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第5章 被包裹起来的生命

对于很大的数字,我们其实是没有什么概念的。比如,如果我告诉你在我家门口有3条贵宾犬在狂吠,你可以很容易地想象出这一画面:3条毛发鬈曲的小狗紧张地在鹅卵石铺就的小路上跑来跑去,一边叫唤着一边嗅来嗅去。不过,如果我告诉你我们体内有3.7万亿个细胞[1],我们就没有办法具象地理解这个数字了。对我们来说,“3.7万亿”就只是一个没有概念的数字,这个数字非常庞大,我们根本无法想象这么多的数量会是什么样子。

在这一章里,我们将探索生命是由什么构成的,它们是由怎样的基本元件组装而成的。因此,我们要从瓢虫、鼹鼠、蚂蚁和人类的尺度缩小到构成生命的基础单位——细胞的尺度,就像从房子到砌起房子的砖块那样。在细胞层面,我们能够逐步解析一些看似复杂的生物问题,将它们归纳为更浅显易懂的物理定律。通过理解这些方程式,细胞的世界不再难以预测,而是能够通过推理获得较为可信的结果。

17世纪60年代,罗伯特·胡克在显微镜下观察了一个风干的软木塞。我们不知道他原本想看到什么,但通过透镜,他看到了规律而密集排列的孔洞,一行一行的,就像修道院中的一个个小房间。也许这个意象实在是非常形象,胡克将他看到的小室称为“细胞”(cell,来自拉丁语单词cella,是“小房间”的意思)。尽管胡克在1665年出版的《显微图鉴》一书[2]中画出了这一结构(就在他画出的非常著名的跳蚤示意图的旁边),但当时胡克自己和其他同时代的人并没有意识到这种结构的重要性。

胡克并不是唯一一个用显微镜观察世界的人,在北海的对岸,另一位好奇的科学家——荷兰商人安东尼·范·列文虎克正热衷于使用玻璃珠制造口袋大小的显微镜。运用他制造出的新工具,他得以充分探索一个全新的未知世界。列文虎克使用他制造出的显微镜观察各种各样的事物,从池塘中的水到牙齿上刮下的牙垢,在这个他从未看到过的微观世界中,他看到了一些微小的生物,其中许多还会移动。[3]他甚至发现了杀死它们的方法:如果把它们泡在醋里,它们就不再移动了。在写给皇家学会的一系列信件中,列文虎克记录了他的发现。不过,和胡克所遭遇的情况一样,没有人对他的研究有足够深的理解,要理解这项研究的跨时代意义需要超越时代的眼界,对于大多数人来说,列文虎克只是找到了一些小型生物,虽然挺有趣,但也没什么大不了。

两个世纪之后,人们才认识到了这个微观宇宙的重要性,胡克所观察到的小洞和列文虎克看到的小型生物反映的是同一件事:生命由一些更为微小的单元构成。胡克看到的是软木塞中细胞干燥而中空的形状,而列文虎克则直接观察到了独立的生命个体——微生物。在列文虎克之后,罗伯特·科赫(Robert Koch)、路易·巴斯德等人对微生物进行了更加细致的研究,他们发现微生物可以用来酿酒、酿醋,还有一些则是导致疾病的元凶。

更多有关这些微小生物的研究将显微世界带上了历史的舞台。1839年,德国科学家特奥多尔·施旺(Theodor Schwann)和马蒂亚斯·雅各布·施莱登(Matthias Jakob Schleiden)正式提出了细胞学说,这一学说将之前人们各种琐碎的发现整合在了一起,形成了一个优雅而统一的概念:所有有生命的生物都是由细胞构成的,而细胞是一切生命结构和功能的基本单位,同时细胞能够通过某种方式以已有的细胞为基础增殖。由于在当时,科学家们还不明确其背后的机制,所以细胞学说在很多人眼里只是一种大胆的猜想。在今天看来,这些结论已是显而易见,我们把上述这些观察结果统称为“细胞学说”写入教科书,并认为生命由细胞构成。这些结论现在已经是生物学上广为学界接受的默认事实,是支撑起整个细胞生物学领域的基础理论。

在细胞学说提出后的150年里,科学家们不断以细胞为对象进行深入研究,现在我们对于这个支撑了我们生命基础的单位所遵守的科学原理已经有了一定的了解。细胞中有无数的物理学和生物学定律,而这些定律在某种程度上将会决定演化的走向。

首先我们可能会问,为什么要给生命加上细胞这样的包装呢?这种吸引着胡克、列文虎克等人探索微型世界的神奇结构,是因何而存在的呢?一个简单的答案是物理学中基本的扩散原则。如果我们把沐浴露倒进放满水的浴缸里,很快我们就会看到沐浴露的颜色逐渐变淡,这是由于沐浴露分子在水中不断扩散,最终和水分子混合在了一起。在早期地球上也是一样,各种分子会在海洋、河流、溪水等环境中发生扩散,只有在一些特殊的地理位置(比如岩石内部),不同分子间的距离才足以近得可以发生化学反应,建立起更为复杂的化学系统。如果这些可以自我复制的分子被束缚在一个较小的容器之中,它们不仅能够保持更高的浓度,还可以随心所欲地四处移动,这样这些“笼子”就能够在一些浓度更低的环境(比如海洋)中移动,为生命的诞生奠定基础。

所以简单来说,细胞的出现是为了应对稀释的发生。在水分充足的区域,物质会自发地扩散,而细胞能防止物质在这种情况下膨胀。所以,细胞这种广泛存在于各种生物中的隔离方法也是生命存在的基本方式,并保证了生物的繁殖和演化。

