一 只按複製速度篩選，會刪掉什麼
1967 年，美國分子生物學家斯皮格爾曼和兩位同事做了一個很小的實驗，而它的結果一直被引用到今天。他們做的事可以一句話說完：讓一段 RNA 在試管裏不停地複製自己，而唯一的篩選標準是快。他們給論文起的題目，開頭就是"一個細胞之外的達爾文實驗"。
具體做法是這樣。取一種專門感染大腸桿菌的病毒，用它的複製酶——這是一種專門負責照着一條 RNA 造出新 RNA 的蛋白——把它和原料，還有一點病毒自己的完整 RNA 放進試管。讓它複製一輪。然後從這一管裏取一點，轉進一管全新的原料裏，再複製一輪，再轉。
而允許複製的時間隔一段就縮短一截，從每輪二十分鐘一路縮到五分鐘。於是被獎勵的只有一件事：在給定的時間裏複製得更快。這裏沒有細胞，沒有宿主，沒有任何需要被感染的東西。整個世界只剩下複製酶，原料和時間。
而這套設置本身就是一個篩子。它只測一件事，所以只保留跟那一件事有關的東西。原始的那段病毒 RNA 有四千二百多個鹼基。
連續轉下去，它越變越短。道理很簡單：複製酶每次都要從頭抄到尾，鏈越短，抄完一遍越快，就越早開始下一遍。
轉到第七十四輪，留下來的 RNA 只剩原來的六分之一左右。這類實驗後來篩出的短小變種，只有兩百出頭個鹼基，別的實驗室後來還得到過只剩五十來個鹼基的。
從四千二百多到兩百出頭。這個產物有個俗稱，叫斯皮格爾曼怪物。
被刪掉的是什麼。不是垃圾。
對一個在細胞裏過日子的病毒來說，那些序列編碼的是識別宿主，組裝外殼，完成感染——每一樣都是活下去必需的。只是在一支只測複製速度的試管裏，這些功能一分收益都沒有拿到。它們不但沒有貢獻，還佔用時間。
這個實驗演示的東西很窄，但很硬：選擇只優化選擇標準所定義的那件事。任何對這個標準沒有貢獻，同時又有成本的東西，都會被刪掉。
這有點像一場只比誰先到終點的長跑。揹着行李的人遲早會把行李扔掉，哪怕行李裏裝的是到了終點以後過日子要用的東西。
換一個標準，留下來的就換一批。1974 年，同一個實驗室往試管裏加了一種會卡住複製的染料，轉了若干輪以後，勝出的是一種不怕這種染料的突變 RNA。
換一個說法。篩選標準本身就是一個構——這個系列把這種有邊界，有條目，決定留下什麼的東西叫構。它獎勵什麼就保留什麼。而落在它之外的一切，無論在別處多麼必需，都會被刪掉。
這件事在自然界裏也不是抽象的。任何一個環境，都在以某種方式定義"什麼算成功"，只是沒有誰把它寫下來。
在一支試管裏，標準是實驗者定的。在一片開放的水裏，標準是誰定的。不是任何人。 而刪除照樣發生。
試管裏還有一件事要看清：所有分子泡在同一管水裏，什麼都共享，選擇只看得見複製的快慢。這一篇要講的那層膜，改變的正是這一點。
二 好處歸誰
設想一片完全混合的水，裏面漂着許多能複製自己的分子。這樣的東西有個名字，叫複製子——凡是能照着自己造出拷貝的東西都算。現在假設其中一條發生了突變，產生了一種能自由擴散的催化能力——它讓某個反應快了一些。
這條分子承擔了製造這個能力的成本。而好處呢。好處擴散開來，池子裏所有的複製子都能用。就像一棟樓裏有一家自己掏錢修好了電梯，全樓的人都能坐，修電梯的那家並不因此多佔到什麼。於是"誰改良了"和"誰留下更多後代"之間的關聯下降，乃至消失。
所以把分子隔開，最要緊的作用不是保護它們，是：把一個改良造成的好處，重新和造出這個改良的那一方綁在一起。
再看另一個問題。複製出錯這件事，有一個硬上限。
1971 年，德國化學家曼弗雷德·艾根提出了複製錯誤與可維持信息量之間的閾值關係。四年前，他剛因爲研究極快的化學反應拿了諾貝爾獎。這個關係的邏輯不複雜，用抄書就能講清。
假設你抄一本書，每個字有百分之一的概率抄錯。抄十個字，大概率全對。抄一千個字，幾乎必錯。字數越多，整篇無錯的概率掉得越快。
現在加上一個條件：抄對的那一本更受歡迎，會被拿去繼續抄。抄錯的那些也在流傳，只是沒那麼受歡迎。
如果書太長，以至於幾乎沒有一本是全對的，那麼"正確版本"就不再能靠受歡迎程度集中在任何一本身上。信息散掉了。
代入一組示範數字：若正確版本的優勢是十倍，單個位點錯誤率是百分之一，上限約二百三十個位點。錯誤率降到千分之一，上限約兩千三百個位點。
這是模型算出來的數量級。今天的細胞複製 DNA，靠酶和一道道校對，抄十億個字母左右才錯一個，所以守得住幾十億個字母長的基因組。
