能量和自我复制是生命从混乱无序的环境中萌发并万世长青的两个基本条件
（一）
著名的米勒-尤里实验（Miller-Urey exbr /eriment）。米勒让水在通电的气体烧瓶（左上）和加热的液体烧瓶（右下）之间循环往复，从而模拟了原始地球海水沸腾、电闪雷鸣、暴雨倾盆的情景[图片]
短短一天之后，某些奇怪的事情就发生了——烧瓶里的水不再澄清，而是变成了淡淡的粉红色，一定有某些全新的物质生成了。即便有这样的心理准备，当一周之后米勒停止加热，关掉电源，从烧瓶里取出“海水”进行分析的时候，结果还是大大出乎他的意料。海水中出现了许多全新的化学物质，甚至包括五种氨基酸分子！
众所周知，氨基酸是构成蛋白质分子的基本单位。
依据热力学第二定律，任何一个孤立系统的混乱程度——物理学家更喜欢用“熵”这个物理量来表述——总是在增大的
早在20世纪初，人们就已经知道在肌肉收缩的过程中，葡萄糖可以变成乳酸并释放能量。后来人们意识到，这个过程其实和巴斯德研究过的啤酒变酸的过程是一回事：一个葡萄糖分子转变成两个乳酸分子，同时产生了两个ATP。
在米切尔看来，辛辛苦苦地去寻找什么未知的化学反应，压根儿就走错了方向！制造ATP的过程和电站蓄能发电的原理是一样的。电站蓄能发电可以分成两步，首先是晚间用电抽水蓄能，然后是白天开闸放水发电。而在生命体内也是一样分成两步，只不过能量的存储形式不是电而是ATP；往复流动产生能量的不是水而是某些带电荷的离子（特别是氢离子）；筑起大坝的不是钢筋混凝土而是薄薄的一层细胞膜；水坝上安装的水力发电机不是傻大黑粗的钢铁怪物，而是一个能够让带电离子流动产生ATP的蛋白质机器罢了。
这个过程可以简单地描述为：首先，生命体利用营养物质（特别是葡萄糖）的分解产生能量，能量驱动带正电荷的氢离子穿过细胞膜蓄积起来，逐渐积累起电化学势能。之后，在生命活动需要能量的时候，高浓度的氢离子通过细胞膜上的蛋白质机器反方向流出，驱动其转动产生ATP。
人们发现，在动物细胞的能量工厂——一种叫作线粒体的微型细胞机器中，确实存在极高的氢离子浓度差。跨越线粒体内层膜，仅仅几纳米的距离跨度就有上百毫伏的氢离子浓度差，这个差别堪比雷雨云和地面之间的电荷差别。
细胞内的微型水电站也可以根据细胞内的能量需求来决定生产ATP的效率。28~38，这组让生物化学家无比抓狂的数字，就这么轻松地得到了解释！
2016年，德国杜塞尔多夫大学的科学家威廉·马丁（William Martin）分析了现存地球生物600多万个基因的DNA序列，从中确认有355个基因广泛存在于全部主要的生物门类中。根据这项研究，马丁推测，这355个基因应该同样存在于现在地球生物的最后共同祖先（last universal common ancestor，LUCA，见图2-8）体内，并且因为它们有着极端重要的生物学功能，从而得以跨越接近40亿年的光阴一直保存至今。在这355个基因里，赫然便有ATP合成酶基因的身影。与之相反，在现存地球生物体内负责驱动其他ATP合成途径的酶，例如催化葡萄糖分解为乳酸或酒精从而制造ATP的那些蛋白质，却不见踪影。
LUCA。它并不一定是地球上最早出现的生物，但是现今地球所有生物（动物、植物、细菌、古细菌等）都是它的子孙后代。严格来说，LUCA是一种生物学家假想出的生物，在今天的地球上无迹可寻。但是根据现存物种的基因组信息比较结果，人们可以推测LUCA大致生活在距今38亿年至35亿年前，嗜热厌氧
