第2章 能量：生命大厦建筑师

从砖头瓦块到生命大厦

从维勒的尿素到米勒的烧瓶，建造生命的原材料问题得到了部分解决。看起来不管是在实验室的烧瓶里，还是在远古地球的环境中，制造出组成地球生命大厦的砖头瓦块，应该都不是什么难事。在今天的实验室里，我们更是可以轻而易举地制造出地球生命体内最复杂的物质。

一个例子是蛋白质分子的制造。我们已经讲过，蛋白质分子是生命现象最重要的驱动力，是绝大多数生物化学反应的指挥官。它们一般由少则几十个多则几千个氨基酸分子按照特定的顺序首尾相连而成。这条氨基酸长链在细胞内折叠扭曲，像绕线团一样，形成复杂的三维立体结构。蛋白质分子就像精密设计的微型分子机器，它们的功能往往依赖这种特别的三维结构。在一个蛋白质分子中，哪怕有一个氨基酸装配的错误、一丁点三维结构的变形，都可能彻底毁掉这台分子机器。

而在今天的实验室里，我们已经可以利用化学合成的方法，以20种氨基酸单体为原料，组装出这样的精密分子机器。

我们耳熟能详的中国科学家人工合成牛胰岛素的工作就是一个很好的例子。牛胰岛素是一个由51个氨基酸、两条氨基酸链组合而成的蛋白质分子。如今已经有商业化的机器可以完成这项任务（当然，受到技术限制，这条链还不能太长）。与此同时，我们也可以用更巧妙的方法，让细菌或者其他微生物来帮助我们批量生产想要的蛋白质分子。

另一个很好的例子则是DNA（deoxyribonucleic acid，脱氧核糖核酸）——地球上绝大多数生命体用来存储遗传信息的物质。不管是直径只有几微米的细菌，还是人体内上百万亿个细胞，在这些细胞的深处，都小心翼翼地珍藏了一组DNA分子。对于每一个细胞而言，DNA分子代表着来自祖先的遗传印记，也决定了它自己的独特性状。和蛋白质分子类似，DNA也是由许多个单体分子首尾相连形成的链条。但是作为遗传信息的载体，DNA分子的化学性质其实比蛋白质分子更简单。它的组成单元只有区区四种核苷酸分子。而且和蛋白质不同，DNA的结构可以看作一维线性的：四种核苷酸分子的排列顺序形成了某种“密码”，记载着决定生物体性状的信息——从豌豆种子的颜色，到人类的相貌、身高和智力。我们在接下来的故事里会讲到，DNA密码的书写规则其实很简单，三个相邻的核苷酸形成一个密码子，决定了蛋白质分子中一个氨基酸的身份。

我们现在已经可以用化学合成的方法组装出一段DNA分子，或者动用天然存在的DNA复制机器——DNA聚合酶——组装DNA分子。在美国科学家克雷格·文特尔（Craig Venter）的实验室里，人们甚至已经可以合成一种微生物（丝状支原体）的整套DNA（见图2-1），并用这段长达107万个核苷酸分子的环形DNA彻底替代了丝状支原体原本的遗传物质。这项成就被称为“合成生命”的起点。而如果仅仅考虑合成DNA的长度，人类还可以走得更远。例如，2017年初，美国哥伦比亚大学的科学家人工合成了总长度达到1440万个核苷酸分子的DNA链，并且利用DNA编码规则，在里面存储了一整套计算机操作系统和一部法国电影！

能在实验室创造如此复杂的生命物质，那生命的本质就此得到解释了吗？并没有。

尽管从尿素合成、米勒-尤里实验到人造蛋白质和DNA，人类制造复杂生命物质的能力得到了飞速提升，但这些进展并没有真正帮助我们理解生命是什么以及生命从何而来的问题。

因为常识告诉我们，一大堆生命物质简单地混在一起，并不会自然地变成生命。一瓶蛋白粉不会自己变成花花草草——即便混了DNA进去也不行。反过来，当生物死亡的时候，组成它的生命物质可能原封不动地保留下来了，但是生命现象却仍然不可逆转地消失了。换句话说，生命物质和生命现象之间一定存在着一条虽然不为人知、却难以逾越的界限。

这条界限在哪里呢？

为了说明这个问题，我们不妨先考虑一个相对简单的情形。通过米勒-尤里实验我们知道，在远古地球的环境中，自发出现诸如氨基酸和核苷酸这样的有机小分子应该并不是特别困难。但是根据上面的描述，在生物体中，大量的氨基酸和核苷酸要按照某种特定顺序组装成蛋白质和DNA分子才能发挥真正的生物学功能。只有这样，蛋白质分子才能折叠成三维的分子机器，推动生物化学反应的进行；也只有这样，DNA分子才能形成长链，存储复杂的遗传信息。因此我们可能更需要问的问题是：在远古地球的环境里，氨基酸和核苷酸分子自发连成长串，是不是件容易的事情？

不是。让氨基酸和核苷酸单体分子组织在一起变成蛋白质和DNA链，是一件非常困难的事情。

我们可以从几个不同的角度理解这种困难。首先是从能量角度。在地球生命的体内，把单个氨基酸串在一起形成蛋白质需要消耗很多能量。蛋白质是按照氨基酸顺序进行装配的，场面有点类似组装汽车的流水线。每个氨基酸单体首先要被机械手抓取，然后准确地安放在上一个氨基酸的旁边，最后组装好的半成品蛋白质再沿着流水线向下移动一格，腾出空间，让机械手装配下一个氨基酸。粗略估计一下，一个细胞中95%的能量储备都用来支持蛋白质组装了！

其次是从信息角度。无论是蛋白质还是DNA，它们的组装是有着严格的顺序的。把一堆氨基酸或者核苷酸分子随意地拼接在一起是没有意义的，这样组装出来的蛋白质和DNA在绝大多数时候什么事情都干不了。换句话说，如果你手里有一堆氨基酸和核苷酸单体分子，每次抓一把丢进魔法师的礼帽里让他们随机拼接，可能试到地球消失的那一天也拼不出生物学上有意义的蛋白质和DNA来，其难度大概和猴子随机敲键盘打出莎士比亚的《哈姆雷特》差不多。

其实说到这里，有些敏锐的读者可能会意识到，能量和信息说的其实是同一件事。按照我们这个世界运行的基本原理，从混乱（单个氨基酸和核苷酸的混合物）中产生秩序（氨基酸和核苷酸按照特定顺序组装起来），本身就是极其困难的事情。

依据热力学第二定律（见图2-2），任何一个孤立系统的混乱程度——物理学家更喜欢用“熵”这个物理量来表述——总是在增大的。通俗的解释就是，如果无人照管，高楼大厦会被风雨侵蚀慢慢破败，乃至倾颓成砖头瓦砾；一个崭新的玻璃杯在使用过程中会慢慢磨损划伤，最终在一次意外中碎成玻璃碴。当然了，在混乱度持续增大的历史潮流中也可以有浪花和逆流：猴子如果敲击键盘足够多次，也能凑巧一次拼出莎士比亚的剧本；给足时间和空间，物质颗粒在亿万次的随机碰撞中也完全可能偶然拼凑出生命现象来。但是这样随机诞生的生命一定是昙花一现的。在热力学第二定律的指挥下，这座随机诞生的生命大厦，也会像一座无人维护的高楼一样，逐渐陈旧下去，直到墙皮剥落，窗棂朽坏，梁柱倾颓。