显然并不是生物圈中所有的生物都具有细胞结构。在地球上我们就能找到不含细胞结构的生命体,病毒就是其中之一。病毒由一小段带有感染能力的核酸片段和包裹核酸的蛋白质衣壳构成,它能引发各式各样的疾病,从普通的感冒到体内微生物群的紊乱。[4]不过这些生物圈内的“坏家伙”并不能独自生存,它们需要在细胞内部才能进行繁殖,所以病毒必须依赖宿主。由于病毒本身不能在没有细胞生命的情况下独立繁殖,有些科学家对于病毒是否能被称作一种生命产生了质疑,他们认为应该将病毒“降级”称作某种粒子或没有生命的物体。另一种没有细胞结构的“生命体”是朊病毒,朊病毒本质上是在某种链式反应中生成的错误折叠的蛋白质,它能够导致许多奇怪的疾病(比如疯牛病)。同样,也有许多人认为朊病毒不能被归为生命的一种。类似于病毒,它们缺乏细胞结构,却能在细胞内增殖并造成破坏,但是它们又不能离开细胞结构独立存活。如果没有细胞,朊病毒就只是一段错误折叠的蛋白质。由此看来,至少在地球上,所有生命都与细胞有关。

通过一个简单的假想实验,我们可以直观地理解细胞在生命现象中的核心地位。想象一个充满了有机物碎片和材料的花园池塘,由于奇怪的天气、不小心被吹入池塘的原材料,还有其他一些不可控的因素,池塘中发生了某些化学反应,原材料被分解并释放出能量。更为奇妙的是,在池塘中,核酸(DNA)演化出了能够自我复制的信息系统。就这样,在这个乱七八糟的后院里,一个原始的细胞正在逐步形成。不过,尽管这个池塘可发生许多化学反应,但是它并不具备移动的能力。由于地域的限制,我们的“细胞”被限制在了原地,既不能复制扩张,也不能前往能量营养物质来源地。

花园池塘的这个失败的有机体是对限定于有限物理环境中的复杂生化体系的模拟,比如沙滩岩石上的一个小孔,或是深海热泉上的一个小洞。偶然间,被包裹起来、内部进行着生化活动的细胞自由移动到了别处,开始扩散到整个星球的各个角落。可能对于这些生化物质而言,它们自己并没有抱着什么目的,但是当这些反应发生的时候,可自我复制的分子的数量越来越多,在这个星球上不同的环境中探索种种不同的可能。在这种情况下,这些不同的环境将会作用于这些生化反应,推动生物的多样性和更多生命的可能性的产生。细胞不仅为生化反应提供了一个更为浓缩的场所,同时也提供了演化选择的作用方式,让生命呈现出多样、大量的形式。从这个角度来看,细胞和演化密不可分。

读者们也许会有这样的疑问:第一个细胞是怎么出现的呢?是什么导致了这个小“笼子”的存在,让分子能够以较高的浓度聚集,产生出一个自我复制的机器?在生命的长河之中,有没有哪个决定性的特殊事件导致了细胞的出现?细胞的出现是一个偶然事件,还是某种物理上不可避免的必然事件?为了回答这些问题,首先我们需要了解一些关于细胞的基础知识,比如构成细胞的物质有哪些,以及细胞是如何形成的。

仔细观察每一个细胞的边缘,会发现目前地球上所有已知的能够自我复制的生命体的细胞的周围都有一层膜包裹着,这层膜就像一个袋子一样,把所有的细胞内容物都包裹其中。不过这层膜远比单种多聚化合物构成的购物袋要复杂得多,这些分子各自的性质差异巨大,然而却简洁而优美地组合在了一起。

组成细胞膜的分子是磷脂。这类分子由头部和尾部两部分组成,头部和尾部化学性质的不同是让细胞膜具有特殊生化性质的秘密所在。这些分子的尾部由长碳链构成,碳原子组成的结构是疏水的(不溶于水),由于不带电,它们就像油一般无法与水混合,尽可能地远离水。与尾部相连的是化学性质截然不同的头部,头部由带电的分子基团构成,在构成细胞膜的分子中这个部分就是带负电的磷酸(磷酸可以理解为磷原子和氧原子的一种组合),是一种亲水的化学结构,可溶于水。所以现在我们知道了构成细胞膜的是一种两性物质,一端疏水,另一端亲水,那么这种性质特殊的分子能够发挥怎样的作用呢?

如果把磷脂分子加入水中,我们能够看到一种神奇的现象:这些分子的尾部面对面排列,头部则扎入水中。水中的磷脂分子将会自发形成一种双分子层结构,两排磷脂分子相对排列,这样磷脂分子的疏水尾部就全部面向中间,避免与水接触,而头部则处于水中,符合其亲水的特性。

不过双分子层并不是水中磷脂分子的最终形态,磷脂分子并不会形成一个无边无际的双分子层薄片,漫无目的地在水面上延伸。为了使自身的表面张力最小化,脂分子层会自发地弯曲起来,形成一个圆球,这个原理与雨滴会形成球体以让自身的能量达到最低的原理是一样的。在没有任何引导的情况下,脂双分子层最后会自发地形成一个球形包裹,内部充满液体。细胞的分隔就这么形成了。分子间的离子相互作用和分子倾向于使自己能量最小的驱动力,造就了脂质分子的排列和它们形成球形的趋势,而这又不可避免地导致了细胞膜的形成。

