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今天我正在和尼克·莱恩聊天，他是伦敦大学学院的进化生物化学家。他有许多书籍和论文，帮助我们从能量流的角度重新构想生命40亿年的历史，并有助于解释从生命最初是如何产生的，到真核生物的起源，再到我们今天在生命运作方式中看到的许多偶然性。尼克，也许一个好的开始点就在这里。在你关于生命为何如此的世界观中，真核生物为何如此重要？
首先，谢谢邀请我来这里。这很有趣。我喜欢谈论这类事情。真核生物。什么是真核生物？它基本上是构成我们的细胞，也构成植物，以及像变形虫、真菌、藻类这样的生物。你能看到的所有大型复杂生物都由这种名为真核细胞的细胞类型组成。我们有一个细胞核，所有DNA都在那里，所有基因都在那里，然后是所有这些机器、细胞膜等等。这些细胞里有很多“装备”。奇怪的是，如果你用电子显微镜观察植物细胞或真菌细胞内部，它看起来和我们的细胞一模一样。但它们的生活方式完全不同。如果它们进化成生活在海洋中进行光合作用的单细胞藻类，为什么它们会有所有相同的“装备”呢？它仍然拥有我们细胞所拥有的相同“装备”。
我们知道，因为它们共享所有这些东西，它们在地球生命史中只出现过一次。可能存在多个起源，但没有证据。如果有，它也消失得无影无踪。我们有这个大约20亿年前发生的奇点，大约在地球生命史的20亿年之际。这件事只发生过一次，它产生了地球上所有复杂的生命。你可以从中得出的一个结论是，细菌和古菌，就其基因库而言，它们实际上比真核生物拥有更多的基因，更多的多样性。只是一个单一的细菌细胞内部的东西少得多。但细菌细胞的类型如此之多，以至于它们总体上已经探索了基因序列空间。它们有40亿年的时间去尝试，但它们从未想出一种方法，表明这不在基因中，与信息无关。有些别的东西在控制它。那个东西就是我们细胞中被称为线粒体的这些“能量包”的获得。
现在让我们谈谈生命的起源。你有一个非常引人入胜的故事，你设想最初的生命形式与地球的地球化学是连续的。你能稍微回顾一下这个故事吗？我先告诉你我是怎么想到这个的。我最初是研究线粒体的。这把我带入了真核生物的进化。真核生物获得了这些内共生体，它们变成了线粒体，并改变了进化的潜力。它不会立即改变一切，但它改变了进化的终点可能在哪里。它允许这些大型复杂细胞的进化，并最终演变为多细胞生物和我们。
线粒体到底在做什么？它们实际上在进行呼吸作用。它们为细胞产生能量。它们也做很多其他事情，但我们能想到的主要一点是它们是能量生产者。它们来源于细菌，而细菌以完全相同的方式产生能量。它们通过在膜上产生电荷来产生能量。那个电荷很小，但膜非常薄。电荷大约是150到200毫伏，但膜的厚度是五纳米，也就是一毫米的五百万分之一。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，这些蛋白质将质子泵过膜。然后是ATP合酶，它几乎是普遍存在的，它是一个位于膜中的旋转纳米马达。这是一个极其复杂、有趣的机器，而且它是普遍保守的。它就像核糖体（蛋白质合成工厂）一样保守。它几乎存在于所有生命中。
你会想，生命到底是怎么变成这样的？如果它在所有生命中普遍保守，那它似乎可以追溯到所有细胞的共同祖先。所以问题来了。它最初是如何产生的？对我来说，这非常令人兴奋，因为作为一名研究人员，这是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·马丁和迈克·罗素在2000年代初期共同发表了一些令人惊叹的论文，为我打开了大门。他们说，在这种深海热液喷口中，它不像一个顶部冒着烟的“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。你有碱性流体从这些孔隙中流出。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一个细胞。在外面，有酸性海水渗入，而在里面，有这些热液流体。所以你有一个屏障，有一个内部和一个外部，并且有更多的质子从外部进入，可能驱动工作。这非常像细胞的结构。
另一件事是，这些矿物质是什么？你有这些含有矿物质的矿化孔隙。我们认为，在早期地球上，这些矿物质中会有很多金属，比如硫化铁或硫化镍之类的。这之所以重要，是因为植物细胞所做的，以及自养细菌所做的，是它们吸收二氧化碳和氢气，并将它们反应在一起，制造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，氧气聚集在大气中。但细菌经常做的是，它们从热液喷口中冒出的氢气中获取氢。它们直接将氢气作为气体，与二氧化碳反应，制造生命的所有基本组成部分。它们用来做这些的酶是什么？它们经常使用你在早期海洋中会发现的相同金属——镍和铁等等。它们如何为氢气和二氧化碳之间的反应提供动力？它们利用这种膜电位，即电势——外部和内部质子之间的差异——来驱动这项工作，有效地为氢气和二氧化碳之间的反应提供动力，以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，这一点非常不确定。但这是一个激动人心的想法，因为地质环境和我们所知的细胞之间存在连续性。如果它确实以这种方式出现，那么它就会说：“这就是为什么细菌的膜上带有这种电荷”，因为它从一开始就存在于热液喷口中。它从一开始就一直为工作提供动力。这就是为什么，最终，导致真核生物出现的内共生会让你摆脱在膜上产生电荷的限制。现在你在真核生物中将其内在化，现在你可以自由地变得更大、更复杂。
你已经从思考真核生物为何特殊的难题，转向思考行星系统和思考生命起源。是什么力量将产生生命，这将如何限制生命，我们会在其他星球上看到同样的事物还是不同的东西？这种运作方式的根本原因是什么？它真的变成了天体生物学。从我自己的背景来看，这是一个令人兴奋的视角转变，我的背景曾与线粒体生物学、器官移植有关，然后在一个针尖上旋转，最终你却在研究生命起源。这太棒了。这太引人入胜了。
只是为了回顾一下，为了我自己的理解和听众的理解，让我们分解一下我们这里所说的。你在这些孔隙中有一个细胞的模拟物。你有一些东西可以浓缩这些有机物的积累，这样它们就不会全部扩散到某个巨大的原始汤中。这就是为什么你认为这不是发生在某个原始湖泊中的原因。它必须集中在某个实体中。然后你有一个化学渗透梯度，一个质子梯度，它驱动工作。具体来说，它有利于二氧化碳的固定，以驱动与氢气的反应来制造有机物。然后，沿着这层膜，你有催化剂，它们基本上是早期的酶。你有酶，你有细胞，你有质子梯度。故事是，你用二氧化碳和氢气制造非常简单的有机物，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，就是新陈代谢、脂肪酸和核苷酸，以及其他一切。基本上就是这样。
