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ELF 文件格式浅析

Fri, 27 May 2022 09:30:28 +0800

本文是作为 Rust 的练手项目 rself(https://github.com/chengzhycn/rself) 的背景知识记录。rself 使用 Rust 重新造了一个 readelf 的轮子。

ELF全称为Executable and Linkable Format，是Linux上可执行文件的通用文件格式。主要有三种类型的ELF文件：

Relocatable file: 存储用于和其它对象文件链接的代码和数据，创建一个可执行文件或者共享对象文件
Executable file: 存储的是用于执行的程序。它指定了exec如何创建一个程序的进程镜像
Shared object file: 存储了在两种语义下用于链接的代码和数据。第一种是让链接器将共享对象文件和其它的可重定位文件/共享对象文件一起创建一个新的对象文件；第二种是动态链接器将它和可执行文件以及其它的共享对象一起创建一个进程镜像。

ELF构成

ELF主要由如下几个部分组成：

ELF Header: 位于文件的起始，描述了整个文件的组织结构
Sections/Segments: 存储了指令、数据、符号表、可重定位信息等。sections 是这段数据在链接时的表现；segments 是数据在执行时的表现。
Program Header Table: 用于告诉系统如何创建一个进程镜像。对于可执行程序，Program Header Table是必须的，但是对于可重定位文件就不需要了。
Section Header Table: 存储描述文件中sections的信息。每个section都在这个表中有一个条目，存储了如section name, section size等信息。用于链接的文件必须得有Section Header Table，其它的对象文件可有可无。

上面的图中虽然描述文件各个部分的位置，但实际上只有ELF Header的位置是固定的，其它的部分在文件中的位置都在ELF Header中指定。

ELF Header

#define EI_NIDENT 16

typedef struct {
        unsigned char   e_ident[EI_NIDENT];
        Elf32_Half      e_type;
        Elf32_Half      e_machine;
        Elf32_Word      e_version;
        Elf32_Addr      e_entry;
        Elf32_Off       e_phoff;
        Elf32_Off       e_shoff;
        Elf32_Word      e_flags;
        Elf32_Half      e_ehsize;
        Elf32_Half      e_phentsize;
        Elf32_Half      e_phnum;
        Elf32_Half      e_shentsize;
        Elf32_Half      e_shnum;
        Elf32_Half      e_shstrndx;
} Elf32_Ehdr;

typedef struct {
        unsigned char   e_ident[EI_NIDENT];
        Elf64_Half      e_type;
        Elf64_Half      e_machine;
        Elf64_Word      e_version;
        Elf64_Addr      e_entry;
        Elf64_Off       e_phoff;
        Elf64_Off       e_shoff;
        Elf64_Word      e_flags;
        Elf64_Half      e_ehsize;
        Elf64_Half      e_phentsize;
        Elf64_Half      e_phnum;
        Elf64_Half      e_shentsize;
        Elf64_Half      e_shnum;
        Elf64_Half      e_shstrndx;
} Elf64_Ehdr;

ELF header通常由一个Elfxx_Ehdr结构体表示。它存储了当前二进制文件的一些元数据：

复杂生命的起源

Mon, 09 May 2022 09:30:28 +0800

《复杂生命的起源》

作者 尼克·莱恩

绪论为什么生命会是这样？

林恩·马古利斯（Lynn Margulis）挑起。马古利斯提出，复杂细胞不是经由“标准”的自然选择演化而来，而是通过一场合作共生的盛宴；细胞之间进行非常密切的合作，直到永久入住彼此体内。共生是指两个或更多物种之间一种长期的互动关系，通常伴随着物质和服务的交换。对微生物来说，物质交换涉及的是新陈代谢所需的、构成细胞生命的基础物质。马古利斯使用的术语是内共生（endosymbiosis）：同样是交换物质，但这种合作方式极为亲密，合作一方干脆住到另一方的身体里面去了。

这种新的生物类群和细菌一样，没有真核生物的复杂形态，但它们的基因和蛋白质与细菌截然不同。这类生物被命名为古菌（archaea）

在乌斯著名的“三域”生命树上，古菌域和真核生物域是“姊妹分支”，有较为接近的共同祖先。

那个宿主细胞是一个古菌，属于古菌域。所有的古菌都是原核生物，顾名思义，它们没有细胞核，没有性别，没有包括吞噬作用在内的一切复杂生命特征。这个宿主细胞在形态方面几乎没有任何复杂度可言。然而，不知如何，它捕获了后来变成线粒体的细菌。自那之后，它才演化出了所有的复杂特征。如果事实的确如此，那么复杂生命的单一起源很可能有赖于对线粒体的获取，是线粒体触发了复杂生命的狂飙演化。

他认为，宿主细胞是古菌，不具有真核细胞的那些复杂特征；他还认为，从来就没有所谓的“中间型”，即不存在尚未获得线粒体的简单真核细胞；线粒体的获得和复杂生命的起源，本来就是同一事件。他还认为，真核细胞那些精巧繁复的特征，诸如细胞核、性和吞噬作用，全都发生在获取线粒体之后，是在这种独特的内共生状态下演化而来的。

本质上，所有的活细胞都通过质子（带正电荷的氢原子）回流来为自身提供能量，就像是某种电流——只是用质子代替了电子。我们通过呼吸作用氧化食物而获得的能量，被用来把质子泵过一层膜，在膜的另一边形成质子蓄积。从这个“水库”回流的质子可以为细胞工作供能，如同水电站的涡轮电机。

