物起源于两栖动物，两栖动物源于某种四足鱼，更早可以追溯的祖先应该是无颌类的某种鱼儿；一路向前，则是多细胞生物、单细胞生物……

顺着这条藤一路往上爬，似乎无穷无尽。同样，我们（人类）从哪里来，一样可以遵循类似的线索往上追溯，人—古人—猿人—灵长目祖先—哺乳动物祖先—羊膜动物祖先，等等。

说起来，归根结底的尽头还是有的，那就是所谓的“第一个生命”，它到底从哪里来？

这句在如今的我们看来是吐槽的话，放到第一个生命身上，反倒成了可能性很大的一种表述——毕竟，因为已经是“第一个生命”了，那它肯定不是其母亲所生的。

这是一个涉及范围极广的问题，当今世界最顶尖的科学家也不敢站出来打包票地说：“我能告诉你答案，生命就是这样来的。”毕竟，起源问题，贯穿了整个的人类文明史，所有文化活动，无论是神话、宗教还是哲学、科学，都不得不把起源问题作为自己的终极内核。

浓缩下来，就有三个核心的问题：宇宙起源、生命起源、人类起源(1)。

这三个最前沿、最终极也是最基本的科学问题，就像一个遥不可及的目标，激励着一代又一代科学家，穷极一生又一生地不断探索。所以，今天能带给大家的，只是诸多关于“生命起源的可能性”中的几种。

不过，整个探索过程本身，也已经足够迷人了——宇宙起源的问题，在后面会有探讨。人类起源则会在第六章具体展开。(2)但奇点之前的“无”和人类的“自由意志”等目前还没有明确的答案。相比之下，生命起源似乎没有那么玄妙，甚至给科学的介入留足了窗口。

自然发生论

接下来登场的便是“自然发生论”(3)了。这个观点认为：生命是从非生物环境中自然产生出来的。

直到19世纪，这种可以追溯到亚里士多德的古希腊哲学思考，仍然被西方学术界的一些人士所支持。但如果以现在的知识再回头细看“自然发生论”的观点，就有许多好玩的地方了。他们认为，某种复杂的生物有机体是由腐烂的有机物质产生的。比如：蚜虫来自植物上的露水，苍蝇来自腐烂的物质，老鼠来自肮脏的干草，鳄鱼来自水体底部沤烂的木头，诸如此类。

对如今的我们来说，“生命演化”已经深入人心，所以自然会觉得“自然发生论”指的是“最早的生命起源于某种非生物环境”——但事实上，“自然发生论”却认为，老鼠、鳄鱼这样复杂的生命形式，也可以在非生物环境中直接诞生，基本和孙悟空是从石头缝里蹦出来的没啥区别。

进入17世纪，就已经有人开始怀疑这些假设了。最有力的一击来自1668年，意大利一位叫弗朗西斯科·雷迪的医生做过一个著名的实验：一块与外界隔绝，使得苍蝇无法产卵的肉，最终没有长出任何蛆。此后，各种实验事实逐渐说明，至少对于肉眼可见的高等生物而言，它们无法在某些环境中不经过上一代的生殖行为直接产生。

当时的人们就想：高等生物不可能“无中生有”，那肉眼不可见的微生物有没有可能是这样“无中生有”的呢？当时持这种想法的人不在少数。

直到1861年，大名鼎鼎的巴斯德进行了包括那个大名鼎鼎的“鹅颈瓶肉汤实验”在内的一系列实验，从而证明了细菌和真菌等生物不会自发地在无菌的、富营养的媒介中产生，只能通过外源的侵入才能出现。巴斯德在实验后曾断言：“这个简单的实验将把无生源说打翻在地，绝无翻身的可能。”直到这个时候，依赖于巴斯德及其他人的努力，“自然发生论”才算是被有力地证伪了。

接下来，“生生论”(4)便占据了主流。

这一理论基于巴斯德的实验结果——生物只能来源于生物，非生命物质绝对不能随时自发地产生新的生命。

不知道你是否意识到：如果不讨论过去，只讨论当下和未来，那“生生论”的确没错。但当我们探讨生命起源时，这一理论却有一个硬伤——如果说最早的生命也必须来源于生物，这不是一个悖论吗？

