一 只按复制速度筛选，会删掉什么
1967 年，美国分子生物学家斯皮格尔曼和两位同事做了一个很小的实验，而它的结果一直被引用到今天。他们做的事可以一句话说完：让一段 RNA 在试管里不停地复制自己，而唯一的筛选标准是快。他们给论文起的题目，开头就是"一个细胞之外的达尔文实验"。
具体做法是这样。取一种专门感染大肠杆菌的病毒，用它的复制酶——这是一种专门负责照着一条 RNA 造出新 RNA 的蛋白——把它和原料，还有一点病毒自己的完整 RNA 放进试管。让它复制一轮。然后从这一管里取一点，转进一管全新的原料里，再复制一轮，再转。
而允许复制的时间隔一段就缩短一截，从每轮二十分钟一路缩到五分钟。于是被奖励的只有一件事：在给定的时间里复制得更快。这里没有细胞，没有宿主，没有任何需要被感染的东西。整个世界只剩下复制酶，原料和时间。
而这套设置本身就是一个筛子。它只测一件事，所以只保留跟那一件事有关的东西。原始的那段病毒 RNA 有四千二百多个碱基。
连续转下去，它越变越短。道理很简单：复制酶每次都要从头抄到尾，链越短，抄完一遍越快，就越早开始下一遍。
转到第七十四轮，留下来的 RNA 只剩原来的六分之一左右。这类实验后来筛出的短小变种，只有两百出头个碱基，别的实验室后来还得到过只剩五十来个碱基的。
从四千二百多到两百出头。这个产物有个俗称，叫斯皮格尔曼怪物。
被删掉的是什么。不是垃圾。
对一个在细胞里过日子的病毒来说，那些序列编码的是识别宿主，组装外壳，完成感染——每一样都是活下去必需的。只是在一支只测复制速度的试管里，这些功能一分收益都没有拿到。它们不但没有贡献，还占用时间。
这个实验演示的东西很窄，但很硬：选择只优化选择标准所定义的那件事。任何对这个标准没有贡献，同时又有成本的东西，都会被删掉。
这有点像一场只比谁先到终点的长跑。背着行李的人迟早会把行李扔掉，哪怕行李里装的是到了终点以后过日子要用的东西。
换一个标准，留下来的就换一批。1974 年，同一个实验室往试管里加了一种会卡住复制的染料，转了若干轮以后，胜出的是一种不怕这种染料的突变 RNA。
换一个说法。筛选标准本身就是一个构——这个系列把这种有边界，有条目，决定留下什么的东西叫构。它奖励什么就保留什么。而落在它之外的一切，无论在别处多么必需，都会被删掉。
这件事在自然界里也不是抽象的。任何一个环境，都在以某种方式定义"什么算成功"，只是没有谁把它写下来。
在一支试管里，标准是实验者定的。在一片开放的水里，标准是谁定的。不是任何人。而删除照样发生。
试管里还有一件事要看清：所有分子泡在同一管水里，什么都共享，选择只看得见复制的快慢。这一篇要讲的那层膜，改变的正是这一点。
二 好处归谁
设想一片完全混合的水，里面漂着许多能复制自己的分子。这样的东西有个名字，叫复制子——凡是能照着自己造出拷贝的东西都算。现在假设其中一条发生了突变，产生了一种能自由扩散的催化能力——它让某个反应快了一些。
这条分子承担了制造这个能力的成本。而好处呢。好处扩散开来，池子里所有的复制子都能用。就像一栋楼里有一家自己掏钱修好了电梯，全楼的人都能坐，修电梯的那家并不因此多占到什么。于是"谁改良了"和"谁留下更多后代"之间的关联下降，乃至消失。
所以把分子隔开，最要紧的作用不是保护它们，是：把一个改良造成的好处，重新和造出这个改良的那一方绑在一起。
再看另一个问题。复制出错这件事，有一个硬上限。
1971 年，德国化学家曼弗雷德·艾根提出了复制错误与可维持信息量之间的阈值关系。四年前，他刚因为研究极快的化学反应拿了诺贝尔奖。这个关系的逻辑不复杂，用抄书就能讲清。
假设你抄一本书，每个字有百分之一的概率抄错。抄十个字，大概率全对。抄一千个字，几乎必错。字数越多，整篇无错的概率掉得越快。
现在加上一个条件：抄对的那一本更受欢迎，会被拿去继续抄。抄错的那些也在流传，只是没那么受欢迎。
如果书太长，以至于几乎没有一本是全对的，那么"正确版本"就不再能靠受欢迎程度集中在任何一本身上。信息散掉了。
代入一组示范数字：若正确版本的优势是十倍，单个位点错误率是百分之一，上限约二百三十个位点。错误率降到千分之一，上限约两千三百个位点。
这是模型算出来的数量级。今天的细胞复制 DNA，靠酶和一道道校对，抄十亿个字母左右才错一个，所以守得住几十亿个字母长的基因组。
