要解释细胞的起源,必须要解释细胞膜的起源。概括地说,这并不是难于解释的问题。只要浓度足够,链状的两亲分子就会在水中自发聚集成一些微小的胶束,进而形成更大的囊泡,如果时机恰当,它们就可能把一些大分子的RNA包裹进去,形成最初的细胞。
但仔细推敲起来,我们还有许多细节上的问题。比如这样的囊泡实际上非常脆弱,要如何在富含矿物质的碱性溶液里稳定存在?这样的囊泡又是否有足够的通透性,能够让外界的小分子有机物充分渗入,让内部的核酸与蛋白质持续生长?对此,不同的研究者再次给出了不同的解释,他们也都在实验中获得了不错的成果。
40亿年前,有机化学的耗散结构在进化中越来越复杂,最终发展成了生命。但如果要问,生命具体诞生在历史上的哪个瞬间,却不是个可以回答的问题。因为耗散结构的复杂程度不是财产收入,我们无法像收税一样制定一个武断的标准,说耗散结构只要复杂到了这个程度,就必须是生命,差一点,就不能是生命。
但是另一方面,生命又的确有一些关键的特征,使它们区别于一般的耗散结构,也就是第四幕里提出的三种控制功能。对生命而言,这还不完整。现在,是时候交代边界控制的起源了。这就把“脂肪酸”这种物质推到了相当重要的位置上,事实也的确是这样:脂肪酸之所以叫作“脂肪酸”,就是因为它们与甘油一同构成了脂肪,而脂肪又与糖和蛋白质合成生命的三大营养物质。
同时,脂肪酸、甘油和磷酸结合起来,又能构成磷脂,这是绝大多数现代细胞膜的主要成分。在今天的细胞里,脂肪酸通过一系列的生化反应逐步合成出来,乙酰辅酶A是最主要的原料。
的确,我们在乙酰辅酶A路径里获得了充沛的乙酰,这与乙酸就是一回事儿,而乙酸是最简单的脂肪酸之一,至于其他更复杂的脂肪酸,主要就只是把天干排得更靠后一些,丙酸、丁酸、戊酸……排到天干不够用了,再用数字和通称顶上来。比如我们用动物的脂肪做肥皂,其中的主要成分就是硬脂酸钠和软脂酸钠,也就是十八酸和十六酸的钠盐。
那么,如果乙酸能从氢气和二氧化碳的反应中制造出来,更复杂的脂肪酸也很有希望以类似的方式出现在白烟囱里。果然,我们在实验中发现,把氢气和一氧化碳溶解在水中加热到℃以上,再加上铁和钴之类的催化剂,就会有多种多样的脂肪酸产生出来,而且不只有甲乙丙丁这样的小字辈,排到十几的长链脂肪酸也同样能产生出来。
对于这些长链脂肪酸来说,做成肥皂清洗油污,就与溶解在水中组建细胞膜是同一回事:脂肪酸那些用天干与数字表示的烃基具有很强的疏水性,数字越大,疏水性越强,这也正是油不溶于水的根本原因。但脂肪酸的那个“酸”,也就是羧基,却是一种极其亲水的官能团。
所以任何一种脂肪酸都处在亲水与疏水的自我矛盾中。那些烃基比较短的脂肪酸,羧基胜得毫无悬念,甲乙丙丁酸都具有无限大的溶解度,能够以任意比例与水混溶,但对于烃基更长,有八九个乃至十来个碳原子的脂肪酸来说,羧基固然还要亲水,却已不能阻止另一端的烃基疏水,结果,这些脂肪酸就成了所谓的“双极两亲分子”。
双极两亲分子就像一条两端都是头,还脾气很不同的蛇:疏水的那一头讨厌水分子,总想钻进油脂之类的物质里,亲水的那一头当然就想溶解在水里。这样的矛盾要如何才能解决呢?有两种办法。一种是肥皂展现出来的,双极两亲分子会专门寻找油脂和水的交界面,把疏水的那一头扎进油脂,再把亲水的那一头留在水里。
如果双极两亲分子足够多,可想而知,油脂的表面就会像插满了牙签的水果拼盘,表面到处伸出来亲水端。这样一来,油脂就再也不会聚在一起,形成明确的油水交界面,而会分散成微小的油滴,然后就被水分子轻轻松松地捡起来,洗掉了,这就是为什么我们会在许多场合把双极两亲分子称作“表面活性剂”。
但是油水界面这种东西可遇而不可求,如果溶液中的双极两亲分子足够多,它们还有别的办法解决矛盾。疏水端想要找油脂,而疏水端本身就是半个油脂啊!所以,这些双极两亲分子就会团聚起来,疏水的那头一致向内,互相纠缠;亲水的那头一致向外,与水结合,这就形成一种被称为“胶束”的球状小结构。而如果溶液里的两亲分子实在够多,这些胶束也会越聚越多,碰撞合并。那么,它们会合并成什么样子呢?