今天的 RNA 病毒，就是這個上限的活例子。它們複製時出錯多，基因組大多隻有幾千到一萬多個字母。冠狀病毒約三萬個字母，在 RNA 病毒裏屬於最長的一批——而它們恰好自帶一個校對的酶。
但方向是清楚的：沒有酶幫忙的複製，能維持的序列長度有限。而要造出能提高準確度的酶，又需要更長的序列。這就是有名的艾根悖論。
艾根在 1971 年那篇論文裏已經提出了一個出路，1977 年前後又和舒斯特把它寫成了一組系統的論文。他們叫它超循環。
思路是：不要求一條長鏈獨自保存全部信息，而是讓若干條較短的鏈互相幫忙。甲的產物促進乙的複製，乙促進丙，最後一項再回過頭來促進甲——圍成一個閉合的圈。這樣每一條都不長，而整體攜帶的信息量可以很大。
弱點很早就被指出來了。如果有一條鏈變異之後，仍然能接受上一環的幫助，卻不再幫助下一環呢。它白佔複製資源，而且因爲省了力氣，複製得更快。在一鍋混勻的湯裏，這種"只拿不給"的成員可以把整個圈喫垮。
1979 年，約翰·梅納德·史密斯直接質疑了這個方案的穩定性。次年，另外三位研究者發表了一篇論文，標題裏並排放着三個詞：超循環，寄生者，包裝。第三個詞是出路。
1987 年，兩位研究者建立了後來被稱爲隨機校正模型的框架。做法是把多條功能互補的鏈分裝進許多小隔間。鏈在隔間內部複製，隔間長到一定大小就分裂，裏面的鏈以隨機方式分給兩個子隔間。
妙處在於：隨機分裝不斷製造隔間之間的差異，而隔間層面的成敗再去篩選這些差異。某些隔間偶然拿到了比較均衡的組合，整體增殖較快。被"只拿不給"的成員嚴重佔據的隔間整體性能下降，留下的後代隔間更少。
這有點像把一個大班拆成許多小組做作業。在大班裏，偷懶的人混在人羣裏，分數照拿。拆成小組以後，偷懶的人碰巧多的那一組交不出作業，偷懶的人少的那一組做得好。偷懶本身沒有變，變的是它的後果，落回了它所在的那一組身上。
於是出現了兩個層級上互相拉扯的選擇。分子層面的選擇偏愛複製得快的那些。隔間層面的選擇反向偏愛能維持互補功能的那些。高層級的選擇約束了低層級的選擇。這個形狀，這個系列後面還會反覆遇到。
當低一層的單位可以各自複製，而它們又被裝進一個共同繁殖的更高層單位時，兩個層級上的選擇可以方向相反。 而高層能不能壓住低層，取決於一件事：高層的成敗，是否真的與它內部的組成掛鉤。
2016 年有一項實驗支持了這個機制。研究者用小液滴把一個 RNA 複製體系週期性地分隔，再重新混合。在連續均一的體系裏，"只拿不給"的 RNA 能夠接管複製資源。而週期性分隔造出的羣體間差異，讓負擔較低的液滴作出更多貢獻，整個體系沒有被喫垮。
這是今天實驗室裏的演示，不是早期地球上真的發生過的記錄。它能成立，也有條件：隔間長得快慢，得真的跟裏面裝了什麼掛鉤。隔間要是融合得太快，彼此的差異就被抹平了。
而且膜不是唯一的辦法。貼在礦物表面上的分子，或者擴散不了多遠的分子，不用膜也能把好處留在身邊。選擇真正需要的，是讓好處和造出它的那一方挨在一起。第七節會講到那些別的辦法。
三 十三個數量級
先看膜是什麼做的。構成膜的分子有一個特點：一頭親水，一頭怕水。這種分子叫兩親分子。日常裏最熟悉的例子是肥皂——它一頭能抓住油，一頭能溶進水裏，所以才能把油污帶走。
把一堆這樣的分子扔進水裏，會發生一件很有意思的事。怕水的那一頭暴露在水裏，能量上是不划算的，所以分子會自己聚起來，讓怕水的一端互相貼着，藏在內部，親水的一端朝外。
濃度到了一定程度，它們就能排成兩層：兩排分子尾對尾貼在一起，親水的頭分別朝向內外兩側的水。而一張這樣的雙層，邊緣暴露在水裏仍然是高能的。所以它會自動捲起來，首尾相接，圍成一個封閉的小泡。
肥皂泡也是兩層肥皂分子，只不過夾在中間的是一層水，尾巴朝外伸進空氣。細胞膜正好反過來：兩層分子夾着一層油。這樣一層膜只有五納米上下厚，兩萬層疊起來，纔有一張紙那麼厚。
這個過程不需要任何蛋白催化。它自己就會發生。1985 年，有人從 1969 年落在澳大利亞的默奇森隕石裏提取出一些有機分子，放進水裏，它們也自己圍成了小泡。造膜的原料，連天上掉下來的石頭裏都有。
還有東西能幫它們一把。2003 年有人發現，一種很常見的黏土能讓脂肪酸小泡成形得快得多，黏土顆粒還會被一起包進小泡裏。
而早些年已經有人發現，這種黏土的表面能幫 RNA 的單元一個個連成幾十個單元長的鏈。一粒黏土，兩件事都幫得上。
