生命起源的能量基础——上帝的造物之手（1977年化学诺奖）

物理学上有个概念，叫做自组织现象，说的是在什么情况下，没有生命的东西会“活过来”、“动起来”，这里先从最简单的现象讲起。

生命最基本的几个要素：物质结构、能量、信息，分别对应的是细胞膜结构、无氧/有氧呼吸、RNA/DNA结构。首要的就是物质结构，那么自然界中的无机物能不能生成基本的有机物呢？答案是能！这里就要讲到大名鼎鼎的 米勒尤列模拟实验 （可以自行查看论文：《在可能的早期地球环境下之胺基酸生成》）。

就是这样一个实验装置，烧瓶里面放的是水H2O、甲烷CH4、氨气NH3、氢气H2与一氧化碳CO，插入电极模拟闪电，就是这样一个实验装置，最终生成了甘氨酸、丙氨酸、乳酸、丙氨酸、乙酸、丙酸、琥珀酸、尿素、谷氨酸、天冬氨酸一些其他氨基酸，这些氨基酸是组成生命的一些基本元素。但是，大家也知道米勒实验最终只产生了氨基酸，并没有产生细胞膜结构，我这里不是要说，因为生成了生命的基本元素，就代表这些东西会结合成一个细胞，这是很牵强的。如果有人拿斯皮格曼的怪物反对，或者拿原始汤理论的环境并不存在来反对，我完全接受，我会在后面解释，为什么反对的理由有漏洞。那么，一些基本物质是有了，他们怎么样才能组成细胞呢？下面就轮到前面说的自组织现象来出场了。

我们先从简单的现象来说明自组织现象，烧开水冒出水蒸子见过吧，水蒸气说散就散了；电灯见过吧，光线发射到四面八方，整个屋子都照亮了。咱就拿这两个常见的现象来说事。

冬天水蒸气凝结成雪花，雪花晶体是一种非常规则、非常美丽的几何图形，目前为止，科学家还无法人工制造出形状规则的雪花晶体，没有生命的水蒸气，为什么会聚集在一起，长成如此规则的六角形呢？冰箱里雪糕的表面为什么不是六角形呢？是雪花活过来了？还是上帝之手变的魔术？

打开灯，灯的每条光线杂乱无章毫无规则的发射，因此充满整个房间，但是激光却不一样，所有的光线都集中朝着同一个方向发射，仿佛上帝之手把光线抓在一起，同样是通电，为什么有的光线杂乱无章，有的齐心协力呢？跟雪花的例子很相似，是上帝之手，还是光线活过来了？生命的基础是有机物，有机物是由碳氢氧组成，为什么有的碳氢氧变成石油、天然气，有的变成细胞和生命呢？是上帝之手吗？还是有一部分碳氢氧活过来了？是什么有这种赋予其他东西”生命“的神奇的力量呢？是能量！

在非生命的领域存在结构和功能从低级到高级的现象，水蒸汽自动凝结成六角形的雪花，激光自动把光线朝一个方向发射。然而，现实中也有大量与“进化”观念相反的事实和观念存在，例如热二定律。热二定律：孤立系统总是自发的向混乱度（熵）增加的方向进行。这里的自发就是自动发生的意思，例如盐溶进水里自动变成浓度均匀的盐水，一杯热水加入一杯冷水，热水自动向冷水传递热量，变得温度均衡。在我们看来，盐和水加一起变成盐水，热水加冷水变成温水是天经地义的事情，但是科学家却给出了如此变化的理由，同时也指出了自动变化的方向或说是趋势，解释了盐水为什么不会自动变成水和盐，温水为什么不会自动变成热水加冷水，原因就在于混乱度。

举个例子来说明热二定律，把盐放进水里，盐会自动的溶解在水中变成盐水，混乱度增加，我们看看上面热二定律是怎么说的，孤立系统总是自发的向混乱度增加的方向进行，盐水的混乱度比盐加水的混乱度高，所以这个过程会自动的进行。反过来，盐水里的盐和水，就不能自动的分开。但是我们知道，现实生活中盐和水是能够分开的，比如说从海水里晒盐，怎么回事呢？

我们再来看看热二定律是怎么说的，孤！立！系！统！总是自发的向混乱度增加的方向进行，孤立系统又是个什么意思呢，说的就是我们考察的对象只有盐、水和盐水，不存在其他的条件，不给水加热，不给水晒太阳，没有其他任何额外的东西。而海水晒盐的例子中，考察的对象变成了盐水、盐、水、太阳。

一杯热水和一杯冰水混合会变成一杯温水，不需要任何条件自动进行，但是想要把一杯温水分成半杯热水和半杯冰水就需要外界提供条件。如果把热二定律推广到整个宇宙，宇宙的总能量保持不变，宇宙的熵将趋于极大值，一切机械的、物理的、化学的、生命的等多种多样的运动逐渐全部转化为热运动，最终达到处处温度相等的热平衡状态，整个世界随着时间的进程而走向死亡，这就是宇宙的热寂论。宇宙的最终结局都是死亡，地球也不能幸免。热二定律是一条让人绝望的自然定律。

