尼克·莱恩是一位杰出的英国演化生物学家，因其在生命起源与演化领域的研究而获多项大奖，包括2015年的生物化学学会奖。他是CLOE生命起源研究计划项目的领头人，同时也是多个学会的成员。莱恩在科学传播方面也有卓越贡献，获得过多个科普传播大奖，如迈克尔·法拉第奖。他的作品广受好评，其中一本获得了英国皇家学会科学图书奖，并被评为年度最佳图书。他是一位充满激情的科学家，对生命科学领域有着深刻的理解和独特的见解。

世界上第一只眼睛何时出现？ 根据化石记录，第一只真正的眼睛突然莫名其妙地出现在5.4亿年前，也就是寒武纪大爆发开始的时候，那时候，几乎所有现存的动物门都毫无征兆地出现了。 距今2.5亿年的大灭绝中，95%的物种都消失了，随后出现了我们生活的世界。 二叠纪大灭绝一下子就抹 去了地球上约95%的物种，少数幸存下来的物种中包括现代哺乳动物的祖先和现代鸟类的祖先。 从真菌到哺乳动物，都使用同一套遗传下来的机制控制寿命。 这类与寿命有关的基因的突变，不仅可以延长寿命，还可以延缓甚至避免与衰老相关的疾病。只要在一个基因上面发生一个突变，就足以增加一倍寿命，同时又能让高龄疾病“暂停”发作。 最新研究成果表明，生命进化的过程并不如达尔文设想般徐徐展开，有序进行，而是在某些瞬间，生命会发生剧烈而壮观的变形，这些喷涌而出的生命新形式改变了整个地球的样貌，并使我们的诞生成为可能。 尼克·莱恩以其深厚的专业功底，立足基因科学新发现，书写了全新的生命史诗。翻开本书，颠覆你对进化的旧认知。 （本书旧版出版书名为《生命进化的跃升》。）

地球自转38亿年前开启了生命的起源之旅，描绘了生命在极端环境中诞生的历程。细菌作为地球上第一个生命形式，繁衍生息了数十亿年。科学家们通过米勒-尤里实验等实验，发现了有机分子，为生命起源提供了线索。同时，原始汤假说认为生命起源于地球上的原始海洋，尽管这一假说受到质疑，科学家们仍在探索生命起源的奥秘。

海底热泉的研究为生命起源提供了新的线索。这些热泉能够释放氢气和二氧化碳，在特定地质条件下，这些气体能够合成有机分子，为生命的起源提供了可能性。热泉产生的多孔岩石结构不仅提供了反应场所，还含有催化反应的矿物质。科学家们认为，这些热泉可能是一个天然的“生命反应器”，在地球早期环境下，通过化学反应合成复杂的有机分子，为生命的起源奠定了基础。

碱性热泉在地球早期可能孕育了生命。这些热泉释放的气体在特定条件下能够合成有机分子，为生命的起源提供了可能性。同时，热泉产生的多孔岩石结构含有催化反应的矿物质，为化学反应提供了场所。

化学渗透说这一生物学中的重要理论，揭示了细菌如何通过质子穿过细胞膜的运动来生存。这一理论由诺贝尔奖得主彼得·米切尔提出，解决了细菌如何利用ATP、氢与二氧化碳的反应来生存的问题。通过化学渗透，细菌能够将能量转化为ATP，这一过程在呼吸作用中得以体现。这一理论让生命在地球上的存在成为可能，并揭示了生命共祖露卡可能是一个由矿物细胞组成的岩石迷宫，依靠铁、镍和硫所组成的催化剂墙壁以及天然的质子梯度而生存。

第一章 生命的起源

DNA，作为生命的密码，自沃森和克里克揭示了其双螺旋结构以来，为我们开启了生命奥秘的大门。从DNA序列的解码到复制机制、碱基配对和遗传密码的解码过程，科学家们逐步深入了解了生命的奥秘。同时，基因组的多样性和人类与其他生物的亲缘关系也成为了研究的焦点。

尽管DNA序列的排列和密码的安排仍然充满未知，科学家们将其称为“冻结的偶然”，但这一系列的研究为我们提供了揭开生命起源之谜的宝贵线索。生命的密码系统在地球生命的起源中发挥了关键作用。通过研究遗传密码，科学家们揭示了其背后的复杂模式，探讨了其起源。