彼得·米切尔（Peter Mitchell）是20世纪最具独创性的科学家之一，他于1961年首先提出了这一理论，并在此后的30年间逐渐将其完善。米切尔的学说被认为是自达尔文以来最“反直觉”的生物学理论，可与爱因斯坦、海森堡和薛定谔的物理学思想相媲美。

在我看来，这就是位于当代生物学核心的两大未知问题：为什么生命以如此令人困惑的路径演化？为什么细胞的供能方式如此古怪？

要坚持科学性，一个假说就必须做出可验证的科学预测。科学辩论中可能受到的最大侮辱，莫过于一个观点被评价为“连错误都算不上”——因为它无法证伪。

整体论（holism）是一种哲学观念（属于认识论和方法论范畴），认为整体的意义优先于部分，或者只有整体才有意义。整体论最重要的应用是在科学哲学方面。与之相对，强调结构精简、局部细节和层层细化方法的科学哲学观念为还原论（reductionism）。

第一部问题

上古的神契不复存在；人类终于认识到，他在无知无觉的浩瀚宇宙中孤立无助，他的出现只是偶然的产物。何为他的天命，何为他的职责，更是无从索解。仰视天国的信念，还是沉入现实的混沌？他只能独自抉择。

本书的中心论点是，生物的演化过程中，确实存在着强有力的、能量方面的约束条件，让我们有可能从基本规律出发，推演出一些最重要又最基础的生命特征。

为什么演化生物学没有预见性？为什么能量方面的约束条件一直遭到忽视？为什么科学界此前几乎没有认识到这方面存在严重的空白？

薛定谔在书中提出了两个核心论点：首先，生命以某种方式抵抗着宇宙万物趋于崩坏的趋势，在局部抑制熵增（混乱），以此对抗热力学第二定律；其次，生命能在局部逃避熵增的诀窍隐藏在基因中。他猜测基因物质是某种“非周期性”的晶体，其晶格结构不做精确重复，因此可以作为“代码脚本”——这是该术语首次应用在生物学语境中。

人类基因组中只有极少一部分代码（不到2%）为蛋白质编码，更大一部分是基因调控区域。

自然界的碳元素以两种稳定的同位素存在，原子质量有细微的差别。②酶（活细胞中可以催化反应的蛋白质）稍稍偏好较轻的碳原子（碳－12），因此有机物中碳－12的浓度略高于自然状态。你可以把碳原子想象成弹跳的微小乒乓球，较轻的球弹得略快一些，更容易碰到酶，所以更容易转化为有机碳。相反，碳－13是较重的同位素，在自然界的全部碳元素中只占1.1%，更容易留在海洋中。当海水中的碳酸盐沉淀形成沉积岩（如石灰岩），碳－13就更容易在其中积聚。这种差异虽然细微，但具有非常稳定的一致性，通常被视为标识着生命存在的地质特征。

叠层石是一种由细菌构成的大型拱状结构，其中单细胞生物层层覆盖生长，掩埋在底部的层级逐渐被矿物质置换，继而变成化石，最终形成奇特的高达一米的叠层石质结构。

32亿年前，生命活动从水以外的各种物质中提取电子。正如生物化学家艾伯特·圣哲尔吉（Albert Szent-Györgyi）的诠释：生命不过是一个电子寻找归宿的过程。光合作用的最终形态（从水中提取电子）是何时产生的，学界还存在很大的争议。

首先，生命在地球极早期就已出现，起码是在40亿～35亿年前，而当时的世界是一个类似于当代地球的水世界。其次，35亿～32亿年前，细菌已经发展出几乎所有的新陈代谢形式，包括各种呼吸作用和光合作用。在大约10亿年间，地球都是一口细菌繁盛的大锅④，而细菌在生物化学上的创造力令人叹为观止。同位素分馏证据表明，所有主要的营养循环，包括碳循环、氮循环、硫循环、铁循环等，在25亿年前就已经存在。然而直到24亿年前，随着大气氧含量的上升，生命才开始彻底改变我们这颗行星的景观。一度只活跃着细菌的世界，这时才有可能从外太空观察到生命的存在。直到这时，大气才开始积累化学性质活泼的气体，如氧气和甲烷，都由生命细胞不断补充。自此之后，生物才开始显露出行星规模的伟力。

过去研究人员认为，对生命而言，氧气是关键的环境决定因素：氧气并不限定地球上可以演化出哪种生命，而是如同松开了闸门，容许演化产生更大的复杂度。例如，动物的生活方式是运动，它们追逐猎物或者被追逐，这显然需要很多能量。而有氧呼吸提供的能量，比其他形式的呼吸作用高出几乎一个数量级，⑤因而不难设想，如果没有氧气，动物就不可能存在。

我们通常认为，氧气是有益的，有利于生命。然而实际上，在太初世界的生物化学机制中，氧气所处的地位恰好相反：它具有强氧化性，是生命的毒药。

大气氧含量明显上升了两次，分别是在24亿年前的大氧化事件时期，以及6亿年前漫长的前寒武纪最后阶段。氧气含量的每一次上升都解放了新的细胞结构和功能。大氧化事件同时带来了新的威胁和机遇，细胞通过一系列内共生，彼此交换、整合，逐渐积累起真核细胞的复杂度。而氧含量在寒武纪大爆发之前的第二次上升，彻底打破了细胞此前受到的物理束缚，就像魔术师的斗篷挥过，刹那间动物生命的无限可能喷涌而出。

