生命形式多种多样，我们都从「偶然性」中诞生

地球生命在地球形成约5亿年后就已出现，然而在这之后的20亿年内，生命一直停滞在简单的细菌水平。

在大约20亿~15亿年前，一种拥有精细内部结构和空前能量代谢水平的复杂细胞一跃而出。这份复杂性遗传给了大树和蜜蜂，也遗传给了人类中的你和我。我们与蘑菇有着天壤之别，但在显微镜下观察到的细胞又如此相似。从有性生殖到细胞衰老再到细胞凋亡，复杂生命共有的一套细胞特征在不同的物种间有着惊人的相似程度。

生命为什么是现在这个样子？在40亿年的漫长岁月中，从简单的细菌到令人敬畏的复杂生命，这样的演化飞跃事件为何只发生了一次？

不得不承认，在生物学的核心地带，横亘着一个巨大的认知黑洞。

生活在细菌体内的细菌

生物化学家尼克·莱恩（Nick Lane）从生物能量角度，交给了我们一把有望解开生物起源之谜的钥匙。

怪异的生物能量生产机制从各方面限制了细胞，而一次罕见的一个细菌入住到一个古菌体内的内共生事件，打破了这些限制，使得复杂细胞的演化成为可能。

看似偶然发生的单次事件，却因为能量的约束而必经一种演化历程，许多最重要也最基础的生命特征，也由此可以通过基本的生物化学规律进行推断。

我们在演化过程中取舍权衡生殖力和年轻时的健康，换来衰老和罹患疾病的代价。

生命的起源、人类的健康乃至生死，都可以从能量角度重新发问。

《复杂生命的起源》，后浪，2020年10月

什么是生命？

撰文|尼克・莱恩（Nick Lane）

译者 | 严曦

42台巨大的射电天文望远镜耸立在加利福尼亚北部灌木丛生的山区，它们组成了松散的“艾伦”望远镜阵列：扫视天空，全神贯注，夜以继日。白色的碟状天线如同一张张没有表情的脸，全体凝视着天外遥不可及的某一点，就像一群渴望回家的外星入侵者在此集结。这幅奇异的景象似有深意。望远镜阵列属于“搜寻地外文明计划”（SETI）。半个世纪以来，该组织一直致力于扫描太空，寻找地外智慧生命的踪迹，至今仍一无所获。即使是SETI的支持者们，也不对它的成功抱太多希望。然而，热情并未因此消退。几年前拨款资金用尽时，他们直接求助于公众，很快“艾伦”望远镜阵列就恢复了运作。在我看来，SETI的探索象征着人类为自己在宇宙中的处境无限困惑，也象征着科学本身的脆弱。这样通天彻地、近似科幻的技术，却被用来证明一个科学基础薄弱、近乎天真的梦想：我们在宇宙中并不孤独。

SETI的艾伦望远镜阵(ATA-42)

即使SETI的望远镜永远找不到地外生命，它的努力仍然很有价值。我们不能把射电望远镜倒过来使用，但可以把其中的科学思路倒过来，由此产生强大的冲击力。我们到底在寻找什么？宇宙中其他的智慧生命应该和我们一样使用电磁波吗？它们一定是碳基生命吗？它们是否依赖水和氧气？这些问题，其实不是在思考可能存在的外星生命，而是在思考地球上已知的生命：为什么地球上的生命会是这样？SETI的望远镜就像一面反射镜，把问题抛回给地球生物学家。科学之精要，在于能够提供规律。比如物理学中最迫切的问题在于，为什么物理定律是这样的？使用什么样的基本规律，才能推演出宇宙中已知的各种物理特性？生物学的规律性远弱于物理学。尽管生物学规律不需要像物理定律那样严密普适，演化生物学的预言能力还是弱得令人汗颜。关于演化的分子生物机制和地球的生命历史，我们已经积累了海量的知识，但对其中的规律性仍然知之甚少。在生命的历史中，哪些部分事出偶然？如果在另一颗行星上演化，生命可能会经历完全不同的轨迹。而哪些部分又由物理定律和约束条件决定？

并非科学家不够努力。一大批诺贝尔奖得主和生物学巨匠都活跃在这个领域，然而以他们的学识和智慧，甚至也远远不能达成共识。40年前分子生物学发端之时，法国生物学家雅克·莫诺（Jacques Monod）在他的名作《偶然性和必然性》中悲叹，生命在地球上的起源是一次异乎寻常的偶然事件，人类在空荡荡的宇宙中绝对孤立。莫诺书中的最后一段结合了科学与形而上学，充满诗意：

上古的神契不复存在；人类终于认识到，他在无知无觉的浩瀚宇宙中孤立无助，他的出现只是偶然的产物。何为他的天命，何为他的职责，更是无从索解。仰视天国的信念，还是沉入现实的混沌？他只能独自抉择。

