第2章 能量：生命大廈建筑師

從磚頭瓦塊到生命大廈

從維勒的尿素到米勒的燒瓶，建造生命的原材料問題得到了部分解決。看起來不管是在實驗室的燒瓶里，還是在遠古地球的環境中，制造出組成地球生命大廈的磚頭瓦塊，應該都不是什么難事。在今天的實驗室里，我們更是可以輕而易舉地制造出地球生命體內最復雜的物質。

一個例子是蛋白質分子的制造。我們已經講過，蛋白質分子是生命現象最重要的驅動力，是絕大多數生物化學反應的指揮官。它們一般由少則幾十個多則幾千個氨基酸分子按照特定的順序首尾相連而成。這條氨基酸長鏈在細胞內折疊扭曲，像繞線團一樣，形成復雜的三維立體結構。蛋白質分子就像精密設計的微型分子機器，它們的功能往往依賴這種特別的三維結構。在一個蛋白質分子中，哪怕有一個氨基酸裝配的錯誤、一丁點三維結構的變形，都可能徹底毀掉這臺分子機器。

而在今天的實驗室里，我們已經可以利用化學合成的方法，以20種氨基酸單體為原料，組裝出這樣的精密分子機器。

我們耳熟能詳的中國科學家人工合成牛胰島素的工作就是一個很好的例子。牛胰島素是一個由51個氨基酸、兩條氨基酸鏈組合而成的蛋白質分子。如今已經有商業化的機器可以完成這項任務（當然，受到技術限制，這條鏈還不能太長）。與此同時，我們也可以用更巧妙的方法，讓細菌或者其他微生物來幫助我們批量生產想要的蛋白質分子。

另一個很好的例子則是DNA（deoxyribonucleic acid，脫氧核糖核酸）——地球上絕大多數生命體用來存儲遺傳信息的物質。不管是直徑只有幾微米的細菌，還是人體內上百萬億個細胞，在這些細胞的深處，都小心翼翼地珍藏了一組DNA分子。對于每一個細胞而言，DNA分子代表著來自祖先的遺傳印記，也決定了它自己的獨特性狀。和蛋白質分子類似，DNA也是由許多個單體分子首尾相連形成的鏈條。但是作為遺傳信息的載體，DNA分子的化學性質其實比蛋白質分子更簡單。它的組成單元只有區區四種核苷酸分子。而且和蛋白質不同，DNA的結構可以看作一維線性的：四種核苷酸分子的排列順序形成了某種“密碼”，記載著決定生物體性狀的信息——從豌豆種子的顏色，到人類的相貌、身高和智力。我們在接下來的故事里會講到，DNA密碼的書寫規則其實很簡單，三個相鄰的核苷酸形成一個密碼子，決定了蛋白質分子中一個氨基酸的身份。

我們現在已經可以用化學合成的方法組裝出一段DNA分子，或者動用天然存在的DNA復制機器——DNA聚合酶——組裝DNA分子。在美國科學家克雷格·文特爾（Craig Venter）的實驗室里，人們甚至已經可以合成一種微生物（絲狀支原體）的整套DNA（見圖2-1），并用這段長達107萬個核苷酸分子的環形DNA徹底替代了絲狀支原體原本的遺傳物質。這項成就被稱為“合成生命”的起點。而如果僅僅考慮合成DNA的長度，人類還可以走得更遠。例如，2017年初，美國哥倫比亞大學的科學家人工合成了總長度達到1440萬個核苷酸分子的DNA鏈，并且利用DNA編碼規則，在里面存儲了一整套計算機操作系統和一部法國電影！