环境决定论的推演的结果是生物的演化过程是多系辐射演化的，因为不同的环境必然产生不同的进化优势，从而演化出不同的优势种群。这也是生物多样性的体现。但真核生物的细胞不同，目前已知的所有真核生物的细胞几乎有着相同的结构。如果真核生物的起源是因为环境突变引发的进化，那么在细胞结构上也应该有着和宏观生物一样的多样性。而这是与我们目前的观测结果不符的。

这种演化史观基于辩证唯物主义，代表了20世纪中前期形成的新达尔文主义演化生物学观点。这一派认为，演化生物学中主要的对立互动因素是基因和环境，也可称为先天和后天。生物完全由基因决定，而它们的行为又完全取决于环境。除此之外，还能有什么呢？然而，真实世界的生物学并不只有基因和环境，还有细胞，以及约束它们物理结构的条件，而这些因素与基因和环境并没有直接关系。

这种演化史观基于辩证唯物主义，代表了20世纪中前期形成的新达尔文主义演化生物学观点。这一派认为，演化生物学中主要的对立互动因素是基因和环境，也可称为先天和后天。生物完全由基因决定，而它们的行为又完全取决于环境。除此之外，还能有什么呢？然而，真实世界的生物学并不只有基因和环境，还有细胞，以及约束它们物理结构的条件，而这些因素与基因和环境并没有直接关系。

古利斯自20世纪60年代后期开始发表自己的理论，她认为以上说法是错误的：真核细胞的演化不是通过标准的自然选择，而是通过系列内共生实现的。某些细胞迫于环境压力紧密地合作共生，最终，其中一些进入另一些体内生活。

真核细胞至少有两个部件来源于细菌内共生：线粒体（复杂细胞中的能量转换器）起源于α－变形菌，叶绿体（植物细胞的光合作用机器）起源于蓝细菌。

卡瓦利耶－史密斯的原始噬菌细胞假说与此同理，除了线粒体，其他所有部件都已就位，线粒体只是为细胞提供了更多能量。截至目前，这是关于真核细胞起源最正统的理论。

源真核生物，理论上还没有获取线粒体的原始真核生命，例如梨形鞭毛虫（小图B）。我们现在已经明确，所谓的源真核生物根本不是原始的真核生命，而是源于拥有线粒体的更加复杂的祖先。它们正确的分支点应该在真核生物分支的内部。

所有的植物、动物、藻类、真菌和原生生物都有共同的祖先——真核生物是单源性的！也就是说，植物、动物和真菌并非分别从不同的细菌演化而来，恰好相反：一个形态复杂的真核细胞种群在某个特定历史场合出现，而所有的植物、动物、藻类和真菌都演化自这个始祖种群。共同祖先，概念上就必须是单一的实体——不是指一个单独的细胞，而是一个单独的种群，其中所有的细胞本质上完全相同。

所有真核生物的共同祖先很快繁衍出了五个细胞形态各异的生物“超类群”

第一，每个超类群内部的基因多态性，远远超出各个超类群祖先之间的基因差异（图5）。这标志着早期的爆发性辐射演化，准确地说是单源辐射演化，意味着生命体从某种结构限制中解脱出来。第二，真核生物的共同祖先已经是非常复杂的细胞。通过比较各个超类群之间的特征，我们能归纳出共同祖先可能具有的特征。每个超类群中每个物种的共同特征，有理由认为继承自共同祖先；只有一两个超类群中才有的特征，则可以认为是后续演化出来的。

我们已知共同祖先有细胞核，其中贮藏着DNA。细胞核的结构非常复杂，所有真核生物都保留了下来。细胞核被双层膜包裹，或者说是很多看起来像双层膜的扁囊状膜结构，并续接至细胞质中的内质网膜。核膜上镶嵌着精细的蛋白质核孔，具有弹性内衬支撑结构。细胞核内部的其他结构，比如核仁，同样在所有真核生物中保留。值得强调的是，这些复杂结构中有十多种发挥核心功能的蛋白质，都存在于所有的超类群中；包裹着DNA的各种组蛋白也是如此。所有真核生物的DNA都是线性染色体，两头有端粒，其功能类似于鞋带上的顶盖，可以防止染色体两端“磨损”。真核细胞的基因是所谓的“碎片基因”：编码蛋白质的基因被分成很多个小片段（外显子），散布在长长的非编码区域（内含子）之间。在基因转译成蛋白质之前，内含子会被剪切出去，而这种剪切的生化机制在所有真核生物中都一样。内含子所处的位置，很多时候也都保留下来：在各种真核生物的同一个基因上，同一个序列位置会插入相似的内含子。

所有的真核生物都有基本相同的细胞结构：全都有复杂的内膜结构，例如内质网和高尔基体，后者的功能是包装和向外运输蛋白质；全都有动态的细胞骨架，能够进行各种变形，满足各类功能需求；全都有马达蛋白，作用是沿着细胞骨架的微管或微丝来回运送物质；全都有线粒体、溶酶体、过氧化物酶体、胞内和跨膜运输机制，以及相同的生物化学信号系统。真核生物的其他共同特征不胜枚举：所有真核细胞都进行有丝分裂，同源染色体在一个由微管构成的纺锤体上分离，由同一组酶控制。所有的真核生物都进行有性生殖，生命周期中都经历减数分裂，以形成配子（例如精子和卵子）；配子再结合成合子，开始下一周期。极少数失去了有性生殖特征的真核生物，通常很快就会灭绝（在演化生物学的时间尺度下，“很快”一般指几百万年）。