然而自然界的许多现象又是与热二定律相违背的，例如生命的进化，生命进化的结果是种类不断分化、演变而增多，结构不断复杂而有序，功能不断进化而强化，整个自然界都是向着更为高级、更为有序的组织结构发展。

20世纪70年代，普利高津的耗散结构论给我们带来了希望。耗散结构很好的解释了物种的突变和进化、生物和自发的由低级向高级进化的原因。在解释耗散结构之前要了解一个概念——自组织现象。

自然界中自组织现象是大量存在的，典型实例如：由高空水汽凝结会形成非常有规则的六角形雪花，仿佛有上帝之手在控制，松花蛋中出现的漂亮的"松花"，激光器中的自激振荡，贝纳德流体的对流花纹，贝洛索夫－扎鲍廷斯基化学振荡花纹与化学波等。

普通光源，比如电灯泡发出来的光子各不同，而且会四面八方发射，当外界向激光器输入的功率小某个临界值时，激光器就像普通灯泡一样，这个现象是自发的，只要通电就能发光，就如同只要把盐丢进水里就能溶解一样。但是当输入功率大于临界值时，就产生了一种全新地现象，光线就能自动的变成同一个颜色、朝同一个方向发射。各原子不再独立地互不相关地发射光波了，它们集体一致地行动，激光器发射出单色形，方向性和相干性极好的受激光发射光，光线全部都朝一个方向射出，光束的发散度极小，接近平行，好像光子们“约定”好了，一起朝某个方向发射。激光器+超临界电压，产生了自组织结构，于是形成了激光。

再举个例子，B-Z 反应是体现时空有序的自组织现象，苏联化学家Belousov用硫酸铈盐（Ce3+和Ce4+）的溶液为催化剂，以溴酸钾氧化柠檬酸。当把反应物和生成物的浓度控制在远离平衡态的浓度时发现，溶液中四价铈离子的黄色时而出现，时而消失。在两种状态之间振荡，时间也极准确，周期为30秒，呈现出具有一定节奏的“化学钟”现象。

如果能够不断加入反应物和排出生成物，则“化学钟”可长期保持。后来扎包廷斯基又发现在某些条件下容器中不同部位各种成分浓度不均匀，呈现出许多漂亮的花纹，并且在某些条件下花纹会成同心圆向外扩散或成螺旋状向外扩散，像波一样在介质中传播。是不是很有意思，是谁教他们这么做的？也是能量。

如果专业的术语看不懂，这里可以用一个通俗的例子解释。想象一下三个工人要把砖从一楼搬到二楼，工人A站在地上往上递砖，工人C在二楼窗户接砖，工人A没办法直接把砖递给工人C，于是想了一个办法，由工人B站在桌子上，把工人A递给他的砖转交给工人C,假设从楼顶上特殊的角度看，工人B穿一件黄色衣服，弯腰取砖的时候看到黄色，而直立起来递砖给C的时候看不到明显的颜色，那么只要工人A不停的递砖给B，而C不停的把B给的砖拿走，那就会出现上面例子中黄色时而出现，时而消失的现象（ps：把B工人搬砖的时间定为30秒），那么就能够很简单的理解上面的例子。

这种现象的周期出现似乎是经过“自动组织起来的”“准确计时”的，科学家管这种“自动组织起来的”现象叫自组织现象，管“准确计时”叫“有序”，时间上的有序，管“光子约定好了方向”的现象叫空间上的有序。但是为什么没有生命的物质也会出现的极其有规律的、违反常识的现象呢？

普利高津给出了答案——因为这个实验给出的条件形成了耗散结构（自组织结构的一种），一旦形成耗散结构，没有意识的物质也像有意识一般，“约定好”、“准确计时”、“自动组织起来”。耗散结构论可概括为：一个远离平衡态的非线性的开放系统（不管是物理的、化学的、生物的系统）通过不断地与外界交换物质和能量，在系统内部某个参量的变化达到一定的阈值时，通过涨落，系统可能发生突变即非平衡相变，由原来的混沌无序状态转变为一种在时间上、空间上或功能上的有序状态。这种在远离平衡的非线性区形成的新的稳定的宏观有序结构，由于需要不断与外界交换物质或能量才能维持，因此称之为“耗散结构”。

耗散结构有4个必要条件，1）开放体系（区别于孤立体系），系统和环境有物质、能量、信息的交换。就是说要不断有砖提供给工人A（耗），也必须不断把传递给工人C的砖拿走（散）；2）远离平衡态（区别于平衡态和近平衡态），体系具有足够的反应推动力，推进无序转化为有序，形成耗散结构。就是说工人A或B或C的老婆生病住院非常缺钱，他们非常想快点赚钱，因此他们快速的干活；3）非线性作用（区别线性作用）。就是说由于工人ABC知道自己的钱越来越多，所以他们的干劲越来越大，活越干越快，类似于滚雪球；4）涨落作用。体系中局部区域的某个变量或行为与体系整体平均值出现偏离。就是说工人A或B或C中有一个人比其他人更缺钱，因此他干得更卖力，不停的催其他人。满足这四个条件，没有生命的物质也会“自动组织起来”。