在距今约40亿年前,这种自发形成的微型球状小囊泡将可以自我复制的分子密封于其中,为这些分子提供一个密集的反应浓度。分子就这样在囊泡的早期细胞内部聚集,达到可以进行各种复杂反应的浓度。就这样,细胞中逐渐演化出了我们今天所看到的复杂的代谢过程。在这些早期细胞中,最早的一批分子很有可能是活化形式的核糖核酸(RNA),RNA是一种类似于DNA的分子,DNA是主要的遗传密码。[5]在形成第一个细胞之后,演化也就开始参与其中并发挥作用。演化并不单纯作用于细胞内包含的遗传信息,它也作用于细胞结构本身,细胞本身将成为环境因素推进演化这一过程中的作用单元。

读者们或许会认为以上只是猜想而已,并没有切实的证据。

早在20世纪80年代,加州大学圣克鲁兹分校的戴维·迪默(David Deamer)就开始了一项有趣的研究课题,探究从远古陨石中提取出的化合物是否能够形成膜结构。[6]这个问题的本质是为了回答细胞结构的出现(这是应对分子稀释问题的解决方案)是否存在必然性:这个结构究竟只是随机事件,还是在物理上不可避免的结果。在这项研究中,迪默使用陨石作为研究对象。陨石来自太空,在天空中划出闪耀的痕迹,最后落在地球上。某些陨石带有太阳系形成早期的物质组分,比如碳粒陨石,这是一种含有碳基化合物的黑色石块,比较著名的碳粒陨石有1969年在澳大利亚维多利亚着陆的默奇森陨石。天体生物学家们对这些参与了太阳系早期物质搅动过程的天外来石感兴趣已久,把它们视作研究生命起源基础构件的绝佳材料,他们发现在这些陨石中能够检测到氨基酸(构成蛋白质的化学单位),不过这些陨石中含有的物质可远不只有氨基酸。

迪默从陨石中提取到了一些类似于脂质的简单分子,这种分子是一种羧酸,和脂质一样是两性的,存在带电的亲水头部和不带电的疏水尾部。但是陨石中的羧酸的化学结构没有今天细胞中的脂质的化学结构那么复杂,碳链的长度也更短。迪默把这些从陨石中获得的分子收集起来放入水中,他发现这些分子同样会自发聚集在一起形成一个中空的囊泡。

迪默的研究告诉我们细胞膜可以自发形成,而且人们可以通过物理学研究并预测膜的形态。[7]更为有趣的是,形成细胞元件的分子以富碳岩石的形式在太阳系中四处漫游,这些古老的构成生命物质的材料来源于早期在太阳四周旋转并浓缩的气体,并最后形成了细胞。

鉴于太阳系中的气体和其他物质在星系中广泛存在,我们可以想象任何一个恒星周围都有含有这些组成细胞的物质的原始气流云团,并准备着向任何一个含有丰富液态水的行星表面输送形成膜结构的原材料。[8]迪默所研究的碳粒陨石也并不是唯一含有可形成膜结构的物质的来源。实验表明,我们在很多物质中都能找到它们,即使是在生命出现之前的早期地球上,一些原始的化学反应可能就已经形成了膜。例如,一种简单的有机分子丙酮酸,在加温加压的条件下就能够形成膜,而类似于丙酮酸的化学物质在我们的星球上比比皆是。[9]

尽管这些有独创性又较为直接的实验已经显示了细胞膜是如何起源的,膜结构在早期地球上出现的确切位置依旧是一个充满争议的话题。[10]在海洋深处,板块之间的山脊之上分布着海底热液的喷出口。富含溶解金属与其他化学物质的液体从海底的出口流出,在与海水接触后冷却,堆砌在周围的岩石堆上,最后形成了这些由矿物质构成的“烟囱”。在这些巨石堆中,压强很高,石堆中的物质在几百摄氏度的条件下依旧维持液态,从大大小小的孔洞中涌出,在这样的极端条件下进行化学反应。

一些科学家认为,生命早期的化学反应正是在这样的环境中,利用岩石孔洞中不同化学物质变化的浓度而发生。[11]最终,当第一批新陈代谢反应在富含矿物的岩石表面发展成熟后,它们就会从表面脱落,带着用膜结构包裹着的身体向着更为广阔的世界探索。

另一些科学家则认为生命起源于其他地点——不是海底热液喷口,更有可能是海岸,来往的潮汐不断将新的化学物质分子聚集于短暂形成的水塘或露出水面的岩石上。[12]还有一些科学家认为陨石撞击坑更有可能是生命的起源之处,陨石撞击地球产生的巨大热量为生命创造出了适宜的温度梯度及水循环。除了这些,也有人认为达尔文提出的生命起源于某个“温暖的小池塘”的说法可能就是指某种温暖的小池塘,比如某个火山边上的小水塘,就可能是生命的起源之处。[13]

关于第一批能够自我复制的生物分子以及最初能够包裹它们的细胞是否需要某种特定的环境才能诞生,还是说它们在多种环境下都能产生,这个问题我们现在还不知道答案。但是迪默的实验表明,出现某种类似细胞的结构将化学分子区隔开来,并不是偶然的结果。只要有一定量的同时具有亲水和疏水[14]性质的分子聚集在一起,这样的情况就很有可能会发生。

仅有一层膜和一些被包裹的小分子还不能完成许多与生命相关的重要工作。在细胞结构演化的过程中,代谢通路也必须与遗传密码同步建立并完善,以承载细胞的功能。在细胞膜内,生产生命基本单元的通路变得更加复杂,逐渐产生令人眼花缭乱的合成途径,各种化合物开始参与各种反应,最后这一切形成了我们今天所认识的细胞。今天,我们看着这些细胞膜,也许会问:早期的代谢途径的出现,到底是出于偶然,还是背后有某些可预测的物理学原理?

