真核生物的独特地位

今天，我与伦敦大学学院的演化生物化学家尼克·莱恩（Nick Lane）进行了一次对话。他撰写了许多书籍和论文，帮助我们从能量流的角度重新审视生命长达40亿年的演化历程，并解释了从生命最初如何诞生，到真核生物（eukaryotes: 细胞内有细胞核和膜结合细胞器的生物）的起源，再到我们今天所见生命运作方式中的诸多偶然性。尼克，也许我们可以从这里开始：在您对生命为何如此的看法中，真核生物为何如此重要？

感谢邀请。这很有趣，我喜欢谈论这类话题。什么是真核生物？它基本上构成了我们自身的细胞，也构成了植物、变形虫、真菌和藻类。所有肉眼可见的庞大而复杂的生物，都由这种被称为真核细胞的单一细胞类型组成。我们有一个细胞核，里面储存着所有DNA和基因，此外还有细胞膜等各种细胞器。这些细胞内部的“装备”非常多。奇怪的是，如果你用电子显微镜观察植物细胞或真菌细胞，它们看起来与我们的细胞完全相同，但它们的生活方式却截然不同。如果它们演化成生活在海洋中进行光合作用的单细胞藻类，为什么还会拥有与我们细胞相同的“装备”呢？

我们知道，由于它们共享所有这些特征，它们在地球生命史中只出现过一次。可能存在多次起源，但目前没有证据支持这一点。如果存在，它们也消失得无影无踪。大约在20亿年前，也就是地球生命史的20亿年后，发生了这一奇点（singularity: 指真核生物的单一起源事件），它催生了地球上所有复杂的生命。从中可以得出的一个结论是，细菌和古菌在基因库方面，实际上拥有比真核生物更多的基因和更强的多功能性。只是单个细菌细胞内部的“装备”少得多。但细菌细胞的类型如此之多，以至于它们整体上探索了基因序列空间。它们有40亿年的时间进行尝试，但从未找到一个诀窍，这表明问题不在于基因，也不在于信息。还有其他因素在控制着它。这个因素就是我们的细胞中获得了这些“动力包”——线粒体（mitochondria: 真核细胞中负责细胞呼吸和能量生产的细胞器）。

生命起源的地球化学连续性

现在我们来谈谈生命的起源。您有一个非常引人入胜的故事，您设想最初的生命形式与地球的地球化学是连续的。您能简单地重述一下这个故事吗？我先讲讲我是如何得出这个结论的。我最初研究的是线粒体，这让我进入了真核生物的演化领域。真核生物获得了这些内共生体（endosymbionts: 指生活在宿主细胞内部的共生体，如线粒体和叶绿体），它们演变成了线粒体，并改变了演化的潜力。它并没有立即改变一切，但它改变了演化的终点。它促成了这些大型复杂细胞的演化，并最终形成了多细胞生物和我们。线粒体究竟在做什么？它们实际上在进行呼吸作用（respiration: 细胞利用氧气将有机物分解为二氧化碳和水，释放能量的过程）。它们为细胞产生能量。它们也做很多其他事情，但我们可以认为它们主要是能量生产者。它们来源于细菌，而细菌以完全相同的方式产生能量。它们通过在细胞膜上产生电荷来生成能量。

这个电荷很小，但细胞膜非常薄。电荷大约在150到200毫伏之间，但膜的厚度只有5纳米，也就是百万分之五毫米。如果你把自己缩小到分子大小，站在那层膜旁边，你将体验到每米3000万伏特的电压，这相当于一道闪电。这就是跨膜电压力的强度，它是巨大的。它是由非常复杂的蛋白质产生的，这些蛋白质将质子（protons: 带有正电荷的氢离子）泵过细胞膜。然后是ATP合酶（ATP synthase: 一种存在于细胞膜上，利用质子梯度合成ATP的酶），它几乎是普遍存在的，是一种嵌入细胞膜中的旋转纳米马达。这是一种极其复杂、有趣的机制，而且在生命中普遍保守。它的保守程度与核糖体（ribosome: 细胞内合成蛋白质的分子机器）相当，几乎存在于所有生命形式中。你可能会想，生命究竟是如何以这种方式形成的？如果它在生命中普遍保守，那么它似乎可以追溯到所有细胞的共同祖先。所以问题是，它最初是如何产生的？对我来说，这非常令人兴奋，因为它为我作为一名研究人员，提供了一个进入生命起源研究的途径。这些能量生成系统最初是如何产生的？

我的切入点是，比尔·马丁（Bill Martin）和迈克·罗素（Mike Russell）在21世纪初发表了一些惊人的论文，为我打开了大门。他们提出，在深海热液喷口中，它不像一个冒着烟囱的黑烟囱，而更像一个矿化的海绵，有许多结构类似细胞的孔隙。你有一个酸性的早期海洋，然后有碱性流体从这些孔隙中涌出。整个系统中正在发生混合。你至少可以想象这里有一个孔隙，它的尺寸和形状有点像细胞。外面有酸性海水渗入，里面有这些热液流体。所以你有一个屏障，有一个内部和外部，外面有更多的质子进入，可能驱动着工作。它的结构非常像一个细胞。

另一个问题是，这些矿物质是什么？这些矿化孔隙中含有矿物质。我们认为，在早期地球上，会有很多金属，比如硫化铁（iron sulfide）或硫化镍（nickel sulfides）等。这之所以重要，是因为植物细胞以及自养细菌所做的是，它们将二氧化碳（CO2）和氢气（hydrogen）反应在一起，制造出生命的所有基本组成部分。植物从水（H2O）中获取氢，它们从水中取出H2并释放氧气，氧气在大气中积累。但细菌通常的做法是，它们从热液喷口中冒出的氢气中直接获取氢气，并将其与CO2反应，制造出生命的所有基本组成部分。它们使用什么酶来完成这项工作？它们经常使用在早期海洋中发现的相同金属——镍和铁等。它们如何驱动氢气和CO2之间的反应？它们利用膜电位（membrane potential: 细胞膜内外电荷分布不均产生的电位差），即电势——外部和内部之间质子的差异——来有效地驱动这项工作，为氢气和CO2之间的反应提供动力，从而制造有机物并驱动生长。在我出现之前，这一切都已就绪。这来自于迈克·罗素和比尔·马丁。细节非常不确定。这种方式是否真的能驱动任何生物化学反应，也高度不确定。但这是一个激动人心的想法，因为它在地质环境和我们所知的细胞之间建立了一种连续性。如果生命确实以这种方式出现，那么它就会解释“为什么细菌的细胞膜上带有电荷”，因为这种电荷从一开始就存在于热液喷口中。它从一开始就为工作提供了动力。这就是为什么最终，导致真核生物出现的内共生（endosymbiosis: 一种生物生活在另一种生物体内，并形成互利共共生关系）会让你摆脱在细胞膜上产生电荷的限制。现在你将这种能力内化到真核生物中，从而可以变得更大、更复杂。你从思考真核生物为何特殊的谜题，转变为思考行星系统和生命起源。是什么力量会产生生命，这会如何限制生命，我们会在其他星球上看到相同的事物还是不同的事物？生命以这种方式运作的根本原因是什么？这真的变成了天体生物学（astrobiology: 研究宇宙中生命起源、演化、分布和未来的科学）。从我自己的背景来看，这是一种令人兴奋的视角转变，我曾经从事线粒体生物学和器官移植，现在却最终研究生命起源，这真是太棒了。