RNA作为催化剂在生命起源中扮演了重要角色，而碱性热泉环境则为RNA的形成提供了理想条件。DNA复制系统的进化历程也为我们理解生命起源提供了线索。科学家们发现，RNA式的生命在矿物细胞中通过互助合作得以进化，DNA的发明可能并不困难。

马丁和罗素在2003年提出的关于古细菌和真细菌起源的假说，认为这两类细菌的共祖并非自由生活的有机体，而是被困在多孔矿物岩石区的自我复制体。这一假说与库宁的观察结果相吻合。马丁和库宁进一步探讨了基因与基因组起源于碱性热泉的可能性，提出古老矿物细胞的生命周期可能与现在的反转录病毒类似。

这一理论为生命起源提供了线索，但关于生命进化过程中的一些细节，如生命在碱性热泉口是否进化了两次，仍存在疑问。尽管如此，这些研究为我们提供了宝贵的启示，让我们对生命的起源和进化有了更深入的了解。

第二章 DNA

光合作用，作为地球上生命存在和繁荣的基石，对地球环境产生了深远的影响。它不仅赋予了地球丰富的绿色植被和蓝色海洋，更为地球带来了清洁的空气和生机勃勃的海洋生态。若没有光合作用，地球将无法维持生命的基本需求，成为一片荒芜之地。

光合作用的本质是将光能转化为化学能，这一过程从叶绿素吸收光能开始，经过电子传递，最终将二氧化碳转化为糖。在这一过程中，科学家们深入研究了电子转移的机理，以及特定化合物对电子的化学亲和力。同时，他们还追溯了光合作用的历史，包括叶绿体的起源和蓝细菌的研究，通过分析细菌和植物的光合作用系统的分子结构，揭示了光合作用复合物的详细构造与形状。

在光合作用的发展历程中，光系统Ⅱ的作用至关重要。在早期大气中臭氧层缺失时，紫外线容易穿透海水，对锰和铁产生电子的挑战，影响了光系统Ⅱ的效率。然而，细菌通过锰原子作为抗氧化剂，中和紫外线辐射，但产生的多余电子却堵塞了电流循环。为了解决这个问题，艾伦提出了一个假设：让两个光系统同时运作，电子可以从锰原子流向光系统Ⅱ，再通过光系统Ⅰ合成ATP，实现能量的高效利用。这一过程被称为Z型反应，是放氧光合作用的关键。

放氧复合体，由锰和钙原子组成，负责分解水分子并释放氧气，对地球生命的繁荣和能源危机的解决具有重要意义。这一复合体的存在，使得地球大气中的氧气浓度逐渐增加，为多细胞生物的出现和繁衍提供了条件。

然而，光合作用的产生并非易事，它需要特定的环境条件和原料。在光合作用的过程中，电子转移和能量转换的效率直接影响着光合作用的效率。因此，科学家们不断探索提高光合作用效率的方法，以应对全球能源危机。

通过深入研究光合作用的机制，科学家们希望能够揭示光合作用的起源之谜。尽管目前对光合作用的起源仍有争议，但新技术和实验的开展正在逐步解开这个谜题。

总之，光合作用是地球上生命得以存在和发展的关键。它不仅为地球带来了绿色和蓝色，更为地球带来了丰富的资源。在人类面临能源危机和环境保护的今天，研究光合作用的意义更加凸显。我们期待着科学家们能够继续深入研究，为人类社会的可持续发展提供更多的科学依据。

第三章 光合作用

细胞进化历程中，细菌向真核细胞的转变是一个显著节点。真核细胞具有细胞核和复杂的细胞器，与细菌的简单结构形成鲜明对比。这一转变不仅引发了寒武纪大爆发，也带来了生命的多样化形态。科学家们通过基因序列分析绘制生命树，揭示了生物间的亲缘关系，但真核细胞的出现时间仍存在争议。