如果我们随意地在网上浏览一些细胞的代谢途径图,就会看到数量惊人的弧线和直线,连接着各式化学反应中种类各异的产物和中间物。这些途径能产生几乎所有种类的生物分子,比如氨基酸(蛋白质的基本单位)、复合糖、DNA,以及食物的各种分解产物。当然我们会问,这些复杂的代谢通路是否与包裹它们的细胞相关?在这个复杂的生化迷宫中,比起必然,是否还有一些更加偶然的事件也有机会成为“迷宫”的一部分?

然而,在复杂得令人头痛的代谢途径中,也藏着令人惊异的简洁性。三羧酸循环是细胞最古老的几种代谢途径之一,从早期地球的年代起,三羧酸循环就利用当时可利用的化合物,将其分解以产生后续各种通路所需要的反应起始物。许多人都意识到,这类通路的简洁性、参与这些通路的化学物质,以及这些反应的能量特性在各个生物中都十分普遍。[15]这种跨生命的普遍性看上去似乎并不像仅在第一个细胞中发生的偶然事件。

关于其他生化通路的研究为这种普遍性提供了更为有力的支持。糖酵解和糖异生是两种非常古老与保守的生化通路,在细胞中,前者参与糖类的分解,后者是前者的逆过程,负责合成糖类。这两种途径对于细胞结构和能量产生都有着至关重要的作用。来自爱丁堡大学的科学家们测试了几千种其他可能的化学物质和生物途径,最后他们发现现存的生化途径的化合物流量(产生量与代谢量)是最高的。[16]

这些独立的研究结果显示,地球早期细胞中出现的代谢途径转变并不只是侥幸的结果,而是物理学定律下的必然结果,虽然生物体内的信息和组成方式确实会在生物繁衍的过程中留下印记。[17]这些都不能证明代谢途径的产生是偶然的结果,只要在早期产生,就一直存在于所有生命当中。[18]事实刚好与之相反,这些通路都非常灵活,有些途径仅仅需要几个突变就能够改变产生的化合物。如果生命真的想要改变现有的多种途径,它显然有这种能力。

其实细胞中的许多代谢途径在很多方面都是最优的,具有许多我们现在还不能完全理解的深远意义。[19]这表明,如果宇宙的其他地方会产生其他生命,这些生命也会拥有和我们相同或类似的代谢网络,我们可以预测它们的代谢网络大致是什么样子。

在动物产生的30亿年前,微生物——具有自身独特代谢通路的单细胞生物,独自称霸地球。但在外部,物理学定律也在缓慢但不可避免地塑造着它们的外形,如我们在前文所见的鼹鼠和其他所有复杂的生物一样。

人们可能对谈论微生物并没有什么太大的兴趣,这是可以理解的,对于不熟悉微生物的人来说,微生物并没有什么值得一看的价值。然而在微观世界里,它们呈现出各种令人惊异的形状:球体、棒状、螺旋形、细丝状,甚至豆状、星形、正方形……在这个世界上充满着人们想象不到的各种微生物。

当第一批细胞首次离开它们的出生地向外探险时,它们同样也会受到物理学定律的制约。[20]这些物理限制预示着同样的规则也会束缚更复杂的动物的形态。环境对这些新成员施加的第一条重要限制就是它们体型的大小[21]——对于大多数细胞而言,无论它们呈现出怎样的形状,它们的体型都十分微小,并一直保持至今,这是为什么呢?

可能的原因有很多,[22]其中一个主要因素也许是为了减少重力造成的负面影响。一个大的“袋子”很容易在重力拉扯下破裂。[23]细胞的体型越小,所受的重力拉扯也就越轻,细胞的内容物也就越不易外泄。在这个假设里,我们可以看到重力参与了决定细胞大小的过程。

细胞还要面对其他挑战,比如,它需要摄取食物和养分,并排出代谢废物。让我们假设细胞是一个半径为r的球体,球体的表面积为4πr2,体积为4πr3/3。因此,如果我们增加球体的半径r,球的表面积会以平方级别增长,而体积会以立方级别增长。换句话说,如果细胞不断变大,体积的增长速率将会远大于面积的增长速率。对于细胞来说,这可不是一件好事:如果细胞的内部体积变大,它就没有足够的表面积与外界接触来获取食物和排出废物。所以体型小是有利于细胞的,细胞越小,面积与体积比就越大,它就能越轻松地完成各项重要的物质交换。与此同时,体型小还能使细胞内的各项物质更方便地扩散;而对于大体积的细胞而言,营养物质扩散到各个部分则需要花费更多的时间。[24]总而言之,维持小体型能给细胞带来诸多优势。

除此之外,细胞维持小体型还有一些其他可能的原因,其中有两项尤其重要:较容易维持形态(不易塌陷)以及保证细胞边界间更有效的物质交换,这两个原因背后都有简单物理定律做支撑。对于细胞大小的探讨引出了一个十分有趣的问题:最小的细胞能有多小?即使体型小有着诸多好处,细胞也不能太小,不然它就无法容纳遗传物质DNA以及其他至关重要的各项系统。理论上细胞的最小直径在200~300纳米之间,刚好能够容纳遗传物质、相关蛋白,以及基础代谢途径。[25]这个估计恰好与人类发现的最小细菌的大小差不多:比如遍在远洋杆菌(Pelagibacter ubique)是一种在海洋中自由生活的小型细菌[26],直径仅为0.12~0.20微米,长度约为0.9微米。

