“太阳光给我们送来了光和热”；

　　“绿色的叶片可以利用阳光把水和二氧化碳做成动物和植物都需要的‘面包’”……这些似乎已经是人所共知的小儿科知识。

　　不过，泡在地球原始海洋中第一个生命体可不是这么认为的。

　　能量来自“热水锅”？

　　在一口热水大锅里，一个生命体正在慢慢分裂，变成两个一模一样的个体，转瞬间，刚刚分裂出的新生命体又被扔进了冷水锅，这时，冷水锅里的生命原料会依照这个生命体的模样组装出新的“拷贝”，直到下一次被扔进热水锅，分裂出新的个体。

　　这些听起来就像神话故事或者玄幻小说中的桥段，不过，依照最新的进化理论，这是不折不扣的地球生命的进化正史。

　　依照最新的生命演化理论，最初的地球生命就是一小根线状的RNA（核糖核酸）分子加上一个脂类分子外壳。RNA分子是重要的模板，分散在水环境的核苷酸分子会依照RNA的模样排排站队，同时相邻的核苷酸分子会粘合在一起，形成一个与模板RNA交缠在一起的RNA分子，这些过程在一个冷水区域完成的，随后，他们会被水流推向热水区域，缠绵的新老RNA在高温下分离，脂分子膜也一分为二，新的生命就诞生了。在这个过程中，核苷酸与RNA模板的结合，以及核苷酸之间的连接都是自发的。惟一需要用到的能量，就是热水池中把缠绵在一起的新老RNA分子拆散的热能。

　　可是，这种自发的过程的弊端也是显而易见的，拼装效率低，不能保证拼装的准确性。好在没过多久，有蛋白质分子冲进脂分子外壳，与RNA分子拉帮结伙协助拼装，最终绑定在了一起。不过蛋白质机器是需要能量来开动的，并且，如果简单地用热水来提供能量，只能像煮鸡蛋一样，把蛋白质“煮熟”以至失活。

　　那么，能源从哪里来呢？

　　细胞中的“拦河大坝”

　　三峡大坝的机房里，水轮发电机的叶片被大坝上游冲下的江水推动旋转，蕴涵在水流中的能量变成了电能，并入电网。我们在电力驱动的地铁列车上上下下，品着电热咖啡壶中飘出的浓香，看着电脑屏幕上绚丽的画面，毫无疑问，电力是目前人类社会通用性最强的能源。

　　其实，在细胞中也存在这样的通用能源，那就是三磷酸腺苷（ATP，有时也被称为腺苷三磷酸）。小到DNA复制，大到细胞分裂和细胞伸缩运动都少不了他们的身影。这些由一个腺苷和三个磷酸分子顺次拼起来的分子力道之所以巨大，关键是尾巴上的两个磷酸之间的就像有一个压紧的弹簧（高能磷酸键）一样，一旦需要就可以断裂，释放出巨大的能量，把蛋白质送到合适的位置，或者把二氧化碳和能量同时“压缩”在葡萄糖里。在你读这段文字的时候，大量的ATP正在被你的眼睛、大脑，还有点鼠标的手指消耗着。

　　在细胞中，确实有“拦河大坝”，不过蓄积的不是水能，而是H⁺浓度。就像水会从高处流向低处一样，H⁺也有从溶液的高浓度区域向低浓度区域“流动”的倾向，并且它们的流动也像水流一样，可以推动“水车”或者“水轮机”。为了蓄积这些能量，细胞中的一些膜结构（类囊体膜）开始充当水坝，并且这些膜上还装上了发电机——ATP合成酶，当“水坝”两边的H⁺从高浓度一侧流向低浓度一侧时，就推动ATP合成酶，生产出所有生命的通用能量——ATP。（PS：病毒之所以非要寄生在其他细胞身上，就是因为它们没有合成ATP的系统。）

　　生命能源问题貌似迎刃而解。不过，在发电过程中，水坝上游的存水会因为下泄而越来越少，又该如何补充呢？对于，三峡大坝来说，海水被太阳光加热至后，变成水蒸气，继而被送上高原，成为循环不息的天上来水。那么在细胞中，如何把H+“抬到”膜结构的高浓度一侧呢？

　　坚守在无光的世界

　　在地球诞生最初的日子里，由于地壳运动活跃，海洋中几乎到处都有向外吐热水的喷口。除了高温，它们还给生命送来了“燃料”——H₂。H₂燃烧可以把火箭推上太空，烧开水自不用说，不过在细胞中可得温柔一些。最初的那些生命（古细菌），选择了二氧化碳而不是氧气（说实话，那时候地球上也没有什么氧气，光合作用还没开始）作为助燃剂，燃烧后释放出甲烷。有了燃烧清洁能源提供的能源，自然可以搬运H⁺了。 

（至今仍有些生物生活在海底热泉附近，终生不与阳光发生一丁点关系。）

　　很遗憾，到目前为止，我们对这些古细菌利用氢和二氧化碳的过程的了解还很少。不过，你也不用担心，因为这种“燃烧供能”很快就不是主流了——随着地球地质活动的减缓，海洋中热液喷口越来越少，喷出的氢也成了稀缺资源。

　　最终，一个不愿看地球脸色行事的细菌站出来说，“我们要用光！”