今天的 RNA 病毒，就是这个上限的活例子。它们复制时出错多，基因组大多只有几千到一万多个字母。冠状病毒约三万个字母，在 RNA 病毒里属于最长的一批——而它们恰好自带一个校对的酶。
但方向是清楚的：没有酶帮忙的复制，能维持的序列长度有限。而要造出能提高准确度的酶，又需要更长的序列。这就是有名的艾根悖论。
艾根在 1971 年那篇论文里已经提出了一个出路，1977 年前后又和舒斯特把它写成了一组系统的论文。他们叫它超循环。
思路是：不要求一条长链独自保存全部信息，而是让若干条较短的链互相帮忙。甲的产物促进乙的复制，乙促进丙，最后一项再回过头来促进甲——围成一个闭合的圈。这样每一条都不长，而整体携带的信息量可以很大。
弱点很早就被指出来了。如果有一条链变异之后，仍然能接受上一环的帮助，却不再帮助下一环呢。它白占复制资源，而且因为省了力气，复制得更快。在一锅混匀的汤里，这种"只拿不给"的成员可以把整个圈吃垮。
1979 年，约翰·梅纳德·史密斯直接质疑了这个方案的稳定性。次年，另外三位研究者发表了一篇论文，标题里并排放着三个词：超循环，寄生者，包装。第三个词是出路。
1987 年，两位研究者建立了后来被称为随机校正模型的框架。做法是把多条功能互补的链分装进许多小隔间。链在隔间内部复制，隔间长到一定大小就分裂，里面的链以随机方式分给两个子隔间。
妙处在于：随机分装不断制造隔间之间的差异，而隔间层面的成败再去筛选这些差异。某些隔间偶然拿到了比较均衡的组合，整体增殖较快。被"只拿不给"的成员严重占据的隔间整体性能下降，留下的后代隔间更少。
这有点像把一个大班拆成许多小组做作业。在大班里，偷懒的人混在人群里，分数照拿。拆成小组以后，偷懒的人碰巧多的那一组交不出作业，偷懒的人少的那一组做得好。偷懒本身没有变，变的是它的后果，落回了它所在的那一组身上。
于是出现了两个层级上互相拉扯的选择。分子层面的选择偏爱复制得快的那些。隔间层面的选择反向偏爱能维持互补功能的那些。高层级的选择约束了低层级的选择。这个形状，这个系列后面还会反复遇到。
当低一层的单位可以各自复制，而它们又被装进一个共同繁殖的更高层单位时，两个层级上的选择可以方向相反。而高层能不能压住低层，取决于一件事：高层的成败，是否真的与它内部的组成挂钩。
2016 年有一项实验支持了这个机制。研究者用小液滴把一个 RNA 复制体系周期性地分隔，再重新混合。在连续均一的体系里，"只拿不给"的 RNA 能够接管复制资源。而周期性分隔造出的群体间差异，让负担较低的液滴作出更多贡献，整个体系没有被吃垮。
这是今天实验室里的演示，不是早期地球上真的发生过的记录。它能成立，也有条件：隔间长得快慢，得真的跟里面装了什么挂钩。隔间要是融合得太快，彼此的差异就被抹平了。
而且膜不是唯一的办法。贴在矿物表面上的分子，或者扩散不了多远的分子，不用膜也能把好处留在身边。选择真正需要的，是让好处和造出它的那一方挨在一起。第七节会讲到那些别的办法。
三 十三个数量级
先看膜是什么做的。构成膜的分子有一个特点：一头亲水，一头怕水。这种分子叫两亲分子。日常里最熟悉的例子是肥皂——它一头能抓住油，一头能溶进水里，所以才能把油污带走。
把一堆这样的分子扔进水里，会发生一件很有意思的事。怕水的那一头暴露在水里，能量上是不划算的，所以分子会自己聚起来，让怕水的一端互相贴着，藏在内部，亲水的一端朝外。
浓度到了一定程度，它们就能排成两层：两排分子尾对尾贴在一起，亲水的头分别朝向内外两侧的水。而一张这样的双层，边缘暴露在水里仍然是高能的。所以它会自动卷起来，首尾相接，围成一个封闭的小泡。
肥皂泡也是两层肥皂分子，只不过夹在中间的是一层水，尾巴朝外伸进空气。细胞膜正好反过来：两层分子夹着一层油。这样一层膜只有五纳米上下厚，两万层叠起来，才有一张纸那么厚。
这个过程不需要任何蛋白催化。它自己就会发生。1985 年，有人从 1969 年落在澳大利亚的默奇森陨石里提取出一些有机分子，放进水里，它们也自己围成了小泡。造膜的原料，连天上掉下来的石头里都有。
还有东西能帮它们一把。2003 年有人发现，一种很常见的黏土能让脂肪酸小泡成形得快得多，黏土颗粒还会被一起包进小泡里。
而早些年已经有人发现，这种黏土的表面能帮 RNA 的单元一个个连成几十个单元长的链。一粒黏土，两件事都帮得上。