如果你让氢气和二氧化碳反应，你会得到什么？你得到的是所谓的克雷布斯循环中间体。也就是羧酸，只由碳、氢和氧组成的小分子，末端带有这种有机酸基团，链中可以是2、3、4、5个碳单元。这是你的基本组成部分。你在此基础上添加氨，就得到氨基酸。你再添加氢，就会得到糖。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，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，通常不仅仅是单独形成，而是如果你有其他长链碳氢化合物与它们混合在一起。我们在实验室里做过这个，它非常稳定。你可以在70-90摄氏度，pH值从7左右到12左右的范围内，以及在钙、镁等离子和其他盐类存在的情况下制造这些东西。你制造一个带有双层膜的囊泡，这与细胞膜相同。它们是惊人地动态的。它们总是相互融合、分裂、裂变，分离成两三个。在显微镜下，它们是非常动态的。
你可能曾想象生命是像弗兰肯斯坦那样的一刻，事物突然活过来，然后你就有了生命。我讨厌那种想法，但请继续。是的，但那是另一种说法，就是闪电制造了这些有机物等等。而在这里，你有一个故事，你看到的每一种生命形式都与某个事物连续，这个事物又与某个事物连续，最终只是与完全自发的化学反应连续。这只是一种非常有趣的思考生命进化的方式。
细胞内部实际上是还原的，也就是说它内部有电子。外部相对是氧化的。你把所有这些质子泵出去，所以外面是酸性的，里面是碱性的，内部是还原的。这就像地球。所有的电子都在地核和地幔中的铁里。内部相对是碱性的。这就是为什么这些喷口中有碱性流体。外部相对是氧化的。海洋中充满了二氧化碳。细胞是一个小电池，结构与地球相同。如果你观察一个热液系统，地球周围的细胞膜，地球的地壳就像那层膜。内部和外部之间有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小的细胞状实体。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，产生小的活的、细胞状的、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，但这是一个美丽的意象。是的，百分之百。基本上，你把地球看作这个巨大的细胞，然后从热液喷口中，这个小气泡冒出来。冒出许多地球的副本。这是一个如此引人入胜的理论。
我想了解的是，生命现在这种运作方式的哪一部分是偶然的，以及即使你在另一个星球上发现生命，你期望哪一部分是共享的？听起来你是在说，碳，这种化学特性，只是构建生命的明显候选者。质子梯度呢？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，你可以用钠离子代替质子，但这非常不同。如果你从二氧化碳开始，首先要意识到的是，碳非常擅长它所进行的化学反应。它能与各种分子形成非常强的键，所以你可以形成复杂、有趣的分子。我把二氧化碳看作一块乐高积木，你从空气中把它拿出来，然后把它连接到某个东西上。你可以这样一块一块地建造东西。然后你可以通过这样做构建出像DNA和RNA这样真正有趣的复杂分子。你不能用硅来做。通过智能设计，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。但如果你在思考生命在一个没有智能设计者将其组合在一起的星球上如何开始，你需要能够进行这种化学反应的分子，而二氧化碳就是杰出的例子。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都不断遇到这种相同的化学反应。
我们知道，根据近年来系外行星的发现，如果你推断我们尚未发现的数量，银河系中湿润的岩石行星或卫星的数量可能在200亿、300亿、400亿的量级。你会说其中有多少比例拥有非真核生命？我在这里猜一下。我会预期，如果你在一个湿润的岩石行星上拥有这些相同的条件，你就会产生这些相同的喷口，因为会发生相同的化学反应。所以在你看来，即使是喷口也不是偶然的？不。喷口是由一种叫做橄榄石的矿物质产生的，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质构成的。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温暖的温度，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。任何湿润的岩石行星都会产生这些喷口。火星早期有海洋时，就有证据表明火星上存在它们。现在在卫星上，冰卫星，如土卫二和木卫二上也有证据。这正在我们自己的太阳系中发生。
如果有200亿到300亿颗类地行星，并且如果它们都有这些岩石构造，那么其中很大一部分可能拥有这些喷口，你的观点是其中相当一部分行星上也有生命在运作……我的观点是肯定的。任何湿润的岩石行星都会有相当不错的……具有相同的新陈代谢方式吗？是的。如果你从二氧化碳和氢气开始，我所说的是新陈代谢是热力学上受青睐的化学反应。这种相同的化学反应会一直发生，因为如果你让氢气与二氧化碳反应，再与另一个二氧化碳分子反应，分子中将要反应的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导致替代代谢的替代化学反应呢？也许在非常不同的条件下，你可能会得到……但如果你有基本相似的条件……另一件事是，我们知道即使化学反应非常不同，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，那是完全不同的化学反应。你处理的是氦自由基，但你仍然看到氨基酸，仍然看到核碱基等等。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。
那么200亿颗有水和这些岩石的类地行星。不一定是类地行星，但要湿润且多岩石。如果你只是随意说一个数字，然后说“这个比例有核苷酸”，你会说多少比例？我会说相当大一部分。比如超过1%？是的。我会想象50%左右。真的吗？你说随意说一个数字。我正在做你说的。我正在随意说一个数字。我认为这种化学反应会反复产生相同的核苷酸。
再次，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整个宇宙中极其丰富。这并不是说它们在海洋中以高浓度聚集。你在热液喷口中拥有的是持续的流通。在这个喷口内的口袋里，在这个喷口内的孔隙里，几乎像细胞一样附着在壁上。所以在一个喷口系统中，你最终可以拥有非常高浓度的物质，但不一定在海洋或大气中或任何其他地方。
我想你可能会有原核生物然后接管。我们确实有过这种情况，它们在海洋中大量繁殖，改变了大气层的组成。不仅仅是大气层，还有整个地质。数百种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瓶颈，那么从地球化学到早期生命是容易的。从早期生命到通过早期原核生物改变地球的整个组成是容易的。如果这两件事都很容易，然后银河系中有100亿颗行星已经达到了中间步骤，这是否意味着有大约100亿颗行星……