真核细胞起源的复杂性体现在分子时钟的不稳定性和真核标志基因的快速进化，这使得其源头难以追溯。然而，真核细胞和细菌共有的基因为我们提供了关于细胞核心程序的信息，这些基因进化速度较慢，易于分析。美国微生物学家卡尔·乌斯基于核糖体RNA序列构建的生命树揭示了生命的三大域：细菌域、古菌域和真核细胞域。但进一步研究发现，真核细胞中存在基因融合现象，使其更像是一个“嵌合体”。

关于真核细胞的起源，科学家们提出了多种假说，如“原始吞噬细胞”假说和“命运邂逅”假说，但都尚未得到证实。线粒体中的部分基因可能因为其在控制呼吸作用中的关键角色而保留下来。细菌和古细菌在呼吸作用上的限制，可能是它们无法发展成吞噬细胞的原因。

细胞核的起源和真核细胞的发展是文章探讨的重点。真核细胞的基因结构复杂，包含许多冗长的非编码序列，即内含子，这些内含子可能源自跳跃基因，这种基因会复制自己，影响其他基因组。真核细胞利用内含子组合成多种蛋白质，并解释了细胞核的作用。文章还强调了线粒体在细胞进化中的关键作用，以及两个原核细胞之间的合作如何开启吞噬作用，并造就了真核细胞和丰富多样的生命世界。

第四章 复杂细胞

性生殖是一种独特的生殖方式，它不仅能够打破基因组合的优劣，还能创造新的、有益的基因组合。这种看似无益的生殖方式，实际上让生物族群在自然选择中不断进化，使生物能够更好地适应环境、抵御疾病，甚至产生天才。然而，性生殖也伴随着风险，如遗传病、性病等。尽管如此，它仍是地球上复杂生命存在的关键，让世界充满生机与欢乐。

生物的生殖方式经历了从无性生殖到有性生殖的转变。有性生殖在遗传多样性、适应环境变化、抵御寄生虫等方面具有明显优势。通过对比分析，我们可以了解到有性生殖的起源和进化过程，包括红皇后理论、穆勒棘轮效应等观点，以及不同理论之间的融合。文章强调了性对个体和族群的双重益处，以及性进化过程中的竞争和选择机制。

有性生殖的进化优势主要表现在增加遗传多样性、抵御基因退化以及适应环境变化的能力。文章阐述了性起源的假设，如真核细胞共祖有性生活、线粒体原为独立细菌等，以及性如何通过基因重组和染色体分离等机制帮助生物进化。同时，文章指出性进化的简单性，以及性在适应高变异性、突变概率大和选择压力大的环境中的重要性。

尽管性进化过程看似简单，但其持续存在的谜团依旧困扰着科学家。性生殖的奇特之处在于，它既能打破优胜基因组合，又能创造出新的、有益的基因组合。这种进化方式让生物能够更好地适应环境，抵御疾病，甚至产生天才。然而，性生殖也带来了风险，如遗传病、性病等。

性生殖在地球上复杂生命存在中扮演着重要角色。它让世界充满生机与欢乐，同时也让生物进化出了丰富多彩的形态，成为了生命中最伟大的发明之一。尽管性进化的过程复杂，但科学家们仍在努力解开其中的谜团。

第五章 性

运动在自然界中扮演着至关重要的角色，它不仅帮助动物捕捉猎物，还促进了生态系统的复杂性。古生物学家彼得·瓦格纳指出，运动生物的兴起彻底改变了生物世界的面貌，众多生物由此从海底转移到陆地，开启了一个生机勃勃的新时代。运动催生了多样化的生活方式，包括猎食、牧食、腐食和穴居等，使动物能够根据需要选择合适的地点和时间进行有目的的行为。此外，运动还推动了植物与动物之间的共同进化，例如，开花植物的出现就是植物对新生动物世界的适应。

在分子层面上，肌肉收缩的机制主要依赖于肌球蛋白和肌动蛋白这两种蛋白质。借助电子显微镜和X射线晶体学等先进技术，科学家们揭示了这两种蛋白质的复杂结构及其在肌肉收缩中的关键作用。文章深入阐述了横桥结构的工作原理，以及三磷酸腺苷（ATP）在这一过程中的关键作用。同时，文章还探讨了肌球蛋白和肌动蛋白的进化历程，以及它们在细胞骨架和马达蛋白中的重要作用。这些发现揭示了生命体的精细结构和运动机制的奥秘。