但自組裝有它自己的窗口，而這個窗口比想象中窄。要讓這些分子開始聚起來，水裏的濃度必須達到某個值。而這個值不是常數——它隨溫度，鹽濃度和酸鹼度變化，而且不同分子差別巨大。
今天細胞膜用的磷脂，一個分子拖着兩條怕水的尾巴。最簡單的脂肪酸只有一條，橄欖油裏的油酸就是一種。
化學裏說濃度，常用摩爾每升。拿鹽來比，一升水裏溶進近六十克鹽，就是一摩爾每升，海水差不多是它的一半。
雙鏈磷脂由於怕水作用很強，這個值通常低到百萬分之一摩爾每升以下。而結構更簡單的單鏈脂肪酸，可以高到千分之一乃至百分之幾摩爾每升。中間差了幾個數量級。
這意味着一件很實際的事：簡單脂肪酸膜和現代膜，在"有多少分子游離在水裏"以及"膜之間物質交換有多快"上，完全不是一回事。
而且簡單脂肪酸還挑酸鹼度。拿油酸來說，只在酸鹼度約八到九這個很窄的區間裏才形成穩定的小泡——偏酸它就聚成油滴，偏鹼它又傾向於散成更小的團。
然後是通透性。膜把內外分開，可分開的方式，是一張跨度極大的排序表。氧氣這樣的分子極易穿過膜的怕水區，穿過的速度可以高到每秒一百多釐米的量級。水大約在每秒百分之一釐米的量級。
甘油小而不帶電，但沾水性強，掉到每秒百萬分之五釐米左右。而鉀離子可以低到每秒萬億分之一釐米。
從最快的氧氣到最慢的鉀離子，跨度約十三到十四個數量級。也就是說，後者比前者慢十萬億倍以上。
十三個數量級是什麼概念。大致相當於"一秒鐘"和"三十萬年"之間的差距。同一張膜，對一種分子幾乎敞開，對另一種幾乎完全關閉。
這些數字來自不同的膜，不同的溫度和不同的測量方法，不能當作一套精確參數。但數量級本身極其穩定地說明了一件事：這不是一道牆，是一張排序極陡峭的篩子。而這張篩子的形狀決定了細胞必須解決什麼。
擋得住鉀離子，所以細胞可以在內外維持不同的離子組成——你身上的細胞裏，鉀比外面多三十倍上下，鈉則比外面少十倍左右。擋不住水，所以滲透壓必須另外處理。
擋不住氧氣，所以氧的毒性沒法靠關門躲開。反過來，你肺裏的氧氣進血，也正是這樣直接穿膜過去的，用不着任何門。
而這張表裏有一個反常項：質子，也就是氫原子丟掉電子以後剩下的那個核。按一般只帶一個電荷的離子推算，它應該和鉀離子在同一區間。
實際上它在每秒萬分之一到百分之一釐米的量級，比鉀離子容易泄漏得多，在同一種膜裏，要高出七八個數量級。爲什麼這麼容易漏，說法不一。
一種解釋是，膜裏偶爾會排出一串水分子，質子可以沿着這串水一個接一個地"傳"過去，而不必自己擠過去。這一條先記住。第五節要用。
有了選擇性，立刻就有了運輸問題。有些東西膜擋不住，有些東西膜擋得太死。而細胞需要的原料裏，恰恰有很多屬於後一類。
現代細胞用三類裝置解決它。通道形成一條連續的親水通路，物質順着濃度差滑過去，本身通常不耗能。載體與目標結合之後改變形狀，把它送到另一邊。泵直接消耗能量，把東西逆着濃度差搬過去。
不過最早的膜，未必需要這些裝置。2008 年的一項實驗用的是脂肪酸一類簡單分子做的膜。往外面加原料分子，小分子可以進去，而較長的核酸鏈留在裏面——於是外面的原料能進來，裏面的模板不會跑掉，照着模板接長新鏈的反應得以在小泡內部進行。那次拼的還不是 RNA，在這樣的小泡裏照着 RNA 模板拼 RNA，要到 2013 年才第一次做成。
全程沒有任何運輸蛋白。而這些實驗同時暴露出一個權衡。膜越鬆散，營養不需要運輸蛋白就能進來，但內部的小分子和離子也更容易漏出去。膜越緻密，保留能力增強，獲取帶電原料就更依賴專門的裝置。
這裏沒有一條單調的"膜越穩定越好"。 鏈越長，怕水的那一端作用越強，膜越穩定，而分子的進出交換速度下降。鏈短則相反。
而鎂，鈣這類帶兩個電荷的金屬離子尤其麻煩。它們會跟這類分子的頭部結合，讓膜散掉。純油酸小泡在幾毫摩爾每升的鎂離子下就會被破壞。而鎂又恰恰是許多 RNA 催化所需要的。
四 邊界解決稀釋，同時製造壓力
一層膜把某些分子留在了同一個局部體積裏。稀釋的問題緩解了。代之而來的是力學問題。先說滲透。
拿一個袋子，袋壁上有極細的孔——水分子能過去，糖分子過不去。往袋裏裝糖水，把袋子泡在清水裏。會發生什麼。
水會往袋子裏跑。袋子鼓起來，直到鼓脹產生的壓力擋住水繼續進來爲止。這個壓力叫滲透壓。把葡萄乾泡進清水裏，它會慢慢鼓起來，道理一樣。