生命起源的化学机制

这太引人入胜了。为了我自己和听众的理解，让我们回顾一下这里的内容。在这些孔隙中，你拥有细胞的模拟物（analog）。你拥有某种能够浓缩这些有机物积累的机制，这样它们就不会全部扩散到某个巨大的原始汤（primordial soup: 早期地球海洋中富含简单有机分子的假想环境）中。这就是为什么你认为生命不是在某个原始湖泊中发生的。它必须集中在某个实体中。然后你有一个化学渗透梯度（chemiosmotic gradient: 跨膜的离子浓度梯度，通常指质子梯度），一个质子梯度（proton gradient），它驱动着工作。具体来说，它有利于二氧化碳的固定，从而驱动与氢气的反应，产生有机物。然后，沿着这个膜，你有一些催化剂（catalysts），它们基本上是早期的酶。你拥有酶，拥有细胞，拥有质子梯度。这个故事是，你用CO2和H2制造出非常简单的有机物，然后这些简单的有机物被重新催化，制造出越来越复杂的有机物，简而言之，就是代谢（metabolism: 生物体内所有化学反应的总和）、脂肪酸（fatty acids）和核苷酸（nucleotides），以及其他一切。

基本上就是这样。如果你让氢气和CO2反应，你会得到什么？你会得到所谓的克雷布斯循环中间体（Krebs cycle intermediates: 三羧酸循环中的中间产物，是细胞代谢的重要组成部分）。也就是羧酸（carboxylic acids），它们是由碳、氢和氧组成的小分子，末端带有这种有机酸基团，链中可以有2、3、4、5个碳单位。这些是你的基本组成部分。你向其中添加氨（ammonia），就会得到氨基酸（amino acid）。你再添加更多的氢，就会得到糖（sugar）。你让氨基酸与糖反应，就会得到核苷酸。这里有很多步骤，但这是生物化学中所有生物合成（biosynthesis: 生物体内合成复杂有机分子的过程）的基本起点。然后，如果你制造脂肪酸，由于它们不同侧的亲水性（hydrophilic: 易溶于水的性质），它们会自发地形成膜。正如我所说，克雷布斯循环中间体是短链羧酸。脂肪酸是长链，链中有10、12、15个碳，而不是四五个。它们会自发地形成双层膜（bilayer membrane），通常不只是单独形成，而是如果与其他长链碳氢化合物混合在一起，就会自发形成双层膜。我们已经在实验室中完成了这项工作，它非常稳定。你可以在70-90°C的温度下，在pH7到pH12的pH范围内，以及在钙、镁等离子和其他盐类存在的情况下，制造出这些物质。你会制造出一个带有双层膜的囊泡（vesicle: 细胞内或细胞间由膜包裹的小囊），它与细胞膜相同。它们是惊人地动态的物质。它们总是相互融合、分裂、裂变，分离成两三个。它们在显微镜下是非常动态的物质。

你可能想象生命是一个像弗兰肯斯坦（Frankenstein: 英国作家玛丽·雪莱小说中的人造人，常被引申为通过非自然手段创造生命）那样，事物突然活过来，然后你就有了生命。我讨厌这个想法，但请继续。是的，但那是另一种选择，即闪电制造出这些有机物等等。而你这里的故事是，你看到的每一种生命形式都与某种东西是连续的，这种东西又与另一种东西是连续的，最终都与完全自发的化学反应是连续的。这是一种非常有趣的思考生命演化的方式。一个细胞内部是还原的，也就是说它内部有电子。外部相对氧化。你将所有这些质子泵出，所以外部是酸性的，内部是碱性的，内部是还原的。这就像地球一样。所有的电子都在地核和地幔的铁中。内部相对碱性。这就是为什么这些喷口中含有碱性流体。外部相对氧化。海洋中含有所有CO2。

细胞就像一个与地球结构相同的小电池。如果你观察一个热液系统，地球周围的细胞膜，地球的地壳就像细胞膜。内部和外部之间发生物质交换的地方就是热液系统。这些热液系统中的孔隙也是类似细胞的小实体。你在多个尺度上不断看到这种相同的……地球是一个巨大的电池，产生微小的、类似细胞的迷你电池的想法，这是一个相当美丽的设想。你不能让自己过于拘泥于一个比喻，但它是一个美丽的画面。是的，百分之百。基本上，你把地球看作一个巨大的细胞，然后从热液喷口中，冒出许多小气泡。冒出许多地球的复制品。

宇宙生命的普遍性

这是一个如此引人入胜的理论。我想了解的是，现在生命运作方式的哪些部分是偶然的，哪些部分即使在其他星球上发现生命，你也会期望它们是共享的？听起来你是在说，碳（carbon），这种化学特征，是构建生命的显而易见的候选元素。质子梯度（proton gradients）呢？有没有其他方法可以构建这些驱动工作的化学渗透梯度？我们有其他化学物质。原则上，是的，你可以使用钠离子（sodium ions）而不是质子，但这非常不同。如果你从二氧化碳开始，首先要意识到的是，碳在它所进行的化学反应中表现出色。它能与各种分子形成非常强的键，因此你可以形成复杂而有趣的分子。我把CO2想象成一块乐高积木（Lego brick），你从空气中取出它，然后把它绑定到某个东西上。你可以这样一块一块地构建事物。然后你可以用这种方式构建出像DNA和RNA这样非常有趣的复杂分子。你不能用硅（silicon）做到这一点。

通过智能设计（intelligent design: 一种认为生命和宇宙的复杂性需要一个智能设计者来解释的观点），你可以制造出非常复杂的AI机器人，无论是什么，但这一切都需要人类来完成。但如果你考虑生命如何在没有智能设计者将一切组合在一起的星球上开始，你需要能够进行这种化学反应的分子，而CO2就是杰出的例子。水无处不在。氢、氧，这些都是宇宙中非常常见的元素。所以你会在任何地方不断看到这种相同的化学反应。我们知道，根据近年来系外行星（exoplanets: 太阳系以外的行星）的发现，如果你推断我们尚未发现的数量，银河系中湿润多岩的行星或卫星的数量可能在200亿、300亿、400亿左右。你会说其中有多少比例拥有非真核生物生命？

我在这里大胆猜测一下。我预计，如果你在湿润多岩的行星上拥有相同的条件，你将产生相同的喷口，因为相同的化学反应将会发生。所以，在您看来，即使是喷口也不是偶然的？不。喷口是由一种叫做橄榄石（olivine: 一种常见的硅酸盐矿物）的矿物产生的，它在星际尘埃中非常常见。地球的地幔就是由这种叫做橄榄石的矿物组成的。它会与水反应。当它与水反应时，速度很慢，如果你把一块橄榄石放在一桶水里，你不会看到太多。但如果你处理的是海底的压力和更高的温度，你就会在碱性流体中产生大量的氢气。这就是这些热液喷口。任何湿润多岩的行星都会产生这些喷口。火星早期有海洋时，就有证据表明存在这些喷口。现在在卫星上，冰冷的卫星，如土卫二（Enceladus）和木卫二（Europa），也有证据。这正在我们自己的太阳系中发生。

如果存在200亿到300亿颗类似地球的行星，并且假设其中很大一部分如果都拥有这些岩石构造，那么它们是否也拥有生命？我的观点是肯定的。任何湿润多岩的行星都会有相当一部分……拥有相同的代谢方式？是的。如果你从CO2和氢气开始，我所说的是，代谢是热力学上受青睐的化学反应。这种相同的化学反应将继续发生，因为如果你让氢气与CO2反应，再与另一个CO2分子反应，分子的反应部分是相当可预测的。这是一个天真的问题，但有什么理由认为没有其他化学反应会导致其他代谢方式呢？也许在非常不同的条件下，你可能会得到……但如果你拥有基本相似的条件……另一件事是，我们知道即使在非常不同的化学反应下，你最终也会得到相似的分子子集。你在陨石上看到的有机物种类，正在发生着完全不同的化学反应。你正在处理氦自由基（helium radicals），但你仍然看到氨基酸和核碱基等等。这些分子基本上是稳定的，并且倾向于在广泛的条件下形成。