从核苷酸开始，你还得发展到RNA、DNA、核糖体和分子机器。所以那里也有一个很长的差距。所以仅仅拥有核苷酸，这是进一步发展的要求。我明白了。再次，如果你要随意说一个数字，有多少比例做到了这一点？嗯，显然比例会更低。超过10亿吗？我想保持乐观。我想认为这些过程将在这些行星或卫星的相当大一部分上驱动生命的存在。我会预期遗传密码会有相似之处。我会预期很多新陈代谢看起来会相似。我会预期它们会有一个驱动工作的膜电位。因为如果你处理的是二氧化碳和氢气，你就会遇到这个相同的基本问题。你如何让它们反应？那么银河系中有数亿颗行星，它们可能拥有类似核糖体、DNA和RNA的东西吗？是的，这是我自己的想法。
我们谈论的是严肃的行星驱动力，驱动着相当确定性的化学反应，这将给你带来相同类型的中间产物，它们将具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，你离二氧化碳固定越远，越接近遗传学，相似性就会越少。
这不是我的倾向，但如果我是一个敬畏上帝的人，我听到这个会觉得：“哇，这是对智能设计的辩护。”宇宙的法则如此强烈地偏爱这种导致生命的化学反应，至少根据这个故事，以至于很难抗拒这种形成。我很好奇你的解读。我同意你的看法。我觉得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，我对那种探索和真理（小写t）有一些同感，就我个人而言。但就这与上帝的概念一致而言，上帝将是一个自然神论的上帝，它有效地启动了宇宙的法则，然后任其发展。这是爱因斯坦的上帝。就大多数人对上帝的理解而言，大多数人在上帝中寻求慰藉，并寻找对他们有意义、并参与过人类事务的事物。这是一种非常冷酷的“热力学之神”，它启动了宇宙的法则，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世界观中获得太多的慰藉或意义。
一个非常基本的问题，但如果生命在所有这些岩石行星上不仅丰富而且几乎不可避免，那么我们没有在各地看到外星人的瓶颈，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。那么，在数十亿可能产生真核生物的潜在行星中，只有地球上发生了这种偶然事件。我不会那样争论。只有在地球上吗？不，我不这么认为。我会稍微坚持的一点是，存在一种卡尔·萨根的宇宙观。我们谈论的是生命根据这些化学和热力学定律几乎不可避免地产生，然后你得到了生命。那么它会继续发展并不可避免地产生复杂的生命、人类和智能吗？这是一个美好的想法。如果宇宙是这样运作的，那将是美好的。但我们在地球上知道的是，你有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，然后又是一个漫长的间隔期，才有了动物。如果你把时间倒回200万年，那时也没有人类。我们只是锦上添花。
为什么这种成功的内共生事件会如此困难？有多种原因。其中之一是原核生物，我们应该说是古菌和细菌，它们是相当小的东西。让你体内有另一个细胞本身就是一件困难的事情。细菌中偶尔有吞噬细胞可以吞噬其他细胞，但这相当罕见。一旦你体内有了这些细胞，这可能发生过很多次。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，嗜盐古菌似乎从同一来源获得了超过一千个细菌基因，这可能意味着它们曾经拥有一个内共生体，但后来又失去了。问题是，它会多常出错，然后你失去你的内共生体？我猜那会是更可能的结果，你获得了一堆基因，然后失去了你的内共生体。它根本行不通。很难确切知道这里所有的瓶颈是什么。但已经做了一些建模工作，看看如果你获得一个内共生体，如果你没有内共生体或有内共生体，你会不会生长得更快？如果你是内共生体，如果你在外面还是在里面，你会不会生长得更快？在圣达菲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。只有在某些特定条件下，你才会做得更好。所以可以预见，最终结果是它行不通。考虑到细菌和古菌的数量之多，在地球历史上，有数万亿、数万亿、数万亿的这些生物在活动，有许多情况下发生了内共生，但只有一次成功了。这种几率必然是惊人的。它必然是极其、极其艰难的。
这是一种生动的看法。我们知道细菌和古菌长什么样，人们一直在研究这些东西并发现新的例子。十年前发现了一个叫做“阿斯加德古菌”的群体，它们相对来说像真核生物，也就是说它们体内有蛋白质和基因与真核生物的非常相似。它们是很有趣的细胞。它们有长的突起，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，它不是很复杂。它根本不像真核细胞。如果你查看它们的基因组大小，它是标准的原核生物基因组大小。你说的是四五千个基因。所以这些无论如何都不是真核生物。然后你看看真核细胞。我一开始就说过，你在显微镜下看植物细胞、动物细胞、真菌细胞，或者藻类、变形虫，它们都有相同的东西，这很奇怪。为什么生活在海洋中的单细胞藻类会拥有我肾细胞所拥有的所有相同“装备”？理解这一点最简单的方法是说，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斗争来思考，你可以论证细胞核的出现，因为有各种遗传寄生虫从线粒体中出来，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所谓的真核生物起源史。你从内部有一个细胞的简单细胞开始，最终在任何地方都得到相同的细胞结构，所有这些内膜系统以及其他一切。
我们在这里试图理解的更广泛的事情是，如果这个故事是真的，那么生命无处不在。但真核生物产生智能生命，这种即将探索宇宙的生命，据我们所知，只发生在我们的光锥中的一个地方。那么这是为什么呢？你可能会说：“嗯，瓶颈是真核生物，而且很难获得一个成功的内共生，然后随着时间的推移持续下去。”但这解决的根本问题是什么？大型基因组。要拥有一个多细胞生物，你实际上是从一个单细胞演变而来，这限制了所有细胞有效发生争斗的可能性。例如，有很多多细胞黏菌的例子，它们的细胞会聚集在一起。它们可以形成像茎一样的结构，例如，将孢子释放到环境中，但它们会争斗，因为它们彼此基因不同。所以你从一个单细胞开始发育，这样细胞之间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。你在肝脏中表达这一批，在大脑中表达那一批。所以你必须有一个大型基因组。拥有大型基因组的唯一方法是拥有线粒体和真核细胞。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会觉得有动力让生殖系继续下去。你正在限制争斗的数量。我想说的是，真核生物正在解决大型基因组的问题。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？似乎如果这里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的替代解决方案，仅仅是为了让自己变得更大吗？令人难以置信。我明白你的意思。这让我有点怀疑，是不是因为我们只观察到了一种解决这个问题的方法，所以我们假设解决问题只有一种方法。问题本身似乎不……你只是想要一个更小的基因组副本，位于呼吸作用的位点旁边。那是基本问题。没有其他方法可以解决吗？也许有，但我认为我们必须看看某些事情发生的概率。