不过体型小也有劣势。细胞缺乏食物时,也希望体表面积更大,以探索周围环境,摄取更多的营养物质。增加表面积的方法之一是增加体积,不过正如我们之前所讨论的那样,由于体积比面积增长得更快,通过“变大”来获得更大的体表面积对于细胞来说并不是一笔划算的买卖。为了挣脱这个困境,细胞也有自己的应对策略,它们不再以球形作为主要的形状,而是长成了长条形。

让我们想象一个半径1微米、长5微米的圆柱体微生物,如果我们把这个微生物的长度增加至10微米,表面积/体积的比值将会从2.4减少至2.2,下降的8.3%并不是很明显。与之形成对比的是,假设这个微生物一开始是具有相同表面积的球体,然后膨胀为与长10微米的圆柱体表面积相等的球体,它的表面积/体积的比例将会由1.73减少至1.28,整整下降了26%。所以,相比于圆柱体,随着内部体积的增大,球体的表面积更小,表面积/体积的比例下降得更快。也就是说如果生物想要使自己的表面积更大,长条的圆柱体比滚圆的球体更划算。

以上推导并不只存在于理论层面。事实上当我们考察实验室和野外生活的微生物时,我们常常发现当微生物处于营养缺乏的饥饿状态时,它们会变成细丝状。用上文描述的简单数学原理就可以解释这种形态的变化,因此,我们可以说物理学原理使微生物长成了长条的形状。

不过,这也不是说微生物就不能长大,或是必须长成又细又长的形状。当我们在说某样事物“小”的时候,这种大小总是相对的。[27]从我们的角度来看,所有的微生物都很小;但是从微生物自身的角度来看,有些微生物是非常大的。费氏刺骨鱼菌(Epulopiscium fishelsoni)就是一种巨型细菌,这种生活在刺尾鱼的肠道中的巨大细菌长达0.6毫米,用肉眼可直接观察到。那么这种大型细菌的存在和我们刚才提及的理论是否冲突呢?更为细致的研究告诉我们,这种生物的存在并没有逃开物理定律的限制。费氏刺骨鱼菌生活在营养丰富的刺尾鱼肠道,周围充满了食物消化后形成的各类营养物质,这使得该类细菌即使在表面积与体积的比值较低的情况下,也能从环境中摄取足够的营养。与此同时,费氏刺骨鱼菌的表面布满折叠和内陷,这种结构大大增加了细菌的有效表面积,是另一种解决表面积问题的方法。

在演化中演变出许多的形状令人惊叹,不少形状的产生及其原理直到今天还是未解之谜。比如某些细菌呈现出的曲线或弧度或许能让它们附着在特定的表面上并形成薄膜,即使水流冲过,它们也不会被冲走。与之相关的物理定律涉及流体的行为以及它们对细菌施加的剪切应力σ。在高剪切应力的条件下,流动的液体会倾向于将物体表面附着的细菌剥离并卷走。在这个过程中细菌受到的作用力可以用剪切应力公式等来描述:

σ=6Qμ/h2w

在上述公式中,剪切应力σ可以由流量Q、微生物周围的流速μ、微生物所处的通道宽度w以及通道高度h等变量计算得出。

在这样的环境里,比起营养需求,流体动力学在微生物的形状和细胞组织中起到了更加直接和重要的作用。[28]

地球上的环境如此多样,可以想象,在各种各样的环境中,某些物理性质或许能起到和流体同样,甚至比流体更重要的作用。许多细菌所处的环境本身就是如糖浆一般的液体,比它们尺度下的水还要黏稠得多。比如前文中的有机物池塘干涸后底部的泥浆,或者在某种动物的肠道中,这些环境中的液体比一般情况下还要黏稠,在某些区域,微生物是不能像它们在河流或小溪中那般随着液体自由流动的。在这些地方,螺旋形会让微生物的移动变得更为容易,它们可以使用旋转推进的方式帮助自己在胶水般的环境中开辟道路。[29]在这个例子里,另一条简单的物理定律——描述颗粒在黏稠液体中的运动方式——控制了生物形状的走向。

虽然微生物只是简单的单细胞生物,但与鼹鼠和瓢虫一样,它们也会受制于相同的简单物理定律,从而演化成一致的形式。尽管从某种意义上来说,微生物的结构要比复杂多细胞生物的结构更易提取与辨别,但无论是细菌还是多细胞生物,它们最终的形态都是物理学原理的必然结果,是可预测的。

在上文的讨论中,我们并没有提及另一项关乎微生物令人惊异的形状的细节:构成微生物外膜结构的脂质具有天然的柔韧性,它们倾向于构成球形,或者没有固定形状的柔软的水滴形。所以为了形成固定形状的结构,生命还需要另一项至关重要的发明。在大多数微生物的膜外面还有一层细胞壁,细胞壁由肽聚糖构成,就像一张由连接的糖类和氨基酸构成的铁丝网。细胞壁为细胞提供了稳定的形状和足够强的硬度,帮助细胞形成各种多样的形态结构。

根据科学家所研究过的诸多形状,我们能够很好地解释细胞壁的由来。这层“铁丝网”也许使某一个未定型的细胞第一次固定了形状。此前,细胞并不能固定自己的形状,虽然它们能活下来,但它们只能漫无目的地、软绵绵地在它们的世界游荡。而一旦某个细胞由于突变或选择压力获得了产生加固细胞膜物质的能力,它们就能够开始拥有球形、细丝形、曲线形等各种不同的形状,这些形状能够帮助这些微生物更好地附着在物体表面、收集食物,或者在黏稠的液体中移动,这些突变和形状也得以保留了下来。我们可以把细胞壁的产生当作是生命对于不同物理学定律的适应,可能是扩散定律、流体力学定律,也可能是描述运动环境黏度的定律。总而言之,微生物需要在不同定律的支配下将自己的生存概率和繁衍的成功率最大化。不同的微生物形状,体现的是以方程式为表现形式的物理学原理和数学模型的影响,它们影响了微生物的行为,以及它们能否适应特定的生活环境。