在海拔四五千米的青藏高原，氧气浓度下降到10%多一点，人体就会出现缺氧的症状。反过来，如果吸入的氧气浓度过大，人体就会出现所谓的“氧中毒”现象，神经系统、肺和眼球都会受到严重损伤。同样的例子还有温度。人体适宜的环境温度在25摄氏度上下浮动。如果人体长期处于40摄氏度以上的环境中，很容易引起中暑死亡；处于低温环境下也不行，人在5摄氏度的海水里只能活个把小时。
在46亿年前地球形成的时候，大气的主要成分是二氧化碳、氮气、二氧化硫和硫化氢。直到差不多25亿年前，第一批能够利用阳光的细菌出现在原始海洋中，利用太阳光的能量分解大气中的二氧化碳，并以其中的碳原子为食，这才制造出了氧气。
在20世纪中叶，当DNA→RNA→蛋白质这套遗传信息传递的所谓“中心法则”刚刚被提出的时候。1968年，DNA双螺旋的发现者之一克里克就在一篇文章中大胆地猜测，也许看起来多余的RNA才是最早的生命形态。他甚至说：“我们也不是不能想象，原始生命根本没有蛋白质，而是完全由RNA组成的。”
到了1982年，切赫他们干脆放弃了对RNA分子各种徒劳的提纯，直接在试管里合成了一个新的RNA分子。然后，利用这条理论上就不可能存在污染的纯净RNA，他们终于可以明白无误地确认，这条RNA在什么外来蛋白质都没有的条件下，仍然固执地实现了自我剪接，把那段没用的中间序列切割了出来。
RNA分子，居然可以身兼DNA和蛋白质的双重功能：它显然可以和DNA一样存储信息，同时也可以像蛋白质一样催化生物化学反应——在切赫的例子里，这个化学反应就是对自身进行切割和缝合
马蒂亚斯·雅各布·施莱登（Matthias Jakob Schleiden）和西奥多·施旺（Theodor Schwann）是细胞学说的集大成者。1839年，两人分别提出植物和动物都是由许多个微小的细胞组成的，细胞是生命的基本单元。
首先，它必须是一种不溶于水的化学物质，否则就会在地球原始海洋里轻易地分崩离析。其次，它必须能够形成致密的结构，要是孔隙太大，各种物质能够自由进出，这层膜也就没有用了。而基于这两点，我们还能猜想出这层膜的第三个性质：它必须具备一定程度的通透性，能够让某些分子穿梭于细胞内外，例如氧气、营养物质、细胞产生的废物，等等。
胡克在软木标本中看到的蜂巢结构其实是细胞壁，一种植物细胞特有的坚硬外壳[图片]
大家都知道“油水不相容”，这是因为水分子带有强烈的极性，它的氧原子上带有强烈的负电荷，氢原子上则带有正电荷，因此水分子之间能够通过正负电荷的吸引形成稳定的结构。相反，大多数脂类分子的电荷分布很均匀，一旦放入水中，不仅不能和水分子形成电荷吸引，反而还会破坏水分子之间的稳定关系。因此脂肪分子不溶于水，而且在水中还会自发聚集成团，尽可能减少表面积，减少暴露在水分子面前的机会。这样一来，由脂类分子构成的膜当然就不会在水中分崩离析，而且天然地形成致密的结构，包裹住细胞内的生命物质。
根据欧福顿的理论，这层膜是脂类分子，因此可以用有机溶剂轻松提纯。然后，高特和格兰戴尔把从红细胞中提取的这些物质平铺到一杯水上，小心翼翼地拉成了一层膜。
高特和格兰戴尔提出的磷脂双分子层模型。简单来说，细胞膜是由两层紧密排列的磷脂分子构成的，磷脂分子的极性“头”朝外，和水分子亲密结合，非极性“尾”则隐藏在分子内部。可以看出，这样的结构最大限度地避免了电中性的尾巴和水分子的接触，物理性质很稳定
欧福顿预测，细胞膜的物质成分是磷脂和胆固醇，而这两种脂类分子都有一个异乎寻常的特性：分子骨架的绝大多数地方都是电中性的，因此天然排斥水分子。但是两种分子的顶端却恰好都有一个带有电荷的“头”，因此是可以和水分子亲密结合的。
细胞膜上“镶嵌”着各种各样的蛋白质分子，它们可以帮助物质进行跨细胞膜流动，或者说它们能够形成一个狭窄的孔道，让分子自由进出细胞（取决于细胞内外的浓度），水分子和金属离子大多数时候是这样进出细胞的。有时候，细胞膜上的蛋白质甚至可以将物质从低浓度一侧运输到高浓度一侧，当然毫无疑问，这需要消耗能量。较大的分子就是依靠这种机制运输的。
