生命起源假说（下）：通过克氏循环和化学渗透找到第一个生命祖先
生命起源假说（下）：通过克氏循环和化学渗透找到第一个生命祖先
生命起源一直是人类探索的重要课题。近年来，科学家们在海底热泉中发现了可能的生命起源线索，结合克氏循环和化学渗透理论，为我们揭示了生命起源的可能路径。
就在美国宇航局研究员罗素，正为碱性热泉是人类生命起源这一话题越发确信的时候。
科学家们又有了新的发现！在距离大洋中脊15千米远的地方，人们通过亚特兰蒂斯号潜水艇找到了一座与众不同的热泉，恰巧的是 这座热泉所在地也被人们称为亚特兰蒂斯山。
亚特兰蒂斯号潜水艇
1882年绘制的亚特兰蒂斯位置想象图
柏拉图笔下的Atlantis：爱琴岛
迪士尼电影《亚特兰蒂斯：失落的帝国》
这无疑给了人们一个充满激情的思考，这次的科学考察是不是上天在暗示着人类应该有什么作为呢？压力给到了科学家们。
科学家们经过夜以继日的观察，终于把亚特兰蒂斯难题攻克了。
因为亚特兰蒂斯热泉的神秘，科学家们赋予了它一个更加神秘的名字：失落之城
失落之城的生命系统基础是氢气与二氧化碳的化学反应。地球上几乎所有的生命系统都是如此，不过失落之城和其他系统最大的不同，在于失落之城里二氧化碳直接与氢气发生反应，而其他系统必须间接获取氢原子。
氢气与二氧化碳反应生成甲醇
清洁能源甲醇未来的使用愿景
碱性热泉是更新地球表面板块系统不可或缺的一部分，它深居海底，与海洋总是处于不平衡状态。这一高一低使得热泉内部持续不断地冒出氢气，氢气再和二氧化碳反应产生有机分子。
而热泉内部如迷宫般的多孔状构造，可以保存并浓缩新生成的有机分子。
经过长年累月的吸收海洋精华，最终形成了类似RNA的大聚合物，而这种聚合物恰恰是生命起源最需要的养料。
科学家们又提取了失落之城内的古细菌进行显微观察，通过古细菌的观察延伸到热泉整体，热泉内部众多复杂的空腔壁非常适合作为生命起源的摇篮。
由此我们可以想象一下：在数亿年前，海洋中溶有大量的铁矿物质 ，而恰巧热泉内部的空腔具有高速道催化作用。二者如同天然的反应器，经过无数次化学反应，从而产生了巨大的有机分子和生命体赖以生存的能量。
既然生命起源的假想有了，必定会有一个强大的反应中心来加以指导。这就好比两个人去商店买东西，甲买铅笔 乙买钢，二人的最终目的都是为了写字，写字意图就是原始的反应中心！
所以，现在所有的生命系统，都共享同一个系列的基础代谢反应。
这个反应中心就是大名鼎鼎的克氏循环，克氏循环又称为三羧酸循环，是由德国诺贝尔生理医学奖得主汉斯·克雷布斯爵士提出来的，20世纪30年代 汉斯爵士逃离纳粹德国，开始了他的英国求学之路，克氏循环就是汉斯在英国谢菲尔德大学首次提出的。
在提出该理论之前，汉斯仅仅因为他对食物在体内究竟是如何变成水和二氧化碳这一课题感兴趣。
假设一个人将一个苹果吃进肚子里，苹果渣是如何一步一步被人体吸收，并转为能量的。带着种种疑问，汉斯开始了他的探秘之旅。
首先，汉斯将消化数据仔细整理了一番，结果发现苹果渣在体内是按F、G、A、B、C、D、E这样一个顺序变化的。再仔细观察F到E的全链条，发现E和F之间似乎断了链。
如果E和F之间存在一种X物质，那么，这条食物循环反应链就完整了。于是，汉斯马上集中精力，全力寻找X物质。4年后终于查明，X物质就是如今放在饮料中作为酸味添加剂的柠檬酸。他完成了食物的循环链，并且将它命名为柠檬酸循环。
柠檬酸循环全链条
汉斯的循环理论解释了食物在体内进入柠檬酸循环后，按照A、B、C、D、E、X、F、G的顺序循环反应，最终氧化成二氧化碳和水。他的伟大不仅仅在于发现了几个化学物质的变化，而且在于找出了可以解释动态生命现象的结构。
基于这一发现，汉斯在1953年获得诺贝尔生理学或医学奖。柠檬酸循环也叫三羧酸循环或TCA循环。