所以，200亿颗拥有水和这些岩石的类地行星。不一定是类地行星，但湿润多岩。如果你只是凭空说出一个数字，说“这个比例有核苷酸”，你会说多少比例？我会说相当大的比例。超过1%？是的。我估计**50%**左右。真的吗？你说凭空说出一个数字。我就是这么做的。我只是凭空说出一个数字。我认为这种化学反应会反复产生相同的核苷酸。再说一遍，我知道我们只是在这里聊天。但根据这个故事，相当复杂的有机物在宇宙中极其丰富。这并不是说它们会在海洋中以高浓度聚集。你在热液喷口中拥有的是连续的流通。在喷口内的口袋里，在喷口内的孔隙里，几乎都附着在细胞壁上。所以在一个喷口系统中，你最终可以拥有非常高的物质浓度，但不一定在海洋或大气层或其他任何地方。

真核生物：复杂生命的瓶颈

我想你可能会有原核生物（prokaryotes: 没有细胞核和膜结合细胞器的单细胞生物，如细菌和古菌）来接管。我们确实有这种情况，它们在海洋中大量繁殖，改变了大气层的组成。不仅是大气层，还有整个地质。数以百计的矿物质基本上是生命的产物。所以你的观点是，如果真核生物是根本的瓶颈，那么从地球化学到早期生命是容易的。从早期生命通过早期原核生物改变地球的整个组成是容易的。如果这两件事都是容易的，那么银河系中有100亿颗行星已经达到了中间阶段，这是否意味着有大约100亿颗行星……从核苷酸开始，你还需要到达RNA、DNA、核糖体和分子机器。所以这里也有一个很长的差距。所以仅仅拥有核苷酸，这是进一步发展的前提。我明白了。再说一遍，如果你要凭空说出一个数字，有多少比例的行星已经做到了这一点？嗯，显然比例会更低。超过10亿？我希望保持乐观。我希望这些过程能够促使生命在这些行星或卫星的很大一部分上存在。

我预计遗传密码会有相似之处。我预计很多代谢会看起来相似。我预计它们会有一个驱动工作的膜电位。因为如果你处理的是CO2和氢气，你就会面临这个相同的根本问题：你如何让它们反应？那么，银河系中是否有数亿颗行星可能拥有类似核糖体、DNA和RNA的东西？是的，这是我自己的想法。我们谈论的是强大的行星驱动力，驱动着相当确定性（deterministic: 指事物发展遵循严格的因果规律，可预测）的化学反应，这将产生相同类型的中间体，它们将拥有相同类型的化学反应，相同类型的反馈。它们将把事物推向相似的方向。现在，从CO2固定到遗传学越远，相似性就越小。

这不是我的倾向，但如果我是一个信神的人，我会听到这个，然后我会想：“哇，这是智能设计（intelligent design）的证明。”宇宙的法则如此强烈地偏爱这种导致生命的化学反应，以至于很难抗拒这种形成。我很好奇您的解释。我同意你的看法。我发现这几乎有点令人不安。我必须说，我也不是一个有宗教信仰的人，但我不反对宗教。我根本不是一个激进的无神论者。我喜欢宗教一直在寻找意义和起源的事实。在某种意义上，我与这种寻找和真理（对我来说是小写T的真理）有同感。但就这与上帝的概念一致而言，上帝将是一个自然神论（deist God: 相信上帝创造了宇宙并设定了自然法则，但之后不再干预世事）的上帝，他有效地启动了宇宙的法则，然后任由它们发展。这就是爱因斯坦（Einstein）的上帝。就大多数人对上帝的理解而言，大多数人从上帝那里寻求慰藉，寻求对他们有意义并与人类有关的东西。这是一种非常冷酷的“作为热力学的上帝”，他启动了宇宙的法则，可重复地产生相同类型的事物。是的，你可以用自然神论的方式来解释它，但我认为很多人不会从这种看待世界的方式中获得太多的慰藉或意义。

一个非常基本的问题是，如果生命不仅丰富，而且在所有这些多岩行星上几乎是不可避免的，那么我们没有在任何地方看到外星人的瓶颈，大概就是导致复杂性的真核生物。瓶颈不止一个，但在我看来，真核生物是最大的一个。情况必然是，在数十亿颗可能产生真核生物的行星中，只有地球上发生了这种偶然事件。我不会这样争辩。只有地球上？不，我不这么认为。我有点坚持的是卡尔·萨根（Carl Sagan）的宇宙观。我们谈论的是生命根据化学和热力学定律几乎不可避免地产生，然后你就有了生命。那么它会继续发展，不可避免地产生复杂的生命、人类和智慧吗？这是一个美丽的设想。如果宇宙是这样运作的，那将是美好的。但我们所知的地球上，有20亿年的停滞期，然后是真核生物出现的这个明显的单一事件（singular event），然后又是一个漫长的间隔期才出现动物。如果你把时间倒退200万年，也没有人类。我们只是锦上添花。

内共生演化的挑战

为什么这种成功的内共生事件（endosymbiotic event）会如此困难？原因有很多。其中之一是，原核生物（prokaryotes），我们应该说是古菌和细菌，都是相当小的生物。让另一个细胞进入你的体内本身就是一件困难的事情。细菌中偶尔会有吞噬细胞（phagocytes）能够吞噬其他细胞，但这非常罕见。一旦你体内有了这些细胞，这种情况可能发生过很多次。有一些初步证据表明它发生在古菌身上。有一个很好的例子是，嗜盐古菌（haloarchaea）似乎从同一来源获得了一千多个细菌基因，这可能意味着它们曾经拥有一个内共生体，后来又失去了。问题是，它会出错并失去内共生体的频率有多高？我猜那会是更可能的结果，你获得了一堆基因，然后失去了内共生体。它根本行不通。很难确切知道这里所有的瓶颈是什么。

但是已经有一些建模工作来研究，如果你获得了一个内共生体，如果你没有内共生体，或者你有内共生体，你会生长得更快吗？如果你是内共生体，如果你在外面还是在里面，你会生长得更快吗？在圣达菲（Santa Fe）的这些人研究的大多数条件下，答案是如果你不是共生关系的一部分，你会做得更好。只有在某些条件下你才会做得更好。所以可以预见，结果是它不起作用。考虑到地球历史上存在着数万亿的细菌和古菌，在许多情况下都发生了内共生，但只有一次成功了。这种几率必须是惊人的。它必须极其极其困难。这是一种生动的看法。我们知道细菌和古菌是什么样子，人们一直在研究这些东西并发现新的例子。

10年前发现了一个叫做阿斯加德古菌（Asgard archaea）的类群，它们相对来说更像真核生物，也就是说它们体内含有与真核生物基因非常相似的蛋白质和基因。它们是很有趣的细胞。它们有长长的突起，可能可以在内部移动囊泡。所以它们正在做一些真核生物的事情。但如果你看它们的内部结构，它并不是很复杂。它根本不像真核细胞。如果你看它们的基因组大小，它是标准的原核基因组（prokaryotic genome）大小。你谈论的是四五千个基因。所以这些绝不是真核生物。然后你再看看真核细胞。我一开始就说过，你用显微镜观察植物细胞、动物细胞、真菌细胞、藻类或变形虫，它们都拥有相同的“装备”，这很奇怪。为什么一个生活在海洋中的单细胞藻类会拥有与我的肾细胞相同的“装备”呢？

最简单的理解方式是，这不是对外部环境或生活方式的适应。它是对内部选择压力的适应。如果你从宿主细胞和内共生体之间为寻找共存方式而进行的“战斗”来思考，你可以争辩说细胞核的出现是因为线粒体中产生了各种基因寄生虫（genetic parasites），迫使你采取措施保护自己的基因组。所以你可以构建很多这种真核生物起源（eukaryogenesis: 真核生物起源和演化的过程）的历史。你从内部有一个细胞的简单细胞开始，最终在所有地方都得到相同的细胞结构，所有这些内膜系统等等。我们在这里试图理解的更广泛的问题是，如果这个故事是真的，那么生命无处不在。但据我们所知，真核生物产生智能生命，即即将探索宇宙的生命，只在我们的光锥（light cone: 物理学中指事件在时空中的因果关系范围）内的一个地方发生。那么这是为什么？你可以说：“嗯，瓶颈是真核生物，而且很难获得一个能够持续下去的成功内共生。”