但自组装有它自己的窗口，而这个窗口比想象中窄。要让这些分子开始聚起来，水里的浓度必须达到某个值。而这个值不是常数——它随温度，盐浓度和酸碱度变化，而且不同分子差别巨大。
今天细胞膜用的磷脂，一个分子拖着两条怕水的尾巴。最简单的脂肪酸只有一条，橄榄油里的油酸就是一种。
化学里说浓度，常用摩尔每升。拿盐来比，一升水里溶进近六十克盐，就是一摩尔每升，海水差不多是它的一半。
双链磷脂由于怕水作用很强，这个值通常低到百万分之一摩尔每升以下。而结构更简单的单链脂肪酸，可以高到千分之一乃至百分之几摩尔每升。中间差了几个数量级。
这意味着一件很实际的事：简单脂肪酸膜和现代膜，在"有多少分子游离在水里"以及"膜之间物质交换有多快"上，完全不是一回事。
而且简单脂肪酸还挑酸碱度。拿油酸来说，只在酸碱度约八到九这个很窄的区间里才形成稳定的小泡——偏酸它就聚成油滴，偏碱它又倾向于散成更小的团。
然后是通透性。膜把内外分开，可分开的方式，是一张跨度极大的排序表。氧气这样的分子极易穿过膜的怕水区，穿过的速度可以高到每秒一百多厘米的量级。水大约在每秒百分之一厘米的量级。
甘油小而不带电，但沾水性强，掉到每秒百万分之五厘米左右。而钾离子可以低到每秒万亿分之一厘米。
从最快的氧气到最慢的钾离子，跨度约十三到十四个数量级。也就是说，后者比前者慢十万亿倍以上。
十三个数量级是什么概念。大致相当于"一秒钟"和"三十万年"之间的差距。同一张膜，对一种分子几乎敞开，对另一种几乎完全关闭。
这些数字来自不同的膜，不同的温度和不同的测量方法，不能当作一套精确参数。但数量级本身极其稳定地说明了一件事：这不是一道墙，是一张排序极陡峭的筛子。而这张筛子的形状决定了细胞必须解决什么。
挡得住钾离子，所以细胞可以在内外维持不同的离子组成——你身上的细胞里，钾比外面多三十倍上下，钠则比外面少十倍左右。挡不住水，所以渗透压必须另外处理。
挡不住氧气，所以氧的毒性没法靠关门躲开。反过来，你肺里的氧气进血，也正是这样直接穿膜过去的，用不着任何门。
而这张表里有一个反常项：质子，也就是氢原子丢掉电子以后剩下的那个核。按一般只带一个电荷的离子推算，它应该和钾离子在同一区间。
实际上它在每秒万分之一到百分之一厘米的量级，比钾离子容易泄漏得多，在同一种膜里，要高出七八个数量级。为什么这么容易漏，说法不一。
一种解释是，膜里偶尔会排出一串水分子，质子可以沿着这串水一个接一个地"传"过去，而不必自己挤过去。这一条先记住。第五节要用。
有了选择性，立刻就有了运输问题。有些东西膜挡不住，有些东西膜挡得太死。而细胞需要的原料里，恰恰有很多属于后一类。
现代细胞用三类装置解决它。通道形成一条连续的亲水通路，物质顺着浓度差滑过去，本身通常不耗能。载体与目标结合之后改变形状，把它送到另一边。泵直接消耗能量，把东西逆着浓度差搬过去。
不过最早的膜，未必需要这些装置。2008 年的一项实验用的是脂肪酸一类简单分子做的膜。往外面加原料分子，小分子可以进去，而较长的核酸链留在里面——于是外面的原料能进来，里面的模板不会跑掉，照着模板接长新链的反应得以在小泡内部进行。那次拼的还不是 RNA，在这样的小泡里照着 RNA 模板拼 RNA，要到 2013 年才第一次做成。
全程没有任何运输蛋白。而这些实验同时暴露出一个权衡。膜越松散，营养不需要运输蛋白就能进来，但内部的小分子和离子也更容易漏出去。膜越致密，保留能力增强，获取带电原料就更依赖专门的装置。
这里没有一条单调的"膜越稳定越好"。链越长，怕水的那一端作用越强，膜越稳定，而分子的进出交换速度下降。链短则相反。
而镁，钙这类带两个电荷的金属离子尤其麻烦。它们会跟这类分子的头部结合，让膜散掉。纯油酸小泡在几毫摩尔每升的镁离子下就会被破坏。而镁又恰恰是许多 RNA 催化所需要的。
四 边界解决稀释，同时制造压力
一层膜把某些分子留在了同一个局部体积里。稀释的问题缓解了。代之而来的是力学问题。先说渗透。
拿一个袋子，袋壁上有极细的孔——水分子能过去，糖分子过不去。往袋里装糖水，把袋子泡在清水里。会发生什么。
水会往袋子里跑。袋子鼓起来，直到鼓胀产生的压力挡住水继续进来为止。这个压力叫渗透压。把葡萄干泡进清水里，它会慢慢鼓起来，道理一样。
