主题：339-Nick Lane: 自然选择的革命 -- 万年看客

问题是氧气是如何产生的？氧为什么特别？它之所以特别，部分原因在于它只接受单个电子，所以它会与铁之类的物质发生反应，铁会因此生锈。但是碳会传递两个电子，氧气只想要一个，所以在化学层面氧和碳之间并不适配。这意味着氧气可以在大气中积累到非常高的水平，这意味着整个生态系统可以高度充能。那么氧气来自哪里？何时产生？它来自光合作用。光合作用通过水中的氢获取电子，将电子传递给二氧化碳，制造有机分子，而氧则是废品。从这个角度来看，呼吸作用与光合作用正好相反，我们燃烧食物和氧气，产生二氧化碳和水作为废产品。这两个过程本质上相等且相反，而且在地球尺度上取得了惊人的平衡。氧气水平之所以在长达百万年的时间里保持在21%，原因在于呼吸作用的速率正好平衡了光合作用的速率。但是我们知道20亿年前地球上还没有氧气，换句话说大气中的氧气含量在地球历史上必然经历过一个从0%到21%的变化过程。那么它是何时变化的，我们又是怎么知道的？如果将可燃物埋在地下作为煤炭，它就不会再被氧气氧化，本应燃烧的氧气就留在大气中了。所以你可以通过被埋在地下的碳的数量计算出对应地质时期的大气中剩下了多少氧气。计算过程相当复杂，我不会详细讲解。我只想请大家注意到，地下的碳埋得越多，大气中的氧气含量就越高，反之亦然。距今20亿年前和10亿年前之间的时期被称为无聊的十亿年，没有太多事情发生。然后是寒武纪大爆发，氧气水平再次上升。但是在寒武纪大爆发之后，氧气含量还在距今20亿年与5亿年前经历了两次显著下降。《自然》杂志的一篇著名文章刊载过另一张显示氧气的著名图表：氧气含量在距今25亿年前陡然上升达到极值，然后下降了一点，进入长期持平，又在石炭纪时期略微走高，因为石炭纪开始埋藏大量煤炭。但是请注意，文章作者没有画出氧气含量的两次显著下降——别担心，在科学领域这种情况经常发生。如果我们不知道如何解释某个现象，就暂时忽略它，总有一天会有人想出好解释的。我们来看看反向克雷布斯循环：这个过程吸入氢与二氧化碳，制造有机分子。这就是距今30亿到20亿年前地球生命的主要活动。这个过程还排出氧气，使得氧气水平上升。事实证明克雷布斯循环可以分为两叉，一个叉做一件事，另一个叉做另一件事，你可以通过这种方式取得平衡，在生物化学当中总有解决方案。分叉可能看起来有点乏味，但是它保持了各种参与成分之间的平衡，这就是在寒武纪大爆发之前的情况。

画面上是已知形成时间最早的动物行进痕迹化石，可以看出这是某种虫子在泥浆中穿行留下的痕迹。这些化石形成于氧气含量大幅下降的时期。那么它们是如何做到的呢？这是来自二叠纪灭绝时期的证据，这起灭绝事件发生在距今2亿5千万年之前，或者说寒武纪大爆发的2亿5千万年之后。有时它也被称为理解寒武纪大爆发的关键。当时海洋里既有能移动、能主动呼吸的虫子，也有例如海绵和珊瑚这样不能动的滤食性动物。在二叠纪灭绝之前，滤食性动物的种类比虫子更多；在二叠纪灭绝时它们的数量大幅下降，几乎完全灭绝，再也没有恢复；然而这些在泥浆中爬行的家伙虽然也受到了打击，但是却没有那么严重，它们立即恢复了。所以在二叠纪灭绝之后，生态系统发生了彻底的变化。这似乎也正是在寒武纪开端曾经发生的情况：滤食性的埃迪卡拉动物群经历了氧气含量显著下降之后都被消灭了，爬行动物变成了脊索动物；接下来出现了一个充分氧化的世界，捕食行为变得有利，于是所有动物都长出了牙齿、爪子、眼睛、装甲等等。这与氧气有很大关系，但是并不仅仅因为氧气水平上升。我们突然有了一个高度充能的世界，那些能够以某种方式应对泥泞且含硫的恶劣条件的动物，那些能够为其呼吸系统提供自主通风的动物，可以在这些可怕条件下存活下来，然后就有一个星球等着它们去继承。