因此，“自然发生论”解释不了当下，却能够对最初生命的诞生自圆其说；而可以完美解释当下的“生生论”，面对起源问题时，却犯了难。好在，这一时期还有一位“大神”活跃在科学界，那就是达尔文。

1871年，在一封信中，达尔文表达了自己的意见：“生命最早的火花诞生在一个温暖的小池，里面满足各种条件：氨和磷酸、光照、热量、电流等，使得蛋白质化合物能够化学合成，并经历更加复杂的变化(5)。在现在，这种物质会被立即吞噬和消化，使得生物形成之前的情形不会复现。”

是不是和我们现在比较熟悉的观点有很多类似的地方？顺便说一下，达尔文的这一观点只是推测，但他在当时梳理了这样一条逻辑——与其探讨最早的生命可能是从无到有的，不如再往前看一步，那就是组成生命的各种部件，是如何产生的。有了这一基础，之后的讨论才会有意义。

你别说，关于生命起源的探讨，就有一个非常著名的观点——化学起源说，而它的昵称就是“原始汤”！在这背后，又有一个大名鼎鼎的实验：1953年的米勒实验。没错，又是一个煮汤实验。

米勒的“原始汤”

当时，美国芝加哥大学的青年学者米勒在一位研究天文物理学的教授那里获得了一个重要事实：那些远离太阳、历史上可能变化较小的巨行星（如木星和土星等），它们的大气都是没有游离氧的还原性大气，其主要成分是氢、氦、甲烷和氨。

希望探究生命起源的米勒忽然想到——既然太阳系的行星都是一团星云生出来的，那么早期地球的大气环境想必也是这般的还原性大气，而这会不会成为生命构件分子合成的原料呢？

米勒在一个大烧瓶中装了水和氨气、甲烷、氢气等混合气体，向这团混合气体通入电火花来模拟闪电，然后等待。在几天、几周、几个月后，他分别从中取样并进行分析，来判断他到底“煮”了些什么出来。而他的发现，令科学界疯狂了！

当然，这锅“汤”并没有直接“煮”出生命，但这其中包含了一堆近乎神秘的有机分子混合物，其中有几种氨基酸，而且不是什么稀奇古怪的氨基酸，恰恰属于我们生命体组成的20种氨基酸——要知道，在DNA尚未出名的20世纪50年代，这种蛋白质的组成部件无疑是最具象征意义的生命分子。

这锅“原始汤”不就是达尔文想要的东西嘛！

在后续进一步的改进实验中，他将氨气换为氮气，因为氨气易分解且极易溶于水，不可能在地球上长期高浓度地存在；又添加了对原始地球可能发生的光解和热解过程的模拟(6)，烧瓶中甚至产生出生物使用的20种氨基酸中的17种。不知你是否有同感——这实验再继续下去的话，似乎最原始的生命就快被直接“煮”出来了。

正当所有人都为之振奋时，谁也没有想到，峰回路转的剧情出现了——对远古岩石的分析发现，地球从未被甲烷、氨气和氢气覆满，至少在小行星大轰炸后就没有过。更加符合现实的原始大气层模拟则令人失望：那是一堆二氧化碳和氮气，混有少量的甲烷，通电后几乎无法检测到任何有机物。

这种经历就好比一道巨长的数学证明题，眼看着就要做完了，结果老师忽然告诉你，题目出错了。

好在，又一次的反转，拯救了“原始汤”——在对小行星和彗星的研究中，人们出乎意料地发现大量有机分子，在取样检测后，发现其中的氨基酸序列竟然和米勒烧瓶中的十分相似。看来，生命结构在宇宙中的确有什么不同寻常之处，以至于生命分子也成为某种备受青睐的集合，在诸如米勒烧瓶中的通电环境或太空中高强度辐射等差异巨大的合成环境中合成的有机分子，恰恰都是那几种生命分子。

