朱欽士 （美國南加州大學醫(yī)學院）

在人們的日常飲食中，食鹽（氯化鈉）是不可或缺的。不僅人類如此，許多動物，例如食草動物牛和羊，也會主動尋找土表鹽粒。人們需要食物中的蛋白質、脂肪和淀粉，這比較容易理解，因為這些物質既能為身體提供“建筑材料”（蛋白質提供的氨基酸、脂肪提供的脂肪酸，淀粉提供的葡萄糖），又能在細胞內被氧化而提供生命活動所需要的能量。但是鈉離子并不是“建筑材料”，也不能提供能量，為什么是必需的？

1926年，加拿大多倫多大學（University of Toronto）的科學家麥卡倫 （Archibald Macallum，1858—1934）發(fā)表了題為 《體液和組織中的古化學》（Paleochemistry of the body fluids and tissues）的論文，報道了他對動物體液和組織中各種離子的含量進行測定的結果。他發(fā)現(xiàn)，在許多動物的體液（血液和組織液）中，鈉、鉀、鈣、鎂離子含量的比例大致與海水相似，而其總量約為海水的1／3，其中鈉的含量遠高于鉀。根據(jù)此結果，Macallum認為脊椎動物是在海水中產生的，然后再移居到陸地上，時間大約是在志留紀（Silurian period）或更早，那時海水的含鹽量大約是現(xiàn)在的1／3，所以現(xiàn)在脊椎動物血液中各種無機鹽的含量就反映了那個時期海水的組成。人們在食物中放鹽，是因為人們是從海水中來的，人們的血液需要鹽。

與動物體液中鈉高鉀低的情形相反，Macallum發(fā)現(xiàn)在動物組織（主要為細胞）中，卻是鈉低鉀高的，例如他測定過鯡魚（herring）未受精的卵細胞中，鉀的含量就是鈉的2倍。Macallum據(jù)此認為動物的單細胞祖先應該是在富含鉀的水中形成的，時間應該比脊椎動物的出現(xiàn)早得多，細胞內陽離子的組成狀況應該反映那個時候環(huán)境中陽離子的組成狀況。

在93年后的今天，Macallum的結論，即體液中鈉高鉀低，細胞內鉀高鈉低，仍然是正確的。例如人的血液中，鈉的濃度約為140 mmol／L，而鉀只有約 5 mmol／L。 海洋中的烏鯊（leopard shark）血液中鈉濃度約為 300 mmol／L，鉀也為5 mmol／L；鮭魚血液中鉀為 147 mmol／L， 鈉為 9 mmol／L；蟑螂體液中鉀為 161 mmol／L，鈉為 8 mmol／L。

在細胞質中，不僅是動物，所有的生物，包括原核生物中的細菌和古菌（Archaea），真核生物中的真菌、植物和動物，都是鉀高鈉低。例如人的神經細胞內的鉀離子濃度為150 mmol／L，而鈉離子只有15 mmol／L；出芽酵母（Saccharomyces cerevisae）細胞質中鉀離子為 130 mmol／L,鈉離子為 79 mmol／L；即使是生長在鹽湖中的嗜鹽古菌（Halobacterium salinarum），當外部液體中的氯化鈉濃度達到4 mol／L時，古菌也會將細胞內的鉀濃度增加到4 mol／L，以保持細胞內 K+／Na+的濃度比例高于 1。這說明任何生物都要在細胞內保持比鈉離子高的鉀離子濃度。看來細胞在乎的，不是細胞質中鉀的絕對濃度，而是鉀離子與鈉離子的比例。這是為什么？

