# 贝图尔·卡查尔：生命起源、古 DNA、胚种论与外星人

> 生物学家贝图尔·卡查尔谈生命起源的实验探索、古 DNA 研究、胚种论与外星生命可能性。

- 原标题：#350 – Betül Kaçar: Origin of Life, Ancient DNA, Panspermia, and Aliens
- 期数：第 350 期
- 发布日期：2022-12-29
- 嘉宾 / 主题：贝图尔·卡查尔：生命起源
- 网页版：https://lexfridman-cn.pages.dev/ep/betul-kacar/
- 官方页面：https://lexfridman.com/betul-kacar/
- 精读字数：约 5727 字（阅读约 13 分钟）

> 本文为 lex.qiaomu.ai 基于原始访谈的 AI 改写中文精读，非官方翻译；引用请注明出处并链接网页版。

地球上所有活着的细胞，从人肠道里的大肠杆菌到蓝鲸的肌肉纤维，用的都是同一台机器。这台机器读四个字母，把读到的序列翻译成二十种氨基酸，再折叠成能干活的立体结构。它只有一个起始信号，永远是同一个，甲硫氨酸；它有三个终止信号，用来告诉工厂这活干完了。

翻任何一本教科书，那套 64 个密码子对应 20 种氨基酸的表格，在细菌身上和在人类身上没有任何偏差。四十亿年的分岔、灭绝、重组之后，这一页表格没动过一个格子。

贝图尔·卡查尔（Betül Kaçar）在威斯康星大学做天体生物学，博士念的是化学，现在做的事是拿今天的基因序列往回推，把几十亿年前的蛋白质在实验室里重新合成出来。她管这段历史叫“雾”，越往远处看雾越浓，但她偏偏喜欢往最浓的地方走。

## 生命之树最浪漫的地方，是它必须从枝头倒着画

卡查尔说，系统发生树可能是生物学里最浪漫、最漂亮的一个概念。它把生命之间的亲缘关系画成一张图，所有活着的东西都站在这张图不同的枝头。

但这棵树有个容易搞反的地方。你以为是先有根，再有枝，其实画的时候是反的。你先看到的是枝头，是今天活着的这些生物身上拿到的东西。根在哪里，是由枝头上放了什么决定的。

所以做古基因重建的人，干的是逆向工程。手里只有叶子，要猜树干长什么样，要猜那些早就死透的祖先当年靠什么活着。卡查尔的原话是，先看今天有什么，然后开始反推，往时间的上游走。

树的解析粒度也可以自己挑。想搞清楚某段 DNA 是不是在进化路上从别的物种那儿偷来的，就按这个目的建一棵树；想复活一段古蛋白，就同时建三棵，一棵用基因序列，一棵用蛋白质序列，一棵用物种关系，然后互相对照。三棵树说法一致的地方，可信度就高一些。

## 侏罗纪公园拍不出来，真正有意思的部分比恐龙早得多

Lex 直接把那个没法正经问的问题扔了出来：侏罗纪公园有多现实？

卡查尔的回答里藏着一个转向。她说恐龙也好，那些大型哺乳动物也好，等她真正关心的东西出场时，这些早就演完了。她感兴趣的是两段时间。

第一段是生命起源，第一个细胞长什么样。第二段是某些漫长的地质时期里，看上去什么重大创新都没发生，也没在岩层里留下任何记录。她想知道的是，那些空白里到底丢了什么。

这里面有一串被大众忽略的事件。光合作用，真核细胞，多细胞生物，还有那次把整个星球大气改写的氧气事件。全部发生在这类“原始长相”的单细胞身上，全部没有好记录。你我今天能坐在这儿对话，靠的就是这些事件。

人类对这颗星球过去的生物学创新，理解得极少。手里只有两类材料：岩石里留下的印痕，和用今天的序列推出来的树。地质学给一点，生物学给一点，两边都有各自的盲区，中间那段得靠推理缝起来。