和瓢虫或其他大型生命体一样,物理学定律在生命内部得以显现出来。但通过突变,演化也为生物提供了各种可能性,让它们得以存活至繁殖的年龄。对于生物而言,这些物理学定律不仅是它们扩大适应性特征范围、提高存活率的手段,更是它们面对生存不可避免的挑战。而且对于这些定律,生命体有各种不同的解答——壁的出现让细胞开始拥有不同的形状,每种都是一种全新的可能,应用不一样的定律增加了自身存活与繁殖的概率。[30]

在纷乱复杂的微生物王国中,有没有概率性事件呢?[31]如果我们回到演化之初重新来过,我们也不能确定地说地球某种现存的生物结构一定还会再次出现。要知道无论是生活在动物肠道中的巨型细菌,还是动物自身,相对于地球(乃至宇宙)的年龄而言都只是刚刚出现而已。像上两章提到的瓢虫和鼹鼠一般,偶然事件的发生让生物得以探索不同的细节,并做出修改,这也让我们在小尺度的生物中观察到了缭乱纷繁的多样性。只不过这种多样性并不是无穷无尽的,我们现在能够看到的结构必然已经经过了基础物理学定律的筛选,这赋予了我们一定的预测能力。举例来说,我们可以预测在别的外星世界,细胞可能也是很小的;当营养不够的时候,一种可能的解决方案是伸长为棍状或是细丝状;如果这些细胞很大的话,它们需要主动将营养物质泵入细胞内部,或通过折叠表面让表面积达到最大。

也许膜结构的出现本身也是偶然事件的结果。自生命出现以来,它已经增殖了多次,因此有足够多的机会尝试各种各样的细胞膜。

1884年,丹麦细菌学家克里斯蒂安·革兰(Christian Gram)首次发明了革兰氏染色法,这种染色法可以把膜性质不同的细菌染成不同的颜色(革兰氏阳性菌呈紫色,革兰氏阴性菌呈红色),以方便显微镜下观察。革兰氏阳性菌只有单层细胞膜,典型的革兰氏阳性菌有葡萄球菌属,葡萄球菌属的细菌能够引起皮肤感染和食物中毒。在结构上与此形成对比的是革兰氏阴性菌,革兰氏阴性菌的膜结构更加复杂,具有两层膜,中间有细胞壁。

这种具有两层细胞膜的细菌普遍存在,包括沙门氏菌(以发现者的名字命名)。科学家们为此困惑了许多年,这种结构是如何出现的呢?一种可能是通过细菌之间的吞噬。让我们回到细菌称霸地球的时代,当时细菌还在地球上尝试各种不同的可能性,一种细菌吞噬了另一种细菌。被吞掉的细菌在这个过程中没有被杀死,这样它就得到了一个安全温暖的“家”,和偶尔可能从宿主处获得的一些食物;而宿主菌也从被吞细菌处得益,被吞细菌可能通过自身代谢产生糖类,或其他宿主菌需要的营养物质。在这种情况下,一种单层膜的细菌吞掉了另一种单层膜的细菌,形成了一种两层膜的细菌。[32]

这是一种相当简洁的假说,但有些科学家并不相信这种说法,他们提出了另一种假设:双层膜是细菌针对抗生素的一种精妙的防御机制。抗生素是由自然环境中的各种微生物天然产生的,人们认为微生物产生这些化学物质是为了杀死与它们竞争资源的其他细菌,或使竞争者无法移动。[33]确实,结构较为简单的单层膜细菌革兰氏阳性菌往往更容易受到抗生素的影响,所以这第二种假设,即双层膜为细菌提供了一种更好的抗生素保卫机制,也有一定的道理。

在形成细胞膜的脂类方面,微生物世界向我们呈现出了令人眼花缭乱的多样性。构成古菌(一种生活在极端环境、土壤和海洋中的微生物分支)细胞膜的脂类分子在化学构成上与细菌细胞膜相比有本质的不同。[34]在某些古菌中,膜之间由脂质相连,脂质所处的这种非典型的位置被认为能够使膜在高温下具有更高的强度及完整性。

若要研究每一种细胞膜中发现的蛋白质、附着在细胞膜表面的糖类,弄清细胞膜是如何锚定在物体表面,并与其他细菌交流的,我们可能需要经历曲折的研究过程和漫长的研究时间。上文没有提到的一点是,细菌的膜外面还常包裹着黏液或由糖类形成的网状结构,从而为细菌提供进一步的保护。有时细胞膜还能为细菌储存水分,防止细菌脱水死亡,这种性质对于生活在炎热沙漠岩石中的细菌而言尤其重要。总而言之,这层看似简单的膜,实际上充满着巧妙的生物化学原理,并具有令人惊叹的多样性。

这种奇妙的多样性可能让我们自然而然地认为,一旦有了构建膜的基础(存在一道能够包裹细胞成分、提高它们的浓度,并与外界联系的墙壁),那么随机性就很有可能在膜的细节和具体配件的选择或形成中发挥着更大的作用。双层膜、脂质间相连的结构,以及黏液层——所有这些结构都可以在存在膜的前提下进行各种尝试,而在这些不同的尝试中,其中一些可能是演化所采取的随机路线,而不是物理学定律所限定的必需条件。

