生命,崛生於深海一個自然的「質子梯度-質子動力學」,連恩宣稱,一如DNA的宇宙遍存,質子梯度必然是一個「宇宙遍存的特質」,是生命最初始可能的搖籃!

我們現在知道,所有真核生物分享一個共祖,也就是說,在地球上,生命演化的四十億年歷史中,就只有這麼一個祖先。這論點很重要,請容我再重申一次。所有的植物、動物、藻類、真菌跟原生生物,都有一模一樣的祖先,而真核生物是單系群發生的。這意思也就是說,事實並不是:植物來自於一種細菌,動物或真菌來自另外一種細菌。恰恰相反,外貌千奇百怪的真核生物,全都來自一次偶然的機遇;所有的植物、動物、藻類跟真菌,均演化自同一群創始族群。

現在只要記住,有某些結構上的限制,綁住了兩大域的原核生物,讓細菌跟古菌這兩群生物,在不可思議的四十億年間,始終維持著簡單的外形。只有真核生物,真的跨越了複雜度的界限;

人體大約有四十兆個細胞,全部加起來的話,我們一天要用掉六十到一百公斤重的ATP分子!這大約跟我們的體重差不多重了。但是事實上,我們全身大概只有六十克的ATP,因此可以計算出,每個ATP,大約每一分鐘會被「重新充電」一到兩次。

我們每一克組織,要用掉兩毫瓦的能量,如果以平均成人重量六十五公斤來算,就是一百三十瓦,大約比一般一百瓦的燈泡,要多一點點。這看起來好像並不多,但是如果從每克組織來看,這數量可比太陽放出的,多了一萬倍(太陽只有很小一部分,無時無刻不在進行著核融合反應)。與其說生命是燃燒的蠟燭,還不如說是一座火箭發射器。

全身四十兆個細胞中,總共有至少一千兆個線粒體,它們摺疊起來的膜面積,攤開來大約有一萬四千平方公尺,差不多是四座足球場這麼大。它們的工作,就是不斷地把質子傳輸出去,加起來,它們可以打出約 1021個質子,相當於宇宙中所有的恆星數!噢對了,我是說每一秒喔。

因此,把質子泵出膜,成就了兩件事:第一,它在膜的兩側,製造了質子的濃度差;第二,它在膜的兩側,製造了電位差,外側是正電,內側是負電。因此,膜兩側有了電化學電位差,約莫是一百五十到兩百毫伏特。因為這道膜非常的薄(厚度只有六奈米),在這麼短的距離內,這是非常強大的電力。想像一下,再把自己的身體縮到ATP分子那麼小,在這層膜旁邊你所能感受到的電場強度,將會是每公尺三千萬伏特,這相當於一道閃電,或是一千倍於一般家庭用電。

這一股巨大的電位勢(electrical potential),又稱為質子驅動力,會推動一台最不可思議的蛋白質奈米機器:ATP合成酶(見圖10)。這台機器的目的,就是用來合成ATP,但同時也是一台貨真價實的旋轉馬達;當質子流過去時,會推動曲軸,然後旋轉具有催化功能的蛋白質頭部,藉著這個機械力,去合成ATP。

在生命誕生之初,細胞的尺寸,必定取決於碳原子的自然輸送速度,以及廢棄物的排除速度,所以會很小。它們也可能需要有某些物理性隧道,讓連續的水流帶入各種前驅物,同時帶走廢棄物。

基本上,瓦赫特紹澤談的是一種「鐵-硫世界」,在這個世界裡,硫化鐵(FeS)礦物會催化有機分子的合成。這類礦物質通常是由亞鐵離子(Fe2+)跟硫離子(S2-),形成不斷重複的晶格。亞鐵跟硫化物形成的小礦物集團,也就是鐵硫簇(FeS cluster),至今仍然可以在許多酵素的核心中見到,其中不乏參與呼吸作用的酵素。基本上,它們跟四方硫鐵鎳礦(mackinawite)以及硫複鐵礦(greigite)之類的鐵硫簇礦物,有著一模一樣的晶格結構(見圖11以及圖8),因此,如果說這些礦物質,過去曾經催化過生命的第一步,確實有幾分可信度。

地質化學家阿門德(Jan p. Amend)跟麥柯倫(Thomas T. McCollom),甚至更進一步計算過,在鹼性熱液噴發孔的環境中,只要沒有氧氣,從 CO2 跟 H2 去合成有機物質,都是熱力學上傾向發生的反應。這結果很值得注意。如此一來,在介於攝氏二十五度到一百二十五度的環境中,所有合成細胞生物物質(包括胺基酸、脂肪酸、碳水化合物、核苷酸……等)的反應,都是釋能反應。這意思也就是說,在這樣的環境下,CO2 跟 H2 應該會自動去合成各種有機物質。結論就是,合成細胞的反應,會釋放出能量,增加整體的熵!