也有人提出对立的观点：生命是宇宙化学的必然产物。在每颗条件适宜的行星上，生命都会迅速产生。那么，一旦行星上有了生命，接下去又会如何演化呢？科学家们再一次无法达成共识。生命可能受制于有限的系统工程方案，无论始于哪里，演化的路径最终都将汇聚到有限且相似的形式。因为有重力的限制，飞行动物的体重应该较轻，而且都会有类似翅膀的器官。生物应该都由类似细胞的部件组成，依靠这些微小的单元把自身内部环境与外部世界隔离。如果此类约束条件主导着生命的发展，那么，外星生命很可能十分类似于地球生命。另一方面，生命的演化也可能由偶发事件决定。生命是什么样子，可能纯属随机结果，由全球性灾难事件的偶然幸存者决定，比如地球生命史上导致恐龙灭绝的小行星撞击事件。

一颗几千米直径的小行星撞击地球的视觉模拟图。这样的撞击可以释放出相当于几百万枚核武器同时引爆的能量。

假设我们把时钟拨转到5亿多年前的寒武纪，也就是化石记录中的“生命大爆炸”刚刚发生之时，然后重新开始——那个平行世界会与我们的世界相似吗？也许是巨型章鱼满山乱爬呢。

生命的时间线

地球上的细菌曾有过一个机会，通过这次独一无二的机会，它们演化成了真核生物。

在化石记录和种系发生学数据中，没有任何证据表明复杂生命曾经多次演化出现，却只有现代真核生物种群生存下来。相反，真核生物的单源辐射演化，意味着它们独特的起源是由内在的物理限制决定的，与大氧化事件等环境剧变没有多少关系。任何恰当的理论，都必须解释为什么复杂生命的演化只发生了一次。我们的解释必须有足够的合理性令人信服，但也不能“太过合理”，因为这会令人疑惑：如此合理的事件为何没有多次发生？对单一事件的任何解释，多少都会显得有些巧合。我们怎样才能证明是否出于巧合？事件本身过于久远，直接证据早已湮没，可能难以发掘；但在事件的余波中，我们很可能会发现隐藏的线索，就像一把还在冒烟的枪能够证明扣动扳机之人先前的罪行。一旦摆脱了它们的细菌枷锁，真核生物的形态就变得非常复杂，极其多样。然而，它们复杂度的积累并未遵循常规的渐进演化：它们一出现就拥有一整套全新的特征，从有性生殖到衰老，其中没有哪种在细菌和古菌身上真正出现过。最早的真核生物，在一个绝世独立的共同祖先身上聚集了所有这些奇异的特征。在形态简单的细菌和非常复杂的真核生物共同祖先之间，没有已知的演化中间型来指明其演化过程。所有这些疑惑构成了一幅激动人心的前景：生物学中最大的问题仍然悬而未决！在所有这些特征中，是否存在某种模式，能够揭示它们的演化途径？我认为有。

△ 一群生活在蓝细菌体内的细菌。右边的细胞中，波纹状的内膜是类囊体膜，是蓝细菌进行光合作用的场所。围绕着细胞的深黑色线是细胞壁，细胞壁外侧裹着一层半透明的凝胶外壳。内共生的细菌包在颜色较淡的区域内，这个结构可能被误认为吞噬泡（phagocytic vacuole），但应该只是制备样本时人为造成的缩水现象，因为有细胞壁的细胞无法通过吞噬作用吞入其他细胞。这些细菌到底是如何进去的，至今仍是个谜。但毫无疑问，它们就是进去了。自由生存的细菌体内住着另外的细菌，即使极为罕见，但确实有活生生的实例。

DNA，迷人的生命代码脚本，仿佛向我们许诺了所有的答案，让我们忘记了薛定谔的另一基本信条：生命抵抗熵，抵抗世间万物固有的崩坏倾向。薛定谔在《生命是什么》的一条脚注中写道：如果我的目标读者是一群物理学家，那么我的论证就不会围绕熵进行，而是“自由能”。那本精炼而影响深远的著作，书名就标志了一个科学时代，但完全问错了问题。加入对能量的思考，问题才变得切中要害：什么是活着？不过，薛定谔问错问题情有可原，因为他当时不可能理解这一点。在他写那本书的年代，没有人对生物能量的流转有深入理解。现在，我们已经掌握了关于生物能量代谢的各种精深细节，直至原子水平。与基因编码一样，细胞采集能量的机制在所有生命中保有相同的形式，而这些机制严格地限制了细胞的基本结构。但是我们还不知道它们是如何演化而来的，也不理解生物能量如何约束了生命的发展历史。

这才是本书提出的问题。

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》，后浪，2020年10月版。