细胞骨架是细胞内部的重要结构，由肌动蛋白和微管蛋白构成。它在细菌中就已经存在，主要功能是维持细胞的形状。尽管细菌和真核细胞的骨架蛋白在基因上差异较大，但结构上却可以完全重叠。细胞骨架具有动力和自我重组的能力，能够推动细胞运动和分裂。肌动蛋白纤维和微管蛋白纤维通过不断的合成和分解，维持动态平衡，产生推力。细胞骨架的运动性在细菌感染、细胞分裂和细胞移动等过程中发挥着至关重要的作用。虽然存在一些有害的细胞骨架变异，如镰刀型细胞贫血症，但细胞骨架的运动性对细胞和生物体的生存至关重要。科学家们正在努力研究细胞骨架的起源和进化，以及其与生命历史的关系。

第六章 运动

眼睛，这一生物进化史上的奇迹，其复杂性与完美性令人惊叹。在众多生物中，仅有少数门类进化出了真正的眼睛，这一现象凸显了其独特性和进化过程中的挑战。眼睛的出现为生物进化带来了显著利益，尤其是在脊椎动物门中。

文章深入探讨了眼睛的进化历程，从最初的简单裸露视网膜到现代复杂的视觉系统。章鱼和盲虾等生物的眼睛结构研究揭示了视觉进化的复杂性和多样性。同时，视觉在进化过程中的作用以及视觉对动物和人类文化的影响也得到讨论。

三叶虫的成像眼睛可能是寒武纪大爆发的关键因素。当时，环境变化使生物摆脱了体型限制，但小型动物难以进化出复杂眼睛。大气和海洋氧气浓度升高，促进了大型动物的出现，也为眼睛的进化提供了可能。科学家通过模型计算发现，眼睛的进化可能仅需不到40万年。

晶状体的形成引起了广泛关注，尽管其成分看似平常，但在生物体中扮演着重要角色。海鞘等生物的晶状体形成机制可能为理解脊椎动物晶状体的进化提供了线索。视紫红质这种感光蛋白在动物界普遍存在，其存在可能表明了生物进化中的某种共同起源。

格林的实验揭示了Pax6基因在动物眼和脑发育中的关键作用。这一基因存在于几乎所有脊椎动物和无脊椎动物中，甚至在水母体内也有类似基因。研究发现，感光细胞在脊椎动物和无脊椎动物的共祖身上进化过一次，并在同一小群基因的控制下发展。海生沙蚕作为两侧对称动物的活化石，其感光细胞结构和视紫红质揭示了这一进化历程。人类视网膜神经节细胞的研究也证实了这一点。

视蛋白的结构和基因序列表明，所有动物眼睛的祖先可能来自藻类。这一发现揭示了生命演化的奥秘，并引发了关于眼睛起源和进化的更多疑问。

第七章 视觉

热血动物，如哺乳类和鸟类，具有高效代谢和高生命力，这使得它们在极端气候中更易生存。这种能力源于其能产生更多内在热量，并且相较于冷血动物，它们有更高的有氧能力和更强大的器官功能。然而，这种生活方式也意味着更高的能耗和风险，需要付出更多代价以维持生存。

追溯至2.5亿年前的三叠纪，兽孔类动物是地球上的主要物种，其中水龙兽是一种类似猪的草食动物。随后，犬齿兽逐渐取代了水龙兽，哺乳类动物也在三叠纪晚期出现。科学家们对恐龙的起源和进化进行了深入研究，发现鸟类可能是兽脚类恐龙的后代。通过分析霸王龙的胶原蛋白序列，科学家们证实了鸟类与恐龙的亲缘关系。兽脚类恐龙的高效呼吸系统与鸟类相似，尽管关于恐龙是否为热血动物，科学家们仍有争议。

二叠纪大灭绝后，地球气候特点为高二氧化碳浓度、低氧气浓度和干燥气候，这对生物的生存构成巨大挑战。在这样的环境下，恐龙通过进化出高有氧能力和特殊呼吸系统，成功生存并最终成为地球霸主。此外，文章还探讨了恐龙为何能长得如此巨大，素食主义者在进化史上的作用，并提出了关于热血动物进化原因和大型动物新陈代谢效率的假设和疑问。