而它的大小隻取決於一件事：裏面比外面多出多少個"過不去的粒子"。粒子是大是小不重要，重要的是個數。現在把袋子換成細胞膜，把糖換成 RNA，蛋白和其他大分子。同樣的事會發生。
人的紅細胞沒有細胞壁，放進清水裏，很快就會脹破。醫院輸液用生理鹽水而不用清水，就是這個緣故。
稀溶液的滲透壓可以用一個簡單關係估算。室溫附近，每一摩爾每升的不可透物質，對應約二點五兆帕的壓力。二點五兆帕是什麼概念。大約是汽車輪胎氣壓的十倍多。
於是內外只差十毫摩爾每升，就有約二十五千帕。差一百毫摩爾每升，約二百五十千帕。極小的濃度差，就足以把一張脂膜撐到裂開。所以往小泡裏封入大量不可透的大分子，不只是提高了濃度。它同時製造了一份持續的負擔。
現代細菌用至少三套機制分擔這件事。
細胞壁承擔大部分鼓脹產生的機械負荷。在高鹽環境裏，細胞可以主動積累或者釋放一些小分子來調節內外的差值。而突然遇到淡水衝擊時，膜上有一類裝置，像高壓鍋上的安全閥，會在張力升高時自動打開，快速放掉裏面的東西，避免膜被撐破。
最後這一類不是常規的進食通道。它是急性泄壓閥。
現代細菌內部到底有多大壓力，各家測法給出從幾十千帕到兩兆帕上下不等，細胞壁厚的那一類估得最高。數量級關係是清楚的：脂雙層本身能承受的張力有限，現代細胞把持續的負荷轉移給了細胞壁，再用泄壓閥處理突然的變化。
細胞壁也不是白給的。細菌生長時，壁得一邊切開一邊重建。青黴素卡住的正是重建那一步：切照樣在切，補卻補不上，細菌就被自己裏面的壓力撐破。
有一大類細菌在膜外再加一層膜，擋住了許多有害的東西，也擋住了一部分養料。結核桿菌那一類走得最遠，外面裹着一層蠟一樣的脂質，很多藥物滲不進去，這也是結核病難治的原因之一。每加一層保護，就多一筆賬要付。不過這些是今天細胞的賬，不能倒推到最早的細胞身上。
而體外的實驗用三種辦法繞開或者利用這個問題。讓小泡內外的溶液儘量等濃度。或者使用能快速跨膜的物質，讓體積跟着面積一起增加。或者反過來，有意在內部加入不可透的大分子，利用壓力差推動膜的競爭性攝入。
接下來是分裂。一個小泡要把裏面的東西傳下去，就得會長大，還得會一分爲二。最早的辦法相當粗暴。還是 2003 年那組研究者，他們讓脂肪酸小泡吸收外加的脂肪酸長大，再把它們硬擠過細孔，分成小的。
這條路能完成循環，但擠壓是實驗裝置強加的，而且會造成內部物質損失。而這正是 2009 年那項工作要解決的問題：能不能讓小泡自己走到分裂的邊上，而不是被外力擠開。
先看一個幾何事實。球體的表面積與半徑的平方成正比，體積與半徑的立方成正比。所以球越大，表面積相對於體積就越不夠用。這也是細胞普遍很小的原因之一：長得太大，膜就來不及給裏面進貨。
這個約束跟膜是什麼做的無關，純粹是幾何。若膜分子不斷加入使面積增長，而內部的體積來不及跟上，會怎樣。
球形就不再是唯一能容納這麼多面積的形狀。多餘的面積會表現爲橢球，管狀，或者長絲。反過來，如果水或內部物質增長得比膜面積快，膜的張力上升，最終泄漏或者破裂。
紹斯塔克早年研究染色體的末端，並因此在 2009 年分享了諾貝爾生理學或醫學獎。九十年代以後，他把實驗室轉去研究生命是怎麼開始的。
2009 年，朱聽與紹斯塔克把這個幾何約束做成了一條不需要任何蛋白的生長分裂路徑。他們把大型的油酸小泡放在一種跨膜較慢的溶液裏，加進去的油酸，是小泡原有膜脂的五倍左右。外層膜的面積先增加，而內部體積來不及同步跟上。
於是球形的小泡在幾十分鐘內被拉成長絲。隨後只需要溫和攪動產生的剪切力，就能把長絲斷成多個子泡——而且內部 RNA 的泄漏，遠少於早先用機械擠壓的做法。
同一篇論文還給出了對照。 如果換成能迅速跨膜的物質，溶質進去以後水也跟着進去，體積增長追上了面積增長，小泡就更傾向於保持球形，長絲化顯著減弱。這個對照的意思是：分裂不是加脂肪酸自動造成的。
關鍵是面積增長與體積增長之間出現暫時的失配，再加上外界的剪切完成斷裂。生長和分裂在這裏不是一種能力。是一次失配。這一點很要緊，因爲它改變了問題的形狀。
如果分裂是一種"能力"，那就得解釋這種能力從哪來。而如果它是一次失配，那麼需要解釋的只是：爲什麼面積和體積沒有同步增長。 而這個問題的答案是幾何和通透性，不是任何新的裝置。
五 膜不是容器，是發電機
這一節要講的是全篇最反直覺的一件事：一層膜本身可以是能量裝置。想象一座水壩。水被抬到高處，兩側形成落差。落差本身就是能量——只要開一道閘，讓水流回低處，就能推動水輪。