但它解决的根本问题是什么？大型基因组（large genomes）。拥有一个多细胞生物，其中你有效地源自一个单细胞，这限制了所有细胞发生“争斗”的机会。有很多多细胞黏菌（slime molds）的例子，它们的细胞会聚集在一起。例如，它们可以形成像茎一样的结构，将孢子释放到环境中，但它们会因为基因不同而相互争斗。所以你从一个单细胞开始并发展，这样细胞之间发生的基因争斗就比它们聚集在一起时要少。但这意味着，如果你想拥有复杂的功能——如果你想让肝脏做一件事，肾脏做另一件事，大脑做另一件事——所有细胞都必须拥有相同的基因。你让肝脏表达这批基因，大脑表达那批基因。所以你必须拥有一个大型基因组。拥有大型基因组的唯一方法是拥有线粒体和真核细胞。目前还没有多细胞细菌达到这种复杂程度的例子。

这很有趣。你需要一个大型基因组的原因只是为了把所有鸡蛋放在一个篮子里，这样身体里的每个细胞都觉得有动力让生殖系（germline: 产生配子并传递遗传信息的细胞谱系）继续下去。你限制了争斗的数量。我想要表达的是，真核生物解决了大型基因组的问题。它允许细胞变得更大。我们为什么如此自信，这是解决这个问题的唯一方法？似乎如果有数十亿颗行星已经达到了前体阶段，它们中没有一个能找到线粒体之外的替代解决方案，让它们自身变得更大？令人难以置信。我明白你的意思。这让我有点怀疑，我们是不是因为只观察到一种解决这个问题的方法，就假设只有一种方法可以解决这个问题。问题本身似乎不是……你只是想要一个更小的基因组副本，它只与呼吸相关，并分布在整个膜上，而且有许多副本分布在整个膜上。我猜我只是觉得很难……你对这种事情会重复发生感到难以置信。是的。在数十亿颗行星上，没有其他方法可以解决这个问题吗？

因为如果存在另一种解决办法，那么你就会期望，一旦原核生物发展到可以殖民其他生态位（如果它们能够走向复杂性）的阶段，这个问题就会以某种方式得到解决，然后你就会拥有真核生物，然后是智能……我想说几点。第一，有一个叫做奥格尔第二定律（Orgel’s second rule: 指演化比你想象的更聪明）的东西，那就是演化比你更聪明。当然，我不能说没有其他可能发生的方式。但说“哦，演化如此聪明，宇宙如此之大，肯定有其他方式可以发生”也是一种空泛的说法。你知道，动动你的脑筋，告诉我它会如何运作。我不能说这是唯一可能发生的方式。

但我所说的是，湿润多岩的行星很常见。它们无处不在。你将拥有相同的蛇纹石化（serpentinizing: 指富含镁铁矿物的岩石与水反应，产生氢气和碱性流体的地质过程）过程。你将拥有CO2。你将拥有相似的生物化学。你将产生细胞膜带电的细菌细胞。这限制了它们，而且我们所知的地球上所有它们似乎变得更大的例子中，都存在一个每次都会概率性发生的限制。它们总是以极端多倍性（extreme polyploidy: 细胞中含有多于两套染色体组的现象）告终，并且没有形成复杂的运输网络。所以这并不是说每次都必须以这种方式发生。也许有办法绕过它，但这并不是一个容易的办法，因为它们在地球上并没有经常做到。它们在地球上根本没有做到。地球上唯一成功的一次是它们产生了真核生物。这并不是说这是唯一可能的方法。但如果你试图剖析，替代方案是什么？我想不出任何。好吧，我的想象力有限。但如果你认为有一些，那么请告诉我它们可能是什么，然后你去测试它们。我经常遇到这种情况，这很公平。因为如果我向你断言宇宙中其他地方的生命会是这样……我从小看《星球大战》和《星际迷航》，读《银河系漫游指南》。我像任何人一样喜欢宇宙中充满各种事物这个想法。所以我并不喜欢我的立场，即“实际上它相当有限，你会在其他地方看到相同类型的事物。”这不是我梦想拥有的立场。这只是我从对地球生命所学到的一切中被迫接受的立场。现在，也许我错了。但如果你只是说你受限于你的想象力，你错了，因为你想不出它。嗯，那就不再是科学了。现在我们谈论的只是想象和空泛的说法，而不是科学。所以我正在给出为什么它很可能以这种方式发生的理由。我想说的是，如果你有一千颗有生命的行星，也许生命在千分之999的情况下会以相同的方式存在，因为它将是碳基的，它将是水，它将是细胞，它将是电荷，它将是氢气和CO2，你将面临相同的限制。但也许在另外一次，它完全不同，是我从未想过的，而且是在非常不同的条件下。但有一个概率性的事实是，碳如此常见，水如此常见，你将不断看到相同的限制。

天体生物学与生命探测

如果相当一部分多岩行星应该至少拥有有机物和细胞等等，那么我们应该很快就能知道这个故事是否正确，对吗？如果那部分最终被证明是真的，而我们也没有在其他地方看到真核生物，那么整个图景就会获得更多的可信度。但我们是否即将前往几颗卫星，看看能否在那里找到一些有机物等等？那可能需要我们一段时间，但我们已经知道存在有机物。例如，在土星的卫星土卫二（Enceladus）上，几年前卡西尼号（Cassini: 美国宇星际探测器）飞过时，有水羽流从冰层裂缝中喷出，水中溶解着有机物，还有氢气和有机分子。pH值约为8或9，这表明在那个被认为有5公里厚的冰冻表面之下，有一个液态海洋。在液态海洋之下，有热液系统产生碱性流体，使海洋呈碱性。正在发生着相同的化学反应。所以我们知道这些羽流中有机物。我们不知道冰层下面有什么。我确实认为，前往这些地方钻探冰层并进行观察的动力会战胜我们。总会有人说我们不应该将我们系统中的细菌引入那里。来自地球的细菌可能在土卫二这样的地方生存得非常好。知道这些会很棒，我完全支持探索。

复制子的起源与演化

请帮我理解在这个世界中复制子（replicators: 能够自我复制的实体，如DNA、RNA）是如何产生的。如果你有这些独立的孔隙，它们各自通过自发过程积累自己的有机物，那么最初至少没有共享的遗传。这不像如果有一个非常成功的孔隙，它就会导致更多完全相同的孔隙。我想象这些孔隙内部有我称之为原细胞（protocells: 早期生命形式的假想前体，具有膜结构但尚未完全演化出细胞的复杂性）。你正在制造的有机物是自组织（self-organizing）的。脂肪酸双层膜会形成。你真正需要正反馈（positive feedbacks）的是在这个原细胞内部制造有机物，并让这个原细胞生长并复制自己。现在它会复制自己，因为如果化学反应是确定性的，它会说，这就是你将得到的化学反应。如果你通过系统中氢气的压力来驱动这种化学反应，你就会制造出两倍的分子，它们就会分裂成两个。现在你有了两个原细胞。所以这是一种遗传形式，它们得到相同的分子，因为这实际上是你被允许做的所有事情。所以它会萌芽然后定居到另一个孔隙中？是的。我明白了。好的。这发生在过程的相对早期吗？是的。所以复制子的出现发生在相对早期。

