朱欽士 （美國(guó)南加州大學(xué)醫(yī)學(xué)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(lèi)如此，許多動(dòng)物，例如食草動(dòng)物牛和羊，也會(huì)主動(dòng)尋找土表鹽粒。人們需要食物中的蛋白質(zhì)、脂肪和淀粉，這比較容易理解，因?yàn)檫@些物質(zhì)既能為身體提供“建筑材料”（蛋白質(zhì)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(xì)胞內(nèi)被氧化而提供生命活動(dòng)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(xué)（University of Toronto）的科學(xué)家麥卡倫 （Archibald Macallum，1858—1934）發(fā)表了題為 《體液和組織中的古化學(xué)》（Paleochemistry of the body fluids and tissues）的論文，報(bào)道了他對(duì)動(dòng)物體液和組織中各種離子的含量進(jìn)行測(cè)定的結(jié)果。他發(fā)現(xiàn)，在許多動(dòng)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(yuǎn)高于鉀。根據(jù)此結(jié)果，Macallum認(rèn)為脊椎動(dòng)物是在海水中產(chǎn)生的，然后再移居到陸地上，時(shí)間大約是在志留紀(jì)（Silurian period）或更早，那時(shí)海水的含鹽量大約是現(xiàn)在的1／3，所以現(xiàn)在脊椎動(dòng)物血液中各種無(wú)機(jī)鹽的含量就反映了那個(gè)時(shí)期海水的組成。人們?cè)谑澄镏蟹披}，是因?yàn)槿藗兪菑暮Ｋ衼?lái)的，人們的血液需要鹽。

與動(dòng)物體液中鈉高鉀低的情形相反，Macallum發(fā)現(xiàn)在動(dòng)物組織（主要為細(xì)胞）中，卻是鈉低鉀高的，例如他測(cè)定過(guò)鯡魚(yú)（herring）未受精的卵細(xì)胞中，鉀的含量就是鈉的2倍。Macallum據(jù)此認(rèn)為動(dòng)物的單細(xì)胞祖先應(yīng)該是在富含鉀的水中形成的，時(shí)間應(yīng)該比脊椎動(dòng)物的出現(xiàn)早得多，細(xì)胞內(nèi)陽(yáng)離子的組成狀況應(yīng)該反映那個(gè)時(shí)候環(huán)境中陽(yáng)離子的組成狀況。

在93年后的今天，Macallum的結(jié)論，即體液中鈉高鉀低，細(xì)胞內(nèi)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(yú)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(xì)胞質(zhì)中，不僅是動(dòng)物，所有的生物，包括原核生物中的細(xì)菌和古菌（Archaea），真核生物中的真菌、植物和動(dòng)物，都是鉀高鈉低。例如人的神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)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(xì)胞質(zhì)中鉀離子為 130 mmol／L,鈉離子為 79 mmol／L；即使是生長(zhǎng)在鹽湖中的嗜鹽古菌（Halobacterium salinarum），當(dāng)外部液體中的氯化鈉濃度達(dá)到4 mol／L時(shí)，古菌也會(huì)將細(xì)胞內(nèi)的鉀濃度增加到4 mol／L，以保持細(xì)胞內(nèi) K+／Na+的濃度比例高于 1。這說(shuō)明任何生物都要在細(xì)胞內(nèi)保持比鈉離子高的鉀離子濃度?？磥?lái)細(xì)胞在乎的，不是細(xì)胞質(zhì)中鉀的絕對(duì)濃度，而是鉀離子與鈉離子的比例。這是為什么？