尽管这两类原核生物都有出色的基因多样性和生物化学手段，但都没有演化出复杂的形态。对这些事实最合理的解释是，某种内在的物理限制条件让原核生物无法演化成复杂生命，而这个限制在真核生物演化之初，不知如何被解除了。

先考虑这里的基本假设：一定存在某种结构限制，同时作用于原核生物的两大类（即细菌和古菌），迫使它们在漫长的40亿年间保持简单的形态。只有真核生物迈入了复杂生命领域，而它们是通过爆发性的单源辐射演化达成这一壮举的。这意味着，无论具体是怎样的结构限制，一定是在真核生物演化之初得以解除。这似乎只发生过一次，所有的真核生物都有亲缘关系，都有同一个祖先。

2 什么是活着？

生命的实质在于结构（部分由基因和演化决定），但是生存（生长与繁殖）的实质在于环境，在于结构和环境如何相互关联。

能量以热量的形式释放，而热的本质是分子运动、分子互相推挤冲撞、分子的无序——也就是熵。

总的来说，对于任何自发的反应，自由能变化ΔG必须是负值。构成生命的所有反应，其总体效果也必须如此。也就是说，只有当ΔG为负值时，反应才能自发进行。要达到这个效果，要么系统的熵必须增加（系统变得更加混乱），要么系统必须以放热的形式失去能量，或者二者同时发生。这意味着当系统释放很多热量到环境中时，ΔH是很大的负值，这时局部的熵可以增加，系统可以变得更加有序。

所以追根溯源，生长的动力其实来自环境的反应性，这股力量源源不绝地流过活细胞；对我们来说是以食物和氧气的形式，对植物来说是以光子的形式。活细胞利用这股持续的能量流生长，克服自身趋于分解的倾向。

生命的能量问题有两个出人意料之处。首先，所有细胞的能量都来自一种特别的化学反应：氧化还原反应。

呼吸作用就是这样，从食物分子中夺取的电子并不直接传递给氧气（否则能量一下子就被全部释放了），而是传给一个“踏脚石”分子——通常是一种名为“铁硫簇”（iron-sulphur cluster）的无机晶体，其中含有带正电荷的铁离子（Fe3+）；好几个铁硫簇会嵌在一个呼吸蛋白质中（图8）。从第一个开始，电子会跳到下一个类似的铁硫簇，不过这个比上一个更“渴望”电子。当电子从一个铁硫簇跳到下一个时，每一个都先被还原（接受电子，Fe3+ 变成Fe2+），再被氧化（失去电子，Fe2+变回Fe3+）。电子最终经过至少15次这样的转移，才到达氧气分子。

第二个出人意料之处是能量在ATP化学键中保存的具体机制。生命合成ATP，不是通过直截了当的化学反应，而是在一张薄膜的两侧制造质子梯度作为中间步骤。

这个巨大的电位势，或称为质子动力，驱动着最令人叹为观止的蛋白质纳米机器：ATP合酶（ATP synthase，图10）。“动力”意味着运动，而ATP合酶确实是一台旋转马达。在ATP合酶中，质子流推动曲轴，曲轴转动具有催化能力的旋转头——正是这些机械力驱动着ATP的合成。

呼吸作用根本不是化学反应；大家都在寻找的活性中间体根本不存在；电子流动和ATP合成的偶联机制其实是质子梯度，位于一层不可渗透的薄膜两边，叫作质子动力。难怪他那么招人讨厌！

为什么所有的活细胞都使用氧化还原反应作为自由能的来源？为什么所有细胞都使用跨膜的质子梯度保存这些自由能？我们还可以问得更本质一点：为什么用电子？为什么用质子？

碳到底有什么特别之处？说实话，很多。每个碳原子可以形成四个强力的化学键，比它在周期表上的同族邻居硅元素形成的键强得多。这些键让碳原子可以连接成变化极为丰富的长链分子，特别是蛋白质、脂质、糖和DNA。硅元素根本无法支持这样的化学多样性。而且，常温下没有类似二氧化碳的气态硅氧化物。

生命之所以存在，确实是因为活化能障壁存在——生命擅长的就是推倒这些障壁。强烈的反应性被压制在活化能障壁的背后：这就是化学为生命留下的一条“生路”。如果化学原理上不存在这么一个空子可钻，生命也许根本不会存在。

呼吸作用同时也是光合作用的基础。前面提过，光合作用有好几种不同的形式。无论哪种，太阳能都以光子的形式被一种色素分子（通常是叶绿素）吸收，激发这个分子的一个电子，电子通过一连串氧化还原中心到达电子受体（在光合作用中受体就是二氧化碳）。失去一个电子的叶绿素分子，会从最近的电子供体那里夺取一个补足，供体可以是水、硫化氢或者亚铁离子。与呼吸作用一样，供体是什么物质，原则上并不重要；不产氧光合作用把硫化氢或者铁作为电子供体，留下硫黄或者三价铁为废物。⑬产氧光合作用使用的供体要难对付得多：水；而它排放的废物是氧气。这里的关键在于，所有这些类型的光合作用都明显是从呼吸作用演变而来。它们使用同样的呼吸蛋白，同样的氧化还原中心，同样的跨膜质子梯度，同样的ATP合酶，整套工具全都一样。⑭唯一真正的不同，是光合作用发明了一个新的色素分子：叶绿素。不过叶绿素也不是凭空出现，而是与血红素（haem）有很近的亲缘关系。后者也是色素分子，存在于很多古老的呼吸蛋白之中。光合作用直接利用太阳能，深刻改变了整个世界，但从分子角度来看，它不过是让电子更快地流过呼吸链而已。