甚至细胞壁也可能是偶然演化的产物。细胞壁必须由特定的氨基酸和糖类构成吗?我们不知道这个问题的答案。细胞壁的构成可能仅是一个随机事件,在演化的过程中被建立并一直保留了下来。细胞壁的组成成分可能是从多种化学物质中选择出来的,前提是这些化学物质能够为细胞(细菌)提供合适的屏障和一定硬度的外壳。一旦细胞壁构建完成,它就在生物中固定并流传了下来,当然也不排除一些变化的可能性。

如果我们被告知存在一个遥远的外星生命世界,我们是否有信心预测在那里也存在双层膜的生命形式,以及结构与地球微生物完全一样的细胞壁?我猜测,一旦我们对这类结构的生化起源有了更多深入的了解,我们将意识到某些生物结构是不可避免的,换一种情况也很有可能出现。另一些结构可能是在特定环境中具有适应性价值的特殊演化,这些特殊的结构一旦出现,就必定是为了完成它们出现所对应的需求。如果在另一个世界上重演演化的进程,细胞膜的许多附属结构或者复杂的修饰可能会在生化细节上有所不同,但作为生命基本结构之一的细胞膜一定会得到重现。

这些微生物统治了地球数十亿年。然而,在这段时间里,它们并没有自顾自地独立生活,各自为营地覆盖地球。某些细胞的代谢废物可能成为另一些细胞的营养食物。在从食物短缺到捕食者的无数演化选择压力的推动下,这些细胞互相帮助,形成了多细胞聚集体。微生物垫是这种令人惊叹的分工合作的完美体现,这种结构由不同的微生物叠层形成,不同层可能呈现出棕色、橙色或绿色,通常出现在沸腾的火山口的边缘。你或许也曾经在老式建筑物的侧面看到过没那么茂盛的微生物垫。

在这种微生物垫顶端的常常是绿色的光合微生物,它们能够吸收阳光,并利用太阳的能量将二氧化碳转化为糖类。随后,这些美味的有机化合物将会进入微生物垫的下层,在那里,其他厌光的微生物将会暗自进行糖类物质的化学转化。通过这种方式,代谢废物和食物将进行合理的供需循环,每种微生物在这个“小社会”中都发挥着自己的作用。

地球表面与地下的严酷的生活环境迫使着生命要互相合作才能应对压力,这些“城市”就是微生物通力合作的结果。[35]人们往往会把微观世界的微生物与宏观世界的动植物区分开来,因为绝大多数的动植物都拥有多细胞结构。然而,微生物很少单独生活,它们经常与其他种类的细胞共存。就像蚂蚁和鸟类一般,如果我们以群体为单位看待微生物,就会发现它们同样具有复杂的自组织的行为模式,各个部分组合在一起产生了比简单加和更复杂的模式和秩序。这些模式和秩序在微生物移动和聚合时表现得尤为突出,它们能在固定的表面上彼此协作,就像狼群一同捕食猎物一般。[36]在这里,我们可以用方程来预测最小细胞的协调行为,在这些细胞的合作中,平凡的物理学原理同样也在发挥作用。[37]这种合作并不是偶然产生的,而是当有许多细胞居住在同一颗行星时所产生的必然结果。当它们受限于各种不同的营养和能量来源时,自然而然地,一种微生物的代谢废物可能就会成为另一种微生物能够利用的营养物质。在这样的情况下,微生物就形成了联盟。能够产生糖类物质的光合微生物对以糖为食的微生物来说充满了吸引力,这两种微生物也就更有可能紧密地结合生长在一起,毕竟比起在某些缺糖环境中独自生长,与光合细菌共同生活显然更有利于自身的成长。我们不用把微生物人为圈在一起,更不用刻意设计它们各式各样的协作和互利共生关系,只要把各类微生物放在同一个星球上,它们就会以互利的方式共生。科学家们可以对这种自组织的合作方式建模,并用方程式进行预测或探测。我们猜测,在任何存在生物演化的星球上,都存在着生命的聚集和协作,产生如微生物垫这样的结构。

细胞中关键创新的出现及细胞之间的相互作用使微生物注定要共同合作,它们的核心代谢能力也体现出了同样的趋势。微生物在细胞水平上呈现多样性,比如细胞膜和分子衣被的多样性,但它们也存在普遍的共性:细胞都是独立的物理实体,普遍的生化过程将其限定于一种能够自我复制,不断新陈代谢的生命形式,而这些是由物理学定律所推动的。

在我们结束对生命细胞结构的基本原理的探索之前,让我们再来探讨一个问题。这个问题比之前的问题更加复杂,更具有不确定性和争议性,但它也探讨了生命的一种属性,这种属性受物理定律的制约更大。这个问题如下:微生物是如何实现划时代的转变,成为那些我们称之为动植物的复杂的多细胞聚集体的?这件事是不可避免的吗?这种转变是否也是基于物理学定律?

组成动植物的细胞与大多数形成微生物的细胞完全不同。大型生命体的细胞通常以真核细胞的形式聚集在一起,真核细胞的显著特征是细胞内部的DNA聚集于细胞内一个小小的核(被称为细胞核)中。细胞核是真核细胞特有的细胞器,是细胞内一种微小的亚结构。而我们在前文中所讨论的大多数微生物是原核细胞,原核细胞是没有核的。

除了动植物之外,真核生物域还包括一些单细胞生物,例如藻类,这些单细胞的真核生物反映了细胞生命的革命。[38]真核细胞往往比原核生物大不少,除了细胞核之外,真核细胞还比原核细胞多了其他细胞器。其中就包括线粒体,线粒体是大多数真核细胞(包括人类细胞)的能量工厂,在氧气参与的条件下,线粒体能够分解有机化合物(比如美味午餐三明治中的一些分子),产生能量。