## 生物学这门学问，最麻烦的地方是它会自己擦掉自己的历史

卡查尔讲了一句很实在的话：生物学研究的，广义上讲就是幸存者。你手里只有活到今天的这些东西，然后试图用它们拼出一部历史。

DNA 是一份四十亿年的产品，是一团非常活跃、一直在变的化学物质。它会给你信息，但前提是你知道该往哪儿看。因为它一直在响应环境，一直在重写自己。

这就导致一个别的历史学科没有的困境。地质学家能去看地层，考古学家能去挖遗址，生物学家的“史料”本身就带着篡改痕迹，而且篡改得很勤奋。

Lex 用了“雾”这个比喻，卡查尔接了过去。她说确实很雾，而且越往远看越雾。

## 细菌不需要人类的道歉，它们需要的是被承认

聊到这里，卡查尔主动替细菌说了几句好话。她说细菌一点都不原始，我们今天看到的细菌，是几十亿年残酷筛选之后的胜出者，比任何大型动物都更老练、更抗折腾。

她还引了道格拉斯·亚当斯那句玩笑：人类不喜欢自己的祖先，很少请他们来家里吃饭。可细菌就在你的饭里，在你的肠道里，一路帮你把日子过下去。某种意义上，它们自己找到了被邀请的方式。

这句话不是单纯的幽默。它背后有个认知上的坑：人们习惯把“简单”和“原始”划等号，觉得单细胞是低配版的生命。实际上单细胞是一个在极端环境里跑了几十亿年、从没宕机过的系统。复杂度的评价标准如果是“能不能活下去”，那赢家一直是它们。

## 实验室里养的那几只“宠物”，各自负责回答不同的问题

卡查尔实验室的工作方式很直接：改造细菌。选谁当对象，取决于想问什么。

想连接生物学和地质学，搞清楚几十亿年前那些基础创新，蓝细菌（cyanobacteria）是首选。它的基因组可以改，可以往里塞设计好的外源 DNA，改动它自己的代谢功能。

想搞清楚细胞最基本的功能，用大肠杆菌。这是研究得最透的模式生物，做克隆、做基础验证都靠它。

还有一类叫固氮菌（diazotrophs），专门负责把大气里的氮变成生物能用的形式。她们的做法是把一条用计算和系统发生工具“复活”出来的古老固氮代谢通路，装进今天还活着的固氮菌里。

## 整个生物圈只发明过一次固氮，碳的路子却有七八条

氮气在空气里占了差不多八成，但那个三键稳得离谱，细胞没法直接用。要把它变成氨，才能进入下游的代谢。这个过程叫固氮。

氮的重要性容易被低估。它在 ATP 里，在叶绿素里，是生命用量最大的元素之一。地球上有大量含氮的化合物，缺了这一道转化，全部堵在门口。

关键点在这儿：到目前为止，人类只知道一条生物固氮路径。对比一下碳，微生物发明了七八种不同的固碳方式，各走各的路。氮这边，地质时间尺度上看，就一个解。卡查尔管它叫“奇点”。

这条唯一的路径大约出现在 27 亿年前，也可能接近 30 亿年。核心是一个叫固氮酶（nitrogenase）的酶，配合电子供体、ATP，还有大量的氢，硬生生把三键撬开。

没有这一步，今天的世界不存在。Lex 问，如果生命没发明固氮会怎样。卡查尔的回答很干脆：她想不出另一种可能。你我此刻能说话，是因为生命找到了这条路。

## 人类自己也发明了一次，而且现在供应着你体内一半的氮

非生物的固氮方式其实有。闪电就能把大气里的氮变成氨，一场雷雨就是一次小规模的化肥生产。

人类的那次发明大约在一百年前，一战前后，哈伯-博施法（Haber-Bosch process）。原理不复杂，用极高的压力把氮和氢压成氨。今天农业用的尿素来自这个流程，粮食来自这些化肥。

有个数字值得停一下：**人体内的氮，大约有一半来自人类自己合成的氨。** 换句话说，现代人的身体里有相当一部分原子，走的是一条一百年前才被工业打通的路径，而不是那条 27 亿年前演化出来的酶促路径。

卡查尔对此的评价是，人类用最笨的方式复刻了自然最精巧的发明。生命靠一个酶、一堆 ATP、一些氢，在常温常压下完成的事，工业得靠高温高压。这个对比摆在任何一次关于“技术是否已经足够先进”的讨论里，都挺有说服力。