所以，呼吸作用最大的优势在于它的灵活多变。基本上任何一种氧化还原对，都可以被用在呼吸链上产生电子流。

呼吸蛋白可以通过水平基因转移扩散，还可以在任何环境中混搭工作，很大程度上是因为它们都基于共同的操作系统：化学渗透偶联。

细菌与古菌DNA复制的机制细节完全不同，包括几乎所有参与的酶。还有，细菌和古菌细胞壁（保护脆弱细胞的坚硬外壳）的化学成分也完全不同。细菌和古菌的发酵反应生化路径也有很大差异。甚至二者细胞膜的生物化学成分都不一样。

为什么生命出现得如此之早？为什么它们的形态复杂度停滞了几十亿年？为什么在漫长的40亿年间，复杂的真核细胞只演化出一次？为什么所有的真核生物都有一些令人费解的特征，而这些特征，包括有性生殖、两种性别和衰老，从来没有出现在细菌或古菌身上？这里我要再加上两个同样令人困惑的问题：为什么所有的生命都使用跨膜质子梯度来储存能量？这种怪异而又基础的机制是怎样（以及何时）演化出来的？

生命的起源

Mon, 09 May 2022 09:30:28 +0800

《生命的起源》

作者 刘大可

序幕钟表匠与石头

“类比只有偶然性，没有必然性”，两个无关的东西在某个方面像，仅此而已，不能证明别的方面也像——乌鸦是黑漆漆的，隐约泛着金属般的光泽，煤炭也是黑漆漆的，隐约泛着金属般的光泽，那又怎样呢，难道看见乌鸦会飞会下蛋，就说煤炭同理，也会飞会下蛋吗？

生物的代谢活动往往会制造一些有颜色的物质，这些物质可以被统称为色素。而色素之所以有颜色，就是因为它们会吸收某种频率的光，将其短暂地转变为化学能，生物如果能够及时地捕捉到这些化学能，也就感知到了光。

眼睛的进化历史要远远长于人类这个物种的进化历史，甚至长于所有脊椎动物的进化历史——它至少要追溯到所有两侧对称动物的共同祖先身上。这个共同祖先突变出了一个控制眼睛发育的关键基因PAX6，数亿年来，这个基因都没有明显的变化，把哺乳动物的PAX6 基因切下来放在昆虫身上，昆虫照样长出正常的眼睛。

复眼对运动极其敏感，昆虫可以分辨每秒240帧的动画，达到人眼的10倍，这同样带来了显著的生存优势——你想徒手抓苍蝇，那可难极了。

第一章原始浓汤？

40多亿年前的原始大气并不像“原始有机汤”假设的那样，是还原性的氢、氨、甲烷等物质，而是以二氧化碳和氮气为主的中性大气，这让米勒-尤里实验从根源上受到了质疑。

原始有机汤假说还有一个重大的理论破绽：要让小分子有机物形成大分子有机物，再形成生命，必须先让这些有机物达到相当高的浓度，并且维持这种浓度，否则那些诱人的化学反应在统计上根本就不会发生

从小分子有机物到大分子有机物，再到类似细胞的有机物复合体，最后到真正的细胞，需要持续数百万年的稳定环境，闪电当然达不到这样的条件，陨石坑也同样不具有这样的稳定性。而且，一切生化反应都非常脆弱敏感，所以孕育生命的环境不仅要稳定，还要足够温和。而闪电、火山活动、强紫外线都太过暴戾，它们虽然能够促使无机物转化成小分子有机物，但仅此而已，那些小分子胆敢长大一点，立刻就会被这些能量打碎。

第二章黑烟囱？

万物生长靠太阳，实际上是生物利用光合作用将太阳能固定下来，为生物的各种活动供能。如果有其他的能量获取来源，是不是太阳也就不是必需的了万物生长靠太

黑烟囱的热液中富含甲烷、硫离子、亚铁离子、氨还有二氧化碳，而生活在烟囱附近的微生物，就会利用这些物质，构造各种各样千奇百怪的氧化还原反应，获取能量，制造有机物

它源源不断喷发出来的矿物质具有丰富的催化活性——铁、锰、锌、铜，直到今天都是所有细胞里最重要的微量元素，与多种新陈代谢所需的酶有关

卡尔·波普尔，也就是那个提出“可证伪性是判断一个理论是不是科学的标准”的科学哲学家，也对这个与生物化学结合得更加紧密的生命起源理论青睐有加。

第三章还是白烟囱？

亚铁+2价，二硫-2价二硫化亚铁（FeS2）

科学就是科学：无论综合的道路还是分析的道路，都立足于可观察、可检验的客观事实，白烟囱假说中的任何一个细节，也都会坦诚地接受包括实验在内的一切事实的检验，不断地修正进步——科学从来不幻想掌握任何真理，我们只是不断地逼近事实，逼近那40亿年前的事实。

第四章生命是什么？

生命是维持在非平衡态上的物理系统，这通过从环境中汲取“负熵”实现。

前半句中所谓“平衡态”，是指一种“泯灭了一切差异，而变得处处均匀”的状态——绝大多数物理系统，如果没有得到专门的维护，没有从外界获得物质和能量的支持，那么它的任何运动都会使自己更加接近这种平衡态。