但鹼性熱液噴發孔是可行的。回想一下,它們是由水跟橄欖石礦物發生化學反應而形成。也就是一種岩石。事實上,橄欖石是宇宙中含量最豐富的礦物之一,是星塵跟吸積盤(accretion discs)的主要成分,而所有星球,包括地球,均由此而生。

但鹼性熱液噴發孔是可行的。回想一下,它們是由水跟橄欖石礦物發生化學反應而形成。也就是一種岩石。事實上,橄欖石是宇宙中含量最豐富的礦物之一,是星塵跟吸積盤(accretion discs)的主要成分,而所有星球,包括地球,均由此而生。橄欖石的蛇紋岩化過程,也可能在太空間發生,讓星塵水合。當我們的行星透過吸積作用形成的時候,水合在星塵裡面的水,就會因為升高的溫度及壓力,被擠壓出來;有些人認為,這就形成了地球上面的海洋。不管其中的作用為何,水跟橄欖石都是宇宙中最豐富的成分。另外一個含量也很豐富的東西,則是 CO2。這是太陽系大部分行星大氣層中的主要成分,甚而在其他太陽系的行星上面,也被探測到了。

舉個例子來說,我們知道將細菌與古菌的脂質混在一起,也可以形成結構穩定的膜,

舉個例子來說,我們知道將細菌與古菌的脂質混在一起,也可以形成結構穩定的膜,因此,或許露卡真的同時有兩種脂質,而它的後代因為丟掉其中一種,而慢慢開始特化。

或許,這些看起來自相矛盾的現象,其實一點也不矛盾。露卡真的使用化學滲透,來操作ATP合成酶,但是它也確實沒有現代化的細胞膜,也沒有任何現代細胞具備的大型呼吸複合物,可以泵出質子。它確實有DNA,會使用通用的遺傳密碼,它會轉錄、會轉譯,更會操縱核糖體;但它確實也還沒有發展出現代化的DNA複製技術。

在所有的固碳反應裡面,只有這一個反應,同時存在細菌跟古菌體內,那就是乙醯輔酶A路徑。這也就是說,這反應很可能曾出現在它們的共祖身上。

你不需要擔心這些專有名詞拗口,「輔酶A」就是「輔助酶A」的意思,它是一個重要而萬物通用的化學「掛鉤」,它會鉤住小分子,讓這些小分子容易被其他酵素催化。

這種原始的「乙醯輔酶A路徑」,原則上,已經足以讓原始的細胞,從鹼性熱液噴發孔的微孔結構裡面開始演化了。我認為這有三個階段。在第一個階段,鹼性熱液微孔結構中形成的質子梯度,被帶著硫化鐵礦物質的薄壁分開,這種環境有利於簡單有機分子合成(見圖14)。這些有機分子,流往熱液出口的眾多小孔時,會因為海水溫度較低,而被熱泳效應濃縮;接著,如同我們在第三章談過,它們會變成效果比較好的催化劑。這就是生物化學的起源,這個過程會持續生產並濃縮有活性的前驅物,促進分子之間的反應,並形成簡單的聚合物。

第二階段則是在鹼性熱液的細小微孔結構裡面,形成簡單而有機的原始細胞。根據有機的分子之間的交互作用,形成這種簡單而脆弱的細胞狀耗散結構,應該是必然的趨勢;這樣的結構,這只不過是物質自我組織的本性,並不需要遺傳基礎,也還沒有任何複雜性。我認為這些原始細胞,一樣是靠著質子梯度,去合成有機分子的結構,只不過以前是隔著鹼性熱液噴發孔的岩石薄壁,現在則是隔著有機膜(比如由脂肪酸自動合成的脂雙層膜)。

我認為,「露卡」,這個細菌與古菌的共同祖先,應該是住在鹼性熱液噴發孔的微孔結構中。這意思也就是說,從最原始的無機物,一直到露卡誕生的三個階段,應該都發生在這些小孔中。所有的事件,都是由隔著無機石頭薄壁、或是有機膜的質子梯度來驅動。但是複雜的蛋白質像是ATP合成酶的出現,則要在露卡這段崎嶇旅途的晚期才會發生。