細胞幹的是同一件事，只是它抬的不是水，是質子。它把質子從膜的一側泵到另一側，於是膜兩側形成了質子的濃度差和電位差。
這個差就是落差。落差有多大。膜兩側的電壓只有一百多毫伏，可膜只有幾納米厚，折合下來，每米有三千萬伏。有人拿它和一道閃電相比。
而膜上有一臺裝置，像一座水輪：質子順着落差流回來時會推動它旋轉，而這個旋轉被用來製造細胞的能量貨幣。一個人一天造出來又用掉的這種能量貨幣，加起來差不多有自己的體重那麼重。所以膜在這裏不是容器。它是水壩本身。
而這套解釋，當年被拒絕了十六年。1961 年 7 月，彼得·米切爾在《自然》上發表了一篇論文，提出的正是上面這個圖景。而當時的主流框架完全不同。
主流認爲：呼吸鏈先製造出一個可以擴散的"高能中間分子"，這個分子再把能量交給下一步。這個思路與當時已知的另一類產能方式吻合，所以許多研究者預期能夠分離出，捕獲到或者證明某個具體的中間分子。
米切爾說不必如此。能量可以先以跨膜的不平衡的形式存在，而不對應任何一個傳統意義上的高能分子。這個假說遭到了長期而激烈的抵抗，而原因不只是保守。
它要求研究者接受一件當時非常反常的事：能量可以不裝在某個分子裏。還有技術原因。早期的實驗製備物容易漏質子，膜的完整性難以控制，很多實驗因此沒法乾淨地區分兩種模型。
從五十年代到七十年代初，先後有許多種候選的高能中間分子被提出來，呼吸鏈裏幾乎每個組分都被懷疑過。沒有一個獲得普遍可重複的決定性驗證。1962 年，後來因爲研究那臺旋轉裝置拿到諾貝爾獎的博耶，就曾以爲自己抓到了一個，結果那個分子是另一個酶幹活時的中間產物，跟這件事無關。
1963 年，米切爾因爲身體原因離開了大學。他在英格蘭西南部修好一座荒廢的老宅，自己出錢辦了一個小研究所，和合作者莫伊爾在那裏做實驗。他們在六十年代中期還做了另一件事。
他們證明線粒體開始呼吸時會伴隨可以測量的質子排出，並研究了呼吸鏈各步驟與質子搬運之間的數量關係。這給"電子傳遞實際上在橫跨膜搬運質子"提供了直接支持。
1966 年出現了一個漂亮的實驗。兩位研究者先把植物的一種膜結構放進酸性環境，讓它內部充滿質子，再迅速轉入更鹼的，含有原料的介質裏。於是內外形成了人爲製造的質子落差。
在黑暗中，沒有任何光驅動的電子傳遞，這個落差短暫地驅動了能量貨幣的合成。這個實驗對米切爾非常有利。而它仍然沒有立刻結束爭論——中間分子的支持者可以提出"落差間接形成了某個未知中間分子"的修正版。
真正難以迴避的是 1974 年的一次重構。兩位研究者把一種嗜鹽古菌——鹽田裏把水染成粉紅色的，就有這一類——的光驅動質子泵，和線粒體的那臺旋轉裝置，一起裝進人工做的小泡裏。照光之後：質子泵建立落差，旋轉裝置利用落差造出能量貨幣。
而這個體系把電子傳遞鏈的其他成分全部拿掉了。剩下的只有三樣：一個泵，一層密閉的膜，一臺水輪。它照樣完成了能量轉換。
從 1961 年提出到大約 1977 年主爭論收束，前後約十六年。1978 年的諾貝爾化學獎單獨授予米切爾。
而收束不是一方認輸。到七十年代後期，關於跨膜落差是不是能量轉換的中心環節，主爭論基本結束。但具體怎樣實現耦聯，細節上仍有重大分歧。1977 年，原先對立陣營裏的幾位主要人物共同撰寫了一篇綜述——這件事本身說明雙方已經開始共享同一個較大的框架。
機制的量級也要看一眼。以哺乳動物線粒體的典型呼吸鏈爲例，每從 NADH 這種電子載體那裡接過一對源於食物分解的電子，幾個環節加起來把約十個質子轉移到膜外側。而那臺旋轉裝置的膜內轉子由一圈重複的零件構成，轉一整圈能造出三個能量貨幣分子。
所以如果轉子環由十個零件組成，一圈約需十個質子，折合約三點三個質子換一個。如果環是十四個，則約四點七個。
自然界已知的環小到八個，大到十七個，哺乳動物線粒體的就是八個，約二點七個質子換一個。所以造一個能量貨幣分子要花幾個質子，各種生物不一樣。
而這臺裝置的旋轉不是比喻。1997 年，日本的研究者在它的轉軸上粘了一根帶熒光的細絲，在顯微鏡下直接看見了那根絲在轉。
他們用的只是這臺裝置露在膜外的那半截，餵給它能量貨幣，它就倒過來，一邊消耗能量貨幣一邊轉。水輪也可以當水泵用。同一年，早就預言它會轉的博耶，和解出它結構的英國人沃克，一起拿了諾貝爾化學獎。