生命活动非但不会泯灭系统内部的差异，不会把自己变成一团均匀的物质，而且会维持各种尺度上的差异，形成复杂而有序的结构。

汽车的机械活动是汽车报废的原因，而生命活动不是衰老和死亡的原因。恰恰相反——这恐怕会颠覆绝大多数读者的认知——生命活动的结果是永恒。

熵是系统混乱程度的度量，物理学上常用S表示，而当一个系统的熵达到了最大，就会泯灭掉一切差异，变得处处均匀，也就是薛定谔的前一句话讲述的那种“平衡态”。

系统如果是孤立的，或者所处环境的熵已经达到了最大，那么这个系统的任何运动都不会减少自己的熵”——是的，这就是热力学第二定律的具体表现，有时也叫“熵增原理”

生命为什么总能维持很低的熵？拿这句话和热力学第二定律对照一下，答案已经没有备选项：因为生命不是孤立的，而且它所处的环境的熵也没有达到最大。

吸收低熵原料，排出高熵产物，使整个生命系统维持低熵状态

“新”带有较低的熵，“陈”带有较高的熵。

新陈代谢的真谛，既不在于物质，也不在于能量，而在于熵增的转移，生命摄入了较低熵的物质，又排放了较高熵的物质，把熵增的趋势转嫁给了外部环境，自己就可以在热力学第二定律的眼皮子底下维持很低的熵，但如果将人和环境视为一个整体，我们又会发现，蕴含了生命的孤立系统，熵不会减少，完全符合热力学第二定律。

既然“熵”度量了系统的混乱，那就用“负熵”度量系统的秩序好了——事儿就这样成了，“生命是什么”的大问题有了“负熵”这个深入人心的回答。

耗散结构是一类不断与外界交换物质和能量，而维持在非平衡态上的物理系统。

凡是盯着流水发过呆的人，都会注意到绕过障碍物之后水流会出现漩涡。实际上，如果障碍物的形状比较规整，我们还常会看到两个漩涡一摇一摆周期交替地伸展下去，形成一种独特的有序图案，它被称为“卡门涡街”

那离开漩涡后的水流重归平稳，这又是什么过程呢？按照这里的逻辑，混乱的水流是高熵的，平稳的水流是低熵的，对水流来说这是一个熵减的的过程？如果在一个包含了这条水流的孤立系统里，是谁获得了这些熵呢？

进入漩涡的是低熵的水流，离开漩涡的是高熵的水流，漩涡获得的一定是负熵。所以这些漩涡同样是典型的耗散结构。

生命是一个控制系统，它的控制对象是它的自身，它的控制效果是令自身持存。

我们就不得不承认生命才是已知世界里最了不得的控制系统。生命体内充满了各种各样的调节机制和反馈机制，它们让构成自身的各种物质全都遵照一套严密的规则，在恰当的位置上发生恰当的反应，生命正是因此得以持存

一个控制系统一定是低熵的，而精确的控制行为一定会增加外界环境的熵，所以如果一个控制系统的功能就是维持自身，就必须一边摄入低熵的物质，一边释放高熵的物质，结果就是“汲取负熵”。

追问生命的起源是什么，我们先要回答耗散结构是怎么来的，再来回答生命作为一个控制系统是怎么来的。

热力学第二定律之后，非平衡热力学的研究还揭示了一个更加普遍的“熵增最大化定律”II：排除外界影响，一个变化的热力学系统不但会向着熵最大的状态发展，还会向着熵增最快的状态发展。

因此，一个热力学系统如果具有显著的熵增潜力，却因为某种“障碍”不能顺利实现熵增，就可能突变出某种耗散结构，加快熵增的速度。

所谓“燃点”，就是随机运动已经足够剧烈，淀粉分子普遍失去稳定性，很快产生了大量的自由基。自由基与氧此起彼伏的反应产生的能量来不及消散，于是累积下来，打碎了更多淀粉分子，制造了更多的自由基，终于形成一种滚雪球般的链式反应，释放了可观的能量，发出了光和热。

生命作为一种耗散结构，最初的起源也势必符合这个具有普遍意义的回答：原始地球上的某个环境中存在一些关键的物质，蕴含着显著的熵增潜力，但这些潜力却因为某种障碍无法充分释放。于是，那里的物质就在随机的化学反应中形成了某种耗散结构，奠定了生命的雏形。

那么，生命最基本的控制功能是什么呢？

第一项是“物质代谢”和“能量代谢”。它们控制了许多关键的生化反应的方向，借此，来自外界的物质被组织成了生命自身的结构，其他形式的能量转换成了生命可以利用的形式。

第二项是分子生物学的“中心法则”。

它规定了核酸要如何储存遗传信息，遗传信息又该如何表达为具体的蛋白质。

第三项是“边界控制”，这在前文刚有所涉及，但在生命起源问题中，它特指细胞膜的边界控制，或者说，是在追问最初的细胞膜是如何产生的，又是如何发展出选择透过性的。

自从进化生物学正式建立，“人类知道的一切生命形式，任何一个物种，都在进化上源自同一个祖先”已经成为生物学所有领域的普遍共识，其中很少再有什么可争议的事情。

为了之后的整本书讲述方便，我们从此就把“已知生命的最后一个共同祖先”简称作“末祖”，在其他中文科学读物里，这个概念大多会被叫作“露卡”，音译自“Last Universal Common Ancestor”的首字母缩写“LUCA”。