我在这里会犹豫使用“复制子”这个词。这些正在生长。我会说它们是正在生长的原细胞，它们有效地在制造更多自己。你可以称之为复制子，但我更喜欢将“复制子”这个词用于更像RNA的东西，这将是复制子的传统术语，你实际上是在复制这个RNA的精确序列。我们什么时候才能达到基因中心视角（gene’s-eye point of view: 认为基因是自然选择的基本单位，生物体是基因的载体）？越早越好。也就是说，如果你有这种确定性的化学反应，它会驱动生长并制造更多细胞，那也是一个死胡同。你不能做任何其他事情。你完全依赖于环境。你不能演化成更复杂的东西。在某种程度上你可以，但你总是会得到相同的东西。相同的环境总是会给你相同的东西。一旦你开始向其中引入随机的RNA片段，那么你就拥有了所谓的可演化性（evolvability: 生物体产生可遗传变异并演化出新性状的能力），也就是说你可以开始抵抗环境。你可以开始做一些不只是由环境决定的事情。你最终可以演化和改变，离开喷口并做其他事情。所以一旦你有了基因，你就有可能做几乎任何事情。

如果你有裸露的RNA片段，通常会发生的是它们会因复制速度而被选择。它们只是不断地复制自己。它们不会变得更复杂，它们不会开始编码代谢，它们只是不断地复制自己，这是一个死胡同。如果你将它们困在生长的原细胞内部，那么它们实际上是在分享相同的命运。如果其中一些能够让那个原细胞生长得更快，那么它们就会获得更多的副本，因为它们在这个原细胞内部。原细胞生长得更快，它复制自己，并且仍然保持关联。所以你拥有我们今天在细胞中看到的选择（selection），其中复制子是基因，但被复制的系统是细胞。

有性生殖与线粒体遗传

你那种“线粒体优先”的观点有助于解释为什么存在两种性别。也许你可以重述一下这个论点。但我只是好奇，如果存在一个原核生物已经演化出性别的世界，你认为它们很可能只演化出一种性别吗？我将稍微展开一下，因为线粒体与性别有什么关系？线粒体与性别有关，因为实际上雌性——即使对于单细胞生物，那些配子之间没有明显差异的生物，也就是说它们没有卵母细胞和精子之类的东西——它们会产生看起来更像精子的小型活动配子。两种性别都会这样做。但根据定义，雌性会传递线粒体，而雄性不会。这只是一个近似值，并非总是如此。这条规则也有例外，但生物学中的经验法则是雌性传递线粒体DNA（mitochondrial DNA: 线粒体中独立的环状DNA分子）。为什么会发生这种情况？

通过有性生殖，你正在增加核基因组（nuclear genome: 细胞核中包含的全部遗传信息）的变异性，并将其置于选择之下，优胜者会脱颖而出。所有比原本更差的都会被选择淘汰。所以你正在增加核基因组的变异性，然后选择那些有效的。对于线粒体，它们是无性地（asexually）代代相传的。它的基因组非常小，但有多个副本。问题是，你如何保持它的纯净？你如何防止它随着时间的推移而退化和变质？因为假设你有100个线粒体DNA副本，其中两个发生了突变，但你仍然有98个正常工作，这两个突变的代价是什么？并不大。你几乎不会注意到它们。现在你又获得了几个突变，你可能会随着时间的推移而退化，这个过程叫做穆勒氏棘轮（Muller’s ratchet: 指无性生殖群体中，有害突变会不可逆地积累，导致基因组质量下降）。基本上，这些突变通过你拥有的其他纯净副本的补偿，在某种程度上被筛选掉了。那么你如何摆脱那些随着时间积累的突变呢？

答案是，你需要做的是增加线粒体基因的变异性。你需要做的是有效地将所有突变体分离到这些细胞中，并将所有野生型分离到那些细胞中。你可以通过多轮细胞分裂来做到这一点。但如果有两种性别，其中一种性别有效地传递线粒体，那会有所帮助。你已经在进行抽样（sampling），你已经在增加变异性，并且增加了对选择的可见性。这关乎线粒体基因的质量。您能帮我理解为什么线粒体的单亲遗传（uniparental inheritance: 后代只从一个亲本获得线粒体DNA）有助于增加变异性吗？我们谈论的是细胞之间的变异性。假设你有100个细胞，它们都来自同一个亲本。如果你将所有线粒体直接传递给一个细胞，而不改变任何比例，那么它就和你完全一样。它是完全克隆（clonal）的。但如果你取其中一小部分，比如说你随机取10%——你给这个细胞10%，给那个细胞10%，给这个细胞10%——随机地，这个细胞会恰好得到所有好的副本，而那个细胞会恰好得到所有坏的副本。现在你对这100个细胞进行选择，然后说：“你们表现如何？”得到所有好副本的细胞表现良好，它们会继续下去。所以你正在增加下一代细胞之间的变异性。那些得到所有突变体的细胞会受到打击。那些得到所有纯净副本的细胞会表现良好。亲本同时拥有突变体和纯净副本。但你如何区分它们呢？基本上，这关乎抽样。而单亲遗传是一种抽样形式。你只从两个亲本中的一个获取线粒体。你没有混合两个亲本都有的突变。你正在获取一个子集。所以你总是在增加子细胞之间的变异性。单亲遗传给你一个子集。

然后是为什么存在两种性别的问题。我们解释了为什么存在这种只由一个亲本传递线粒体的演化生态位。所以至少有两个生态位。一个是传递线粒体，一个是不传递线粒体。一旦你建立了这两个，你就可以问：“为什么没有两种以上的性别？”然后你就可以说：“嗯，那只会是这两种中的一种重复。这是两个基本类型。”我的意思是，这更复杂，但关于两种性别，你可以说它是所有可能世界中最糟糕的。让我们把它从人类身上移开，这样我们就可以客观地看待它。你有一些单细胞生物在游动，它们都在产生配子（gametes: 生殖细胞）。配子彼此看起来相同，它们会以与性相同的方式融合，并排列染色体。它们在单细胞尺度上做的与我们完全相同。但拥有两种性别意味着你只能与**50%的人口交配。另外50%**与你同性，不会接受你的配子。如果你有三种或四种性别，那么你将能够与更大比例的人口交配。

有些真菌仍然有两种性别，但它们也有交配型（mating types）。有些真菌可以有27000种交配型，这完全是为了异交（outbreeding: 基因上不相关的个体之间的交配）。所以你几乎可以与任何东西交配。如果你今天去过一些大学校园，他们正在复制其中的一部分。变得像真菌，是的。那么，从这个意义上说，两种性别是所有可能世界中最糟糕的。如果你只有一种性别，如果每个人都是雌雄同体（hermaphrodite），你就可以与所有人交配。如果你有三种性别，你就可以与三分之二的人口交配，依此类推。那么为什么是两种呢？嗯，根本的区别在于一个传递线粒体，另一个不传递。除此之外，如果你有多种交配型，你仍然有一个传递线粒体，另一个不传递。所以在这些拥有所有这些交配型的真菌中，存在一种等级制度（pecking order），即主导的会传递线粒体，而不那么主导的则不传递线粒体。所以你最终会得到非常复杂的系统。你可以想象这很难强制执行。事情可能会出错。系统越复杂，出错的可能性就越大。所以我想从这个意义上说，为什么你最终会得到两种性别？部分是为了最小化错误。

Y染色体与性别差异

你有一个非常有趣的讨论，关于这不仅解释了为什么存在两种性别，还解释了卵子和精子发展方式的特殊差异，以及它们成熟前复制次数的不同等等。我想我们能否重述一下。所以一旦你有了这个根本的区别，即使在单细胞生物中，其中一种性别传递线粒体，而另一种不传递……雄性不传递它们的线粒体。这开始解释多细胞生物中性别之间的差异，生殖系性质之间的差异。在某种意义上，男性并没有像女性那样拥有生殖系。在女性生殖系中，你制造这些卵母细胞（oocytes），并有效地将它们“冷藏”起来。你照顾它们，尽可能地关闭它们，试图保护它们免受突变，有效地溺爱它们。而男性只是大量生产充满突变的精子。遗传学家詹姆斯·克劳（James Crow）有一句名言：“人口中没有比年富力强的老年男性更大的遗传健康危害。”那么，为什么你要一直大量生产精子呢？部分原因是你不必传递线粒体，所以你可以自由地大量生产精子。其中一些充满了突变，但很多都没有。你大量生产它们，而且很可能最终会成功，因为例如，游泳能力最好的那些更有可能……这不完全正确，但你可以这样想象。但在卵母细胞，即卵子的情况下，你正在传递那些线粒体。你不想让线粒体DNA中积累突变。你希望尽可能地关闭它们，尽可能地“冷藏”它们。性别之间最终变得不同的差异，很大程度上归结为你的生殖系统所受到的限制。