她还提到生命依赖的五种元素：碳、氢、氧、氮、硫。这是一杯鸡尾酒的基本配料。至于这五种是不是宇宙里唯一能撑起生命的组合，她明确说不知道。地球只是给出了一个样本。

## 细胞里真正的中枢，是那台把序列变成形状的机器

访谈的重心在这里转向。卡查尔说，如果只能挑一个子系统来讲，她选翻译机器（translation machinery）。

人们习惯把细胞当成生命的基本单位，但在她看来，细胞里发生的一切，某种程度上都在为翻译服务。有一篇论文的说法是，整个细胞对这种位于核心的信息、计算、生物化学系统“无可救药地上瘾”。

这台机器干的事，是把 mRNA 的线性序列变成折叠好的蛋白质。过程分成起步、延伸、终止、回收几个阶段，每一步都在处理离散的信息单位。

卡查尔给了一个很好用的比喻：它像一台打印机，读图纸，造出三维的实物。Lex 顺着说，更像一座工厂，图纸进去，产品出来。

这台机器由大约一百个不同的组件构成。核心位置是一段 RNA，它同时充当信息载体和酶。剩下的是各种蛋白，靠 ATP 或 GTP 供能，各司其职。

## 拆成五个学科看，它比任何一台人造计算机都难对付

卡查尔把翻译机器拆成五个层面，这一段是她整个思路的骨架。

- **化学的**：构成它的全是化学物质，速率常数、结合亲和力、反应条件，一条都不能越界。
- **物理的**：它要消耗能量，要在真实空间里挪动真实的分子，是个机械活。
- **信息的**：它处理的是比特，是四个字母排出来的序列。
- **计算的**：处理信息的过程中，系统进入一个个离散状态，这本身就是计算。
- **生物的**：复制不完美，于是有了变异，有了遗传，有了演化。

这五层里的任何一层被破坏，系统就塌。速率太快，下一条信息递不进来；速率太慢，整个流程卡死。每个组件都有自己的容错区间，区间外就是崩溃。

卡查尔用了爵士乐队的比喻。所有乐手都在同一个场子里，各自有即兴空间，但整体必须咬合。Lex 说这更像一场派对，每个人都收到邀请，还得跳同一支舞。

对比一下人造计算机，差别很清楚。计算机有信息层，有计算层，但没有化学层、物理层、生物层。更要命的是，**计算机里的信息和功能是松耦合的，翻译机器里两者死死绑在一起。** 序列一变，蛋白质的形状就变，功能就变，没有中间商。

## 这台机器可以被整个拔出来，放进试管里照样工作

有个实验事实很能说明问题。把翻译机器从细胞里取出来，放到无细胞体系里，它照样翻译。它不需要细胞的其他部分配合，只需要有人喂给它信息。

这一点挺关键。它说明翻译机器在功能和结构上有相当的独立性，不是一个必须依附于完整细胞才能存在的脆弱环节。这让研究它变得可行，也让“在实验室里从零造一台翻译机器”这个目标看起来不完全是妄想。

但卡查尔承认，这个目标还没实现。她还提了一句，做生命起源的化学家一直在找那个“锅”，一锅下去能煮出这套东西的配方，到现在也没找到。因为这套东西远不止化学。

说到“锅”，她解释了一下什么叫单锅化学（single-pot chemistry）。就是你把这套配方需要的所有原料按比例扔进一个容器，知道在什么环境下会得到什么产物。到这一步，运气就不参与运算了，输入决定输出，像一道已经解出答案的数学题。

她把这类化学家称作某种厨师。他们不是碰运气，是在设计一份能重复的菜谱。

## 那张遗传密码表，是生命的字母表

访谈里有一段非常适合边看边听。Lex 调出了标准遗传密码表，圆盘形，外圈是二十种氨基酸，内圈是碱基组合。

四个字母，三个位置一组，4×4×4，一共 64 个可能的状态。生命的做法是：拿掉一个起始信号和三个终止信号，剩下的用来编码 20 种氨基酸。

起始信号只有一个，AUG，对应甲硫氨酸。卡查尔对这一点特别着迷：**所有生命从同一个起始码开始，没有第二种写法。** AUG 一到，翻译机器就知道，功能要来了，后面跟着的是一串信息，直到终止码出现。