而它的大小只取决于一件事：里面比外面多出多少个"过不去的粒子"。粒子是大是小不重要，重要的是个数。现在把袋子换成细胞膜，把糖换成 RNA，蛋白和其他大分子。同样的事会发生。
人的红细胞没有细胞壁，放进清水里，很快就会胀破。医院输液用生理盐水而不用清水，就是这个缘故。
稀溶液的渗透压可以用一个简单关系估算。室温附近，每一摩尔每升的不可透物质，对应约二点五兆帕的压力。二点五兆帕是什么概念。大约是汽车轮胎气压的十倍多。
于是内外只差十毫摩尔每升，就有约二十五千帕。差一百毫摩尔每升，约二百五十千帕。极小的浓度差，就足以把一张脂膜撑到裂开。所以往小泡里封入大量不可透的大分子，不只是提高了浓度。它同时制造了一份持续的负担。
现代细菌用至少三套机制分担这件事。
细胞壁承担大部分鼓胀产生的机械负荷。在高盐环境里，细胞可以主动积累或者释放一些小分子来调节内外的差值。而突然遇到淡水冲击时，膜上有一类装置，像高压锅上的安全阀，会在张力升高时自动打开，快速放掉里面的东西，避免膜被撑破。
最后这一类不是常规的进食通道。它是急性泄压阀。
现代细菌内部到底有多大压力，各家测法给出从几十千帕到两兆帕上下不等，细胞壁厚的那一类估得最高。数量级关系是清楚的：脂双层本身能承受的张力有限，现代细胞把持续的负荷转移给了细胞壁，再用泄压阀处理突然的变化。
细胞壁也不是白给的。细菌生长时，壁得一边切开一边重建。青霉素卡住的正是重建那一步：切照样在切，补却补不上，细菌就被自己里面的压力撑破。
有一大类细菌在膜外再加一层膜，挡住了许多有害的东西，也挡住了一部分养料。结核杆菌那一类走得最远，外面裹着一层蜡一样的脂质，很多药物渗不进去，这也是结核病难治的原因之一。每加一层保护，就多一笔账要付。不过这些是今天细胞的账，不能倒推到最早的细胞身上。
而体外的实验用三种办法绕开或者利用这个问题。让小泡内外的溶液尽量等浓度。或者使用能快速跨膜的物质，让体积跟着面积一起增加。或者反过来，有意在内部加入不可透的大分子，利用压力差推动膜的竞争性摄入。
接下来是分裂。一个小泡要把里面的东西传下去，就得会长大，还得会一分为二。最早的办法相当粗暴。还是 2003 年那组研究者，他们让脂肪酸小泡吸收外加的脂肪酸长大，再把它们硬挤过细孔，分成小的。
这条路能完成循环，但挤压是实验装置强加的，而且会造成内部物质损失。而这正是 2009 年那项工作要解决的问题：能不能让小泡自己走到分裂的边上，而不是被外力挤开。
先看一个几何事实。球体的表面积与半径的平方成正比，体积与半径的立方成正比。所以球越大，表面积相对于体积就越不够用。这也是细胞普遍很小的原因之一：长得太大，膜就来不及给里面进货。
这个约束跟膜是什么做的无关，纯粹是几何。若膜分子不断加入使面积增长，而内部的体积来不及跟上，会怎样。
球形就不再是唯一能容纳这么多面积的形状。多余的面积会表现为椭球，管状，或者长丝。反过来，如果水或内部物质增长得比膜面积快，膜的张力上升，最终泄漏或者破裂。
绍斯塔克早年研究染色体的末端，并因此在 2009 年分享了诺贝尔生理学或医学奖。九十年代以后，他把实验室转去研究生命是怎么开始的。
2009 年，朱听与绍斯塔克把这个几何约束做成了一条不需要任何蛋白的生长分裂路径。他们把大型的油酸小泡放在一种跨膜较慢的溶液里，加进去的油酸，是小泡原有膜脂的五倍左右。外层膜的面积先增加，而内部体积来不及同步跟上。
于是球形的小泡在几十分钟内被拉成长丝。随后只需要温和搅动产生的剪切力，就能把长丝断成多个子泡——而且内部 RNA 的泄漏，远少于早先用机械挤压的做法。
同一篇论文还给出了对照。如果换成能迅速跨膜的物质，溶质进去以后水也跟着进去，体积增长追上了面积增长，小泡就更倾向于保持球形，长丝化显著减弱。这个对照的意思是：分裂不是加脂肪酸自动造成的。
关键是面积增长与体积增长之间出现暂时的失配，再加上外界的剪切完成断裂。生长和分裂在这里不是一种能力。是一次失配。这一点很要紧，因为它改变了问题的形状。
如果分裂是一种"能力"，那就得解释这种能力从哪来。而如果它是一次失配，那么需要解释的只是：为什么面积和体积没有同步增长。 而这个问题的答案是几何和通透性，不是任何新的装置。
五 膜不是容器，是发电机
这一节要讲的是全篇最反直觉的一件事：一层膜本身可以是能量装置。想象一座水坝。水被抬到高处，两侧形成落差。落差本身就是能量——只要开一道闸，让水流回低处，就能推动水轮。