還有一點。這套機制要求的不是膜對質子有數學意義上的絕對不透，而是泄漏足夠低於泵出與迴流的通量。
這是一個比值條件，不是一個絕對條件。拿來推水輪的離子是不是一定得是質子，本身也有爭議。一方認爲鈉更古老。理由之一是一個物理問題——如果早期的膜對質子泄漏特別嚴重，而對鈉離子泄漏較低，那麼鈉的落差確實更容易長期維持。
另一方認爲質子更古老。理由是天然的鹼性熱液與較酸的海水之間可以直接形成現成的質子落差，最先被利用的能量可以先由地球化學提供。最早推水輪的是哪一種離子，現有證據給不出無爭議的答案。
但有一件事不依賴這個答案。這套機制不是在均勻溶液裏保存"質子濃度"。它把能量定義爲膜兩側的不平衡。只要兩側自由混合，落差就消失了。
而 1974 年那個重構把這一點做成了對照：沒有封閉的小泡，泵產生的質子位移就形成不了跨膜的落差。有完整小泡並同時裝入水輪，照光就出能量貨幣。
所以邊界和能量裝置不是膜的兩種功能。產生內外區隔這件事本身，就是儲存這種能量所需的物理條件。
而第三節裏那個反常項，現在可以接上了。今天絕大多數生物的這套能量系統押在質子上，只有少數細菌和古菌用的是鈉。而質子恰恰是所有帶一個電荷的離子裏最容易漏過膜的那一個。
這不是一個可以隨便換掉的選擇。 膜兩側的落差要能存住，漏得越慢越好。而它偏偏選了漏得最快的那一種。至於爲什麼，第三節末尾那條限制給了一個方向：早期的膜怕鎂，鈣這類帶兩個電荷的離子，而鎂又是催化所必需的。
能用的離子，本來就沒有幾種。
六 裝不齊，也會搶
一層膜圈住了一些分子，也就同時把別的分子關在了外面。這聽上去像一句廢話，可它有可以算出來的後果。
如果小泡形成時只是從均勻溶液裏隨機圈進一塊體積，那麼某一種分子進去幾個，就像往一大片小碗裏撒芝麻——每隻碗平均幾粒可以算，具體某一隻碗裏有幾粒，是隨機的。
拿一個直徑一百納米的小泡算。如果某種關鍵分子在環境裏的濃度是一納摩爾每升，平均每個小泡只有約萬分之三個分子——也就是隻有約萬分之三的小泡至少拿到一個。濃度提高到一微摩爾每升，平均約零點三二個，至少拿到一個的概率約百分之二十七。
提高到十微摩爾每升，平均約三點二個，概率才升到約百分之九十六。現在假設需要五種彼此不同的組分，每種濃度都是一微摩爾每升，而且每種至少要有一個。
在相互獨立的簡化假定下，一個小泡同時裝齊五種的概率約千分之一點四。十種，約百萬分之二。這就像做一道菜要五樣調料，每樣調料只有約四分之一的廚房碰巧備着，五樣齊全的廚房，一千家裏只有一兩家。
這套算法是實驗裏常用的基線，而真實體系可以偏離它。分子可能吸附在膜上，可能彼此聚集，可能對膜有偏好。但偏離的方向和幅度需要逐個體系去測，不能默認它總往好的方向偏。
讓隔間之間產生差異的那個機制，和讓每個隔間都裝不齊東西的那個機制，是同一個。你不能只要前者。
小體積意味着每一種低濃度分子的數量可能就是零，一，二這樣的離散數。於是"缺了哪一個"成爲隔間之間的實質差異，而不是濃度的小波動。隨機校正模型恰恰利用這種差異，同時也承受這種差異。
今天的細胞也逃不開這件事。2002 年，有人在大腸桿菌裏裝了兩個熒光基因，一個讓細胞發青光，一個發黃光，兩個基因前面接的是一模一樣的開關，按理每個細胞裏兩種光該一樣多。
可在顯微鏡下，同一羣細菌裏，有的細胞偏青，有的偏黃。開關一樣，環境一樣，差別來自細胞裏那些數量很少的分子各自碰運氣。
裝不齊之外，還有一件更直接的事：隔間之間會爭。2004 年，三位研究者——其中又有紹斯塔克——把不可透的 RNA 封進脂肪酸小泡，讓這些小泡的內部滲透壓升高。而脂肪酸膜不是固定材料。 單個的脂肪酸分子可以在水裏遊走，在不同的小泡之間交換。
當"脹緊"的小泡和比較鬆弛的小泡共存時，前者通過吸收脂肪酸來緩解自己的張力，後者則失去一部分膜。於是一個長大，另一個縮小，像兩隻氣球，鼓的那隻從癟的那隻身上，一點點把皮剝過來。視裝進去的東西不同，前者的表面積增長兩成到五成不等。機制裏沒有任何催化。
RNA 在這個實驗中只是一段不可透的大分子：更多的內部 RNA，更高的壓力，脂肪酸淨流入，膜面積增加。一個內部的化學差異，純靠物理力學改變了邊界的增長率。
這是實驗室裏的演示，可它讓人看見了一件事：一個口袋裏裝的是什麼，能決定這個口袋長得快還是慢，而且全程用不着一個酶。回頭看第一節的試管，那裏的選擇只看得見複製的快慢。到了這裏，口袋裏裝的東西，和口袋自己的命運掛上了鉤。