這種細胞內、外鉀離子和鈉離子濃度的巨大差異，對生物也是一個問題。由于細胞膜對鈉離子和鉀離子不是完全不通透的，而是會有泄漏，細胞外高濃度的鈉離子總會不斷地“溜”進細胞內，而細胞內高濃度的鉀離子又會不斷地“溜”到細胞外。要保持細胞外鈉高鉀低，細胞內鉀高鈉低的狀況，細胞必須不斷地將細胞內的鈉離子“泵”出去，將細胞外的鉀離子“泵”進來。由于這種跨膜離子運輸都是逆著離子的濃度梯度的,即要將離子從濃度低的地方轉移到濃度高的地方，這些過程是需要能量的。細胞消耗的能量中，約有20%用在維持細胞內、外鉀離子和鈉離子濃度不平衡上，而神經細胞用于此目的的能量能占到神經細胞總能量消耗的60%。即使人們靜坐在那里，體內細胞也在持續(xù)不斷地泵進鉀、泵出鈉。這是一項昂貴的投資。生物為什么要保持這樣一種“浪費”的狀態(tài)？為什么生物的演化過程不對細胞內鉀和鈉的濃度進行調整，使其與細胞外液體的狀態(tài)一致？這樣豈不可以節(jié)省大量的能量嗎？

生物演化的能力似乎是無窮無盡的。從原初生命的簡單細胞，可演化出各式各樣結構和功能都差異極大的細胞，例如進行光合作用的藍細菌、有眼點且能夠游動的衣藻、各種球菌、桿菌、弧菌、變形蟲、草履蟲、動物的肌肉細胞、神經細胞、紅血球、白血球等。演化使得生物不僅可在適宜的條件下生活，也可在各種極端條件下生活，無論是地面以上幾十千米的高空，還是地表下幾千米的巖層，亦或是鹽湖、熱泉、極地、沙漠，都能發(fā)現(xiàn)生物的蹤跡。既然生物能通過演化發(fā)展出適應各種環(huán)境條件的能力，為什么不能改變細胞自己的組成，以適應現(xiàn)在普遍的鈉高鉀低的環(huán)境呢？

原因就在于，原初生命形成時的一些環(huán)境條件，已經固定在細胞內的化學代謝鏈中，無法改變了。生命活動主要是由蛋白質催化的，同時也包括核糖核酸（RNA）的催化作用。蛋白質和RNA都是生物大分子，其形狀和功能嚴重依賴于它們所處溶液的組成和性質，包括離子組成。一旦反應條件形成和被優(yōu)化，是不可能再改變的，因此生物在外表上可以千變萬化，但是細胞的基本性質卻是高度保守的。這些保留在細胞內的環(huán)境條件，就是原初生物留下的“遺跡”。

1 原初生物留下的兩大遺跡

到目前為止，科學界普遍承認的原初生物留下的遺跡主要有2個，即原初的RNA世界和細胞內的還原環(huán)境。

在現(xiàn)代的細胞中，絕大多數(shù)化學反應是由蛋白質催化的,但是蛋白質自身的合成,卻仍然要由RNA催化。組成蛋白質的肽鏈是在核糖體（ribosome）中合成的，其中的蛋白質亞基只起結構和調節(jié)的作用，真正將氨基酸連到肽鏈上使肽鏈延長的，是其中的RNA分子。RNA既能催化自身的形成，也能將氨基酸連到小RNA分子上 （即后來的轉運RNA，tRNA），再將這樣帶“標記”的氨基酸連接到不斷伸長的肽鏈上。RNA中核苷酸的序列，像DNA中的脫氧核苷酸序列一樣，也能用于儲存信息，即為蛋白質分子中的氨基酸序列編碼。就是細胞“剪接”RNA以除去內含子（intron）的剪接體（splicesome），也是由能自我剪接的第Ⅱ型內含子（RNA）演變而來的。這些事實都說明，最初的生命是RNA的世界，蛋白質是后來才發(fā)展出來的。