细胞干的是同一件事，只是它抬的不是水，是质子。它把质子从膜的一侧泵到另一侧，于是膜两侧形成了质子的浓度差和电位差。
这个差就是落差。落差有多大。膜两侧的电压只有一百多毫伏，可膜只有几纳米厚，折合下来，每米有三千万伏。有人拿它和一道闪电相比。
而膜上有一台装置，像一座水轮：质子顺着落差流回来时会推动它旋转，而这个旋转被用来制造细胞的能量货币。一个人一天造出来又用掉的这种能量货币，加起来差不多有自己的体重那么重。所以膜在这里不是容器。它是水坝本身。
而这套解释，当年被拒绝了十六年。1961 年 7 月，彼得·米切尔在《自然》上发表了一篇论文，提出的正是上面这个图景。而当时的主流框架完全不同。
主流认为：呼吸链先制造出一个可以扩散的"高能中间分子"，这个分子再把能量交给下一步。这个思路与当时已知的另一类产能方式吻合，所以许多研究者预期能够分离出，捕获到或者证明某个具体的中间分子。
米切尔说不必如此。能量可以先以跨膜的不平衡的形式存在，而不对应任何一个传统意义上的高能分子。这个假说遭到了长期而激烈的抵抗，而原因不只是保守。
它要求研究者接受一件当时非常反常的事：能量可以不装在某个分子里。还有技术原因。早期的实验制备物容易漏质子，膜的完整性难以控制，很多实验因此没法干净地区分两种模型。
从五十年代到七十年代初，先后有许多种候选的高能中间分子被提出来，呼吸链里几乎每个组分都被怀疑过。没有一个获得普遍可重复的决定性验证。1962 年，后来因为研究那台旋转装置拿到诺贝尔奖的博耶，就曾以为自己抓到了一个，结果那个分子是另一个酶干活时的中间产物，跟这件事无关。
1963 年，米切尔因为身体原因离开了大学。他在英格兰西南部修好一座荒废的老宅，自己出钱办了一个小研究所，和合作者莫伊尔在那里做实验。他们在六十年代中期还做了另一件事。
他们证明线粒体开始呼吸时会伴随可以测量的质子排出，并研究了呼吸链各步骤与质子搬运之间的数量关系。这给"电子传递实际上在横跨膜搬运质子"提供了直接支持。
1966 年出现了一个漂亮的实验。两位研究者先把植物的一种膜结构放进酸性环境，让它内部充满质子，再迅速转入更碱的，含有原料的介质里。于是内外形成了人为制造的质子落差。
在黑暗中，没有任何光驱动的电子传递，这个落差短暂地驱动了能量货币的合成。这个实验对米切尔非常有利。而它仍然没有立刻结束争论——中间分子的支持者可以提出"落差间接形成了某个未知中间分子"的修正版。
真正难以回避的是 1974 年的一次重构。两位研究者把一种嗜盐古菌——盐田里把水染成粉红色的，就有这一类——的光驱动质子泵，和线粒体的那台旋转装置，一起装进人工做的小泡里。照光之后：质子泵建立落差，旋转装置利用落差造出能量货币。
而这个体系把电子传递链的其他成分全部拿掉了。剩下的只有三样：一个泵，一层密闭的膜，一台水轮。它照样完成了能量转换。
从 1961 年提出到大约 1977 年主争论收束，前后约十六年。1978 年的诺贝尔化学奖单独授予米切尔。
而收束不是一方认输。到七十年代后期，关于跨膜落差是不是能量转换的中心环节，主争论基本结束。但具体怎样实现耦联，细节上仍有重大分歧。1977 年，原先对立阵营里的几位主要人物共同撰写了一篇综述——这件事本身说明双方已经开始共享同一个较大的框架。
机制的量级也要看一眼。以哺乳动物线粒体的典型呼吸链为例，每从 NADH 这种电子载体那里接过一对源于食物分解的电子，几个环节加起来把约十个质子转移到膜外侧。而那台旋转装置的膜内转子由一圈重复的零件构成，转一整圈能造出三个能量货币分子。
所以如果转子环由十个零件组成，一圈约需十个质子，折合约三点三个质子换一个。如果环是十四个，则约四点七个。
自然界已知的环小到八个，大到十七个，哺乳动物线粒体的就是八个，约二点七个质子换一个。所以造一个能量货币分子要花几个质子，各种生物不一样。
而这台装置的旋转不是比喻。1997 年，日本的研究者在它的转轴上粘了一根带荧光的细丝，在显微镜下直接看见了那根丝在转。
他们用的只是这台装置露在膜外的那半截，喂给它能量货币，它就倒过来，一边消耗能量货币一边转。水轮也可以当水泵用。同一年，早就预言它会转的博耶，和解出它结构的英国人沃克，一起拿了诺贝尔化学奖。