在这个时候，历史上已经多次出现的宇宙起源学说又再次被提及，小行星大轰炸也不再是灭世般的力量，反而成为行星的生命之光——不仅为地球输送了巨量的水，还送来了有机分子之源。尽管大部分有机分子都会在撞击的一瞬间“灰飞烟灭”，但计算机模拟显示，总会有些漏网之鱼，日积月累之下，“原始汤”仍然可以建立。

虽然，我们尚不能直接下这样一个结论——生命起源于类似这样的“原始汤”中，但米勒的贡献依然是里程碑式的，他向我们演示了，有机分子甚至是更特殊的生命分子，都可以通过简单的无机原料经过简单的步骤合成。无生命的物质可以一个跳跃变成“几乎是生命”的物质。

现在基本可以确定，组成生命的那些零部件，可以在原始的极端环境下组装起来，但要让那么多的零部件自己组合起来，并让它们自行运转，以及自我复制……这中间其实还需要好多好多。因此，单有构件分子还不够，物质结构要发展成为生命，撇去一切细节，它首先得是个能满足一定功能需求的多分子体系，这样才有接下去的可能。

海相起源说

既然米勒实验证明了“原始汤”的可能，那很自然地，人们就会猜想到早期地球的海洋很可能会逐渐熬成一大锅浓稠的“汤”，“海相起源说”也因此应运而生并大行其道，解释从有机小分子到生命大分子的神奇跳跃。在“海相起源说”的猜想里，在海洋浓稠的“原始汤”中，各种大分子由小分子通过化学键像串珠一样串起来而生成。一旦大分子素材出现，接下来便是“进化论”的天下了。

大分子们不断生成、互相竞争、变异、淘汰、组合，最后形成鬼斧神工的分子机器，主动摄取能量，实现自我保存、自我复制、自我扩散，在自然选择的威力下遗传和进化——这依然满足对生命最苛刻的定义。

你或许会想：“原始汤”就是遍布字母的字母表海洋，只等着自然选择把它们捞起来，变成一篇惊世骇俗的不朽名著？！

光是这样想，似乎说得通，这个假说的确也很强势，即便现在很多中学教材也会这么讲。可惜了，大自然更强势，或者说科学的质疑和批判精神比任何科学内容都更强势。

跳出来质疑的是统计学家，最著名的论断来自大名鼎鼎的天文学家和数学家弗雷德·霍伊尔，他说：“生命起源于地球的概率就像大风吹过机械垃圾场能组装出一架波音747的概率。”随后，连DNA双螺旋结构的发现者之一克里克都为其助阵。他们说，生命要么起源于别的地方，最终“感染”了我们的星球，要么纯属偶然。理论支持也很简单：地球上没有足够的时间，不足以演化出这般复杂的生命。

意思就是，虽然概率上有可能，但是根据已知的有限的时间范围，这件事情要发生还是非常不可能的。

这近乎断言现在的科学不足以解决这个问题。因此，大部分科学家对此并不认同。倒是各路神学家、科幻作家把这个观点捡了起来，包装一下，就成为“自然目的论”“智慧设计论”等最好的“武器”，向进化论发起猛烈的炮轰。

还好这时又有一位大牛站出来，声名显赫的诺贝尔化学奖得主克里斯汀·德·迪夫发表了更加激动人心的论断：化学的决定性意味着生命一定会快速涌现。生命起源当然是个化学问题，而化学反应的事实告诉我们：反应要么较快地发生，要么永远不发生。如果一个反应需要花上一千年，那从概率上说它的反应物早就弥散消失或者直接就分解了，除非有源源不断的补充。照他的逻辑，生命在1万年内起源比在100亿年内诞生的可能性要大得多。

这样一来，“原始汤”理论就站不住脚了。因为倘若一大锅“原始汤”孤零零地熬在那里，不加任何特别干预的话，它在热力学上就是“死”的。以一个极端的假设为例，拿一大罐消毒的牛肉汤密封起来搁上几百万年，难道就会有生命从其中诞生出来吗？