让我们谈谈Y染色体（Y chromosome），它也没有发生重组（recombined: 指遗传物质在亲代之间重新组合）。就像雌性卵细胞试图最小化复制次数以保持线粒体DNA的质量并防止错误一样，为什么Y染色体没有发生同样的事情呢？难道所有这些精子复制不应该导致Y染色体出现各种错误吗？嗯，它确实如此。Y染色体是退化的。我会把这作为标题。但有些物种已经完全失去了Y染色体。它们仍然有性别，因为它不严格依赖于Y染色体。如果你观察整个演化过程中决定性别的因素，会发现它很奇怪。例如，两栖动物的性别决定是温度依赖型的。所以雄性会在比雌性更高的温度下发育，或者有时情况正好相反。例如，鸟类拥有与哺乳动物不同的性染色体。所以性染色体在多个不同场合演化而来。Y染色体在做什么？嗯，Y染色体编码一个生长因子（growth factor），这个生长因子会激活其他生长因子。在胚胎发育中，你能够区分两种性别的最早差异，不是Y染色体的激活，即SRY基因（SRY gene: 位于Y染色体上，决定雄性性别的基因），而是生长速度。

我所在的伦敦大学学院（UCL）有一位名叫乌苏拉·米特沃奇（Ursula Mittwoch）的女性，她毕生致力于……她在20世纪60年代发表了大约15篇《自然》杂志（Nature）的论文。她研究的就是这类问题。她将生长速度视为共同点，即Y染色体在说：“快点生长。”为什么要快点生长？嗯，部分原因是你能够快点生长。你对破坏自己的线粒体没有任何限制，因为你不会传递它们。所以你可以快点生长。这可能对快点生长有利。如果你是雄性，你将获得资源。你生长得更快。如果你是雌性，你不想生长得那么快，因为你需要有效地隔离你的生殖系，以保护卵母细胞供下一代使用。在你完成这项工作之前，你不想破坏你的线粒体。所以你有一个延迟阶段，然后才能开始快点生长。有趣。这就是为什么女性寿命更长吗？乌苏拉·米特沃奇认为情况确实如此。我们不知道这是否是事实。但女性寿命比男性长是很常见的，不仅在人类中如此，在果蝇（Drosophila）中通常也是如此。

假设人类的演化在接下来的10亿年里自然地继续下去。我们没有通用人工智能（AGI）和人类基因编辑等等。你预计Y染色体最终会完全消失，并且会有其他方式来决定性别和性别相关的特征吗？确实有，而且在某些物种中它已经完全消失了。通常你保留的是一个导致不同生长速度的基因。Y染色体是退化的。它已经失去了大部分基因。关于穆勒氏棘轮（Muller’s ratchet）——即当你没有有性生殖或没有重组时，事物会退化——有两个因素影响它。其中之一是种群规模（population size）。在细菌中，如果你的种群规模很小且它们不是有性生殖的，那么你就会在那个种群中积累突变。但如果你的种群规模大得多，越接近无限大的种群，它们就不会都积累相同的突变。所以整个种群会很好。这可以追溯到几十年前的群体遗传学（population genetics）。

另一个在群体遗传学中较少被探索的因素是基因组大小（genome size）。对于细菌，如果你将它们的基因组大小增加到真核生物大小的基因组，你就无法维持一个更大的基因组。你会在那个基因组中积累突变，它会再次缩小。对于Y染色体，是的，它缩小了。与所有其他染色体相比，它是一个微小的染色体。真正的问题是你能维持多少基因处于良好状态？对于Y染色体，你只需要其中的几个基因。SRY基因说要生长得更快，你只需要它保持功能。在生育或不育男性层面的选择将淘汰那些拥有非功能性SRY基因的男性。这不像你有一个突变拼凑而成的基因组。你可以让你的Y染色体退化到几乎什么都没有，你仍然可以正常运作。这很有趣，因为你曾说过线粒体DNA也发生了同样的事情，它是一个微小的基因组，并且随着时间的推移而缩小，从最初被吞噬的细菌开始。它从大约3000或4000个基因减少到，在我们自己的例子中，37个基因。如果你在细胞内部，你就无法维持一个大型基因组。正如我所说，种群规模很重要。如果你是一个生活在野外，拥有100万个个体的自由生活细菌，而现在你躲在另一个细胞内部，它是一个小细胞，现在你只有5个个体。你将积累突变，你无法抵抗它们，所以你将失去基因。所以你的基因组会缩小。这就是线粒体发生的事情。你就是无法维持一个细菌大小的基因组。

有性生殖与横向基因转移

也许值得解释一下，为什么在系统性汇集和并行搜索基因空间方面，有性生殖（sex: 通过配子融合产生新个体的生殖方式）优于横向基因转移（lateral gene transfer: 基因在不同物种之间直接传递，而非通过亲代到子代的方式）。如果性有这种优势，而细菌也有其前身，为什么它们没有完全发展出有性生殖呢？仅仅是因为它与它们的大小不兼容吗？我认为它们没有这个需求。它们所做的是横向基因转移。基本上，你从环境中获取随机的DNA片段。这可能比那更险恶一些。你可以杀死旁边的细胞，然后获取它的DNA并加载进去。这种情况确实发生，但在大多数情况下，你从环境中获取DNA片段。通常是小片段，通常是一个基因的价值或类似的东西。你只有在感到有点压力时才会这样做。如果事情进展不顺利，你就会获取DNA片段，将其绑定到你的基因组中，然后寄希望于最好的结果。对于大多数生物来说，大多数时候这都不会奏效，但对于其中一个来说，它奏效了，然后它们就会占据主导地位。它加速了对不断变化的环境的适应。

为什么它们只使用一个基因？有两种看待方式。你有一个细菌大小的基因组，它相当小。如果你保持基因组小，你就会复制得更快。拥有一个庞大、笨重的基因组是一种劣势。真核生物拥有这样的基因组。这是一个有趣的问题。为什么你会拥有一个如此庞大、笨重的基因组，复制起来需要更长时间？细菌非常精简。它们会摆脱不需要的基因，然后它们可以生长得更快。但现在条件改变了，你现在需要这个基因。那么你该怎么办？你把它捡起来。你只是捡起随机的基因，然后寄希望于最好的结果，捡到正确的那个，然后你又继续前进了。细菌的基因组大小很小。它们拥有你所说的小基因组（small genome），但随后是一个大泛基因组（large pan-genome: 指一个物种或类群中所有菌株所拥有的全部基因集合），也就是它们可以访问的所有基因。所以一个大肠杆菌（E. coli）细胞可能在一个细胞中有3000到4000个基因，但可以访问30000到40000个基因。

是什么让宏基因组（metagenome: 环境样本中所有微生物的基因组总和）得以存在？为什么不是所有人都趋同于当前环境所需的这种精简的东西？宏基因组之所以存在，是因为不同的大肠杆菌菌株，或者任何细菌，生活在不同的环境中。你可能在肠道中生活着共生细菌（commensal bacteria）。你可能在皮肤上生活着大肠杆菌，这是一个非常不同的环境。然后你可能有非共生的致病大肠杆菌（pathogenic E. coli），它们的行为又不同。它们的基因组可能存在**50%**的差异。所有这些事物都在并行发生，它们都可以相互借用基因。这发生在同一个物种内部，无论物种在细菌中究竟意味着什么，它并没有一个确切的含义。这就是细菌演化的动态。它们保留着小基因组，可以访问大泛基因组，并且它们不断地借用、匹配等等。它们通过保持自己的基因组相当小来有效地保持竞争力。真核生物抛弃了所有这些，获得了更大的基因组。