2011 年，同一個實驗室又往脂肪酸小泡裏摻了少量今天細胞用的那種磷脂。摻了磷脂的小泡抓得住脂肪酸，就從沒摻的小泡那裏把膜搶過來，越長越大。
這也許能解釋，細胞膜後來爲什麼換成了磷脂：一開始只要一點點，就能在搶膜的時候佔上風。可磷脂一多，膜就變緊，外面的原料也進不來了，細胞只好再造一批運輸裝置。一個好處，順手帶來了下一個問題。
七 沒有膜也能有內外
你身上的細胞裏，此刻就有許多沒有膜的"房間"。細胞核裏的核仁，就是一團沒有膜包着的液滴。細胞遇到高溫或者別的壓力，幾分鐘之內就會凝出一批新的液滴，壓力過去又散開。
這一節講三種不靠膜也能造出內外的辦法。第一種就是液滴。某些帶電的大分子混在一起時，會自發聚成一團濃度很高的區域，與周圍的稀溶液共存而不混勻。
這有點像油和水分層，而又不完全一樣——液滴內部含有大量的水，分子可以快速進出，只是分配上傾向於留在裏面。它造出的是濃度邊界，不是連續的屏障。
這個現象早就有人注意到。1929 年，兩位荷蘭膠體化學家系統描述了它。三十年代，蘇聯生物化學家奧巴林把它拿來設想生命的起源，叫它團聚體。
在那之前，奧巴林和英國的霍爾丹已經各自設想，早期的海裏慢慢攢下了許多有機物，像一鍋稀湯。團聚體，就是奧巴林給湯裏的分子找的第一個容器。
現代細胞生物學是在 2009 年前後重新把這類液滴當作細胞組織機制來研究的。當時有人觀察到線蟲生殖細胞裏的某類顆粒表現出液體式的融合，滴落和快速交換。
2018 年的一項實驗把一種會切斷 RNA 的核酶放進模型液滴，核酶和它要切的那段 RNA 在液滴裏被濃縮了上千倍，切割仍然發生。濃縮了也不一定就好：在同樣的濃度下，這種液滴裏的切割反而比普通溶液裏慢了約六十倍。
液滴的短處也很具體：它沒有連續的屏障，擋不住離子，也就存不住前面講過的那種落差。液滴之間還會融合，一融合，彼此的差異就沒了。
融合這一條，有人試着繞過去。2022 年有一項工作在加熱的岩石微孔和氣泡表面構建體系，觀察到液滴可以在溫度差和流動裏富集，生長，融合與斷裂。
這說明環境裏的流動可以替代一部分膜的分裂裝置。它沒有證明太古宙的某個具體巖孔曾經維持過這樣一羣液滴。
第二種辦法是蛋白質做的外殼。細菌裏有一類蛋白做的小籠子，外殼是二十面體，像一隻極小的足球，典型直徑一百到幾百納米，內部裝着固定二氧化碳的酶。
這種酶植物葉子裏也有，常被稱爲地球上數量最多的蛋白質。籠殼讓裏面的二氧化碳比外面濃，酶幹活就快得多。
它見於全部已知藍細菌以及若干自養細菌，而結構證據表明，兩個主要類型很可能是獨立構建出來的兩套系統。
另一類殼更小，直徑約二十到四十納米，由類似病毒外殼的蛋白自己組裝起來，通過特定的標籤把貨物包進去。還有一類殼裏裝的全是氣體，幫許多水生細菌和古菌調節浮沉，作用像魚的鰾。
這幾種隔間，很多是各自獨立發明出來的，所以"隔開"這件事在演化史上發生過多少次，數不出一個總數。
第三種辦法根本不是生物造的。從上世紀八九十年代起，有人主張最初的局部反應空間未必是自由漂浮的小泡。
海底有些地方，海水滲進岩石，和岩石反應以後再冒出來，變成溫熱，偏鹼的液體。它和周圍的海水一混，就沉澱出礦物，長成細小，多孔，帶薄礦物壁的蜂窩結構。
第一篇提到過大西洋海底的"失落之城"，那裏白色的碳酸鹽煙囪最高有六十米，有二十層樓高。每個孔的水與鄰孔，與外部之間只有有限的交換。礦物結構先提供了幾何上的區隔。
這個主張有物理實驗和模擬的支持。2002 年，兩位研究者用微小尺度的溫度差研究 DNA 在水裏的行爲。單純的溫度差使 DNA 偏向較冷的一側。而加入對流之後，流動不斷把分子帶回溫差區，形成捕獲——實驗與模型中可以產生超過約一千倍的局部富集。
2007 年有人進一步用計算機模擬了熱液孔道裏的這種聯合作用：在狹長，一端封閉，毫米寬的孔隙裏，連單個核苷酸也能被濃縮一億倍以上。
而鹽度是一個具體的限制：在約零點五摩爾每升的鹽濃度下——差不多就是海水的鹹度——這個效應就顯著減弱甚至難以檢出。天然海水的離子組成，不能從低鹽實驗直接外推。
這些實驗和模擬說明，微孔裏的熱流真能把分子濃縮起來。至於太古宙哪一個熱液系統真的這樣濃縮過，還沒有證據。
而礦物孔隙有一個它自己解決不了的問題。孔不會複製。它可以濃縮，可以催化，可以提供隔間，可它不會把自己造出第二個。