热血动物的代谢速率和生命力之间的关联揭示了其在极端气候中的适应性。相较于冷血动物，热血动物在生存竞争中具有明显优势。然而，这种生活方式也带来了高能耗和高风险。通过对热血动物和冷血动物生活习性的对比，我们可以深入了解热血动物的独特生活方式及其在进化过程中的优势与代价。

第八章 热血

意识的起源和本质一直是哲学和科学研究的焦点。科学尝试解释心智与大脑的关系，以及进化论在心智发展中的作用。目前，科学家们在意识的定义、形式及其与大脑的互动上仍存在分歧。然而，通过神经学、心理学、哲学等多学科的研究，我们正逐步揭开意识之谜。

大脑如何将外界世界的影像拼凑成完整的图像？这一过程涉及将线条和颜色组合成条纹，识别不完整的轮廓，最终根据经验完全识别出物体。克里克和科赫提出了“意识神经”的概念，试图寻找与意识感知有关的神经信号模式。达马西奥认为，意识来源于对自身身体状态的感知，并通过神经投射和身体信息相互作用。埃德尔曼则提出了神经达尔文主义和神经回路振荡的概念，强调经验在大脑发育中的重要性。

然而，关于意识如何产生感觉，以及感觉的本质是什么，目前仍是一个未解之谜。对量子心智理论的怀疑主要集中在其合理性上，如量子振动如何跨越突触的鸿沟，以及意识是否真的存在相干性的宏量子态。此外，文章还探讨了意识与神经退化疾病的关系，如阿尔茨海默病和微管的变化。

量子意识理论未能解决的问题包括感觉的产生、神经递质对意识的影响以及感觉的真实性。作者认为，感觉可能是由神经产生的，而非物质的基本特性，并强调了实验在研究意识中的重要性。文章还讨论了意识的分布范围，包括人类和其他动物，指出意识与生命和死亡有关，而非仅限于人类复杂心智。

第九章 意识

在生物进化过程中，死亡扮演着不可或缺的角色。从细菌到人类，程序性死亡和多细胞生物的细胞死亡都是生物体更新和族群繁衍的关键。个体死亡对族群有益，因为年轻、健康的个体得以继承基因。然而，人类寿命的延长带来了新的挑战，如衰老和疾病。

生物学家乔治·威廉姆斯提出基因多效性理论，认为某些基因具有双重影响。以亨廷顿舞蹈症为例，这些基因在带来好处的同时也可能导致疾病。文章进一步探讨了衰老与疾病的关系，指出许多疾病与基因相关，但并非衰老的直接原因。

控制生物化学反应有助于延缓衰老，而热量限制被认为可以降低自由基泄漏，从而减缓衰老过程。自由基在生物体衰老过程中发挥着重要作用，其泄漏程度与寿命长短密切相关。研究显示，鸟类和蝙蝠等生物的自由基泄漏程度低，寿命更长，且不易患衰老相关疾病。

自由基泄漏速率与生物年龄相关，泄漏快则退行性疾病发生快，反之则延缓。文章探讨了自由基如何改变细胞状态，以及细胞如何应对这种慢性压力状态。此外，热量限制被认为可以降低自由基泄漏，从而减缓衰老过程。

了解衰老背后的机制对于对抗老年疾病至关重要。从进化角度思考问题，有助于我们更好地理解生物体的衰老过程。通过控制生物化学反应、热量限制等方法，我们或许能够延缓衰老，提高生活质量。

第十章 死亡

电影史上著名的镜头，数学家布鲁诺夫斯基在奥斯维辛集中营的湿地讲述科学与人性的关系。他认为科学并非导致奥斯维辛悲剧的元凶，而是自大、教条和无知。他强调科学的个性化与人性化，认为科学是基于错误边缘的判断和经验的积累。书中探讨了证据的可错性，科学知识的不断检验和修正，以及生命进化论的真实性。尽管存在争议，但科学的力量在于通过实验和观察来解答问题，拼凑出完整的生命图景。



40亿年地球生命简史