第二章

了不起的原核生物

CHAPTER 2

第一节生命乍现

第二节神通广大的原核生物

第三节蛋白质催化原核生物

第四节 RNA和蛋白质的华尔兹

第五节 DNA取代RNA成为遗传物质

第六节随机应变的基因调控

第七节细胞的“墙壁”和“门户”

第八节氧化还原反应供给能量

第九节 “蓄水发电”合成ATP

第十节破解烧碳难题

第十一节正转和反转的三羧酸循环

第十二节发明光合作用

第十三节 “骨骼系统”

第十四节喧闹中的秩序

第一节

生命乍现

在上一章里，我们叙述了生命产生的“前期过程”，包括构成生命的元素和分子在宇宙中的形成、自我催化系统的出现、原始的细胞结构以及RNA作为生命最初分子的核糖核酸。从宇宙中数量极其巨大的行星和卫星的存在，我们可以预期生命的出现很可能是一个必然的现象，地球上生命的形成及其发展则提供了一个极好的例子。

生命的前期分子是在什么时候演变成为地球上最初的生命的？换句话说，地球上的生物是何时出现的？这个问题看似简单，回答起来却非常不容易。最初形成的生命一定非常微小，构造简单，它们不像后来出现的大型生物那样，有骨骼、牙齿那样比较容易保存的组织，而只是由膜包裹的一些有机物。它们能够形成化石，保留到现在吗？

这个难题被科学家用很聪明的办法解决了。蓝细菌（Cyanobacteria）是一类可以进行光合作用的单细胞生物，在浅水处可以聚集，在砂石上形成菌膜。这些被菌膜黏附的沙子由于菌膜的覆盖，可以免受水流的冲刷，因而能够形成对应的结构，例如菌膜被水流掀起时，沙子就会和菌膜一起卷成筒状结构。菌膜被沙掩盖，上面又可以长出菌膜。这样长期反复地沉积，就会形成具有多层结构的叠层石（Stromatolite）。目前在地球上的许多地方，叠层石还在生成。如果我们在古代的沉积岩中发现叠层石和类似卷筒那样的结构，就可以推断出生命在这些沉积岩中的存在。

带着这个想法，美国科学家诺拉·诺夫克（Nora Noffke）在澳大利亚西部皮尔巴拉沉积岩（Pilbara terrane）中发现了叠层石，并且在这些结构中发现了可能是由菌膜卷曲而形成的筒型结构（图2-1）。离叠层石稍远的地方就没有这些结构，说明它们很可能是由生物因素形成的。皮尔巴拉岩层的形成年代在35亿年以前的太古代（Archaean eon），如果这些结构真是由当时的生物留下的，那就说明生物在地球上至少有35亿年的历史。用同样的方法，诺拉·诺夫克在南非的蓬戈拉超群（Pongola Supergroup，29亿年前形成）中也发现了类似的结构。

不过这还只是间接的证据，还不能排除这些结构是由某些人类尚不知道的自然机制形成的，所以有可能只是在形态上和现代形成的叠层石相似。要证明这些结构的确是由生物形成的，还需要更多的证据。由于形成叠层石的蓝细菌能够进行光合作用，要从空气中获取二氧化碳，再利用二氧化碳中的碳元素来合成自身的有机物，是不是可以从这里找到线索呢？科学家研究了光合作用过程中生物获取碳元素的过程，找到了一个办法，那就是碳元素的同位素分析。同位素（isotope）是原子核中具有相同的质子数（所以原子序数相同），而中子数不同的元素形式。地球上的碳有三种同位素，分别是碳-12，碳-13、碳-14（碳后面的数字为相对原子质量，大约是质子数加中子数），其中绝大部分是碳-12，占99%，其次是碳-13，占约1%，而碳-14只有痕迹量。生物在进行光合作用时，对这些碳同位素并不是“一视同仁”的，而是“偏爱”最轻的碳-12。这样，在生物体内的有机物中，碳-13/碳-12的比例就会比自然环境中低。如果在发现菌膜痕迹的地方又发现碳-13的比例低于环境中的，那就能够有力地证明这些结构是来源于生物的。

诺夫克测定了菌膜遗迹处的碳同位素比例，再和周围的碳同位素比例相比较，发现菌膜遗迹处碳-13/碳-12的比例的确明显比周围环境中低，这是对叠层石是由生物原因形成的思想有力的支持。另一位美国科学家多罗西·阿赫勒（Dorothy Oehler）在南非的翁维瓦特群（Onverwacht Group）测定了沉积岩不同深度中碳-13和碳-12的比例，发现中层和深层的同位素比例和其他非生物来源的物质一样，而具有生物痕迹的表层却有异常低比例的碳-13。翁维瓦特群的沉积岩也有35亿年的历史。说明生物的出现也至少在35亿年之前。用这些方法测定到的生物早期的痕迹还在南非的无花果树群（Fig Tree Group）、格陵兰的伊苏阿（Isua）地区、澳大利亚西部的瓦拉伍拉群（Warrawoona Group）等处发现。

蓝细菌是已经可以进行光合作用的（因而已经是比较复杂的）生物，自身营养充足，可以在浅水区大量繁殖形成菌膜，也就比较容易留下化石或痕迹。更原始的生物用其他方法获得的能量较少，可能只以低密度的单细胞存在，也就难以形成化石或留下痕迹。由此推断，最初的，更简单的生物出现的时间应该比35亿年前早得多。地球是大约45亿年前形成的，而地壳的形成大约是在44亿年前，所以从地壳的形成到生命的出现，中间应该不到10亿年的时间。