如果你想拥有一个巨型细菌，地球上有很多巨型细菌。至少有六七种不同的、完全不相关的物种进化出了巨大的体型。它们共同的特点是都具有所谓的极端多倍体，也就是说它们拥有字面上数万个完整基因组的副本。所以它可能是一个小基因组，我们说的是一个三兆碱基的基因组，大约有3000个基因。而且你有数万个副本。有时最大的那些有70万到80万个完整基因组的副本。复制所有这些并表达所有这些基因组所需的能量是巨大的。我们通过内共生所拥有的，我们仍然有极端多倍体，但我们已经削减了所有你不需要的基因。共生关系实际上是基于互补性。你有一个共生体为宿主细胞做一些事情，而宿主细胞则从内共生体那里获取或回馈一些东西。所以这是一种基于相互需求的关系。其中一个变得小得多，这使得另一个可以变得大得多。所以共生关系会做到这一点。现在可能有多种共生方式，但没有例子。所有这些非常大的细菌的例子，它们都具有极端多倍体。它们都没有发展出复杂的运输网络，让你有效地把东西运进来再运出去。只是没有足够的遗传空间。
但为了确保我正确理解了功能需求，它基本上是：你想要一个只与呼吸作用相关的基因组的较小副本，分布在整个膜上，并且有许多副本分布在整个膜上。我想我只是，对我来说似乎很难……你不相信同样的事情会重复发生。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？因为如果还有其他方法可以解决，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，然后你就会有真核生物，然后是智能……
我想说几件事。第一，有一个叫做奥格尔第二定律的东西，那就是进化比你聪明。当然，我不能说它不可能以其他方式发生。但如果只是挥挥手说：“哦，进化太聪明了，宇宙这么大，肯定有其他方式可以发生。”那也是空泛的。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，湿润的岩石行星很常见。它们无处不在。你会遇到这些相同的蛇纹石化现象。你会有二氧化碳。你会有相似的生物化学。你会产生膜上带有电荷的细菌细胞。这限制了它们，而且我们在地球上知道的每一个它们似乎变大的例子，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体告终，并且没有发展出复杂的运输网络。所以这并不是说每次都必须那样发生。也许有办法绕过它，但这不是一个容易的办法，因为它们在地球上并没有经常这样做。它们在地球上根本没有做到。在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。好的，我受限了。但如果你认为有一些，那么你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……我是看着《星球大战》和《星际迷航》，读着《银河系漫游指南》长大的。我和任何人一样喜欢宇宙充满各种事物这个想法。所以我不喜欢我这种说法：“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。这只是我通过对地球生命所学到的一切而被逼入的立场。现在，也许我错了。但如果你只是说你受限于你的想象力，你错了因为你想不到它。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，但那不是科学。所以我给出理由，为什么从概率上讲会是这样。我会说的是，如果你有一千颗有生命的行星，也许生命在千分之九百九十九的情况下会是相同的，因为它将是碳基的，将是水，将是细胞，将是电荷，将是氢气和二氧化碳，你将面临相同的限制。但也许在另外一次，它是我从未想过的完全不同的东西，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，你将一次又一次地看到相同的限制。
如果相当一部分岩石行星应该至少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？如果那一部分最终被证明是真的，而且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，看看我们能否在那里找到一些有机物等等？这可能需要我们一段时间，但是的，我们已经知道有有机物。例如，在土星的卫星土卫二上，几年前卡西尼号飞过时，有水冰裂缝中喷出的羽流，但水中溶解了有机物，还有氢气和有机分子。pH值在八九左右，所以这意味着在那层冰冻表面（人们说大约5公里厚）之下，有一个液态海洋。在那之下有热液系统产生碱性流体，这些流体使海洋呈碱性。正在发生相同的化学反应。所以我们知道这些羽流中有有机物。我们不知道冰下有什么。我确实认为，前往这些地方钻探冰层并查看的动力会战胜我们。总会有人说我们不应该将我们自己系统中的细菌引入那里。来自地球的细菌可能在像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。
帮我理解复制子在这个世界中是如何产生的。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，它就会导致出现更多完全相同的孔隙。想象一下我所说的这些孔隙内的“原始细胞”。你正在制造的有机物是自组织化的。脂肪酸双层膜会形成。你真正需要正反馈的是在这个原始细胞内部制造有机物，并让这个原始细胞生长并复制自身。现在它会复制自身，因为如果化学反应是确定性的，它就会说，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，它们会一分为二。现在你有两个原始细胞了。所以这有一种遗传形式，那就是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。所以这个东西会出芽，然后定居到另一个孔隙中？是的。我明白了。好的，懂了。而且这在这个过程中发生得相对较早？是的。所以复制子的出现发生得相对较早。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始细胞，它们实际上正在制造更多的自己。你可以称之为复制子，但我更倾向于将“复制子”这个词用于更像RNA的东西，那将是复制子的传统术语，你实际上是在精确复制这个RNA的序列。