自由能就是系统当中可以用来对外界做功的能量——实际上，“熵”更直接的定义，正是“系统当中不能用来对外界做功的能量的总量”：

第五章难平的怪账

丙酮酸解体的过程就发生在线粒体的基质内。在那里，它首先会被切掉羧基。所谓“羧基”，就是——COOH，在原子比例上可以看作1个二氧化碳加上1个氢原子。实际上，那个被切掉的羧基也会立刻转化成二氧化碳，剩余一个氢原子就与氧分子结合成水。丙酮酸被切掉羧基之后，剩下的部分就是乙酰基，乙酰基会继续发生一系列非常复杂的化学反应，彻底转化2分子二氧化碳，由此产生的氢原子，都会被拿去与氧气化合成水。

这一系列非常复杂的化学反应，被总称为“三羧酸循环”。从20世纪的30年代到50年代，共有3名生物学家因为揭示了它的机制而荣获诺贝尔奖。之后的研究还进一步确认了三羧酸循环就是细胞内一切物质能量代谢的枢纽，整套生物化学的中心。

整个三羧酸循环仍然不需要氧分子，没能释放出期望中的那些能量也就毫不奇怪了。是的，三羧酸循环产生的水和二氧化碳全都是有机物被催化分解的产物，而不是有机物被氧分子氧化的产物。

那这些电子的能量去哪了呢？

贪婪的多巴胺

Mon, 09 May 2022 09:30:28 +0800

《贪婪的多巴胺》

作者 丹尼尔·利伯曼迈克尔·E.朗

第1章爱情

由此人们提出了一个新的假说：多巴胺不是快乐的制造者，而是对意外的反应，即对可能性和预期的反应。

为什么爱情会消逝？我们的大脑生来渴求意外之喜，也因此期盼未来，每个激动人心的梦想都在那里萌生。但当任何事情，包括爱情变得习以为常时，那种兴奋感就悄然溜走，而我们的注意力又被其他新奇的事物吸引了。

研究这个现象的科学家把这种从新奇事物中得到的快感命名为“奖赏预测误差”。

这个理论感觉好玄学，不知道有没有科学依据

佩蒂格鲁发现，大脑将外部世界分为两个独立的区域来管理，即“近体的”和“远体的”——简单来说就是远近两个区域。近体空间包括手臂可及之处，在此范围内的事物你可以马上用手控制，这是一个真实的世界。远体空间是指你的手臂无法触及的地方，不管是3英尺（约1米）远还是300万英里（约500万千米）外，这个领域代表着可能性。

不识庐山真面目的魅力

不管是天上的飞机、好莱坞的电影明星，还是遥远的山峰，只有不可及、虚幻的事物才富有魅力。魅力就是一个谎言。

著名的斯金纳箱，盲盒和gotcha系统为什么能让人兴奋，原因正在于此

在一项实验中，斯金纳把一只鸽子放到盒子里。他安装了一套装置，鸽子每啄一下杠杆就可以获得一颗食物丸。有些实验设定为需要啄一下，还有一些设置为10下，但在某次特定实验中条件都保持不变。得出的结果并不是特别有趣：不管需要啄多少次才能得到食物丸，每只鸽子都像官僚主义者在堆成山的文件上盖章一样啄着杠杆。然后，斯金纳尝试了另一种方法。他设计了一个实验，释放一个食物丸所需的按压次数是随机变化的。现在，鸽子不知道什么时候会有食物，对它们而言每一次奖励都是出乎意料的。鸽子们变得兴奋起来，它们啄得更快了。有某种因素促使它们做出了更大的努力。多巴胺这个惊喜分子已被驯服，老虎机的科学基础也随之诞生。

“为什么你就不能享受你已经拥有的一切呢？”

从多巴胺的角度来说，拥有是无趣的，只有获得才有趣。

为了享受我们拥有的东西，而不是仅仅可能得到的东西，我们的大脑必须从面向未来的多巴胺过渡到面向现在的某种化学物质，这是一系列神经递质，我们称之为“当下分子”。大多数人都对它们的名字略有耳闻，包括血清素、催产素、内啡肽（相当于大脑自产的吗啡）和内源性大麻素（相当于大脑自产的大麻）。

尽管多巴胺和当下分子的回路能一起工作，但在大多数情况下它们是相互对抗的。在当下分子回路被激活时，我们更喜欢体验周围的真实世界，多巴胺就会被抑制；而当多巴胺回路被激活时，我们则进入一个充满可能性的未来，当下分子会被抑制。

多巴胺代表着痴迷与渴望，而与长期关系最相关的化学物质则是催产素和血管升压素。催产素在女性中更活跃，而血管升压素在男性中更活跃。

当下神经递质让我们去体验现实（性生活的现实是强烈的），而多巴胺则超越现实，它总是使人“脑补”更好的事物。为了增加它的诱惑力，它让我们去控制另一个现实。这些想象中的世界或许永远都不可能变为现实，但这并不重要。多巴胺总是让我们追逐幻影。

等待延迟了爱情中最令人兴奋的阶段。由距离和节制产生的苦乐参半的感觉，正是这个化学反应的结果。

多巴胺的反应不是针对奖赏，而是针对奖赏预测误差，即实际奖赏减去预期奖赏。

激情之爱也可能转化为更持久的东西。它可以成为陪伴之爱，这可能不会像多巴胺那样让人兴奋，但基于当下神经递质，如催产素、血管升压素和内啡肽的作用，它会为你提供长期的幸福感。