当然，地球曾经的“原始汤”不是单纯搁着，自然界还会有闪电、强烈的紫外线。不过对于强热、电场、辐射等一切粗暴输入的能量形式，它们擅长的是撕裂化学键，而非促成新化学键的形成。换言之，它们是推动分解反应的行家里手，推动合成反应完全就是蹩脚工匠。熬出一锅“原始汤”的确超出了化学家的想象，但从“原始汤”中再熬出一锅生命来，已经不是人们想象力的问题了，这几乎是在正面对抗“热力学规律”。

可是，生命就在那儿，它确实是演化出来了，容不得一点质疑啊！

这正是这个问题最有意思的地方。也有人说，这就好比你在键盘上随机敲出了100个字符，虽然，再一次随机敲出这样一串字符的概率极低极低，但你不能说，你根本不可能再一次随机敲出这段字符。

但弗雷德·霍伊尔和克里斯汀·德·迪夫的观点又似乎站得住脚了？这个时候，唯一的可能性就是，“原始汤”理论一定存在某些问题，即使不是全盘皆错，也至少忽略了什么至关重要的细节。转机，出现在了1977年的加拉帕戈斯群岛。

海底起源说

在达尔文乘坐“贝格尔号”经过此地的近150年后，美国海军的深潜器执行了一场裂谷深潜行动。在那里，科学家见到了海底的“黑烟囱”（详见第二章第3节）。

这种海底热泉口真的很有意思，称之为“黑烟囱”也十分形象：它喷出的当然不是煤烟，而是灼热的强酸性的液态金属硫化物(7)，通过地质活动从地壳深处的岩浆“熔炉”中喷涌出来，遇到接近0℃的海水冷凝的沉淀。

“烟囱”本身就是之前沉淀的含硫化合物组成的，典型的例子如黄铁矿。“烟囱”是在不断生长的，有些“烟囱”一天就可生长30厘米，在最终垮塌之前甚至可以长到100米。但更令科学家震惊的，则是“黑烟囱”附近那出乎意料的“热闹”！

生命在这种极端的情况下，依然顽强地存活着！漆黑、高压、高温，极端的环境中，科学家看到了各种各样仿佛只在疯狂的梦境中才能出现的生命：没有口也没有肛门的庞贝蠕虫、不计其数的没有眼睛的盲虾、在120℃水温下自由活动的蟹类和餐盘大小的蛤与贻贝。

当然，令科学家惊叹的肯定不是又发现了许多新奇的海鲜——他们好奇的是，对于“黑烟囱”如此庞大的生态系统，它最初的能量输入究竟是什么？肯定不是太阳，数千米的水层可以吸收几乎所有的太阳光辐射；也肯定不是热泉的热量。如前所述，高热是破坏那里的行家里手，要小心翼翼地合成携带生物可用的化学能的化合物，是几乎不可能的事。真正的奥秘，便在高温下与含硫矿物一起冲出地壳的硫化氢（H₂S）上。是的，就是化学课上著名的那种“有毒，有臭鸡蛋气味”的气体。

硫化氢是一种非常强的还原剂，强还原性意味着高反应活性。生物代谢的各种底物在自然环境下都是“冷淡”的，但它们一碰到硫化氢就立刻热情似火。虽然不知道具体的反应路径，但这至少赋予了生物代谢合成理论上的热力学动力，而经验告诉我们，生命就是如此强势，只要存在理论上的可能又恰好是生物需要的，生物总会进化出让所有合成化学家自惭形秽的反应方案。

没过多久，生命起源学界便注意到了这样的深海“黑烟囱”世界。在这里，“原始汤”的很多问题迎刃而解，最明显的就是热力学问题。在泉口和海洋交界的重重黑烟中，没有什么可以和平衡二字扯上关系。不过硫细菌的代谢模式还不足以作为起源的参考，因为它的反应是需要氧气的。可蓝细菌出现以前的古地球显然是没有氧气的呀！

这时候，德国的一位化学家兼专利律师甘特提出了一个惊世骇俗的观点：早期地球的生命活动靠的是“铁”。众所周知，三价铁也是无机化学重要的氧化剂。生命最早的引擎就是铁和硫的反应，反应可以自发进行，产物是硫化亚铁，也就是黄铁矿，这在“黑烟囱”附近可是大把大把的。