还有一点。这套机制要求的不是膜对质子有数学意义上的绝对不透，而是泄漏足够低于泵出与回流的通量。
这是一个比值条件，不是一个绝对条件。拿来推水轮的离子是不是一定得是质子，本身也有争议。一方认为钠更古老。理由之一是一个物理问题——如果早期的膜对质子泄漏特别严重，而对钠离子泄漏较低，那么钠的落差确实更容易长期维持。
另一方认为质子更古老。理由是天然的碱性热液与较酸的海水之间可以直接形成现成的质子落差，最先被利用的能量可以先由地球化学提供。最早推水轮的是哪一种离子，现有证据给不出无争议的答案。
但有一件事不依赖这个答案。这套机制不是在均匀溶液里保存"质子浓度"。它把能量定义为膜两侧的不平衡。只要两侧自由混合，落差就消失了。
而 1974 年那个重构把这一点做成了对照：没有封闭的小泡，泵产生的质子位移就形成不了跨膜的落差。有完整小泡并同时装入水轮，照光就出能量货币。
所以边界和能量装置不是膜的两种功能。产生内外区隔这件事本身，就是储存这种能量所需的物理条件。
而第三节里那个反常项，现在可以接上了。今天绝大多数生物的这套能量系统押在质子上，只有少数细菌和古菌用的是钠。而质子恰恰是所有带一个电荷的离子里最容易漏过膜的那一个。
这不是一个可以随便换掉的选择。 膜两侧的落差要能存住，漏得越慢越好。而它偏偏选了漏得最快的那一种。至于为什么，第三节末尾那条限制给了一个方向：早期的膜怕镁，钙这类带两个电荷的离子，而镁又是催化所必需的。
能用的离子，本来就没有几种。
六 装不齐，也会抢
一层膜圈住了一些分子，也就同时把别的分子关在了外面。这听上去像一句废话，可它有可以算出来的后果。
如果小泡形成时只是从均匀溶液里随机圈进一块体积，那么某一种分子进去几个，就像往一大片小碗里撒芝麻——每只碗平均几粒可以算，具体某一只碗里有几粒，是随机的。
拿一个直径一百纳米的小泡算。如果某种关键分子在环境里的浓度是一纳摩尔每升，平均每个小泡只有约万分之三个分子——也就是只有约万分之三的小泡至少拿到一个。浓度提高到一微摩尔每升，平均约零点三二个，至少拿到一个的概率约百分之二十七。
提高到十微摩尔每升，平均约三点二个，概率才升到约百分之九十六。现在假设需要五种彼此不同的组分，每种浓度都是一微摩尔每升，而且每种至少要有一个。
在相互独立的简化假定下，一个小泡同时装齐五种的概率约千分之一点四。十种，约百万分之二。这就像做一道菜要五样调料，每样调料只有约四分之一的厨房碰巧备着，五样齐全的厨房，一千家里只有一两家。
这套算法是实验里常用的基线，而真实体系可以偏离它。分子可能吸附在膜上，可能彼此聚集，可能对膜有偏好。但偏离的方向和幅度需要逐个体系去测，不能默认它总往好的方向偏。
让隔间之间产生差异的那个机制，和让每个隔间都装不齐东西的那个机制，是同一个。你不能只要前者。
小体积意味着每一种低浓度分子的数量可能就是零，一，二这样的离散数。于是"缺了哪一个"成为隔间之间的实质差异，而不是浓度的小波动。随机校正模型恰恰利用这种差异，同时也承受这种差异。
今天的细胞也逃不开这件事。2002 年，有人在大肠杆菌里装了两个荧光基因，一个让细胞发青光，一个发黄光，两个基因前面接的是一模一样的开关，按理每个细胞里两种光该一样多。
可在显微镜下，同一群细菌里，有的细胞偏青，有的偏黄。开关一样，环境一样，差别来自细胞里那些数量很少的分子各自碰运气。
装不齐之外，还有一件更直接的事：隔间之间会争。2004 年，三位研究者——其中又有绍斯塔克——把不可透的 RNA 封进脂肪酸小泡，让这些小泡的内部渗透压升高。而脂肪酸膜不是固定材料。 单个的脂肪酸分子可以在水里游走，在不同的小泡之间交换。
当"胀紧"的小泡和比较松弛的小泡共存时，前者通过吸收脂肪酸来缓解自己的张力，后者则失去一部分膜。于是一个长大，另一个缩小，像两只气球，鼓的那只从瘪的那只身上，一点点把皮剥过来。视装进去的东西不同，前者的表面积增长两成到五成不等。机制里没有任何催化。
RNA 在这个实验中只是一段不可透的大分子：更多的内部 RNA，更高的压力，脂肪酸净流入，膜面积增加。一个内部的化学差异，纯靠物理力学改变了边界的增长率。
这是实验室里的演示，可它让人看见了一件事：一个口袋里装的是什么，能决定这个口袋长得快还是慢，而且全程用不着一个酶。回头看第一节的试管，那里的选择只看得见复制的快慢。到了这里，口袋里装的东西，和口袋自己的命运挂上了钩。