　　一个新的时代就这样开启了。 

　　阳光捕手

　　用微波炉煮粥热饭已经成为我们生活的一部分，在微波炉中，微波扯着水分子猛烈晃动，微波的能量就变成了水分子运动的能量，这样食物就被加热了。

　　同样是电磁波的太阳光，跟微波炉里的微波在本质上并无区别，它们身上都携带着能量可以作用于个头更小的电子。我们可以把原子核看成地球，电子就像在周围运行的卫星。如果要把卫星送上高空的轨道，需要火箭提供动力，相应的，当卫星从高空轨道返回到低轨道或者地面时，则会释放出能量。同样在电磁波的作用下，电子可以在轨道间跳来跳去（跃迁），吸收或者放出能量，更重要的是，这种电子的跳跃行为，可以在原子之间传递，当一个原子的电子从高轨道跳下后，能量传递给旁边原子的电子窜上高轨道，太阳光的能量就这样在专门的原子间（天线分子）传递下去，直到能量被汇集到一个反应中心分子身上。

　　由于收集到的能量巨大，反应中心分子的电子连同大量能量一下就被“崩飞”了出去，沿着“H⁺大坝”开始奇异之旅。在高能电子“飞行”中，一个叫PQ的醌类分子会把它拦下。为了正负电荷的平衡，PQ会在“H⁺大坝”的下游俘获一个H⁺，当它把再次把电子投出的时候，会把H⁺释放到大坝上游。这样一来，H⁺就被源源不断地送上了大坝，从而形成H⁺浓度差，推动ATP合成酶运转起来。

　　当然，在这个过程中，还有一大帮辅助分子帮忙，辛勤地进行电子传递和能量输送过程。于是，大名鼎鼎的光合作用开始了，地球生命史迎来了辉煌的篇章。今天，我们还能从光合细菌身上看到营建第一个“H⁺大坝”的生命的影子——原始、简陋，却孕育了生命的未来。

　　顺便提一下，这里所说的电子轨道高低，是指轨道能量的高低，与电子到原子核之间距离的远近没太大关系。电子在原子核外的轨道并不是连续的，只有能量合适的电子才能运行在特定的轨道上，当然要在这些轨道间跃迁也需要特定数量的能量。也就是说只有特定能量（即特定波长，因为波长跟能量呈反比）的电磁波才能驱动这个过程。太阳光是个不同波长的电磁波搅和在一起的大杂烩，所以特别颜色的光被吸收，如今我们看到的满眼绿色，实际都是植物“吃”剩下的残羹冷炙。

（在适合波段的光的作用下，质子被送上叶绿体中的“光合大坝”，并从ATP合成酶（图片下部）处倾泻而下，合成ATP。）

　　另外，光合反应中心在电子传递游戏中投出了第一个球，为了维持正负电荷守恒，它需要从其他地方的抢电子。最初，在光合细菌中提供电子的是硫化氢（H₂S），这种东西在地球上可不多。后来，水分子中的电子成了新兴的蓝藻的掠夺对象，同时氧分子被释放了出来（我们赖以生存的，就是光合生物的代谢产物！看来被光合生物戏耍的还不只是我们的眼睛）。

（蓝藻的出现勾勒出绿色世界的轮廓。）

　　为了陆地上的阳光

　　光合作用运转起来，最初的能量收集工作都是在海水里进行的。很快（地质历史的一瞬间，其实也过了好多亿年），随着陆地面积的不断扩张，开始有不安分的家伙要到陆上一搏了。

　　对于初来乍道的光合生物来说，陆地可是个凶险的地方：水分稀少，空气干燥，紫外线强烈。为了避免被烤焦和保证光合作用的顺利进行，一个被我们称为叶片，细胞间有着细致分工的“集团”建立了起来。

　　为了保存水分，集团组建了一只护卫队将工作场所紧密地包裹了起来，这就是表皮。这些紧密排列且透明的细胞不仅可以牢牢锁住水分，它们还准备了类黄酮等色素，将大量紫外线从阳光中截留下来，降低对进行光合生产的细胞的伤害。

　　然而，仅有坚实的表皮还远远不够，因为光合作用还需要进行气体交换。如果表皮仅仅是一层严实的外壳，那二氧化碳也进不去，氧气也出不来，整个反应也就无法进行了。因此植物在表皮上还留下了许多可以开合的进出关口——气孔。有了这些关口，植物就可以在适当的时候引入二氧化碳放出氧气，并且可以在水分过多时，适当排出水分。这样一来，表皮内部的细胞（叶肉细胞）就可以安心的进行光合作用了。

（图片中的一张张“小嘴”就是植物的气孔，掌管着植物跟外界的水分和气体交换。）

　　后来，植物向高山、极地和戈壁等等极端环境挺进，“光合生产集团”也在做相应的部署：低矮的长相和厚厚的表皮，帮助高山植物抵挡强烈的紫外线；把进行光合作用的细胞搬到茎上，帮助沙漠植物节约了水分；细胞糖浓度和离子浓度升高，帮助极地植物御寒。就像人类开发核动力装置，反物质引擎以进行星际探索一样，生命世界也在不断摸索着新的能源供给。

（以高山上的雪莲为代表，“光合生产集团”将触角伸向可以想象到的每一个有光地方。）

　　新的物种就这样不断产生出来……

　　说起来，也许，还有我们完全陌生的生物能量系统，正在月球和火星上等待我们的发现。