能在實驗室創造如此復雜的生命物質，那生命的本質就此得到解釋了嗎？并沒有。

盡管從尿素合成、米勒-尤里實驗到人造蛋白質和DNA，人類制造復雜生命物質的能力得到了飛速提升，但這些進展并沒有真正幫助我們理解生命是什么以及生命從何而來的問題。

因為常識告訴我們，一大堆生命物質簡單地混在一起，并不會自然地變成生命。一瓶蛋白粉不會自己變成花花草草——即便混了DNA進去也不行。反過來，當生物死亡的時候，組成它的生命物質可能原封不動地保留下來了，但是生命現象卻仍然不可逆轉地消失了。換句話說，生命物質和生命現象之間一定存在著一條雖然不為人知、卻難以逾越的界限。

這條界限在哪里呢？

為了說明這個問題，我們不妨先考慮一個相對簡單的情形。通過米勒-尤里實驗我們知道，在遠古地球的環境中，自發出現諸如氨基酸和核苷酸這樣的有機小分子應該并不是特別困難。但是根據上面的描述，在生物體中，大量的氨基酸和核苷酸要按照某種特定順序組裝成蛋白質和DNA分子才能發揮真正的生物學功能。只有這樣，蛋白質分子才能折疊成三維的分子機器，推動生物化學反應的進行；也只有這樣，DNA分子才能形成長鏈，存儲復雜的遺傳信息。因此我們可能更需要問的問題是：在遠古地球的環境里，氨基酸和核苷酸分子自發連成長串，是不是件容易的事情？

不是。讓氨基酸和核苷酸單體分子組織在一起變成蛋白質和DNA鏈，是一件非常困難的事情。

我們可以從幾個不同的角度理解這種困難。首先是從能量角度。在地球生命的體內，把單個氨基酸串在一起形成蛋白質需要消耗很多能量。蛋白質是按照氨基酸順序進行裝配的，場面有點類似組裝汽車的流水線。每個氨基酸單體首先要被機械手抓取，然后準確地安放在上一個氨基酸的旁邊，最后組裝好的半成品蛋白質再沿著流水線向下移動一格，騰出空間，讓機械手裝配下一個氨基酸。粗略估計一下，一個細胞中95%的能量儲備都用來支持蛋白質組裝了！

其次是從信息角度。無論是蛋白質還是DNA，它們的組裝是有著嚴格的順序的。把一堆氨基酸或者核苷酸分子隨意地拼接在一起是沒有意義的，這樣組裝出來的蛋白質和DNA在絕大多數時候什么事情都干不了。換句話說，如果你手里有一堆氨基酸和核苷酸單體分子，每次抓一把丟進魔法師的禮帽里讓他們隨機拼接，可能試到地球消失的那一天也拼不出生物學上有意義的蛋白質和DNA來，其難度大概和猴子隨機敲鍵盤打出莎士比亞的《哈姆雷特》差不多。

其實說到這里，有些敏銳的讀者可能會意識到，能量和信息說的其實是同一件事。按照我們這個世界運行的基本原理，從混亂（單個氨基酸和核苷酸的混合物）中產生秩序（氨基酸和核苷酸按照特定順序組裝起來），本身就是極其困難的事情。

依據熱力學第二定律（見圖2-2），任何一個孤立系統的混亂程度——物理學家更喜歡用“熵”這個物理量來表述——總是在增大的。通俗的解釋就是，如果無人照管，高樓大廈會被風雨侵蝕慢慢破敗，乃至傾頹成磚頭瓦礫；一個嶄新的玻璃杯在使用過程中會慢慢磨損劃傷，最終在一次意外中碎成玻璃碴。當然了，在混亂度持續增大的歷史潮流中也可以有浪花和逆流：猴子如果敲擊鍵盤足夠多次，也能湊巧一次拼出莎士比亞的劇本；給足時間和空間，物質顆粒在億萬次的隨機碰撞中也完全可能偶然拼湊出生命現象來。但是這樣隨機誕生的生命一定是曇花一現的。在熱力學第二定律的指揮下，這座隨機誕生的生命大廈，也會像一座無人維護的高樓一樣，逐漸陳舊下去，直到墻皮剝落，窗欞朽壞，梁柱傾頹。