馬卡倫猜想植物形成于4.4-4.1億多年前的志留紀或更早的海中,是相當天才的看法,他猜想的時間與5億2千萬年前的寒武紀也相差不遠。不過他覺得的那時海水中的含鹽量是現今的三分之一的看法是不正確的,由于在過去的起碼15億年中,因為各類從海水中除鹽的機制,包括被隔絕下來的海水被煮熟產生銅礦,風將大量海水微滴吹離大海,以及海水與深層巖石之間的互相作用等,海水中的含鹽量并沒有明顯降低,也就是和現今差不多。
馬卡倫的另一個看法,即最早的生物是在鉀高鈉低的環境中生成的,也得到了后來科學研究的支持。現今月球上所有生物的細胞內都是鉀高鈉低,沒有任何生物的細胞內鈉高鉀低,說明細胞內鉀高鈉低的狀況很可能是原初生命產生的水環境狀況的遺留。不過要進一步證明這一點,還須要檢查細胞內最原始的蛋白質是否真的須要鉀,而不須要鈉。假如最初的細胞真的是在鉀高鈉低的水環境中產生的,那這種蛋白應當在含鉀的氨水中發揮功能,而不是在含鈉的氨水中。
為了證明這一點,俄裔德國科學家庫寧(,1956-)及其朋友檢測了各類生物體內的蛋白質。在所有生物中都存在的蛋白質被覺得是最古老的,而只存在于個別生物,不存在于其他生物的蛋白質就很可能不是最原始的,由于它們多半是生物分化以后才在其中一些生物中出現的。
這樣的原始蛋白大約有60個。對這種蛋白功能的測量表明,有若干這樣的蛋白,比如合成蛋白質時須要的轉譯延長因子EF-Tu和EF-G、幫助蛋白質分子折疊成為正確空間結構的伴侶蛋白GroEL和GroES、合成磷脂(組成細胞膜的主要成份)的關鍵酶CDP-二甘油酯合成酶等,都須要有鉀離子能夠發揮其功能。而在這60個最古老的蛋白中,沒有一個的功能是須要鈉離子的。
蛋白質和核苷酸都是生物大分子,它們的功能須要非常的空間結構,而空間結構的產生與許多誘因有關,其中就包括與各類金屬離子之間的互相作用。最原始的蛋白須要鉀而不是須要鈉以執行其功能,說明它們是在含有鉀離子的水氨水中產生的。而它們對鉀離子的須要一旦產生,就不可能再改變,雖然細胞外的環境已然像海水那樣變為鈉高鉀低的。所以細胞內鉀高鈉低的狀況是原初生物生成環境留下的遺跡。
不過,這樣一來就出現了幾個有待解答的問題……
鉀高鈉低的水環境在那里?
馬卡倫正確地強調原初生命是在鉀高鈉低的水環境中形成的,并且放眼現在的自然環境,幾乎所有的水,包括海水、河水和河水,都是鈉高鉀低的,他想像的鉀高鈉低的水環境在哪些地方?
為了解釋原初生命形成時水環境鉀高鈉低的狀況,科學家們提出了兩種可能性。
一種是比35億年更遠古的地幔。這樣的地幔在月球上因為藍籌股運動早已無法找到,并且卻保留在地球上。因為地球是大概45億年前一個火星大小的星球和月球翻車產生的,當時的月球應當和地球有相像的地幔組成,巖石含有鉀和磷,稱作KREEP巖石,其中的K代表鉀,REE代表稀土元素,P代表磷。假如液態水在KREEP那樣的巖石上產生,風化過程就應當提供一個含有鉀和磷的水環境,非常有利于生命的產生。
另一個可能性是上面提到的科學家庫寧提出的,即熱泉蒸氣冷凝所產生的水。鉀離子比鈉離子大得多,比較容易被蒸發的水份子“夾帶”,步入蒸氣中。這樣蒸氣在冷凝之后,才會產生鉀高鈉低的水。這個假說也得到了實地觀測的否認。諸如在乎大利的熱泉冷凝水底,鉀離子的含量就是鈉離子含量的32倍。在日本加洲的一處熱泉,冷凝水底鉀離子的含量居然是鈉離子含量的75倍!由于地幔在幾十億年前就大部冷卻,如今這樣的熱泉并不多,而且在月球產生的初期,地幔仍未充分冷卻的情況下,應當是好多的。
為何同樣的環境培養出了不同的喜好?
既然所有生物的先祖是在鉀高鈉低的環境中產生的,這么在后來產生的植物和動物中,為何植物喜好鈉離子,動物卻躲避鈉離子呢?