這種細(xì)胞內(nèi)、外鉀離子和鈉離子濃度的巨大差異，對(duì)生物也是一個(gè)問(wèn)題。由于細(xì)胞膜對(duì)鈉離子和鉀離子不是完全不通透的，而是會(huì)有泄漏，細(xì)胞外高濃度的鈉離子總會(huì)不斷地“溜”進(jìn)細(xì)胞內(nèi)，而細(xì)胞內(nèi)高濃度的鉀離子又會(huì)不斷地“溜”到細(xì)胞外。要保持細(xì)胞外鈉高鉀低，細(xì)胞內(nèi)鉀高鈉低的狀況，細(xì)胞必須不斷地將細(xì)胞內(nèi)的鈉離子“泵”出去，將細(xì)胞外的鉀離子“泵”進(jìn)來(lái)。由于這種跨膜離子運(yùn)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(zhuǎn)移到濃度高的地方，這些過(guò)程是需要能量的。細(xì)胞消耗的能量中，約有20%用在維持細(xì)胞內(nèi)、外鉀離子和鈉離子濃度不平衡上，而神經(jīng)細(xì)胞用于此目的的能量能占到神經(jīng)細(xì)胞總能量消耗的60%。即使人們靜坐在那里，體內(nèi)細(xì)胞也在持續(xù)不斷地泵進(jìn)鉀、泵出鈉。這是一項(xiàng)昂貴的投資。生物為什么要保持這樣一種“浪費(fèi)”的狀態(tài)？為什么生物的演化過(guò)程不對(duì)細(xì)胞內(nèi)鉀和鈉的濃度進(jìn)行調(diào)整，使其與細(xì)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(wú)窮無(wú)盡的。從原初生命的簡(jiǎn)單細(xì)胞，可演化出各式各樣結(jié)構(gòu)和功能都差異極大的細(xì)胞，例如進(jìn)行光合作用的藍(lán)細(xì)菌、有眼點(diǎn)且能夠游動(dòng)的衣藻、各種球菌、桿菌、弧菌、變形蟲(chóng)、草履蟲(chóng)、動(dòng)物的肌肉細(xì)胞、神經(jīng)細(xì)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(wú)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(guò)演化發(fā)展出適應(yīng)各種環(huán)境條件的能力，為什么不能改變細(xì)胞自己的組成，以適應(yīng)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(shí)的一些環(huán)境條件，已經(jīng)固定在細(xì)胞內(nèi)的化學(xué)代謝鏈中，無(wú)法改變了。生命活動(dòng)主要是由蛋白質(zhì)催化的，同時(shí)也包括核糖核酸（RNA）的催化作用。蛋白質(zhì)和RNA都是生物大分子，其形狀和功能?chē)?yán)重依賴(lài)于它們所處溶液的組成和性質(zhì)，包括離子組成。一旦反應(yīng)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?nèi)f化，但是細(xì)胞的基本性質(zhì)卻是高度保守的。這些保留在細(xì)胞內(nèi)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(xué)界普遍承認(rèn)的原初生物留下的遺跡主要有2個(gè)，即原初的RNA世界和細(xì)胞內(nèi)的還原環(huán)境。

在現(xiàn)代的細(xì)胞中，絕大多數(shù)化學(xué)反應(yīng)是由蛋白質(zhì)催化的,但是蛋白質(zhì)自身的合成,卻仍然要由RNA催化。組成蛋白質(zhì)的肽鏈?zhǔn)窃诤颂求w（ribosome）中合成的，其中的蛋白質(zhì)亞基只起結(jié)構(gòu)和調(diào)節(jié)的作用，真正將氨基酸連到肽鏈上使肽鏈延長(zhǎng)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(lái)的轉(zhuǎn)運(yùn)RNA，tRNA），再將這樣帶“標(biāo)記”的氨基酸連接到不斷伸長(zhǎng)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(chǔ)存信息，即為蛋白質(zhì)分子中的氨基酸序列編碼。就是細(xì)胞“剪接”RNA以除去內(nèi)含子（intron）的剪接體（splicesome），也是由能自我剪接的第Ⅱ型內(nèi)含子（RNA）演變而來(lái)的。這些事實(shí)都說(shuō)明，最初的生命是RNA的世界，蛋白質(zhì)是后來(lái)才發(fā)展出來(lái)的。

在原初生命形成時(shí)，大氣中還沒(méi)有氧氣，而主要由中性氣體（例如氮?dú)猓┖瓦€原性氣體（如氫氣、氨和硫化氫）組成。在此環(huán)境中形成的細(xì)胞，內(nèi)部是高度還原的。在這種環(huán)境下形成的蛋白質(zhì)，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(zhuǎn)變?yōu)檠趸缘?。為了保持?xì)胞內(nèi)的還原性環(huán)境，細(xì)胞內(nèi)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(zhì)分子中的半胱氨酸殘基的側(cè)鏈保持在還原狀態(tài)，即不形成二硫鍵（2個(gè)巰基-SH被氧化過(guò)程連成-SS-鍵）。后來(lái)變?yōu)槿~綠體的原核生物藍(lán)細(xì)菌（cyanobacteria）和后來(lái)變?yōu)榫€粒體的原核生物α-變形菌（α-proteobacteria）就已經(jīng)能合成谷胱甘肽，說(shuō)明生物很早就發(fā)展出對(duì)抗環(huán)境中氧化狀態(tài)的能力。動(dòng)物體內(nèi)，在分子中形成二硫鍵的蛋白有的是分泌到細(xì)胞外的，例如抗體分子和胰島素，也有的主要部分位于細(xì)胞膜表面（即在細(xì)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(xì)胞內(nèi)的活性氧物質(zhì)，維持細(xì)胞內(nèi)的還原狀態(tài)?，F(xiàn)在許多在試管內(nèi)進(jìn)行的酶反應(yīng)，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(yīng)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(shí)為根據(jù)，基本沒(méi)有反對(duì)的意見(jiàn)，可認(rèn)為是被普遍承認(rèn)的。問(wèn)題是，細(xì)胞內(nèi)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(shí)可能的水環(huán)境