2011 年，同一个实验室又往脂肪酸小泡里掺了少量今天细胞用的那种磷脂。掺了磷脂的小泡抓得住脂肪酸，就从没掺的小泡那里把膜抢过来，越长越大。
这也许能解释，细胞膜后来为什么换成了磷脂：一开始只要一点点，就能在抢膜的时候占上风。可磷脂一多，膜就变紧，外面的原料也进不来了，细胞只好再造一批运输装置。一个好处，顺手带来了下一个问题。
七 没有膜也能有内外
你身上的细胞里，此刻就有许多没有膜的"房间"。细胞核里的核仁，就是一团没有膜包着的液滴。细胞遇到高温或者别的压力，几分钟之内就会凝出一批新的液滴，压力过去又散开。
这一节讲三种不靠膜也能造出内外的办法。第一种就是液滴。某些带电的大分子混在一起时，会自发聚成一团浓度很高的区域，与周围的稀溶液共存而不混匀。
这有点像油和水分层，而又不完全一样——液滴内部含有大量的水，分子可以快速进出，只是分配上倾向于留在里面。它造出的是浓度边界，不是连续的屏障。
这个现象早就有人注意到。1929 年，两位荷兰胶体化学家系统描述了它。三十年代，苏联生物化学家奥巴林把它拿来设想生命的起源，叫它团聚体。
在那之前，奥巴林和英国的霍尔丹已经各自设想，早期的海里慢慢攒下了许多有机物，像一锅稀汤。团聚体，就是奥巴林给汤里的分子找的第一个容器。
现代细胞生物学是在 2009 年前后重新把这类液滴当作细胞组织机制来研究的。当时有人观察到线虫生殖细胞里的某类颗粒表现出液体式的融合，滴落和快速交换。
2018 年的一项实验把一种会切断 RNA 的核酶放进模型液滴，核酶和它要切的那段 RNA 在液滴里被浓缩了上千倍，切割仍然发生。浓缩了也不一定就好：在同样的浓度下，这种液滴里的切割反而比普通溶液里慢了约六十倍。
液滴的短处也很具体：它没有连续的屏障，挡不住离子，也就存不住前面讲过的那种落差。液滴之间还会融合，一融合，彼此的差异就没了。
融合这一条，有人试着绕过去。2022 年有一项工作在加热的岩石微孔和气泡表面构建体系，观察到液滴可以在温度差和流动里富集，生长，融合与断裂。
这说明环境里的流动可以替代一部分膜的分裂装置。它没有证明太古宙的某个具体岩孔曾经维持过这样一群液滴。
第二种办法是蛋白质做的外壳。细菌里有一类蛋白做的小笼子，外壳是二十面体，像一只极小的足球，典型直径一百到几百纳米，内部装着固定二氧化碳的酶。
这种酶植物叶子里也有，常被称为地球上数量最多的蛋白质。笼壳让里面的二氧化碳比外面浓，酶干活就快得多。
它见于全部已知蓝细菌以及若干自养细菌，而结构证据表明，两个主要类型很可能是独立构建出来的两套系统。
另一类壳更小，直径约二十到四十纳米，由类似病毒外壳的蛋白自己组装起来，通过特定的标签把货物包进去。还有一类壳里装的全是气体，帮许多水生细菌和古菌调节浮沉，作用像鱼的鳔。
这几种隔间，很多是各自独立发明出来的，所以"隔开"这件事在演化史上发生过多少次，数不出一个总数。
第三种办法根本不是生物造的。从上世纪八九十年代起，有人主张最初的局部反应空间未必是自由漂浮的小泡。
海底有些地方，海水渗进岩石，和岩石反应以后再冒出来，变成温热，偏碱的液体。它和周围的海水一混，就沉淀出矿物，长成细小，多孔，带薄矿物壁的蜂窝结构。
第一篇提到过大西洋海底的"失落之城"，那里白色的碳酸盐烟囱最高有六十米，有二十层楼高。每个孔的水与邻孔，与外部之间只有有限的交换。矿物结构先提供了几何上的区隔。
这个主张有物理实验和模拟的支持。2002 年，两位研究者用微小尺度的温度差研究 DNA 在水里的行为。单纯的温度差使 DNA 偏向较冷的一侧。而加入对流之后，流动不断把分子带回温差区，形成捕获——实验与模型中可以产生超过约一千倍的局部富集。
2007 年有人进一步用计算机模拟了热液孔道里的这种联合作用：在狭长，一端封闭，毫米宽的孔隙里，连单个核苷酸也能被浓缩一亿倍以上。
而盐度是一个具体的限制：在约零点五摩尔每升的盐浓度下——差不多就是海水的咸度——这个效应就显著减弱甚至难以检出。天然海水的离子组成，不能从低盐实验直接外推。
这些实验和模拟说明，微孔里的热流真能把分子浓缩起来。至于太古宙哪一个热液系统真的这样浓缩过，还没有证据。
而矿物孔隙有一个它自己解决不了的问题。孔不会复制。它可以浓缩，可以催化，可以提供隔间，可它不会把自己造出第二个。
