生物演化史上的“黑洞”，可能需要物理学来填补丨展卷( 六 )
所以 ， 我们现在又回到了起点 。 我们掌握了很多知识 ， 但还是不知道为什么生命会是这样 。 我们知道复杂细胞起源于40亿年演化史中的单一事件：一个古菌和一个细菌的内共生（图1） 。 我们知道复杂生命的特征在这次结合之后才演化出现 。 但我们仍然不知道 ， 为什么这些特征会出现在真核细胞中 ， 在细菌和古菌中却没有留下演化的痕迹 。 我们不知道是什么力量限制了细菌和古菌：为什么它们的生物化学机制如此多姿多彩、基因多态性如此丰富、依靠气体和石头都能顽强生存 ， 但一直保持着简单的形态？我们真正拥有的是一个新颖大胆的理论构架 ， 可以依此继续探索 。
我相信 ， 线索就藏在细胞的生物能量生产机制中 。 这种怪异的机制从各方面限制了细胞 ， 但很少有人理解这一点 。 本质上 ， 所有的活细胞都通过质子（带正电荷的氢原子）回流来为自身提供能量 ， 就像是某种电流——只是用质子代替了电子 。 我们通过呼吸作用氧化食物而获得的能量 ， 被用来把质子泵过一层膜 ， 在膜的另一边形成质子蓄积 。 从这个“水库”回流的质子可以为细胞工作供能 ， 如同水电站的涡轮电机 。 这种利用跨膜质子梯度为细胞供能的奇特机制 ， 发现之初完全出人意料 。 彼得·米切尔（Peter Mitchell）是20世纪最具独创性的科学家之一 ， 他于1961年首先提出了这一理论 ， 并在此后的30年间逐渐将其完善 。 米切尔的学说被认为是自达尔文以来最“反直觉”的生物学理论 ， 可与爱因斯坦、海森堡和薛定谔的物理学思想相媲美 。 现在 ， 我们对质子动力的工作方式理解得十分详尽 ， 已经深入到蛋白质层面 。 我们还发现 ， 所有的地球生命 ， 无一例外都利用质子梯度供能 。 质子动力是生命不可或缺的成分 ， 就像通用遗传密码 。 然而 ， 这种反直觉的能量利用机制最初是怎么演化出来的 ， 我们几乎一无所知 。 在我看来 ， 这就是位于当代生物学核心的两大未知问题：为什么生命以如此令人困惑的路径演化？为什么细胞的供能方式如此古怪？
写作本书就是为了尝试回答以上两个问题 ， 而且我相信二者紧密相关 。 我希望说服读者 ， 演化是围绕能量进行的 ， 我们必须考虑能量才能理解生命的各种特征 。 我希望向读者展示 ， 能量与生命从一开始就密不可分 ， 地球生命的基本特征源于一颗躁动行星的能量失衡 。 生命的起源由能量流推动 ， 质子梯度对细胞的出现至关重要 ， 但是对质子梯度的利用又限制了细菌和古菌的结构 。 这些限制条件主宰了细胞之后的演化历程 ， 细菌和古菌虽然在生物化学方面花样百出 ， 却一直保持着简单的形态 。 我想证明 ， 一次罕见的内共生事件 ， 即一个细菌入住一个古菌体内 ， 打破了这些限制 ， 使复杂细胞的演化成为可能 。 一个细胞在另一个活细胞内生活并逐渐融合 ， 这是很难实现的变化；形成这种关系的困难程度 ， 解释了为什么复杂生命的起源只有一次 。 我还想证明 ， 这种密切的共生关系决定了后来出现的很多复杂细胞特征 ， 包括细胞核、有性生殖、两性 ， 还有不朽的种系和无常的肉体—也是有限寿命和基因预定死亡的源头 。 最后 ， 从能量角度思考生命能让我们认识人类自身的生物学特性 ， 特别是演化过程中深层次的取舍权衡：生殖力和年轻时的健康 ， 代价是衰老和疾病 。 我认为 ， 这些见解能够帮助人类增进健康 ， 至少能加深对健康的理解 。
本文节选自《复杂生命的起源》 ， 贵州大学出版社2020年10月版 。
作者简介：尼克·莱恩（Nick Lane） ， 演化生物学家 ， 英国伦敦大学学院教授 。 他的研究方向为演化生物学与生物能量学 ， 聚焦于生命的起源与复杂细胞的演化 。 他还是伦敦大学学院线粒体研究学会的创始成员 ， 也是生命起源研究计划的项目领头人 。 2010年 ， 他以《生命的跃升》荣获英国皇家学会科学图书奖 。 尼克本人因为在分子生物学研究上的卓越贡献 ， 于2015年荣获英国生物化学学会奖 。 他不仅深耕自己的学术研究领域 ， 还孜孜不倦地参与公众科学普及 。 2016年 ， 尼克因为在科学传播上的深入付出而荣获英国皇家学会迈克尔·法拉第奖章 。
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