質子梯度驅動乙醯輔酶A路徑的方式,是利用一種嵌在膜中間的鐵硫蛋白質,它叫做「能量轉換氫化酶」(energy-converting hydrogenase),縮寫是 Ech。這個酶會引導質子通過膜,把質子傳給另一個叫做鐵氧化還原蛋白(Fd)的鐵硫蛋白質,然後把 CO2 還原。在上一章中我曾假設過,隔著熱液微孔鐵硫薄壁的天然質子梯度,可以藉著改變 H2 與 CO2 的還原電位,把 CO2 還原。

我們的基因跟蛋白質,是天擇作用在原始細胞身上的結果。如果這顆會滲漏的細胞,可以利用天然質子流,去操作前面提過的 Ech,來推動碳代謝。Ech 讓 H2 能夠跟 CO2 反應,去生產乙醯輔酶A,從此開始就可以製造所有所需的建築材料。這個會漏的細胞,還可以利用天然質子梯度,去驅動ATP合成酶來合成ATP。當然它接著就可以利用ATP,去聚合胺基酸跟核苷酸,這樣就可以合成蛋白質、RNA還有DNA,最後就有能力自我複製。還有很重要的一點,這顆會滲漏的細胞,並不需要消耗能量來泵出質子,所以即使使用的是幾十億年以前、尚未受到演化雕琢的低效能原始酶,它們仍應該能夠好好地生長。

如果在鹼性溫泉噴口的原始細胞,演化出 Na+ / H+ 反向運輸蛋白的話,它就好像有了一台靠質子推動的 Na+ 泵浦。每一個 H+ 進入到細胞裡,就必須丟出一顆 Na+,理論上來說,一台反向運輸蛋白,會把天然的質子梯度,轉換成為生化的鈉離子梯度。

因此,反向運輸蛋白可能很久以前就出現並開始運作,這樣才能解釋,為何所有細胞雖然從高 Na+ 的海洋中演化出來,卻最適應在低 Na+ 濃度的環境下工作31。

我認為,細菌跟古菌的最後一個共同祖先,也就是稱為「露卡」,應該就曾經住在鹼性熱液噴發孔的小孔中。它是這裡眾多簡單細胞群中的一員,依賴著天然質子梯度而活,後來被天擇篩選出來。天擇會讓複雜的蛋白質慢慢演化出來,像是核糖體、Ech 還有ATP合成酶等等。這些蛋白質,後來被保存下來,成為萬物共有的特徵。

基本上,電子分歧可以看成一種「能源的短期租賃」過程,所依賴的是欠的債可以馬上償還。之前曾提過,H2 跟 CO2 的反應,整體來說是一種釋能反應(會放出能量);但是這系列反應的前幾步,是需能反應(需要輸入能量)。電子分歧現象所促成的,其實只是把反應的後幾步,當 CO2 被還原時所釋放出來的能量,挪用到前幾步來而已33。既然最後幾步所釋放出來的能量,大於前幾步所需要的能量,多出的能量有一些會被用來製造質子梯度(見圖18)。整體來說,H2 跟 CO2 反應所產生的能量,是被用來將質子泵出細胞膜。

在細菌跟真核生物之間,確實找不到處於中間型的「文明遺跡」。

變形菌(α-proteobacteria)被公認是線粒體的祖先,因此原本大家以為,這些細菌基因都會來自現代α變形菌。但是事實並非如此。相反地,至少有二十五群不同的現代細菌,都曾經提供基因給真核生物。古菌也貢獻很多,不過比細菌要少一些。

化學滲透耦合在熱力學上所占的優勢,足以解釋為何這套機制,可以歷時四十億年而不衰。

質子梯度,因此成為感應細菌健康與否的最後一道感應器,也是生與死的裁判。

總而言之,這套化學滲透耦合機制,之所以會變得極為普遍,絕非偶然。它的起源,很可能與生命的起源息息相關,也與細胞如何從鹼性溫泉噴口處誕生有關(迄今,這是最有可能孕育生命的機器)。因此,幾乎所有的細胞,都使用這套系統,也就理所當然。這套系統乍看之下,或許十分詭異,但是實際上,這僅僅只是表面上看起來反直覺而已。根據我們的分析,化學滲透耦合不只是在地球上,也應是宇宙中萬物共有的生命特徵。這意思也就是說,其他星球上的生命,也會面臨著與地球上的細菌和古菌一樣的問題,所有的問題都來自「原核生物]。