根据化学原理，甘特这样设计他生命起源理论的细节。由于铁和硫的反应放能不足以推动二氧化碳（CO₂）生成有机物(8)，因此甘特选择了“黑烟囱”附近另一种常见的碳氧化物（CO）作为有机分子合成的底物。更激动人心的是，过渡金属元素化合物往往能够成为优良的无机催化剂，硫化亚铁也不例外。在硫化亚铁的推动下，迟缓的有机反应得以大大加速，生物大分子的合成就不用再经历宇宙尺度的时间等待。

甘特不仅仅是说说而已，他和他的团队还在实验室实现了他在理论上预言的很多反应，大大推进了米勒实验的广度和深度。似乎，曾经存在过一锅关于生命起源的“原始汤”，但这锅汤的原料不来自太空，这口锅也不在海洋上层，而在海洋的底部——并且这口锅、这锅汤都是活的，是很有可能合成出有意义的生物大分子的！

是的，生命的起源竟然发生在地狱一般的环境里？！

科学界炸锅了！甘特的理论受到了猛烈的批评。而在一系列的反击之中，有一项批评，可以说是切中了要害：甘特的生命起源理论和“原始汤”理论一样，存在致命的漏洞——浓度问题。在开放系统中，任何聚集的化学物质浓度都趋于扩散、淡化，这是简单物理原则决定的，而无论是“原始汤”还是深海热泉口都是这样的开放系统。但是我们知道，化学反应必须依赖一定的浓度，倘若反应物被无限制地稀释，活化分子将很难发生有效碰撞并生成DNA、RNA和蛋白质这样的多聚物。此外，他理论中硫的分量太重了，这和现代生物化学的图景格格不入。而且，“黑烟囱”是酸性环境，他模拟的实验都只能在碱性的环境实现。

不过，给予甘特的理论沉重一击的是另外一个理论。这个理论是二十世纪最伟大，也是最反直觉的生物学发现。它的发现近乎重构了生命科学的研究格局，当然也深刻地冲击了生命起源领域。

1967年，“斯皮格曼的怪物”闪亮登场！

斯皮格曼是美国伊利诺伊大学的分子生物学家，他设计了一个实验，想用来确定自然选择条件下最小的遗传个体。他把一种非常简单的病毒从寄生细胞里分离出来，放在充满必要营养物（也就是各种有机小分子）和必要催化酶的溶液中自由生长。这种病毒只有4500个碱基对长，可谓极其简单。最初这些病毒正常复制，接着，有一些复制发生变异，丢失了基因。

如果在寄生细胞中，病毒丢失基因意味着缺失某种功能，那么下场就是死亡。但在这个接近“原始汤”的充裕环境中，这反而成了优势：更短的序列复制更快，抢占资源更多，淘汰基因序列更长的对手。最终的结果是病毒逐渐退化成了只有220个碱基对的破碎残片，以疯狂的速度复制，充满整个培养液。这个实验结果不但和其他科学家重复的结果相同，而且，换成更复杂的病毒后，结果仍然类似。

也就是说——自然界不一定会从字母表里拣出一个章句，反而可能把一个章句打碎成一堆字母。这狠狠地击碎了“原始汤”理论的幻想，同时似乎还预示着病毒不太可能是早期的生命形式。

对简单生命而言，复杂化反而不利于它们适应，简单化和退化才是大势所趋。

一切，似乎又回到了原点。或许你也和我一样，想穿越回去，亲眼去见证一下生命从无到有的伟大一刻。可惜，我们做不到，甚至永远也做不到——科学并不是历史学或者侦探学，即使有一天我们可以从试管中培育出生命来，我们仍无法断言这个过程是否真实发生过。三十多亿年足以湮灭我们所能想象的所有物质证据，或许我们永远无法探知和还原地球历史上对所有生命意义非凡的一天究竟发生了什么。

那，还要科学做什么？！

这其实就是这段分享的实质——这就是真真实实的科学探索，答案依旧缥缈，但过程却依然重要，即使某个假设最终被证明是错误的，但也好歹给我们做了一次排除。更何况，在探索过程中的一系列副产品，已经不止一次地改变，甚至颠覆了我们的生活和认知。