我们在什么时候才能达到基因视角，即基因是连贯的复制单位？越早越好。也就是说，如果你有这种确定性的化学反应，它将驱动生长并制造更多细胞，那它也是一个死胡同。你不能做其他任何事情。你完全依赖于环境。你不能进化成更复杂的东西。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。一旦你开始将随机的RNA片段引入其中，那么你就有了所谓的“可进化性”，也就是说你可以开始抵抗环境。你可以开始做一些不仅仅由环境决定的事情。你可以进化和改变，最终离开喷口，做其他事情。所以一旦你有了基因，你就有潜力做几乎任何事情。如果你拥有裸露的RNA片段，往往会发生的是它们因其复制速度而被选择。它们只是不断地复制自己。它们不会变得更复杂，它们不会开始编码新陈代谢，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始细胞内，那么它们实际上是在分享相同的命运。如果其中一些能够使那个原始细胞生长得更快，那么它们就会获得更多的自身副本，因为它们在这个原始细胞内部。原始细胞生长得更快，它复制自身并且仍然相关联。所以你有了我们今天在细胞中知道的选择，其中复制子是基因，但被复制的系统是细胞。
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。也许你可以回顾一下那个论点。但我只是好奇，如果有一个世界，原核生物已经进化出性别，你认为它们很可能只进化出一种性别吗？
我要稍微解释一下，因为线粒体和性别有什么关系？它们与性别有关的是，实际上雌性——这甚至适用于单细胞生物，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。它们产生的小型有活力的配子，看起来更像精子。两种性别都会这样做。但根据定义，雌性传递线粒体，雄性不传递。这只是一个近似值，并非总是如此。这条规则有例外，但在生物学中，通常的经验法则是雌性传递线粒体DNA。为什么会这样？通过有性生殖，你正在增加核基因组的变异性，并将其置于选择之下，优胜者会脱颖而出。所有比原来更差的东西都会被选择淘汰。所以你增加了核基因、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“清洁”？你如何防止它随着时间的推移而降解和退化？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，那么这两个突变的代价是什么？不多。你几乎不会注意到它们。现在你又获得了一些突变，你可能会随着时间的推移而退化，这个过程叫做穆勒棘轮。基本上，这些突变通过你拥有的其他“干净”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？嗯，答案是你需要做的是增加线粒体基因的变异性。你需要做的就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。但如果你有两种性别，其中实际上只有一种性别传递线粒体，那会有帮助。你已经在进行抽样，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。
你能帮我理解为什么线粒体的单亲遗传有助于增加变异性吗？我们谈论的是细胞之间的变异性。如果你想象你有100个细胞，它们都来自同一个亲本，比如说。如果你把你所有的线粒体直接给到一个单一细胞中，而不改变任何比例，那么它就和你完全一样。它是完全克隆的。但如果你从中取一小部分，比如说你随机取10%——你给这个10%，给那个随机10%，给这个随机10%——随机地，这个细胞碰巧得到了所有好的副本，而这个细胞碰巧得到了所有坏的副本。现在你让这100个细胞接受选择，然后说：“你们表现如何？”得到所有好副本的那个表现良好，得以存活。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，它们会受到打击。那些得到所有“干净”副本的，它们表现良好。亲本同时拥有突变和“干净”副本。但你如何区分它们？基本上是关于抽样。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拥有的突变。你正在取一个子集。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。然后就是为什么有两种性别的问题。我们解释了为什么只有一个亲本传递线粒体存在这种进化生态位。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：“为什么没有超过两种性别？”然后你就可以说：“嗯，那只是这两个中的一个的重复。这是两个基本的。”我的意思是，它更复杂，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。你有这些单细胞生物在游动，它们都在产生配子。配子彼此看起来相同，它们会像有性生殖一样融合，并排列染色体。它们在单细胞层面上做的事情与我们完全相同。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，它们不会接受你的配子。如果你有三种性别或四种性别，那么你将能够与更大比例的人口交配。对于一些真菌，它们仍然有两种性别，但它们也有交配型。有些真菌可以有27,000种交配型，这完全是为了异交。所以你几乎可以和任何东西交配。如果你今天去过一些大学校园，它们正在复制其中的一部分。变得像真菌一样，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，你就可以和所有人交配。如果你有三种性别，你可以和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，占主导地位的会传递线粒体，而次要的则不传递线粒体。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，你为什么会得到两种性别？部分是为了最小化错误。
你有一个非常有趣的讨论，关于这不仅解释了为什么有两种性别，还解释了卵子和精子为何以它们的方式发育，为什么在它们成熟之前有不同数量的复制等等。我想知道我们是否可以回顾一下。所以一旦你有了这个根本的区别，