真核生物每個基因能夠分配到的能量,是原核生物的二十萬倍之多。二十萬倍的能量差距呢!最終,原來這兩者之間,隔了一道鴻溝;這個巨大的差距很清楚地解釋了,為何細菌跟古菌永遠也不可能演化成複雜如真核生物。

因為核糖體是製造蛋白質的小工廠,所以核糖體的數量,跟合成蛋白質所需的花費,就有直接的關係;因此,也可以透過計算核糖體的數量,來估算能量消耗。像大腸菌這樣的細菌,平均起來大概有一萬三千個核糖體,而一顆肝臟細胞則至少有一千三百萬個核糖體,兩者之間的差距大概從一千到一萬倍之多。

基本上,線粒體基因,可以視需要即時反應,在局部變化釀成災難以前,把膜電壓調整在一定的範圍裡面。根據這類假設,如果線粒體基因被移到細胞核裡的話,那麼當氧氣壓力改變、反應受質缺乏,或是自由基外洩時,線粒體都將無法立刻反應,去調整膜電壓,細胞就會死亡。

線粒體內膜的兩側,有大約一百五十到兩百毫伏特的電壓差距,而這層膜只有五奈米厚。我們提過,用同樣的電場強度來換算的話,這等於每公尺有三千萬伏特的電壓,跟一道閃電的威力一樣。

有少數細胞,丟掉了全部的線粒體基因,但也同時失去了呼吸能力。比如說氫化酶跟殘留紡錘體(它們是在古原蟲體內所找到,由線粒體特化而來的胞器),一般都沒有保留任何基因,同時也失去了化學滲透耦合的能力。

這是前任國防部長里德(John Reid)告訴我的詞彙,他在讀過我寫的《生命的躍升》之後,邀我去上議院喝下午茶。我認為線粒體在面對貪婪的宿主細胞時,採取分權管理的策略,竟然和軍事上面的管理概念不謀而合。

這副剪刀會把自己跟其他的長段RNA剪開,如此對宿主細胞的傷害,可以減到最低。被剪下來的片段,會變成一組活躍的複合物,然後製作出反轉錄酶(reverse transcriptase)。這種酶可以把RNA反向轉錄成DNA。被轉錄回DNA的內含子,就會把自己再插回宿主的基因體裡。所以,內含子是一種基因寄生蟲,在細菌的基因體裡不斷跳進跳出。

如果只有少數幾個基因有這樣的現象,那麼第一種解釋就很有可能。但是科學家發現,數以千計個內含子,都插在數百個真核生物共享基因中,完全相同的位置上。如此一來,第一種解釋就說不通了;從遠古共祖流傳下來的說法,反而比較有可能。果真如此的話,那麼就在真核生物誕生之初,必定有過一波內含子大入侵,讓這些內含子一開始就插在這些位置。然後這些內含子,發

細胞核的核膜就是這道障礙,可以把轉錄跟轉譯的過程分開:在細胞核裡,基因被轉錄成RNA編碼指令;在細胞核外面,核糖體則會讀取RNA,然後轉譯成蛋白質。緩慢的剪接過程,一定要在核糖體有機會碰到RNA以前,就在細胞核內完全處理完。這就是細胞核最重要的功能,就是把核糖體擋在外面。這就是為何真核生物需要細胞核,而原核生物完全不需要:因為原核生物根本沒有內含子的問題。

一般常說,在真核生物演化的過程中,內共生者變形程度,大到幾乎看不出原來的模樣(但尚不致於無法辨認),最後變成線粒體。不過很少人注意到,其實宿主細胞的變形程度更大。宿主細胞一開始只是一隻簡單的古菌,得到了一些內共生者。這些內共生者開始用DNA跟內含子轟炸無辜的宿主,促使細胞核開始演化。不只是細胞核,有性生殖也一起演化出來了。

有性生殖也是一樣,它讓天擇的全能之眼,得以一個基因一個基因,細細檢視自己的成果。有性生殖帶給我們一種「流動的」染色體(「fluid」chromosomes),以及隨時變動的基因組合(精確地說,彼此配對的基因,叫做對偶基因 alleles44);這樣讓天擇可以用前所未有的細緻度去區分不同的個體。