真核细胞是生命早期历史中某种奇怪联合的产物。[39]关于线粒体的产生原因众说纷纭,但一种比较流行的学说认为线粒体可能来源于细菌间的吞噬,一个细菌被另一个细菌吞噬以后形成了线粒体。这种内共生关系要求被吞噬的细菌与其宿主之间达成一种奇特的协议,彼此为对方的生活提供好处和便利。被吞噬的细菌获得了食物来源和温暖的避风港,而宿主则获得了一种更有效地利用氧气的呼吸方式(有氧呼吸)。在单个细胞中,可以有几百甚至上千个线粒体共同产生能量,这就像城市中的集合发电厂一般,带来了能量利用的革命。[40]这种组合将原核生物从能量获取的限制中解放了出来,能量的解放也伴随着细胞结构的演化——真核细胞的基因组开始扩大,复杂性增加,开始出现更加精细的生化网络,而自然选择也就有了更大的作用范围。[41]

因此,动物的出现需要三个不同寻常的事件串联起来。首先,大气中的氧气含量必须升高,促使生物演化出高效有氧呼吸的能力,这是你我都在使用的产能形式。其次,内共生的出现:在某些具有高效有氧呼吸能力的细菌被吞噬后,它们能够在宿主细胞内部建立线粒体“发电站”,使单个生命体的氧气利用率倍增,以一种全新的方式更好地利用新的能源储备。最后,这些细胞协同工作,组成一台“生命机器”,以不可逆的方式分化为各种器官,一起产生有益于“整体”的物质。

在原核生物向真核生物演化的过程中,似乎发生了一系列令人困惑的偶然事件,但在这些事件的背后,会不会存在某些必然性?

其中涉及的物理原因很好解释。氧气含量的上升对于有氧呼吸能力的解放是必需的,而有氧呼吸所产生的能量是无氧环境下的许多倍,因此能够利用氧气的新生物将产生更多的能量和力量。而氧气含量的上升又是光合作用过剩导致的结果。在当时,能够通过光合作用吸收太阳能量并利用水作为电子来源的微生物遍布地球各处,在地球上每个有阳光照射的水生环境中都有微生物在进行光合作用。[42]结果是,它们会不断产生氧气,氧气含量的上升及随之而来的事件也就成为必然。因此我们可以合理地认为,氧气的增加是一个星球探索各种符合热力学的产能反应的演化过程中的必经之路。

生物通过使用线粒体填充细胞来为细胞供能的过程也可以用物理知识进行解释。这种行为为细胞聚集了更多的“发电站”,使单位体积的细胞能够产生更多的能量,并利用这些更多的能量来构建更多的细胞和更复杂的结构。所以含有更多线粒体的细胞会拥有更多的能量来生长和分裂。因此,这种变化似乎同样不可避免。在地球的生命史中,内共生发生过许多次。[43]

那细胞间的另一种联合又该做何解释呢?这种联合让每种细胞变成不同的样子,各自行使专门的功能,在执行任务的过程中表现出超高的效率与各司其职的复杂性。这种现象很好理解:精细的分工合作使整体的工作效率上升,在生存竞争中更具优势。黏菌是一种名字不太吉利的真菌,在不需要食物的时候,它们只会静静地待在角落里;然而一旦需要食物,黏菌的细胞就会聚集在一起,形成黄色的细胞网络共同沿着地面移动,这层细胞网络的形态类似于触须,在森林的地面上不断延伸寻找食物。[44]这类霉菌一共有900多种,尽管它们在整个真核生物域里仅占了偏远的一角,但也显示出多细胞的协作是生物常见的生存策略之一。我们还不清楚到底是哪些具体事件导致细胞放弃了作为单细胞生物自主生活的机会,开始出现不可逆的专一化倾向。[45]但是直到今天,我们依旧能够看到生物圈的生存压力不断迫使着生命进行整合,联合起来共度危机。在任何存在资源竞争和栖息地争夺的星球上,多细胞联合行为都极有可能最终导致真正的多细胞生物的出现。物理学原理为多细胞生物的出现提供了动力,而细胞结构及其伴随的遗传途径为多细胞生物提供了手段。

简而言之,多细胞的出现,即复杂的动植物生物界的出现,是建立在并不复杂的物理学原理的基础上的。[46]我们可以看到为什么细胞会选择合作以利用更多的能量:这种现象本质上可能是由生存竞争推动的,更大的体型或许对捕食者更有利,而猎物也希望变得更大以保护自己。在这场生物军备竞赛中,“变大”也许是胜利的一种重要策略。[47]一旦多细胞动物出现,在这场演化实验中,巨大的多样性也就随之而来。

不过,认为物理定律在各个层面上严格地将生命的形式限制在了某些可预测的范围之内,并不等同于认为演化过程中出现的决定性转折都是由物理学定律决定的必然结果。前者是我在前文中不断证明的观点,而后者则是一个还未得到证明的猜想。[48]尽管我们能够从单细胞生物至多细胞生物的演化史中察觉到一些蛛丝马迹,并理解生命选择这一条演化途径的可能原因(及其背后的物理学原理),然而仅凭我们现有的理解和证据还不足以将这一过程还原成一系列方程式。用方程式来描述从微生物到动物的转变,比描述瓢虫温度的变化要难得多。

但是如果考虑到这些重大转变存在一定的必然性,如果生命有足够的时间在其他的星球上演化,也许生命会走向同样的演化道路,从早期的包裹着分子的脂质形成细胞,到最后聚集成为笨拙的庞然巨兽。[49]无论生命形式起源于何处、去往何方,细胞内部的物理学原理都将贯穿始终。

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