即使是单细胞生物，其中一个性别也会传递线粒体，而另一个则不会……雄性不会传递它们的线粒体。这开始解释多细胞生物性别之间、生殖系性质之间的差异。在某种意义上，男性并没有真正意义上的生殖系，就像女性有生殖系一样。在女性生殖系中，你会产生这些卵母细胞，并有效地将它们冷冻起来。你照顾它们，尽可能地关闭它们，尽量保护它们免受突变，有效地娇惯它们。而男性则大量生产充满突变的精子。遗传学家詹姆斯·克劳有一句很棒的话：“人群中最大的遗传健康危害就是生育能力强的老年男性。”那么，你为什么要一直大量生产精子呢？部分原因是你不必传递线粒体，所以你就可以自由地大量生产精子。其中一些充满了突变，但很多并没有。你大量生产它们，很有可能结果会不错，因为那些游得最好的，例如，更有可能……这并不完全准确，但你可以这样想象。但在卵母细胞的情况下，在卵细胞的情况下，你正在传递这些线粒体。你不想在那些线粒体 DNA 中积累突变。你想尽可能地关闭它们，尽可能地将它们冷冻起来。性别之间最终变得不同的很大程度上，归结为你的生殖系统有什么限制。让我们谈谈 Y 染色体，它也没有重组。就像女性卵细胞试图最小化重复数量以保持线粒体 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？所有这些精子重复不应该导致 Y 染色体出现各种错误吗？嗯，确实如此。Y 染色体正在退化。我将以此为标题。但有些物种已经完全失去了它们的 Y 染色体。它们仍然有性别，因为这并不严格依赖于 Y 染色体。如果你看看在整个进化过程中决定性别的因素，那很奇怪。例如，两栖动物有温度依赖性性别决定。所以雄性会在比雌性更高的温度下发育，或者有时反之亦然。例如，鸟类的性染色体与哺乳动物不同。所以性染色体在多个不同的场合进化过。Y 染色体在做什么？嗯，Y 染色体编码一种生长因子，这种生长因子会开启其他生长因子。在胚胎发育中，你可以区分两个性别的最早差异不是 Y 染色体 SRY 基因的激活。而是生长速度。在伦敦大学学院，我所在的地方有一位名叫 Ursula Mittwoch 的女士，她花了她的职业生涯……她在 20 世纪 60 年代发表了大约 15 篇《自然》杂志的论文。她研究过这类问题。她认为生长速度是 Y 染色体所说的“快速生长”的共同分母。为什么要快速生长？嗯，部分原因是你可以快速生长。你没有限制去破坏你自己的线粒体，因为你不会传递它们。所以你可以快速生长。这可能是一个快速生长的优势。如果你是男性，你会获得资源。你生长得更快。如果你是女性，你不想长得太快，因为你需要有效地隔离你的生殖系，为下一代保存卵母细胞。在你完成这一切之前，你不想破坏你的线粒体。所以你有一个延迟阶段，然后才能开始快速生长。有趣。这就是为什么女性寿命更长吗？Ursula Mittwoch 认为情况正是如此。我们并不确切知道这是真的。但女性寿命比男性长是很常见的，不仅在人类中，在果蝇中也是如此，它们通常也是如此。假设人类的进化在未来十亿年里自然地继续下去。我们没有通用人工智能和人类基因编辑等。你预期的平衡是 Y 染色体会完全消失，然后会有其他方式来决定性别和性别特征吗？确实有，而且在某些物种中它已经完全消失了。通常你会保留一个基因，它会导致不同的生长速率。Y 染色体正在退化。它已经丢失了大部分基因。Muller 的棘轮——当没有性别或没有重组时事物的退化——有两个因素影响它。其中一个是种群规模。在细菌中，如果你有一个小的种群并且它们不是有性的，那么你就会在该种群中积累突变。但如果你有一个大得多的种群，越接近无限大的种群，它们就不会都积累相同的突变。所以整个种群都会没事。这在群体遗传学中已经持续了几十年了。另一个在群体遗传学中不太被探索的因素是基因组的大小。对于细菌来说，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。你会在该基因组中积累突变，然后它会再次缩小。对于 Y 染色体来说，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。这实际上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 基因说要快速生长，你只需要它保持功能。生育或不育男性的选择将淘汰那些 SRY 基因功能失调的人。这不像你有一个突变的拼凑。你可以承受将你的 Y 染色体退化到几乎什么都没有，你仍然可以正常工作。这很有趣，因为你说线粒体 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缩小了，从最初被吞噬的细菌开始。它已经从大约 3000 或 4000 个基因减少到我们自己的情况下的 37 个基因。如果你在里面，你就无法维持一个细菌大小的基因组。正如我所说，种群规模很重要。如果你是一只生活在野外的自由生活的细菌，拥有数百万的种群，然后你躲在另一个细胞里，而它是一个小细胞，现在你拥有五只。你将积累突变，你无法抵抗它们，所以你会失去基因。所以你的基因组缩小了。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。也许值得解释一下为什么性比水平基因转移在系统性汇集和基因空间并行搜索方面更可取。如果性有这种优势，而细菌有某种前身，为什么它们没有完全获得它？仅仅是因为它与它们的尺寸不兼容吗？我认为它们没有必要。它们所做的是水平基因转移。基本上，你从环境中获取随机的 DNA 片段。这可能比这更险恶。你可以杀死你旁边的细胞并获取它的 DNA 并加载进去。这确实会发生，但总的来说，你从环境中获取 DNA 片段。通常是小片段，通常是一个基因的量或类似的东西。如果你有点压力，你才会这样做。如果事情对你不好，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，大多数时候它不会起作用，但对其中一个来说，它会起作用，它们就会接管。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，你就会更快地复制。拥有一个庞大、笨重的基因组是一种劣势。真核生物就是这样。这是一个有趣的问题。为什么你会拥有一个如此庞大、笨重、复制起来更慢的基因组？细菌真的很精简。它们会摆脱不需要的基因，然后它们就能更快地生长。但现在条件改变了，现在你需要这个基因。那么你该怎么办？你获取它。你只是获取随机基因并寄希望于最好的结果，获取正确的基因，然后你就可以再次出发了。细菌基因组大小很小。它们拥有你所说的“小基因组”，但随后拥有一个大的泛基因组，即它们可以访问的所有基因。所以一个大肠杆菌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。是什么在维持宏基因组？为什么大家不都趋向于这种当前环境所需的精简的东西呢？宏基因组之所以存在，是因为不同的大肠杆菌菌株，或者任何其他细菌，生活在不同的环境中。你可能有寄生在大肠杆菌中的共生细菌。你可能有生活在你皮肤上的大肠杆菌，这是一个非常不同的环境。