這是由于植物充分借助了環境中(也就是細胞外)高含量的鈉離子,比如控制汗液的容積,控制血糖,獼猴桃糖和多肽的吸收(用細胞外的鈉離子把獼猴桃甜度子和多肽分子“攜帶”進細胞)等。而且植物對鈉離子最重要的借助,還是形成神經脈沖細胞膜離子通道,也就是順著細胞膜快速傳遞的聯通號,而這主要是由細胞外的鈉離子在細胞遭到剌激時步入細胞所觸發的。
神經系統的出現給植物以極大的優越性,使植物就能快速地在身體各部份之間遠距離傳輸訊號,使胸肌收縮,讓昆蟲才能行動,成為“動”物。神經系統的進一步發展還形成了覺得、意識、情緒、思考和智力,我們人類就是神經系統高度發展的產物。植物須要鈉離子,最主要的誘因就是動物的神經活動須要鈉離子。其實動物體內的鈉離子也不是越多越好,血液中鈉過多會造成水潴留和血糖下降,鈉離子步入細胞也對細胞的生理活動有害,所以多余的鈉離子必須被排出體外。植物是通過排汗和排泄來達到這一目的的。
而動物沒有神經,不須要用細胞外的鈉離子來吸收獼猴桃糖和多肽那些可以自身合成的分子,因而動物對鈉離子沒有需求。
鈉離子的存在對于動物來說都會導致比在植物頭上更嚴重的問題。動物須要通過莖稈上的氣孔來吸收光合作用所須要的氣體,但同時水份也會通過氣孔蒸發出去,這些蒸騰作用在給動物降溫上起了重要作用。并且動物的蒸騰作用與植物流汗或排泄不同:蒸騰作用只會使水份蒸發,上面含的鈉離子卻會留在莖稈內,在莖稈中不斷積累。而步入動物細胞的鈉離子又會抑制細胞里酶的活性,使新陳代謝變慢,最后殺害莖稈,這是動物盡量避開含鹽高的環境的主要誘因。
這也是為何多數動物都富含比較多的鉀,而含鈉極少的誘因。諸如萵苣每100克含鉀300微克(mg),鈉10mg;西蘭花每100克含鉀340mg,鈉12mg;胡芋頭每100克含鉀218mg,鈉35mg……蘋果、香蕉、櫻桃這種蔬菜,都富含豐富的鉀,而基本不含鈉。
但即便是淡水也會富含一些鈉離子,假若不限制底泥中的鈉離子步入內側,再抵達動物的四肢,時間長了鈉離子也會積累到有害的程度。為了避免這些情況,動物在內側有選擇性的離子通道,主要讓鉀離子步入細胞,而將鈉離子排除在外。并且,總會有少量鈉離子一起“溜”進來。為了防止這種鈉離子被傳輸到內側以上,動物在內側還有抵擋層(凱氏帶),不讓水順著細胞壁傳輸,而只能通過細胞膜,在細胞質之間通過胞間連絲傳輸,這樣就可以發揮細胞膜上離子通道的限制作用。動物的內側還有主動排鹽的機制,用細胞外的氫離子來交換細胞內的鈉離子。通過這種手段,被傳輸到莖稈的鈉離子就極少了。
動物內側的凱氏帶(圖片來源:%E5%87%AF%E6%B0%8F%E5%B8%A6,作者DavidWebb)
雖然這么細胞膜離子通道,鈉離子還是會漸漸在莖稈中積累而難以排出。動物使用的辦法,是讓那些積累了大量鈉離子的老莖稈開裂,即一般說的“落葉”,用新葉取代。新長出的莖稈中還沒有積累鈉離子,又可以生長生活一段時間。通過這些手段,動物就可以防止鈉離子的傷害而長久地生活。所以枯葉雖然是動物排鹽的重要手段。
耐鹽動物還有一個“聰明”的手段來降低鈉離子的傷害作用,就是把早已步入莖稈的鈉離子“隔離”起來,讓它們步入液泡。液泡是動物細胞中被膜包裹上去的囊泡,各類離子不能自由穿過。雖然細胞中的鈉離子濃度早已比較高,而且細胞質中鈉離子的濃度依然可以比較低。在我國北方,才能在海水中生長的紅樹的莖稈,就能否用液泡來存儲鈉離子。其實液泡貯存鈉離子的能力雖然是有限的,它只能延后,但不能避免鈉離子在細胞質中積累,所以耐鹽動物同樣須要通過枯葉來排鹽。