细胞甚至可以通过大尺度的扭曲折叠来运输分子。比如，我们血液里的白细胞可以将整个细菌都包裹起来“吞噬”进细胞内，我们大脑里的神经细胞可以反其道而行之，将细胞内的小液泡释放到细胞外，进行神经信号的传递。
如果一个细胞的直径扩大一倍，那么体积就会变为之前的八倍，但是细胞膜的表面积却仅仅扩大为原来的四倍。也就是说，在这个大号细胞里，细胞膜进行物质交换的压力就大了一倍。
生命现象需要蛋白质分子的驱动，而蛋白质合成需要遗传物质DNA作为模板。
科学家发现，仅仅需要改变DNA密码本的一个字母（也就是DNA链条上的一个核苷酸的身份），就能够让一种单细胞生物变成雪花状的多细胞生物。
（二）
草履虫，它是一种（更准确地说是一类）两三百微米长、长得像一只草鞋鞋底的单细胞生物。这种长相怪异的单细胞生物靠细胞膜上密密麻麻的短毛划水游动，靠捕猎其他体形更小的单细胞生物过活。它们的食谱里包括细菌、绿藻和酵母。
小球藻（chlorella vulgaris）。这是一种古老而典型的单细胞生物，在水中随波逐流，自由生活，利用太阳光作为能量来源，通过细胞分裂的方式完成繁殖。但是如果在水中加入一种体形稍大、专门吃小球藻的鞭毛虫（ochromonas vallescia），那么仅仅需要一个月，繁殖10~20代的时间，小球藻就能迅速演化出多细胞形态。在这些多细胞小球藻体内，八个细胞紧紧依靠在一起，外面包裹了一层厚厚的细胞壁（见图5-3）。很明显，这种八细胞小球藻的尺寸大大超过了它们一贯畏惧的天敌鞭毛虫，可以逃过被吃的命运。
一个蚂蚁群体里仅有一只雌性（也就是蚁后）可以繁殖后代，其他的雌性都是为了保障蚁后的生存而活着的：工蚁负责觅食和照顾蚁后的后代，兵蚁负责抵抗外敌入侵，等等。就像体细胞一样，工蚁和兵蚁也失去了繁殖的权利。当然，群体遗传学可以帮助我们解释这种奇怪的利他行为：工蚁和兵蚁的遗传物质和蚁后几乎一样，因此帮助蚁后繁殖就等于传递自身的遗传信息。
小肠上皮细胞的模式图。相邻的上皮细胞之间通过蛋白质“铆钉”形成了致密的连接，起到了屏障作用。而上皮细胞绒毛状的突起则增强了吸收营养物质的能力。[图片]
新生的红细胞是有细胞核的，但是在它们离开骨髓进入血液前后，红细胞会挤出细胞核，变成大家熟悉的中心薄、周围厚的圆饼形状。抛弃细胞核的好处是显而易见的：这样一来，红细胞就留出了更多的空间装载血红蛋白分子，从而可以一次运输更多的氧气分子。与此同时，没有了细胞核的红细胞更加柔软，遇到狭窄的毛细血管时可以轻松地变形通过。
【小故事】
彼得·米切尔的一生就是一部传奇。1920年出生，家境优渥，受到了良好的精英教育。31岁获得博士学位，35岁到爱丁堡大学任教，这一段人生旅途一帆风顺。但是1961年他在41岁的时候发表了惊世骇俗的化学渗透理论，从此不见容于主流学术界，甚至不得不半被迫地在1963年辞去了教职，回到乡下，把精力主要花在整修他的乡间别墅上。而在1965年，不甘就此沉沦的他自掏腰包，在自己的乡间别墅成立了一家彻底的民间科学机构——格莱恩研究所（Glynn Research Laboratories）——继续为他的化学渗透理论寻求证明。在科学研究之外，米切尔还经常饶有兴致地用他的化学渗透理论来解读社会现象。1978年，他的理论帮助他加冕诺贝尔化学奖，在演讲中，他说了这么一句意味深长的话：“伟大的马克斯·普朗克说过，一个新的科学想法最终胜利，不是因为它说服了它的对手，而是因为它的对手最终都死了。我想他说错了。”