兩種性別差異最大的地方之一,在於線粒體的繼承。兩種性別中,只有一種會把線粒體傳給下一代,另一種則不會,不管是人類,還是單胞藻(Chlamydomonas)都一樣。

就是雌雄同體的生物,任何一方都不願意承擔做「雌性」的代價。像扁蟲,在交配的時候,會使盡全力讓自己不被受精。牠們會用陰莖做近距離肉搏戰。勝者的精子,灑在敗者撕裂的傷口上。

對於演化而言,線粒體的地位就是複雜生命的起源。所有真核生物的特徵,也就是說所有的細胞生理學,都源自於這一對細胞伴侶之間持續不斷的拔河。

我們之前也提過,電子是藉著一種叫做「量子穿隧效應」的機制,跳來跳去。它們從一個中心消失,然後出現在另外一個中心裡,出現與消失的機率,與許多因子有關:氧氣的吸引力(精確一點來說,應該是下一個氧化還原中心的還原電位高低)、兩個相鄰的氧化還原中心的距離、占有率(下一個氧化還原中心是否已經被電子占住了)等等。

我們之前也提過,電子是藉著一種叫做「量子穿隧效應」的機制,跳來跳去。它們從一個中心消失,然後出現在另外一個中心裡,出現與消失的機率,與許多因子有關:氧氣的吸引力(精確一點來說,應該是下一個氧化還原中心的還原電位高低)、兩個相鄰的氧化還原中心的距離、占有率(下一個氧化還原中心是否已經被電子占住了)等等。特別是兩個中心之間的精確距離非常重要,因為量子穿隧效應只能發生在很短的距離內,在少於十四個埃的距離以內才行(還記得埃(Å)這個單位嗎?大概是原子的直徑大小)。再遠一點的距離,就跟無限遠沒差了;因為超過這個距離以後,電子要在兩者之間跳躍的機會趨近於零。在這個關鍵距離以內,電子在兩個中心之間跳耀的機率與距離有關,而兩個中心的距離又跟兩個基因體的交互作用有關。

有一些跑到細胞核裡的DNA,後來又獲得了一段稱作導向序列(targeting sequence)的DNA,這段序列像一組地址一樣,可以帶著做好的蛋白質,回到線粒體裡。

在第五章裡面談過平衡力,談到我們需要有基因留下來,控制局部的呼吸作用。還記得這裡的電壓是一百五十到兩百毫伏特,所造成的電場相當於

在第五章裡面談過平衡力,談到我們需要有基因留下來,控制局部的呼吸作用。還記得這裡的電壓是一百五十到兩百毫伏特,所造成的電場相當於每公尺三千萬伏特,跟一道閃電一樣強。為了要能控制這樣巨大的膜電位,我們需要有基因在這裡改變電子流、氧氣供應、ADP跟ATP的比值、呼吸蛋白質的數量……等等。如果有一個控制呼吸作用所必須的基因,被送入細胞核裡,它所製造的蛋白質,在災難即將發生的節骨眼,來不及即時回到線粒體裡,那內共生作用這個大自然的「實驗」,就可以馬上宣布結束了。

不過對於人類或是老鼠這些哺乳類動物來說,兩性之間最早出現的差異,其實是生長速率:雄性胚胎長得比雌性胚胎要快一些。這樣的差異,在受孕後幾小時之內,就可以用尺測量出來(但是千萬不要在家裡嘗試呀)。在人類的Y染色體上,主宰男性發育的基因叫做 SRY 基因,它會啟動許多生長因子,因而加速生長速率。

複雜的生命需要兩套基因體互相配合良好這件事,可以用來解釋非常廣泛的演化謎題,從物種的起源、性別的起源,以及雄鳥鮮豔的顏色,都非常合理。

抗氧化劑的濃度,不管是在細胞內還是在細胞外,都受到非常嚴格的調控。

我們解釋過,第一群真核生物祖先,必定是一小群演化快速的種群:因為真核生物有許多我們從未在細菌身上看過的共同特徵,這代表當時的祖先種群,一定很小且不穩定,並且進行有性生殖。

線粒體的反應一旦被干擾,就會危及性命。氰化物就是如此,它擋住電子跟質子的流動,也瞬間擋住我們的生命之流。老化也是一樣,不過它步調緩慢、溫柔多了。死亡,就是電子跟質子停止流動,是膜電位消失,也是生命之火熄滅。如果說,生命不過就是一顆電子不斷地尋找棲身之地,那麼死亡就是這顆電子終於可以安息之時。