那么问题是，如果你试图用一个大型基因组，一个真核生物大小的基因组来做这件事，然后你继续从环境中获取小的DNA片段——你替换正确基因的机会就会降低。你的基因组越大，效率就越低。当你达到真核生物阶段时，它们拥有一个大型基因组。为什么它们拥有一个大型基因组？我会说那是因为你获得了这个内共生体，它们变成了线粒体。现在你拥有了更多的可用能量。真核生物会容忍更大的基因组的原因有很多。但最根本的是，你拥有了细菌从未真正拥有过的能量来做一些事情。现在，横向基因转移不足以维持这个更大的基因组。你将不得不采取更系统的方法。所以你拉动整个基因组，将所有东西排列起来，然后它们之间进行交叉（cross over）。现在它是系统的，它是互惠的，你可以在一个更大的基因组中保持基因的质量。细菌从未需要这样做。

基因演化的编程类比

当我读您的书时，为了消除我自己的无知，我试图想出一个类比。请告诉我它在哪些方面是天真的。也感谢您今天容忍我所有其他天真的问题。在硅谷这里，一个可能对我们有用的类比是思考GitHub仓库（GitHub repository: 软件开发中用于存储和管理代码版本的地方）。我现在已经超出我的理解范围了。基本上，你有一个代码库（code base），你有进行版本控制（version control）的方法。通常的做法，这可能类似于有性重组（sexual recombination: 基因在有性生殖过程中重新组合），是有人创建一个新的分支（branch）。在该分支中，他们可能会进行一些修改，这些修改是根据他们试图改变的功能进行组织的。当维护者查看代码时，他们可以看到此时的原始代码是什么。这是对该代码点的修改，你看到了差异，然后如果看起来合理，你就可以将其合并（merge）回去。这里的类比可能是有性重组，它沿着相关基因进行组织。你看到了这个等位基因（allele），你看到了那个等位基因。这里的演化是一个维护者，它正在驱动其中一个走向固定。

无性生殖（asexual reproduction），即带有突变的克隆，的类比是，你分叉（fork）了仓库，然后你进行了一个随机的更改。你只是更改了一些随机变量，更改了一个词，更改了一点。几乎每一次这都会是有害的。即使它不是有害的，也没有合并功能。你有数百万个仓库，然后又衍生出数百万个其他仓库。即使其中一个做出了改进，也没有系统的方法可以将这些改进合并在一起。听起来很相似，是的。最后是横向基因转移。这里的类比可能是，你有一个用于编辑网页的仓库，另一个用于控制航空公司软件的仓库。你所做的就是，你在这个网页编辑软件中随机取一段500行的代码序列，然后将其放到飞机管理软件中的一个随机位置。没有系统性的组织，比如“相关功能在这里”。

有一点是，横向基因转移通常会将末端与你已有的东西匹配。我对编码了解不多，无法给出可比较的例子，但实际上你会拾取一个模块，它在某种程度上具有相似性，比如“好的，它适合代码的这一部分。”所以你只会把它放进去。它在那里可能有用也可能没用，但它不是完全随机的。它被插入到一个你知道那里曾经有或可能有的东西的地方。所以它不是完全随机的，但你不知道你放进去的是什么。那么我真的没有一个很好的直觉来解释为什么横向基因转移不会产生与重组相似的好处。这真的只是一个规模问题（scaling thing）。如果你拾取一个随机的DNA片段，而你有一个10倍大的基因组，你能多快地从环境中拾取DNA？你必须拾取10倍多的DNA才能做到这一点。你是否有能力拾取10倍多的DNA？

这样做也有一个代价，那就是，就像突变一样，你不知道你正在插入什么。它几乎可以是任何东西。你知道你插入的位置，你插入在正确的位置，但那个基因盒（cassette）里有什么，你并不真正知道。所以你做得越多，你也会越退化。这样做有成本也有收益。

意识、麻醉与科学探索

也许为了结束这个话题，什么实验或探究方法能给我们提供关于这个故事的最多信息？这个故事有很多方面，我能给出很多可能的答案。就真核生物、巨型细菌、生命的可能性而言，很大程度上取决于观察。我们根本不了解外面有什么。所以不一定是实验。如果我断言巨型细菌总是会拥有极端多倍性（extreme polyploidy），即多个基因组副本，而你发现一个并非如此的例子，那么我的想法就已经瓦解了。所以知道这一点很有用。对于生命起源，我真希望我能想出一个令人信服的理由，说明我为什么要乘坐潜水器前往像失落之城（Lost City: 大西洋中部一个深海热液喷口系统）这样的深海热液系统。我很想去失落之城。但问题是，现在的海洋化学与40亿年前完全不同。现在海洋充满了氧气。也充满了细菌等等。但海洋化学不同是因为有氧气。海洋中没有铁，没有镍。你可以去像失落之城这样的喷口，那里的墙壁不再是由催化矿物构成。它们是由文石（aragonite）和水镁石（brucite）构成的，也就是碳酸钙（calcium carbonate）和氢氧化镁（magnesium hydroxides）等等。所以它能进行的化学反应非常不同，而且那里生活着很多细菌。除了看到它带来的纯粹惊叹之外，它能告诉我的东西并不多。

我们实际正在做的是在厌氧手套箱（anaerobic glove box: 一种用于在无氧环境中进行实验的设备）的实验室中进行实验，排除氧气。所以你可以进行这些氢气和CO2反应的实验。我们能用这种方式生产多少生物化学分子？它缓慢而费力，你得到的量很小，有时还会受到污染。有时你不得不重新开始。这是缓慢的工作，但正在向前推进。也不仅仅是我们。世界上还有其他团队。例如，约瑟夫·莫兰（Joseph Moran）的团队在这方面做了很多非常出色的生物化学研究。这正在向前推进，但我们谈论的是几十年后才能达到这样的水平，我们可以说：“好的，我们可以驱动整个代谢的通量，这就是实现它的条件。”当然需要几年时间。有一些重要的关键点，比如制造嘌呤核苷酸（purine nucleotides），这个合成途径有12个步骤，所有中间体都不稳定，容易分解。它已经在甲醇等物质中完成，而不是在水中。在水中，物质会分解。我们正在尝试做，这很困难。我相信我们会成功，这就是我们为什么要尝试的原因，但也许我们不会成功，在这种情况下，假设又是错误的。你每天早上醒来都必须思考假设可能是错误的。它很美，也很有道理，但有太多美丽的设想被丑陋的事实扼杀了。相信自己是对的没有好处。你必须相信自己可能是错的，然后无论如何都要继续前进。

目前让我兴奋的另一件事是关于麻醉剂（anesthetics）和线粒体的研究，事实证明——几年前我从一个叫卢卡·图林（Luca Turin）的人那里听说了这件事——他指出麻醉剂会影响线粒体。我完全不知道麻醉剂会影响线粒体。它们确实会。我们一直在做实验，虽然尚未完全确定，但似乎它们的主要作用是线粒体。麻醉剂对各种事物都有效，包括像变形虫这样的生物。这并不能证明什么，但它开始表明，如果你能让变形虫失去意识，那么它之前有意识吗？不是我们理解的意识。我们理解意识的方式主要是关于神经网络（neural nets）、神经系统，以及人类意识的所有复杂性。这是我们主要思考的问题。但有一个深层问题可以追溯到很久以前。这是心物问题（mind-body problem），但它被大卫·查尔莫斯（David Chalmers）描述为意识的难题（hard problem of consciousness），据我理解，它归结为我们不知道“感觉”在物理上是什么。