根据耗散结构理论，德国生物学家爱肯提出了超循环论，其中心思想是在生命起源和发展中，从化学阶段到生物进化之间有一个分子的自组织过程。这个进化阶段的结果是形成了人们今日所见的具有统一遗传密码的细胞结构。爱肯认为，“进化原理可理解为分子水平上的自组织”，以最终“从物质的已知性质来导出达尔文的原理”，这为生物的进化提供了初步的解释。

耗散结构理论不仅在物理学方面成立，在化学、生物等方面都成立。耗散结构理论对当代高科技的代表如混沌理论、量子论、相对论产生了巨大影响，极大的丰富了并影响了“老三论”，直接导致了“新三论”的产生。著名未来学家阿尔文·托夫勒在评价普利高津的耗散结构思想时，认为它可能代表了一次科学革命。

于是我们知道了，在外部环境的促使下，有些行为是能够”自动发生“的，至于最终是在什么样的情况下产生的细胞结构，我们现在还无法下结论。但是肯定需要外部环境提供物质和能量，比如太阳提供的热辐射，或者海底火山口提供的物质和能量，下面提到的“黑烟囱”就是由海底火山提供物质和能量的。

目前已经有针对形成细胞结构的假说：

第一个不太为人所知，但很有性格，完全是从“封闭化”入手的。它假设生命起源的地点不是开敞的原始海洋，而是某种浅海湾边的的石灰岩浸润地带。这种地带的石灰岩由于水的侵蚀和地质结晶过程，内部形成了非常细微的疏松孔道结构，这就是天然的封闭空间。生物大分子可以由海水浸润流入，原始海洋中富含硫-铁氧化还原材料，而且这些结构的薄壁允许Na+ Ca+离子（质子的可替代品）的浓度聚集以及半通透性。

换句话说，自然无机物的自组织性“免费”提供了“细胞膜”和一切能量代谢材料，最初的生物大分子只需要通过变异和选择发明利用的方法就够了。听起来够扯淡…但类似的地质结构确实在欧洲西北部的岛屿周围被发现了。而且实验表明，给定合适的浸润溶液配方，确实能够驱动化学渗透（ps：无氧/有氧呼吸的本质就是膜结构+化学渗透）。只是如果想要测试生物大分子能在里面玩出什么花样，不知道要多少万年！

另一个是目前最火热的“黑烟囱”生命起源假说。它认为生命最可能的起源地点，是在深海底部高温、高硫、强酸性、无光、无氧的“黑烟囱”生态环境。这些地方是海底的地壳薄弱处，地热和高硫熔岩驱使高温海水从地底喷出，由于喷泉含大量的硫，而且出口逐渐沉淀成高达数十米的岩层，看起来就像冒着一股股黑烟的烟囱，因而得名。这种地貌现在在太平洋的海底就现实存在，而且拥有一个相当多样化的生物环境。

这也是现在世界上唯一一种不依靠光合作用提供基本能量的生态圈。这里的基础生物是古菌类，原核生物除了细菌之外的另一大基本门类，历史和细菌一样的古老。仅仅上面对黑烟囱环境的描述，就能看出化学渗透理论对这种假说的基本指导：白给的环境能量，白给的氧化-还原反应材料，严格地排除氧气，甚至白给的强酸性环境。如果生命起源于这种环境，只需要用着白给的能量发明膜就行了。

不管是那种假说，我们可以得出结论，在外界条件下，会产生细胞结构，细胞结构是和无氧/有氧呼吸紧密结合在一起的，有了细胞结构和使用外部能量，生命的演化就会开始了。

至于为什么说细胞结构是生命的起点呢，我们知道，生命有三大要素，结构（细胞膜结构）、能量（无氧/有氧呼吸）、信息（RNA/DNA）。生命的特征之一，就是能够从外部获取能量，维持生命的延续，因此细胞膜结构是生命运用外部能量必不可少的结构，这又是一个很长的话题。

耗散结构理论不仅在物理学方面成立，在化学、生物等方面都成立。回到生命起源的这一命题，从上面的自组织现象看来，只要满足形成了耗散结构的条件，无生命的无机物完全能够自动的组成有机物，小分子有机物也能够组成细胞膜结构和具有遗传特性的DNA，以至于形成人类这种高等生物，生物的变化从现象来看是在不断进化，而本质上不是生物自己在进化，而是环境的力量在推动！

至于米勒尤列模拟实验和斯皮格曼的怪物的理论的问题在于，他们都有个相同的缺陷，一直维持相同的物质和能量条件。没有满足远离平衡态、非线性作用、涨落作用的要求。尤其是斯皮格曼的怪物，实际上就是一个封闭体系，完全符合热二定律”封闭体系中，系统总是自发的向混乱度增加的方向进行“的描述，无法形成耗散结构。