然后你可能有非共生的致病性大肠杆菌，它们的行为又不同。它们在基因组的 50% 上可能不同。你拥有所有这些东西并排进行，并且它们可以互相借用基因。这发生在同一个物种内，无论物种对细菌来说意味着什么，它并没有真正的意义。这就是细菌进化的动态。它们保留了具有大泛基因组访问权限的小基因组，并且它们一直在借用、匹配等等。它们通过保持自己的基因组相当小来保持竞争力。真核生物抛弃了所有这些，并获得了更大的基因组。那么问题是，如果你试图用一个大基因组，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越来越小。你的基因组越大，效率就越低。到了真核生物，它们拥有一个大基因组。它们为什么拥有一个大基因组？我想说这是因为你获得了这个内共生体，它们变成了线粒体。现在你有更多的能量可用了。真核生物之所以能容忍更大的基因组，有很多原因。但底线是你有能量去做一些细菌从未真正拥有的事情。现在水平基因转移不足以维持这个更大的基因组。你必须做一些更系统的事情。所以你拉动整个基因组，你将所有东西排成一行，你在这两者之间进行交叉。现在它是系统的，它是互惠的，你可以维护一个更大的基因组中基因的质量。细菌从来没有必要这样做。当我阅读你的书时，为了缓解我自己的无知，我试图找一个类比。请告诉我我的类比在哪些方面是幼稚的。也感谢您今天容忍我所有其他幼稚的问题。在硅谷，也许一个对我们有用的类比是考虑一个 GitHub 仓库。我现在已经超出我的能力范围了。基本上，你有一个代码库，并且你有版本控制的方法。通常的做法是，这可能类似于有性重组，有人会创建一个所谓的“新分支”。在该分支中，他们可能会对他们试图更改的函数进行组织化的更改。当维护者查看代码时，他们可以看到这一点上的原始代码。这是对该代码点的修改，你看到差异，然后如果它看起来合理，你就可以将其合并回去。这里的类比可能是沿着相关基因组织的性重组。你看到这个等位基因，你看到那个等位基因。这里的进化是一个维护者，然后驱动其中一个固定。无性繁殖、带突变的克隆的类比是，你分叉仓库，然后进行随机更改。你只是改变一个随机变量，改变一个词，改变一个位。几乎每一次都会有害。即使它没有害处，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。即使其中一个有所改进，也没有系统的方法可以将改进合并在一起。听起来很相似，是的。最后是水平基因转移。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软件的仓库。你所做的就是从这个网页编辑软件中取一个随机的 500 行序列，然后将其放在飞机管理软件中的一个随机位置。没有系统性的组织，“这里是相关功能所在的地方。”有一点，也就是说，通过水平基因转移，你通常会匹配末端与你已有的东西。我对编码了解不多，无法举出可比的例子，但实际上你会获取一个在功能上与你已有的东西有相似之处的模块，比如“好的，它适合代码的这个部分。”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曾经有过或可能存在类似东西的地方。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好的直觉来理解为什么水平基因转移不能产生与重组类似的益处。这真的只是一个规模问题。如果你获取一段随机的 DNA，而你的基因组比它大 10 倍，你从环境中获取 DNA 的速度有多快？你必须获取 10 倍的量才能做到这一点。你有能力获取 10 倍的量吗？这样做也有一个代价，那就是，就像突变一样，你不知道你在插入什么。它几乎可以是任何东西。你知道你把它插入在哪里，你把它插入到正确的位置，但那个盒子里有什么，你真的不知道。所以你做得越多，你就会退化得越多。这样做有利有弊。也许为了结束这个话题，什么实验或调查方法能给我们提供最多的信息来讲述这个故事？这个故事有很多方面，我可以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。我们对外面有什么了解得太少了。所以不一定是实验。如果我说巨型细菌总是会有极端的复倍性，拥有多个基因组副本，而你发现了一个不符合这种情况的例子，我的想法就已经破灭了。所以知道这一点很有用。关于生命的起源，我真希望我能找到一个令人信服的理由，让我潜入深海热液系统，比如“失落之城”。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。现在充满了氧气。它也充满了细菌和各种东西。但海洋化学不同，因为有氧气。海洋中没有铁，也没有镍。你可以去像“失落之城”这样的喷口，墙壁不再由催化矿物质制成。它们由文石和水镁石制成，所以是碳酸钙和氢氧化镁等。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。除了看到它的纯粹惊叹之外，它能告诉我的信息并不多。我们实际上是在一个厌氧手套箱的实验室里进行实验，在那里我们排除了氧气。所以我们可以进行氢气和二氧化碳反应的实验。我们能以这种方式生产多少生物化学分子？它很慢而且费力，而且你会得到少量，有时你会受到污染。有时你不得不重新开始。这是一项缓慢的工作，但它在进步。不仅仅是我们。世界各地还有其他团体。例如，Joseph Moran 的团队在这方面做了很多非常好的生物化学工作。这在进步，但我们需要几十年才能达到我们可以说：“好吧，我们可以驱动整个代谢的通量，并且这里有一套条件可以做到这一点。”当然需要一些年。有一些关键点，比如制造嘌呤核苷酸，在这个合成途径中有 12 个步骤，所有的中间体都不稳定并且容易分解。它已经在甲醇等物质中完成，而不是在水中。在水中，东西会分解。我们正在尝试这样做。这很难。我相信我们会成功的，这就是我们尝试的原因，但也许我们不会成功，在这种情况下，假设又是错误的。你每天早上都必须醒来，认为假设可能是错误的。它很美，它有道理，但有太多美好的想法被丑陋的事实扼杀了。没有理由相信你是对的。你必须相信你很可能是错的，然后继续前进。我目前还感到兴奋的是关于麻醉剂和线粒体的工作，原来——几年前我从一个叫 Luca Turin 的人那里听说的——他告诉我麻醉剂会影响线粒体。我不知道麻醉剂会影响线粒体。它们确实会。我们一直在进行实验，而且似乎还没有完全确定，但似乎它们的主要作用是线粒体。麻醉剂对各种事物都有作用，包括像变形虫这样的东西。这并不能证明什么，但它开始表明，如果你能让一个变形虫失去意识，那么它以前有意识吗？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、神经系统以及人类意识的复杂性。这主要就是我们所想的。但有一个深层问题，可以追溯到。这是身心问题，但大卫·查尔默斯将其定义为意识的难题，据我理解，这基本上就是我们不知道在物理上感觉是什么。