你可以理解神经网络的信息处理。但如果你感到痛苦，或者你感到疼痛，或者你感到爱，无论是什么，那在系统化学上究竟是什么？问题是你有所有这些神经网络在放电，其中一些是有意识的。我们知道我们在想什么。其他的，似乎在神经元方面拥有所有相同的属性——它们有突触（synapses）、有神经递质（neurotransmitters）、它们会去极化（depolarize）、它们会传递动作电位（action potential）——但我们没有意识到它。这是非意识信息处理（non-conscious information processing）。所以问题是。如果麻醉剂影响那些没有神经网络的东西，而感觉是我们无法用神经网络来定义的东西，那么感觉是否以某种方式更广泛地与生命相关联？那么它们为什么会相关联呢？我作为一名演化生物学家，是这样思考这个问题的。第一个问题是，我们会认为感觉是真实的吗？我会说“是”。我们认为它们是演化而来的吗？我会说“是”。我认为任何演化生物学家都会对这些问题说“是”。如果它是真实的并且是演化而来的，那么自然选择就必须能够以某种方式看到它并对其采取行动。换句话说，它有一些物理特性可以被选择。我认为这个说法没有任何争议。但如果它是物理的、真实的并且已经被选择过，那么这意味着我们应该能够测量它。它必须提供一个优势供选择作用，如果它是一个物理过程，它就应该是可测量的。但我们并不真正知道我们在这里试图测量什么。

然后我回到思考，一个细菌细胞需要做什么？这只是粗略的思考。我立刻想到代谢（metabolism）。一个细菌细胞内部与外部世界有什么区别？内部在代谢上是活跃的。它一直在以巨大的速度进行化学反应。一个细菌细胞每秒钟会在其代谢中发生大约10亿次反应。我立刻开始思考，这一切是如何被控制的？你如何让这个细胞拥有一个连贯的行为，让它决定“我要爬到那边去”？你甚至如何知道你处于什么状态？你如何同步所有这些生物化学反应？可能大多数人对此的回答是某种代谢调节。但这并不是真正的驱动力。最终的驱动力是热力学驱动力（thermodynamic drivers）。你有多少电子？那是以食物或NADH（NADH: 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸，一种重要的辅酶，参与细胞内的氧化还原反应）的形式存在的。你有多少以ATP（ATP: 腺苷三磷酸，细胞内主要的能量载体）形式存在的能量？这些是使反应同步的因素。问题在于，当你处理分子时，你处理的是数万个分子，所以你有一个庞大的统计抽样，这需要时间来弄清楚。

但有一个更好的方法，那就是，如果你从食物中的NADH中获取电子并将它们传递给氧气，但你正在产生膜电位（membrane potential），并且这驱动着ATP合成，你可以测量膜电位和将产生的场（静电场和电磁场）的变化率。这将让你了解你的状态，你的代谢状态与外部世界的关系。那里有足够的食物吗？有足够的氧气吗？太热了吗？有病毒吗？我有足够的铁来完成所有这些反应吗？你拥有所有这些可能相互冲突的反馈回路，你必须做出决定。只是粗略地思考一个细菌细胞将如何行为，你会发现你已经把它框定为一个实体，一个细胞，它必须决定做什么。它必须整合所有这些信息，并作为一个自我、一个实体做出一个连贯的决定。那是自由意志（free will）吗？可能不是我们所认识的任何形式，但它根据其环境做出决定，结果是生存或不生存。那么我认为的感觉，实际上是膜电位产生的电磁场（electromagnetic fields），它告诉你你的物理代谢状态与你所处环境的关系。

这引出了我的一个问题。如果意识以某种方式与线粒体有关，那么线粒体在这个意义上是否只是一个简单的ATP生成引擎，而你干扰它们制造ATP的方式，所以麻醉剂通过有效地给你造成能量赤字来使大脑关闭？如果这是真的，那会很无聊，但如果这是真的，知道它会很有用。更令人兴奋的是，线粒体是否会产生我之前在细菌中谈到的那种场，这些场在某些线粒体、某些神经元中提供了你状态的一些指示，而麻醉剂干扰了这一点？如果那是真的，那将是神奇的。那将是一个全新的研究方向，那将是太棒了。测量场非常困难。测量你不知道自己在做什么的伪影（artifacts）非常容易。我们需要更多的物理学家在这个领域工作，进行艰苦的计算，我们需要更多的数据。它真的只是在这些呼吸复合体中的一个，复合体I（complex I: 线粒体呼吸链中的第一个复合体，负责电子传递和质子泵送）吗？所以我们可以做很多标准的分子生物学研究。它开始指向这个想法，是的，复合体I的运作方式有些特别，这可能与产生场有关，也可能与麻醉剂的作用方式有关。这很有趣。科学的伟大之处在于它真的很有趣。这是我一直试图向我实验室里的人传达的一件事。你不能忘记乐趣。如果它变得枯燥乏味，那么你最好离开，因为你在其他地方会赚更多的钱。你在其他地方会过上更好的生活。但如果你真正关心的是科学和实验，那它就必须有趣。你必须真正享受去做这件事。我必须说，对我来说，最棒的事情之一就是它一直都很有趣。

科学传播与LLM的辅助作用

通过阅读您的书籍，间接地感受到那种乐趣，真是太棒了。谢谢。对于听众来说，这次对话与尼克的著作**《生命大问题》（《The Vital Question》）联系最为紧密。如果您想更好地理解这里的论点，我建议您阅读这本书。那里有更多有用的细节。首先，这是我之前告诉您的，它填补了书籍领域的一个空白，不幸的是，这类书籍非常少。有些教科书你可以花2000页**学习分子生物学。但一个好奇的普通人几乎没有机会做到这一点。另一方面，有些书基本上只是关于科学家的轶事或科学史的轶事。这个发现者非常反复无常，他是如何管理实验室的，他的父母是怎样的。但它从未真正谈论过实际相关的科学。像这本书这样的作品确实填补了解释性中间地带。谢谢。物理学家非常擅长撰写关于宇宙重大问题的书籍。有大量的读者喜欢被一本书震撼，即使他们知道它很难，也不会完全理解所有内容。我们如何才能了解大爆炸、黑洞如何运作或背景辐射等等？

对于生命，生命的起源或行星上生命的轨迹，以及我们是否不可避免地会获得复杂生命，或者我们是否会在大多数地方停留在细菌阶段，这些都是宇宙级别的重大问题。没有多少人撰写关于它们的作品，并试图以物理学家经常做的方式，将你带到我们所知的前沿，只是说：“嗯，我是这样看的。这些是我眼中的问题。”你必须努力做到诚实，说：“好的，我这样看，其他人看法不同。”顺便说一句，大型语言模型（LLMs: Large Language Models，指具备理解、生成和处理人类语言能力的AI模型）的存在，使得阅读这类书籍的过程变得更加可行和高效。我曾与几个朋友组织了一个读书俱乐部。我们不是生物学家。我们是这个领域的普通人。我确实鼓励人们对于这类书籍，看看能否组建一个读书俱乐部，或者多与LLMs交流，因为在LLMs的帮助下，我们能够重温许多极其基本的化学和生物学知识。整个问题是：“为什么在早期环境中，当一边是碱性而另一边是酸性时，CO2和H2的反应会受到促进？”你只需与LLM一起回顾这些基础化学知识。是的，我尽力在书中解释了，但似乎我做得不够好。细节太多了，你无法避免，因为它们就在问题中。这是生物学的一个问题，它极其复杂。物理学家看待生物学，认为它太难解释了，而生物学家则拥有所有这些术语，并且经常迷失在术语中。我天性如此，试图找到简单的共同点。这便促使我撰写关于它们的作品。我可能一直在过度简化，或者我可能失败了，没有简化到足够的程度。但你与它搏斗，并努力使其奏效。与您和读书俱乐部的其他人交谈，了解你们在哪里遇到困难，对我来说真的很有趣。我会在下次写书时将这些经验融入进去，并努力找出如何做得更好。尼克，这次对话非常棒。感谢您引导我们回顾了基础生物学和化学知识，也探讨了关于生命最有趣的许多问题。非常愉快。多谢。