鉀高鈉低的狀況存在于所有生物的細(xì)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(duì)濃度相反。無(wú)論是河水、湖水還是海水，所含的鈉離子都遠(yuǎn)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(shuō)明細(xì)胞內(nèi)鉀高鈉低的狀況不是生物在演化過(guò)程中“適應(yīng)”這些水體的結(jié)果，而更可能是原初生命形成時(shí)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(shí)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(yuǎn)高于鉀，是因?yàn)樵趲r石風(fēng)化過(guò)程中，鉀離子比鈉離子更難被釋出。例如長(zhǎng)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(huì)一直增加而使海水變得越來(lái)越咸。淺灘處鹽結(jié)晶出來(lái)又被埋藏，形成鹽礦；風(fēng)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(guò)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(shí)將海水中的金屬離子帶走。這個(gè)過(guò)程叫做“反風(fēng)化”（reverse weathering），是海水中的鹽被帶走的一個(gè)重要方式。據(jù)估計(jì)，通過(guò)這些除鹽機(jī)制，海水中的鹽分在過(guò)去的至少15億年中并沒(méi)有顯著增加。而在反風(fēng)化過(guò)程中，鉀比鈉更容易被除去，這也使得海水中鈉的含量遠(yuǎn)高于鉀。其余的離子，例如鈣離子、鎂離子、氯離子等，被“反風(fēng)化”過(guò)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(diǎn)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(yuǎn)古海水，其鈉離子的濃度高達(dá)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(shuō)明遠(yuǎn)古時(shí)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(shuō)原初生命是在鉀高鈉低的溶液中產(chǎn)生的，這樣的水溶液在何處？

為了解釋原初生命產(chǎn)生時(shí)水環(huán)境鉀高鈉低的狀況，科學(xué)家提出了2種可能性。一種是比35億年更遠(yuǎn)古的地殼。這樣的地殼在地球上由于板塊運(yùn)動(dòng)已經(jīng)難以找到，但是卻保留在月球上。其巖石富含鉀和磷，稱(chēng)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(gè)火星大小的星球和地球相撞形成的，當(dāng)時(shí)的地球應(yīng)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(shí)地球的地殼中還沒(méi)有花崗石（granite），即使在40億年前，花崗石也很罕見(jiàn)。如果液態(tài)水在KREEP那樣的巖石上形成，風(fēng)化過(guò)程就應(yīng)該提供一個(gè)富含鉀和磷的水環(huán)境，十分有利于生命的形成。

另一個(gè)可能性是俄裔美國(guó)科學(xué)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(jìn)入蒸汽中。這樣蒸汽在冷凝以后，就會(huì)形成鉀高鈉低的水。這個(gè)假說(shuō)也得到了實(shí)地觀測(cè)的證實(shí)。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(guó)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?yàn)榈貧ぴ趲资畠|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(yīng)該是很多的。

在現(xiàn)代的熱泉中，硫化氫會(huì)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(huì)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(lái)源。由于氯化鈉在水中的溶解度幾乎與溫度無(wú)關(guān)（例如 20℃時(shí)為 35.9 g／L，60℃時(shí)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(shí)為34.2 g／L，和氯化鈉差不多，而在60℃時(shí)為45.8 g／L，明顯超過(guò)氯化鈉的溶解度），如果一部分海水被隔絕，在太陽(yáng)下蒸發(fā)，在溫度較高（例如60℃）時(shí)，氯化鈉首先飽和，形成結(jié)晶。由于氯化鉀達(dá)到飽和發(fā)生在氯化鈉之后，所以氯化鈉結(jié)晶上面的水就會(huì)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(huì)含有較高的鉀離子和較低的鈉離子。這些事實(shí)都說(shuō)明，地球早期出現(xiàn)鉀高鈉低的水是可能的。

早期形成的細(xì)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(xì)胞膜的脂類(lèi)分子只有一條碳?xì)洹拔舶汀?，而不像磷脂分子?條脂肪酸“尾巴”。這種“單尾巴”的生物膜對(duì)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(jìn)入由膜包裹的囊泡內(nèi)，聚合成為核酸，但是核酸這樣的大分子卻不能穿過(guò)膜，到達(dá)囊泡的外面。因此在原初細(xì)胞中，各種離子的組成，包括鈉離子和鉀離子的組成，應(yīng)該是和環(huán)境水溶液平衡的。原初細(xì)胞中的化學(xué)反應(yīng)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(xué)反應(yīng)也就依賴(lài)于鉀，而不是依賴(lài)于鈉。如果能證明細(xì)胞最原始蛋白的功能確實(shí)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(xué)說(shuō)提供強(qiáng)有力的證據(jù)。