总之一句话，克氏循环不只是生物化学的中心，也是细胞生理学的中心。当这个循环的速度改变时，它会影响细胞的一切，从衰老、癌症到细胞动力，都离不开克氏循环。不过最近有一个发现证明克氏循环是可逆的。
逆向的克氏循环并不常见，即使在姿态万千的细菌界也很少见，但是对于海底热泉区的古细菌来说就比较常见。古细菌虽然原始，却是把氢和二氧化碳变成生命能源极为重要的方式。
美国耶鲁大学的生物化学先驱 哈罗德·莫洛维茨（Hans Adolf Krebs）花了好几年的时间，才终于梳理清楚了逆向克氏循环的特质。简单来说，他的研究结果就是，只要反应过程中各种成分浓度足够，逆克氏循环就会自己动起来。
逆克氏循环的基本原理是利用逆向的克氏循环反应，吸入二氧化碳和氢气，生成新的有机分子。在这个过程中，ATP的生产者角色转变为消耗者，通过提供ATP、二氧化碳和氢气，逆克氏循环最后将所有的参与物质打包、分发和处理。
克氏循环只是化学概率和热力学的产物。
一旦克氏循环启动，同时又有足够的能量，那么逆反应必然发生，进而合成更复杂的前体，比如氨基酸或核酸。
地球上有多少生命的核心代谢反应是自发进行的，又有多少是在基因和蛋白质出现后才产生的，这是一个非常有趣的问题，这就是克氏循环和逆克氏循环存在热烈讨论的价值。
关于生命起源，我们不得不重新思考一个问题，目前已知的生命体都离不开碳原子：我们喝的水有碳原子，吃的食物有碳原子，穿的衣服也有碳原子。
那么，碳原子如何进入有机世界的？
作出这一疑问的是上期我们提到的的美国宇航局研究员罗素和现任于德国杜塞尔多夫大学的植物学教授马丁。
马丁和罗素根据目前公认的五种代谢途径（乳酸循环、三羧酸循环、底物循环、鸟氨酸循环和丙氨酸-葡萄糖循环）入手，原理都是将氢原子和二氧化碳结合生成有机分子，从而把碳带入生命世界。这五种反应中的四种要消耗ATP，也就是三磷酸腺苷。
整个反应过程只有不断输入能量才能发生。而剩下的第五种，不但可以让氢原子直接和二氧化碳分子直接结合产生有机分子，同时还会产生能量。
经过数据整理，我们再把讨论视角返回到海底热泉。如果马丁与罗素的疑问和实验是对的，那40亿年前海底古细菌的祖先，就存在于碱性热泉中进行的氢气和二氧化碳的反应。
不过氢气和二氧化碳结合的反应，并不像听起来那样简单，因为这两个分子都不会自发性地结合，它们必须需要催化剂的推动才能启动。催化剂的成分很简单，核心是一个含铁、镍（nie）和硫（liu）原子的原子簇，其结构跟海底热泉发现的矿物质很像。
镍原子
硫原子
该线索表明古细菌可能利用了现成的催化剂,同时不需要靠进化产生的复杂蛋白质帮助就能反应。而要推动该反应所需要的初始能源，最终还是要靠热泉提供。这个热泉能源就是乙酰硫酯，一种活化的乙酸。
乙酸分子结构
热泉会生成乙酰硫酯，是由于二氧化碳本身是个稳定的分子，不容易和氢反应，但是二氧化碳容易和碳或硫化物形成的自由基反应（自由基的活性较高），而热泉正好有很多这种自由基。所以，热泉产出了活性很高的自由基，然后促使二氧化碳和冒出来的氢反应，最终合成了乙酰硫酯。
乙酰硫酯之所以重要，是因为它代表了古老代谢反应里的一个岔路口，而且至今仍可以在生物体内看到。当乙酰硫酯和二氧化碳反应时，如同我们站在岔路的一端进入复杂有机分子世界，该反应是自发的，除了释放出能量，还会产生三碳分子，也就是丙酮酸。
丙酮酸才是进入整个克氏循环的起点。
丙酮酸
靶细胞在整个系统的作用
总的来说，碱性热泉可以持续生产乙酰硫酯，而乙酰硫酯又可以供应合成复杂有机分子所需的养料和能量。
既然理论有了，我们最终要回归到一个最最最最重要的提问：生命体是如何从深海来到陆地的？
在小说《银河系搭车客指南》里面有一段情节：笨到无药可救的现代人类祖先，不幸坠落在一颗叫做地球的行星上，他们赶走了原先的地球土著居民猿人。然后他们组织议会，投票选举出大首领。又继续发明了木车之类的工具，并且指定树叶为法定货币。