在原初生命形成時，大氣中還沒有氧氣，而主要由中性氣體（例如氮氣）和還原性氣體（如氫氣、氨和硫化氫）組成。在此環(huán)境中形成的細胞，內部是高度還原的。在這種環(huán)境下形成的蛋白質，特別是其中的酶，也只能在還原環(huán)境中才能最好地工作。這種情形一旦形成，就難以改變。大氣中的氧氣出現(xiàn)在大約22—24億年前，從此大部分生物的環(huán)境轉變?yōu)檠趸缘?。為了保持細胞內的還原性環(huán)境，細胞內普遍含有還原性分子，例如谷胱甘肽（glutathione，濃度大約 5 mmol／L），它使得蛋白質分子中的半胱氨酸殘基的側鏈保持在還原狀態(tài)，即不形成二硫鍵（2個巰基-SH被氧化過程連成-SS-鍵）。后來變?yōu)槿~綠體的原核生物藍細菌（cyanobacteria）和后來變?yōu)榫€粒體的原核生物α-變形菌（α-proteobacteria）就已經能合成谷胱甘肽，說明生物很早就發(fā)展出對抗環(huán)境中氧化狀態(tài)的能力。動物體內，在分子中形成二硫鍵的蛋白有的是分泌到細胞外的，例如抗體分子和胰島素，也有的主要部分位于細胞膜表面（即在細胞外），例如胰島素受體。植物用谷胱甘肽-抗壞血酸循環(huán) （glutathione-ascorbate cycle）消滅細胞內的活性氧物質，維持細胞內的還原狀態(tài)?，F(xiàn)在許多在試管內進行的酶反應，都需要加入還原性的分子，例如巰基乙醇或二硫蘇糖醇（Dithiothreitol，DTT），使反應體系保持在還原狀態(tài)，酶能正常工作，而不受大氣中氧氣的影響。

這兩大遺跡都有大量事實為根據(jù)，基本沒有反對的意見，可認為是被普遍承認的。問題是，細胞內鉀高鈉低的狀況也是原初生命留下的另一大遺跡嗎？

2 原初生物形成時可能的水環(huán)境

鉀高鈉低的狀況存在于所有生物的細胞中，而和地球上幾乎所有的液態(tài)水中鈉離子和鉀離子的相對濃度相反。無論是河水、湖水還是海水，所含的鈉離子都遠多于鉀離子。例如海水中鈉離子的濃度是鉀離子的 47 倍（鈉 470 mmol／L，鉀 10 mmol／L），河水中含鹽量隨河流不同，但大致上鈉的濃度是鉀的10倍（鈉大約 0.4 mmol／L，鉀大約 0.04 mmol／L）。這說明細胞內鉀高鈉低的狀況不是生物在演化過程中“適應”這些水體的結果，而更可能是原初生命形成時環(huán)境中的水溶液組成的遺跡。

如果檢查一下地殼中鉀離子和鈉離子的含量，發(fā)現(xiàn)它們其實差不多：鈉離子為2.8%，而鉀離子為2.6%。之所以河水中鈉的含量遠高于鉀，是因為在巖石風化過程中，鉀離子比鈉離子更難被釋出。例如長石（feldspar，花崗巖的組成成分之一）中的鉀就很難溶出。河水入海之后，隨著水分的蒸發(fā)，鹽的濃度也逐漸提高，但是海水的含鹽量也不會一直增加而使海水變得越來越咸。淺灘處鹽結晶出來又被埋藏，形成鹽礦；風將大量海水微滴帶到陸地，都是減少海水含鹽量的方式。另一種除鹽的方式是海水通過地殼裂縫與深處高溫巖石的相互作用，形成云母（mica）等新的礦物，同時將海水中的金屬離子帶走。這個過程叫做“反風化”（reverse weathering），是海水中的鹽被帶走的一個重要方式。據(jù)估計，通過這些除鹽機制，海水中的鹽分在過去的至少15億年中并沒有顯著增加。而在反風化過程中，鉀比鈉更容易被除去，這也使得海水中鈉的含量遠高于鉀。其余的離子，例如鈣離子、鎂離子、氯離子等，被“反風化”過程除去的情形也不同，因此海水并不是“濃縮的河水”，但在鈉高鉀低這一點上，海水和河水是一樣的。在澳大利亞西部的皮爾巴拉地塊（Pilbara Craton）有35億年歷史的巖石中，發(fā)現(xiàn)了包藏的遠古海水，其鈉離子的濃度高達1 mol／L，大約是現(xiàn)在海水鈉濃度的2倍以上。雖然這不一定代表35億年前海水的平均含鹽量，但也說明遠古時期的液體水中就有高濃度的鈉離子，生命是不太可能在這樣的海水中誕生的。如果說原初生命是在鉀高鈉低的溶液中產生的，這樣的水溶液在何處？