真核生物首次出现的时候，他们的细胞外氧气分压比较低。接下来到了寒武纪时期大气氧气水平上升——也许在石炭纪时期升幅更大，而真核生物组织中的氧气张力却始终非常低——无论是人类还是螃蟹，我们都故意将体内组织的氧气分压压制得远低于大气当中的氧气分压。这让我想起了约瑟夫.普里斯特利，他经常被认为是氧气的发现者。他宣称：“道德家至少可以说，大自然为我们提供的空气质量和我们应得的一样好。”进化生物学家可能会说我们已经适应了如此低下的氧气分压。普里斯特利的见解实际上领先了时代大约三百年，他率先预测了自由基衰老理论。他认为，“既然蜡烛在去燃素的空气当中燃烧得更快”——“去燃素的空气”就是氧气——“那么在这种纯净的空气中，我们也有可能会活得太快，动物的力量很快就会耗尽。”换句话说，如果你呼吸纯氧，那么你的生命之烛就会很快燃尽。突然呼吸纯氧的动物将会更快地衰老和死亡。那些出现在氧化世界的寒武纪动物标志着衰老的开始：衰老也与细胞处理氧气与克雷布斯循环的方式密切相关。

这是我很想向你们展示的最后一张幻灯片。画面上这位是奥托.沃伯格/Otto Warburg，今年是他的诞辰一百周年。奥托.沃伯格不仅是克雷布斯的导师，而且还身为犹太人活过了二十世纪三十年代的纳粹德国统治时期，因为他告诉希特勒他能治疗癌症，而希特勒显然非常害怕癌症。当然，他没能治愈癌症，但是他确实提出了众所周知的沃伯格效应。他认为癌细胞某种程度上回到了原始表型，并不呼吸氧气，而是通过发酵来获取能量。这不是真的，但是在克雷布斯循环的层次考虑癌细胞的生物化学机制确实很有启发。随着我们变老，呼吸作用会不断减弱——倒不是说我们一定喘不上气来，而是说细胞里的线粒体的呼吸作用会减弱，膜上的电荷开始变低，制造更少的ATP，供应更少的能量，然后克雷布斯循环开始转向另一个方向。当我们变老时这个过程一直在我们的许多细胞中发生——现在我就感觉它正在发生在我身上。那么为什么癌细胞的呼吸作用也会变弱乃至逆转？因为癌细胞不需要能量，它们需要的是分子：它们需要氨基酸，它们需要糖，它们需要核苷酸，它们想要生长，它们想要增殖。因此癌症细胞经常选择类似产甲烷菌的代谢方式，也就是生命历史的最初20亿年的无氧代谢方式。这种代谢方式现在仍然在我们自己的组织中发生。这一点是过去十年左右我们在抗癌领域的最大领悟：治疗癌症不仅仅要考虑哪些基因发生了突变，还要考虑代谢机制以及我们可以尝试做些什么来纠正这种代谢。我担心这些事情，我思考这些事情，我能采取的最有效手段正如我的祖母无疑会告诫我的那样——锻炼身体，多吃绿色蔬菜。这大概就是最好的办法了。我就用这条家常智慧结束我的报告吧。

我必须感谢我实验室的同事们。我今晚没有展示我们取得的任何数据，今晚不是展示数据的时候。但是照片里的他们全都人手一张克雷布斯循环示意图。这是几年前他们送我的生日礼物。他们当中有些人已经离开了我的团队，但他们都参与了试图重建地球生命历史的疯狂项目，对此我非常感激。我要感谢各位金主，也要感谢大家的聆听。希望我没有超时太多。