由于树叶存在的数量巨大，结果使得每个人都变成了亿万富翁。
随之而来的问题是他们必须要面对严重的通货膨胀，物价狂飙到需要花费一大片落叶林的树叶才能购买一小船花生。为了解决这一问题，我们的祖先展开了激烈的通货紧缩政策。
迫不得已，他们直接烧掉了所有森林。
这是一个戏谑且充满想象力的杰作，但是小说中暗含了一个很严肃的问题，那就是货币的意义，货币并没有一个绝对的价值。一粒花生可以贵如一根金条，贱如一抔泥土，这一切都取决于它们彼此间的相对价值，以及稀有程度。
正如人类花费100元人民币来购买食物，或者是花费200元购买衣物，取决于举动本身的价值。
“价值”
有没有可能将100元既可以购买食物，又可以购买衣物？
这就要看人类如何把整钱分散成一部分一部分的零钱。比如41.5元购买食物，58.5购买衣物。
这种做法恰恰可以应用到生命起源假说当中，也就是人类起源所需要的养料如何一点一点成群结队的来到陆地。
而这种做法就是化学渗透，因为这种渗透是由质子穿过膜的运动跟水分子穿过膜的运动相似，所以英国化学家彼得·米切尔给这一发现命名为化学渗透说。
化学渗透
简单来说，呼吸作用就是在执行化学渗透。我们把食物分子中的电子取出，通过一系列传递链，最后将电子传给氧气。在电子传递的过程中每个步骤都会放出一点能量，并被用来把质子打到膜外，所以整个过程最终的结果是，膜的一侧堆积了一堆质子，形成了质子的浓度梯度。
膜在这里的角色有点像水力发电厂的水坝，当水流从高处流下来时会推动涡轮运动发电，而质子流过细胞薄膜时，也会推动蛋白质涡轮来生产ATP。这个复杂的机制超乎想象，原本只是让两个分子结合在一起的简单反应，却需要怪异的质子梯度参与其中。
细胞外液渗透压
化学家通常习惯处理整数，因为一个分子不可能跟另外半个分子反应。而化学渗透说最让人惊奇的地方或许就在于，这里充满了小数。电子传递链要传递多少电子，才够合成一个ATP分子？大约在8到9个之间。那需要打出多少质子？现今最准确的计算是4.33个。这些数字看起来一点意义也没有，直到我们认识到离子浓度梯度参与其中。因为一个梯度由无数个小梯度组成，所以它并不存在整数。
而化学渗透最有价值的地方在于，单一反应可以不断地重复发生，直到累积起产生一个完整的ATP分子的能量。如果每次反应产生的能量是整个ATP分子所需的0.01，那只需重复100次，就能慢慢累积足够的质子梯度去制造一个完整的分子，这才是化学渗透说真正的意义所在。
生命起源离开海底热泉最佳的方法，就是化学渗透。
目前我们已知的地球上几乎所有的生命都带有同一套古怪的化学渗透机制，这就是可以佐证生命起源假说的由来。换言之 ，不论是动物还是植物还是微生物都是从同一个生命祖先那里继承了这套机制，所有生命体依赖这套机制而存活。
那么，所有的谜底都揭开了：深居海底的热泉矿物细胞，利用天然的质子梯度自动执行化学渗透，从而一个个有机分子最终形成了生命体。
这些生命体来到陆地，没有一下子转变成某种形式，而是随着环境一步步演变发展。先是化为了耐寒耐热的植物，紧接着腐朽死去又成为了微生物,微生物由于自身的“不甘寂寞” 吞噬并吸收着大自然的精华,这才一点一点长大成为动物，直至彻底进化成人类。
总之，生命体要先学会制造并使用化学梯度才可能离开热泉，而要制造自己的化学梯度又一定要有DNA和基因参与。
手绘人体DNA基因链展示图
我们有理由相信地球上第一个生命是一个多孔的石头，石头内部一边合成复杂的分子，一边产生能量，以准备生产DNA和蛋白质。
DNA和蛋白质是区分人类和动植物的有效方法，而这还是要归功于早期的化学渗透。大小不一的分子们，它们互相争斗，适者生存。
这才证明了生命分子中最具标志性的物质，也是基因的载体——DNA。
上期我们留下的谜团，中国神话传说的定海神针或许只是人类的想象，真正的定海神针是分子化学渗透。
如果小伙伴们喜欢人文情怀频道，欢迎点赞订阅 谢谢大家！