液滴至少還能一分爲二，蛋白外殼是細胞自己造的，會跟着細胞一起繁殖。而礦物的孔只是一個地方，待在原地。
某個孔裏出現了有利的分子組合之後，如果孔本身不生長，不分裂，不把內容物按譜系方式傳給子孔，那麼隨機校正模型所需要的"隔間繁殖"就沒有出現。
流動可以把內容物帶到下游的新孔裏去，但那與一整個隔間攜帶它的全部組成一起移動，不是一回事。 從礦物隔間到自由細胞，中間隔着好幾道坎：邊界怎麼在孔裏長出來，怎麼帶着裏面的東西脫離礦物而不散掉，脫離以後怎麼自己長大，分裂，又怎麼在失去那道現成的落差之後，自己造出落差。
每一步都是具體的工程難題。不管最早的化學發生在哪裏，後來走出來的，全都是自己帶着膜的細胞。
八 看得見邊界，看不見它是什麼做的
一個能自我維持的隔間可以小到什麼程度。從必須容納遺傳物質，造蛋白質的機器，基本代謝蛋白以及足夠的水和離子出發，經典的估算給自主細胞的球形直徑下限約二百五十納米。
這個數字有一段來歷。1996 年，有人報告在一塊來自火星的隕石裏看到了像細菌的微小結構，只有幾十到一百納米長。
兩年後，美國科學院專門開會討論細胞最小能有多小，會上的估算，下限大致就落在這裏。那些"火星細菌"，小得裝不下一個細胞需要的全部家當。
已培養的海洋浮游細菌裏，遍在海洋桿菌是最小的自由生活，自主複製的細胞之一，也是海洋裏數量最多的細菌之一，體積約零點零一五到零點零五八立方微米。它身寬只有一百多納米，五百來個並排，纔有一根頭髮絲那麼粗。
更小的候選，體積可以低到零點零一立方微米上下，但這些極小的類羣往往基因組嚴重縮減，可能依賴羣落裏的其他成員提供代謝物——所以它們算不算"獨立自我維持"，是有定義爭議的。
支原體這一類缺少細胞壁，引起支原體肺炎的就是其中一種，細胞常常只有約三百到八百納米。但它們失去了許多合成能力，依賴宿主提供多種物質。有的巨型病毒，個頭比這些最小的細胞還大。
所以"最小的自我複製細胞"和"最小的真正自由生活細胞"，不是同一個記錄。不過兩邊都小到了普通光學顯微鏡的極限上，放大一千倍，也只看得見一個模糊的小點。
那麼最早的膜留下了什麼。膜本身不會變成化石。構成它的脂質分子，死後會被分解，能留下來的，是它們降解之後比較穩定的碳骨架。
不同類羣的生物造出的骨架略有不同，所以這類殘餘叫生物標誌物。找最早的膜，實際上就是找最早的，能歸到細胞膜上的分子殘餘。
這件事比聽上去難得多。岩石裏的這類分子濃度極低，往往在十億分之一以下，而鑽井泥漿，塑料，實驗室溶劑，以及地下後來滲進來的石油，每一樣都能帶進年輕的有機物。
二十世紀末曾有人報告，約二十七億年前的澳大利亞岩石裏有這類分子。2012 年，研究者用超潔淨的方法重新鑽取巖芯，2015 年發表的結果顯示，測出來的量和什麼樣品都不放的空白對照差不多。這個故事第五篇會完整講一遍。
經過這樣的檢驗，能確認和岩石同齡的膜脂分子，目前可靠到約十六億四千萬年前，有人報告了約十七億三千萬年前的。而細胞狀的微化石，有約三十四億年前的。中間那十七億年，細胞顯然是有膜的——只是那些膜沒有留下可以追查的分子。
那些微化石本身，第一篇已經講過它們的三層證據。它們保存下來的，是碳質外形，礦化輪廓，絲狀結構，不會把一張脂雙層以完整的分子結構保存下來。看見一個細胞狀的邊界，和確定它的膜是什麼做的，之間隔着很遠。
第二篇講過，今天的細菌和古菌用着兩套不同的膜脂——骨架互爲鏡像，尾巴和連接方式也不一樣。最早的那層膜是哪一套，還是兩套都不是，至今沒有答案。
現在可以回到這一篇的構。一層膜通過定義"內"來定義"外"。這個動作解決了稀釋，把一個改良的好處與造出它的那一方重新綁在一起，還順便成爲儲存能量的物理前提。而它從建立的那一刻起，就在製造自己的餘項——構裝不下，又消不掉的那部分，這個系列叫餘項。
隨機分裝漏掉的組分是餘項，缺了就是缺了，小體積本身就意味着離散。滲透壓是餘項，它沒有被解決，是被轉嫁給了細胞壁和泄壓閥。必須泵出去的東西是餘項，泵要一直耗能。被關在外面的一切，也都是餘項。
這些餘項沒有一個被解決掉。 它們都還在，只是換了位置，或者換了由誰來承擔。而在岩石裏，還有另一個餘項：我們看得見這個邊界曾經存在，看不見它是什麼做的。
判據還在篩。岩石還在被重新切開。實驗室裏的小泡還在長絲，斷裂，互相奪取膜脂。