当然不会是一个更大的球体,因为这些分子就那么长,还都要待在表面上,如果变成一个大球体,球体中央由谁来填充呢?所以,它们会合并成一张两层分子的薄膜——就像生物课上说的“双分子层”那样。
显然,单独一张薄薄的双分子层绝不是什么稳定的结构,它的边缘具有额外的能量,所以就像一块抹布揉搓揉搓就会抟成团,溶液里的双分子层会自发地缩小自己的边缘——泡泡,双分子层会进一步包裹成一个泡泡,泡泡的里外都是水,内表面和外表面也都是分子的亲水端,这就让一切都安定下来了。
如果这个泡泡形成的时候,水溶液里还有许多自我复制的RNA团体,也被它顺势裹进去几个,一个原始细胞也就诞生了。过于理想的细胞膜起源图景,从化学层面上稍微追究一下,我们就会发现上面的每一步都不那么简单,都需要更加详细的解释。第一个问题就是,脂肪酸的胶束真的会聚成泡泡吗?
脂肪酸在溶液中聚集成怎样的形态并不只看自身的浓度,还与溶液中的其他物质大有关系,其中最关键的就是酸碱性和矿物离子浓度。碱性越强,矿物离子浓度越高,脂肪酸就越容易形成难溶的沉淀物,就越难再在水里翻出花样来,这也是为什么过去用肥皂洗衣服总忌讳井水,而根本不能用海水。
再比如用肥皂洗澡,洗完之后会觉得皮肤有一种特殊的涩感,那就是因为肥皂里的硬脂酸遇到皮肤表面的各种矿物离子就瞬间结合成了非常难溶的盐,粘在了皮肤上。然而白烟囱不正是这样糟糕的环境吗?
其中不但有喷涌而出的碱性热液,还有大量的钙离子、镁离子、亚铁离子,这些都是让脂肪酸凝固沉淀的利器。而且更糟糕的是,我们甚至不能设想有什么机制能驱除这些矿物阳离子。
亚铁离子当然是我们整个故事里天字第一号重要的金属离子,它负责与硫离子结合成铁硫矿,少了它一切地质化学反应都会瘫痪;镁离子也同样不可或缺,因为RNA要复制,或者要发挥催化活性,环境中都必须有很高浓度的镁离子,无论在细胞内还是在试管里,都是这样的。
长期以来,这都是白烟囱假说,乃至各种生命起源假说普遍遇到的一大难题,但就在这本书写成的同时,一些最新的研究却发现脂肪酸的成分只要稍微复杂一些,事情就会惊人地好转起来。
年8月,华盛顿大学化学部发表的新研究表明,只要在脂肪酸里混入少许氨基酸,就能在高浓度的盐溶液里形成稳定的泡泡。这可以称作情理之中、意料之外的事情,因为氨基酸的一端是羧基和氨基,都很亲水,而另一端是各种各样的侧链,像丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、甲硫氨酸等氨基酸,它们的侧链同样拥有非常强的疏水性。
所以这些氨基酸本来也同样是双极两亲分子,它们与脂肪酸结合起来一同形成胶束,再一同构成泡泡,完全是“物以类聚”的事情。氨基酸不只是参与形成了这个泡泡,不只是让泡泡能在海水浓度的盐溶液里稳定下来,它还赋予了泡泡对抗变化的能力。
这样的混合泡泡一旦形成,即便溶液中的脂肪酸浓度显著降低,它们也不会重新瓦解成胶束,而是会继续稳定地存在着。虽然这个研究团队认为生命起源于海岸附近周期性干涸的浅池,认为这种稳定性能让原始细胞适应浅池中的物质浓度变化,但这种好处也同样适用于白烟囱假说,毕竟热液喷口里到处流窜的水流同样会让脂肪酸的浓度波动起来。