你可以理解神经网络的信息处理。但如果你感到痛苦或感到疼痛或感到爱或任何东西，在系统的化学成分中它到底是什么？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。其他一些，它们似乎在神经元方面具有所有相同的特性——它们有突触，它们有神经递质，它们去极化，它们传递动作电位——但我们并没有意识到它。这是非意识信息处理。所以存在这个问题。如果麻醉剂会影响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，那么感觉是否以某种方式更广泛地与生命联系在一起？那么为什么会这样呢？作为一名进化生物学家，我的思考方式是这样的。第一个问题是，我们会认为感觉是真实的吗？我会说是的。我们认为它们进化了吗？我会说是的。我认为任何进化生物学家都会对这些问题回答“是”。如果它是真实的并且已经进化了，那么自然选择一定能够看到它并以某种方式对其起作用。换句话说，它有一些物理的东西可以被选择。我不认为这句话有什么争议。但如果它是物理的、真实的并且已经被选择，那么这意味着我们应该能够测量它。它必须提供一个优势才能让选择起作用，如果它是一个物理过程，它就应该可以测量。但我们并不知道我们试图测量的是什么。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。细菌细胞的内部和外部世界有什么区别？内部是代谢活跃的。它一直在用它的化学物质做事情，而且速度惊人。一个细菌细胞每秒的代谢会发生大约十亿次反应。我立刻想知道，这一切是如何控制的？你如何让这个细胞表现出连贯的行为，让它决定“我要爬到那里去”？你甚至怎么知道你处于什么状态？你如何同步所有这些生物化学？可能大多数人的答案是某种形式的代谢调控。但这并不是真正的驱动力。最终的驱动力是热力学驱动力。你有多少电子？以食物或 NADH 或其他任何形式。你有多少 ATP 形式的能量？这些将使反应同步到同一个相位。问题在于，当你处理分子时，你处理的是成千上万个分子，所以你有一个大的统计样本，需要花费大量时间来弄清楚。但有一个更好的方法，那就是，如果你从食物中获取电子到 NADH，然后将它们传递给氧气，但你正在产生膜电位，这驱动 ATP 合成，你可以测量变化率和膜电位以及产生的电场，静电和电磁场。这将让你了解你的状态，你的代谢状态相对于外部世界。那里有足够的食物吗？那里有足够的氧气吗？太热了吗？有病毒吗？我有足够的铁来做所有这些反应吗？你有很多潜在冲突的反馈循环，你必须做出决定。只是松散地思考一个细菌细胞将如何表现，你会发现你已经在用一个实体、一个细胞来构建它，它必须对要做什么做出一些决定。它必须整合所有这些信息并作为一个自我、一个实体做出连贯的决定。这是自由意志吗？可能不是以我们认识的任何方式，但它相对于其环境做出决定，结果是生存还是不生存。那么我认为感觉就是由膜电位产生的电磁场，它告诉你你的物理代谢状态相对于你所处的环境。这引出了一个问题。如果意识某种程度上与线粒体有关，那么线粒体在这种意义上只是一个产生 ATP 的引擎，而你干扰了它们产生 ATP 的方式，所以麻醉剂通过有效地让你能量不足而导致大脑关闭？如果这是真的，那将是乏味的，但知道它是真的会很有用。如果它们能产生我刚才在细菌中谈到的那种场，并且能指示你某些线粒体、某些神经元的状态，而麻醉剂会干扰这一点，那将更加令人兴奋。如果这是真的，那将是神奇的。这将是一个全新的研究方向，那将是太棒了。测量场非常困难。很容易测量到你不知道你在做什么的伪影。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，并且我们需要更多的数据。它真的只存在于这些呼吸链复合物之一，复合物 I 中吗？所以我们可以做很多标准的分子生物学。这开始指向这个想法，是的，复合物 I 的工作方式有一些东西可能与产生场有关，而这些场可能与麻醉剂的工作方式有关。这很有趣。科学的伟大之处在于它真的很有趣。这是我一直试图让我的实验室里的人理解的一件事。你不能忘记乐趣。如果它变成苦差事，那么你最好离开，因为你在别处能赚更多钱。你在别处的生活会更好。但如果你真正关心的是科学和实验，那么它必须是有趣的。你必须真正享受去做的愿望。我必须说，对我来说，伟大的事情之一就是它一直很有趣。通过阅读你的书，我可以间接地感受到那种感觉，这很棒。谢谢。对于观众来说，这次谈话与尼克的书《生命之问》联系最为紧密。我推荐大家去读一下，如果你想更好地理解这里的论点。里面有更多的细节会很有帮助。一，这是我之前告诉你的事，它填补了一个书籍的空白，不幸的是，这样的书非常少。有教科书，你可以花 2000 页来学习分子生物学。但一个好奇的普通人几乎没有机会这样做。另一方面，基本上都是关于科学家的轶事或科学史的轶事。这位发现者非常善变，他就是这样经营他的实验室的，他的父母也是如此。但它从来没有真正谈论过实际相关的科学。像这样的书实际上填补了解释性的中间地带。谢谢。物理学家非常擅长写关于宇宙宏大问题的书。有大量的读者喜欢被一本书震撼，即使你不会理解一切，因为你知道它很难。我们怎么会知道关于大爆炸、黑洞如何工作、背景辐射或任何其他事情的任何信息？关于生命，生命的起源或生命在一个星球上的轨迹，以及我们是否不可避免地会产生复杂生命，或者我们是否会在大多数地方停留在细菌阶段，这些都是宇宙般宏大的问题。很少有人写这些东西，并试图将你带到我们所知边缘，就像物理学家经常做的那样，只是说：“好吧，这就是我看到它的方式。这是我眼中的问题。”你必须诚实地说：“好吧，我看到的是这样，其他人看到的是不同。”顺便说一句，LLM 的存在使得阅读这样一本书的过程更加可行和富有成效。我和我的几个朋友有一个读书俱乐部。我们不是生物学家。我们是这个领域的普通人。我鼓励人们读这样的书，看看你是否能组成一个读书俱乐部之类的，并与 LLM 交流，因为有很多极其基础的化学和生物学知识，我们都能在 LLM 的帮助下重温。这个关于“为什么在早期环境中，当一边是碱性一边是酸性时，CO2 和 H2 的反应会得到激励？”的问题。你只需要和 LLM 一起回顾基础化学。是的，我在书中尽力解释了，似乎我做得不够好。有太多的细节，你无法避免，因为问题就在那里。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，而生物学家拥有所有这些术语，并且经常迷失在术语中。我发现自己天生就试图寻找简单的共同分母。这就有助于写作。我可能总是过度简化，或者我可能失败了，没有足够简化。但你与之搏斗，并试图让它奏效。与你和其他读书俱乐部成员交谈，看看你们在哪里遇到了困难，这对我来说确实很有趣。我会在下次写书时考虑这一点，并尝试弄清楚如何做得更好。尼克，这太棒了。感谢您指导我们学习基础生物学和化学知识，也感谢您探讨了关于生命最有趣的问题。非常有趣。非常感谢。