第二章　碳和生命起源

　　大家只因為不了解癲癇，就認為這種毛病是神聖的。但如果他們把所有自己不懂的事情都視為神聖之物，唉，那神聖之物可就沒完沒了了。
　　　　　　　　　　　　──希波克拉底

　　從人類圍爐說故事以來，生命的起源就一直是神話跟宗教的主題。但直到近五十年來，科學家才有辦法執行精確的實驗，測試早年地球可能有的那些條件，會以何種方式拼合生物化學的優雅拼圖。生命起源研究者「追隨碳的腳步」，從地球形成期間碳的登陸開始、追到束縛基因密碼的原子，測試地球化學可能讓生物化學萌芽的潛在路徑。

　　所有生命都是一種經過統合的化學現象。然而生命如何變得有別於地球化學現象，幾乎可說是次要的問題。首先，光是要描述生命是什麼，就已經帶給科學家夠多麻煩了。人類就跟其他生命體一樣的弔詭矛盾。每個活生生在呼吸的人都有數不盡的數兆個細胞，每個細胞都有數不清的上兆個分子構成繁複細膩的舞步；而每個分子都有一個徹底無生命的化學結構，而且光靠自己就什麼都做不了，只能被沖走或者在陽光下衰頹。我們視為「生命」的特徵，是從這些分子的複雜物理交互作用中浮現的；這些作用的驅動力，則是來自分子從周遭環境中持續取得並釋放的能量及營養。

　　關於生命的極簡版敘述，通常包括同樣的一小撮特徵。生命是由包裹在生物體膜中的化學物質，以及永續運作的化學變化所構成的系統。這些以碳為基礎的化學物質，跟水之間有種愛恨交加的關係。生命會利用地球上的能量來源，幾乎是哪裡有就拿來用。而生命的多樣性之所以浮現，是因為基因編碼中的隨機突變，經歷了達爾文式的自然選擇。

　　生命起源研究需要橫跨多種專門學科的專業知識，從鑽研地球形成過程的地球物理學家，到範圍龐大又日益膨脹的基因研究領域中正時興的分子生物學家，都包括在內。起源研究是一門全球共同合作的活動，被放在「天體生物學」這個比較寬廣的名稱之下，是對宇宙間種種生物的「起源、演化、生物分布及未來」所做的研究。這一章將會通盤審視，來自各種不同學科的科學家如何收集證據（而且在缺乏證據時還經常彼此辯論），證明有生命的物體如何從初始的化學物質發展出來。

　　許多實驗科學家和理論家都企圖了解，生命的各種成分如何聚集起來成為最早的細胞。他們的工作有時候會區分成「由下而上」與「由上而下」兩種研究路線。前者考慮的是地球早期可能有的環境條件，從大氣到深海火山口都包括在內，並且嘗試辨識出沒有生命的物質可能怎麼樣發展成活細胞。這種「由下而上」的途徑碰到了限制。至今沒有一個朝生物化學方向研究地球化學活動的實驗室，能夠在合理的條件下，合成任何一種跟基因密碼基礎成分一樣複雜的東西；這種基礎成分稱為核甘酸。每個核甘酸都是由三個部分組成的。「含氮鹼基」實際上是碳與氮構成的環。碳環在自然界無所不在，碳原子被認定包含在其中；這些碳環也因為含有氮而別具特色，因此強調「含氮」。這些有側基作為裝飾的鹼基跟五碳糖連結在一起，再加上一個磷氧化合分子，就可形成完整的核甘酸。科學家碰上一個「黑盒子」，在知識範圍中有一塊他們無法描述的空白，雖然他們或多或少了解其中填入了什麼東西、又有什麼從中發展出來。

　　傾向於採取「由上而下」路線的科學家，把對於生命通用的基因學及代謝作用研究，比擬成解讀羊皮紙上的原始文獻；羊皮紙是一種古代的卷軸，會反覆塗寫數次。採取這種路線的人也從另一個方向碰到了黑盒子。史瓦茲曾說：「在你對問題是否能解答產生疑惑的時候，你就是碰到關鍵時刻了。」從任何一種實質意義上來說，這類問題並不需要馬上就有解。這些問題只要「有趣」就好；「有趣」一詞在現代標準英語中，因為過度濫用而漸失意義，但科學論文中卻還經常認真地使用這個字，意思就是值得花費力氣、時間與金錢。因此，黑盒子每年都在縮小。

　　這種由上而下的研究路線提供了一個簡單的架構，可用來思考世界從不毛狀態到有第一批細胞居住之間的模糊狀態。演化生物學理論家薩斯馬利運用先前的研究成果，提出生命的三前提：一個關於設計資訊的基因密碼，或可說是「模版」；一個代謝系統，可以把消化的能量跟營養轉化成必要的生物分子；還有一層細胞膜，或可稱為「邊界」，用以集中細胞內部的化學作用，並控制從外在環境中跨入的物質。薩斯馬利論證生命必須具備全部三種性質，但達爾文式的演化（不完全複製與自然選擇），可能只靠兩種性質就能運作。

　　生物體之中，從最小的奈米細菌到藍鯨，全都吸收碳來為這三個連鎖系統提供燃料與建材。生物體的代謝系統把富含碳的「食物」，烹調成維持生命所需的分子。碳跟氦、氧、氮及磷結合形成DNA，就質量上來說大部分是碳。碳也束縛著把生物體內化學物質與外在世界區隔開來的細胞膜或皮膚。