液滴至少还能一分为二，蛋白外壳是细胞自己造的，会跟着细胞一起繁殖。而矿物的孔只是一个地方，待在原地。
某个孔里出现了有利的分子组合之后，如果孔本身不生长，不分裂，不把内容物按谱系方式传给子孔，那么随机校正模型所需要的"隔间繁殖"就没有出现。
流动可以把内容物带到下游的新孔里去，但那与一整个隔间携带它的全部组成一起移动，不是一回事。从矿物隔间到自由细胞，中间隔着好几道坎：边界怎么在孔里长出来，怎么带着里面的东西脱离矿物而不散掉，脱离以后怎么自己长大，分裂，又怎么在失去那道现成的落差之后，自己造出落差。
每一步都是具体的工程难题。不管最早的化学发生在哪里，后来走出来的，全都是自己带着膜的细胞。
八 看得见边界，看不见它是什么做的
一个能自我维持的隔间可以小到什么程度。从必须容纳遗传物质，造蛋白质的机器，基本代谢蛋白以及足够的水和离子出发，经典的估算给自主细胞的球形直径下限约二百五十纳米。
这个数字有一段来历。1996 年，有人报告在一块来自火星的陨石里看到了像细菌的微小结构，只有几十到一百纳米长。
两年后，美国科学院专门开会讨论细胞最小能有多小，会上的估算，下限大致就落在这里。那些"火星细菌"，小得装不下一个细胞需要的全部家当。
已培养的海洋浮游细菌里，遍在海洋杆菌是最小的自由生活，自主复制的细胞之一，也是海洋里数量最多的细菌之一，体积约零点零一五到零点零五八立方微米。它身宽只有一百多纳米，五百来个并排，才有一根头发丝那么粗。
更小的候选，体积可以低到零点零一立方微米上下，但这些极小的类群往往基因组严重缩减，可能依赖群落里的其他成员提供代谢物——所以它们算不算"独立自我维持"，是有定义争议的。
支原体这一类缺少细胞壁，引起支原体肺炎的就是其中一种，细胞常常只有约三百到八百纳米。但它们失去了许多合成能力，依赖宿主提供多种物质。有的巨型病毒，个头比这些最小的细胞还大。
所以"最小的自我复制细胞"和"最小的真正自由生活细胞"，不是同一个记录。不过两边都小到了普通光学显微镜的极限上，放大一千倍，也只看得见一个模糊的小点。
那么最早的膜留下了什么。膜本身不会变成化石。构成它的脂质分子，死后会被分解，能留下来的，是它们降解之后比较稳定的碳骨架。
不同类群的生物造出的骨架略有不同，所以这类残余叫生物标志物。找最早的膜，实际上就是找最早的，能归到细胞膜上的分子残余。
这件事比听上去难得多。岩石里的这类分子浓度极低，往往在十亿分之一以下，而钻井泥浆，塑料，实验室溶剂，以及地下后来渗进来的石油，每一样都能带进年轻的有机物。
二十世纪末曾有人报告，约二十七亿年前的澳大利亚岩石里有这类分子。2012 年，研究者用超洁净的方法重新钻取岩芯，2015 年发表的结果显示，测出来的量和什么样品都不放的空白对照差不多。这个故事第五篇会完整讲一遍。
经过这样的检验，能确认和岩石同龄的膜脂分子，目前可靠到约十六亿四千万年前，有人报告了约十七亿三千万年前的。而细胞状的微化石，有约三十四亿年前的。中间那十七亿年，细胞显然是有膜的——只是那些膜没有留下可以追查的分子。
那些微化石本身，第一篇已经讲过它们的三层证据。它们保存下来的，是碳质外形，矿化轮廓，丝状结构，不会把一张脂双层以完整的分子结构保存下来。看见一个细胞状的边界，和确定它的膜是什么做的，之间隔着很远。
第二篇讲过，今天的细菌和古菌用着两套不同的膜脂——骨架互为镜像，尾巴和连接方式也不一样。最早的那层膜是哪一套，还是两套都不是，至今没有答案。
现在可以回到这一篇的构。一层膜通过定义"内"来定义"外"。这个动作解决了稀释，把一个改良的好处与造出它的那一方重新绑在一起，还顺便成为储存能量的物理前提。而它从建立的那一刻起，就在制造自己的余项——构装不下，又消不掉的那部分，这个系列叫余项。
随机分装漏掉的组分是余项，缺了就是缺了，小体积本身就意味着离散。渗透压是余项，它没有被解决，是被转嫁给了细胞壁和泄压阀。必须泵出去的东西是余项，泵要一直耗能。被关在外面的一切，也都是余项。
这些余项没有一个被解决掉。它们都还在，只是换了位置，或者换了由谁来承担。而在岩石里，还有另一个余项：我们看得见这个边界曾经存在，看不见它是什么做的。
判据还在筛。岩石还在被重新切开。实验室里的小泡还在长丝，断裂，互相夺取膜脂。