终止信号有三个，在表上用黑方块标出来。也就是说，开始只有一种方式，停下来有三种方式。

那 20 种氨基酸是从哪儿挑出来的？自然界已知的氨基酸有 500 种左右，生命只用了 20 种。为什么是这 20 种，没人能给出确定答案。卡查尔说，别指望四亿年，四十亿年也没给出解释，可能还得再等四十亿年。也可能早期根本不是这 20 种，只是我们无从验证。

## 密码表的冗余不是浪费，是给错误留的缓冲

64 个状态只用掉 20 个编码加 4 个起止，三分之二的位置看起来是空转。卡查尔说，从信息学角度看，这恰恰是这套系统的精髓。

一个氨基酸往往对应两到四个不同的密码子。赖氨酸（K）可以由 AAA 编码，也可以由 AAG 编码，第三个位置的字母错了，产物还是赖氨酸。

这就是密码子的简并性。**它意味着消息可以带错字，但意思还能传达出去。**

把这件事放到整个系统的层面看，你会发现容错是层层嵌套的。信息层有冗余，计算层有冗余，化学层有容错区间，生物层更是直接把错误变成了演化的原料。一个系统在五个层面同时留了后路，这才是它跑了四十亿年没停机的真正原因。

至于自然选择是怎么把这套冗余挑出来的，哪种错误能保住功能、哪种会导致失能，人类的理解还非常有限。卡查尔说得很坦白，这是生物学里最难的问题之一，是生物学的暗面。它如此基础，我们对它的演化机制却几乎一无所知。

## 做古基因重建，和解码一门死语言是同一套方法

卡查尔在这里给了一个跨度很大的类比，也是整场对话里最漂亮的一段连接。

研究已经消失的语言和文明，起点是今天的语言。拿印欧语系各支做对比，一个词一个词地推，建一棵语言树，最后反推出那个共同祖先怎么说“雪”。

如果很多支文化里都有专门指雪的词，你就能推断，他们生活的地方会下雪，否则不需要这个词。

生物学干的是同一件事。搞清楚某个古老酶的功能，就能推断它主人当年活在什么环境里。基因序列是词，蛋白质功能是词的意思，环境是说话的人所处的世界。

生命之树和那张密码表，在这个框架下其实是同一件事的两种视图。密码表是字母表，64 个状态，20 个成品字。生命之树是这四十亿年里写下的全部文本。你今天看到的每一个物种，都是这套字母表在环境压力下写出来的一篇文章。

卡查尔的落点很克制：理论上，用这套语言可以描述地球上存在过的所有生命。实际上，我们的水平离这个目标还差得远。

## 如果别处也有生命，它会不会也发明同样的东西

作为天体生物学家，卡查尔真正在追问的是一个更硬的问题：生命的哪些部分是被地球环境逼出来的偶然，哪些是任何地方的生命都绕不开的必然。

固氮这件事给了她一个线索。整个生物圈只发明了一次，之后再也没有第二种写法。这种“唯一解”的现象，暗示某些生化路径可能是被化学和热力学严格限定的，换一个星球，未必有别的选择。

翻译机器更是这样。一个把信息与功能直接耦合、在五个层面同时容错的系统，很难想象有更省事的替代方案。

但她没往下断言。她反复说的一句话是，我们只有一个样本。这既是对科学边界的诚实，也是这门学科真正的吸引力所在：想搞明白哪些是偶然，唯一的办法是找到第二个样本。

## 可以马上做的几件事

- 把标准遗传密码表打印出来贴在桌上。看几天之后，你会开始理解为什么起始码只有一种、终止码有三种，这种不对称本身就是信息。
- 去 NCBI 用 BLAST 跑一段你自己的基因，或者直接从网上找一段人类细胞色素 c 的序列，跟酵母、水稻的同源序列比对。你会亲眼看到四十亿年的分歧在序列上留下什么痕迹，比读十篇综述都直观。
- 找一本讲早期地球化学的书来读。卡查尔反复强调的一件事是，不懂化学就没法碰生命起源，这门课绕不过去。
- 关注卡查尔实验室的公开论文和访谈。她做的是把古蛋白真的合成出来、装回活细胞里观察，这种“复原再造”的路子，比纯计算推断更有说服力。
- 下次看到“某个古代特征被重建”的说法，先问一句：它是从今天的数据往回推的，还是有独立证据？雾很浓，方法论是唯一的手电筒。