為了解釋原初生命產生時水環(huán)境鉀高鈉低的狀況，科學家提出了2種可能性。一種是比35億年更遠古的地殼。這樣的地殼在地球上由于板塊運動已經難以找到，但是卻保留在月球上。其巖石富含鉀和磷，稱為KREEP巖石，代表 “富含鉀（K），稀土元素（rear earth element）和磷（P）”的巖石。由于月球是由大約45億年前一個火星大小的星球和地球相撞形成的，當時的地球應該和月球有相似的地殼，即地球早期的地殼很可能也是由KREEP巖石組成的。那時地球的地殼中還沒有花崗石（granite），即使在40億年前，花崗石也很罕見。如果液態(tài)水在KREEP那樣的巖石上形成，風化過程就應該提供一個富含鉀和磷的水環(huán)境，十分有利于生命的形成。

另一個可能性是俄裔美國科學家?guī)鞂帲‥ugene V Koonin，1956—）提出的，即熱泉蒸汽冷凝所形成的水。鉀離子由于比鈉離子大得多，比較容易被蒸發(fā)的水分子“夾帶”，進入蒸汽中。這樣蒸汽在冷凝以后，就會形成鉀高鈉低的水。這個假說也得到了實地觀測的證實。例如在意大利的Larderello熱泉冷凝水中，鉀離子的濃度就是鈉離子濃度的32倍。在美國加州的一處熱泉，冷凝水中鉀離子的濃度竟然是鈉離子濃度的75倍。在目前的地球上，這樣的熱泉為數(shù)不多，因為地殼在幾十億年前就大部分冷卻。但是在地球形成的早期，地殼尚未充分冷卻的情況下，應該是很多的。

在現(xiàn)代的熱泉中，硫化氫會迅速被大氣中的氧氣所氧化，生成硫酸，使得現(xiàn)代熱泉冷凝水的酸度極高（pH值可以低至0），不適合生物形成。但是在地球早期的大氣中，游離氧還不存在，硫化氫不會被氧化為硫酸，生物也就可能在這樣的冷凝水中形成。

熱泉冷凝水也不一定是高鉀低鈉水的唯一來源。由于氯化鈉在水中的溶解度幾乎與溫度無關（例如 20℃時為 35.9 g／L，60℃時為 37.1 g／L），而氯化鉀在水中的溶解度卻隨著溫度升高而升高（例如在20℃時為34.2 g／L，和氯化鈉差不多，而在60℃時為45.8 g／L，明顯超過氯化鈉的溶解度），如果一部分海水被隔絕，在太陽下蒸發(fā)，在溫度較高（例如60℃）時，氯化鈉首先飽和，形成結晶。由于氯化鉀達到飽和發(fā)生在氯化鈉之后，所以氯化鈉結晶上面的水就會富含氯化鉀。這些水如果由于自然的原因流到其他的地方，也會含有較高的鉀離子和較低的鈉離子。這些事實都說明，地球早期出現(xiàn)鉀高鈉低的水是可能的。

早期形成的細胞膜是不完善的，很可能是由脂肪酸和脂肪醇，而不是磷脂組成的，也就是組成早期細胞膜的脂類分子只有一條碳氫“尾巴”，而不像磷脂分子有2條脂肪酸“尾巴”。這種“單尾巴”的生物膜對于各種離子，甚至像核苷酸那樣的巨大離子，都是通透的，證據(jù)是由脂肪酸組成的膜可讓外加的核苷酸進入由膜包裹的囊泡內，聚合成為核酸，但是核酸這樣的大分子卻不能穿過膜，到達囊泡的外面。因此在原初細胞中，各種離子的組成，包括鈉離子和鉀離子的組成，應該是和環(huán)境水溶液平衡的。原初細胞中的化學反應也就是在這樣富含鉀的環(huán)境中形成并不斷優(yōu)化，在這種環(huán)境條件下形成的化學反應也就依賴于鉀，而不是依賴于鈉。如果能證明細胞最原始蛋白的功能確實需要鉀，而不需要鈉，就能為原初生命在鉀高鈉低的環(huán)境中形成的學說提供強有力的證據(jù)。