爱情可以始于多巴胺，但不能终于多巴胺。多巴胺永不知足，它只会说“我想要更多”。

第2章毒品

满怀希望的旅途要比到达目的地更快乐，这是多巴胺爱好者的座右铭。

在期望购买一件自己想要的东西时，瞄向未来的多巴胺系统被激活并创造出兴奋感。而一旦占有，所期望的对象就从向上看的远体空间转移到向下看的近体空间，从未来遥远的多巴胺领域转移到自我满足的当下分子领域。买家之所以会懊悔，就是因为当下体验无法弥补多巴胺能激励的损失。如果我们的购买行为是明智的，强烈的当下满足感可能会弥补多巴胺兴奋的损失。

有三种方法可以用来弥补买家懊悔：其一，通过购买更多的东西来追求更高的多巴胺；其二，通过少买一些东西来预防多巴胺的剧减；其三，增强从多巴胺欲望向当下喜爱转变的能力。

想要和喜欢是由大脑中的两个不同的系统产生的，所以我们想要的东西往往是我们不喜欢的。

“喜欢”涉及的大脑回路与欲望回路不同，并使用当下化学物质来发送信息，而不是多巴胺。特别是，“喜欢”依赖的化学物质与促进陪伴式爱情的长期满足相同，它们是内啡肽和内源性大麻素。海洛因和奥施康定等阿片类药物是目前最容易上瘾的药物之一，正是因为它们同时扰乱了欲望回路和喜欢回路（多巴胺和内啡肽分别在其中起作用）。大麻也同样如此，它与两个回路相互作用，刺激多巴胺和内源性大麻素系统。这种双重效应导致了不寻常的结果。

尼古丁不会像大麻一样让你兴奋，不会像酒精一样让你陶醉，也不会像飙车一样给你刺激。有些人说抽烟能让他们更放松，也有人说抽烟让他们更警觉，但实际上，它的主要作用是减少渴望。这是一个完美的闭环。吸烟的唯一目的是上瘾，这样就可以减轻渴望带来的不适感，由此让人体验到快乐，就像一个整天抱着石头的人，终于放下石头时会感觉一身轻松。

上瘾不是性格软弱或意志力不足的表现，它只是欲望回路因过度刺激而进入病理状态时会发生的情况。

多巴胺回路的增强促进了冲动行为，而不是满足感——它促进了“想要”，而不是“喜欢”。

一个东西是否容易获取，是它是否容易成瘾的关键因素。

事实上，为了减少这些物质引起的问题，最有效的方法就是使获得它们变得更困难。

贤者模式

虽然性瘾者在观看色情作品时表现出更高的欲望水平，但他们给色情视频的评分并不一定高。

青少年大脑与成年人大脑最大的差异在额叶，额叶直到20岁出头才发育完全。这会造成问题，因为正是额叶赋予了成年人良好的判断力。它们就像刹车闸，在我们要做一些不太好的事情时警告我们收手。在额叶功能不全的情况下，青少年容易冲动行事，即使他们知道怎么做更好，也容易做出不明智的决定。

电子游戏都是关于想象的。它们让我们沉浸在一个美梦成真的世界里，这样逃避现实的多巴胺就可以享受无尽的可能性。我们可以探索不断变化的环境，确保惊喜一直都在。我们可能从沙漠出发，走过雨林，然后走在逼真的城镇地狱里一条黑暗的小巷中，接着突然坐上火箭，飞向一个外星世界。

值得一提的是，在电子游戏中，当下的愉悦也有助于提升其吸引力。很多游戏可以让你和朋友一起玩。当我们为了娱乐而与同伴一起社交时，我们所获得的享受就是一种当下的体验。而且，聚在一起完成一个共同目标，这种行为也是由多巴胺驱动的，因为我们正朝着一个更好的未来而努力（即使只是占领敌方基地）。电子游戏能满足这两种类型的社交乐趣。

把想要和喜欢混为一谈是很自然的。我们会喜欢自己想要的东西，这似乎显而易见。如果我们是理性的生物，这句话确实应该成立。虽然我们认为我们是理性的生物，但一切证据都表明，我们不是。我们经常想要自己不喜欢的东西，欲望也可能会引导我们追求那些可能破坏我们生活的事物，如毒品、赌博和其他失控的行为。

第3章掌控的力量

经过中脑边缘回路的多巴胺会产生冲动，我们称该回路为多巴胺欲望回路。计算和规划（控制各种情况的手段）来自中脑皮层回路，我们称之为多巴胺控制回路

对于欲望多巴胺来说，这些幻影是我们希望拥有但目前还没有的，即我们想要在将来拥有的。对于控制多巴胺来说，幻影是想象力和创造性思维的基石，包括思想、计划、理论、抽象概念（如数学和美），以及尚未形成的世界。

多巴胺驱动了努力。这种努力的特征可能受到其他很多因素的影响，但如果没有多巴胺，努力从一开始就根本不会存在。

持续正反馈的重要性

要刺激老鼠，可能一顿培根味的美餐就够了，但人类更复杂。我们要成功，首先必须相信我们能成功。而这会影响韧性。如果早早地取得一些成效，我们就更容易坚持下去。

在正常情况下，强健的自我效能是一项宝贵的财富。有时它能成为一个自我实现的预言：充满信心地期待成功会让你眼前的障碍消失。

斯坦福大学商学院的研究人员研究了微妙的非言语行为如何影响人们对彼此的感知。他们指出，当人们伸展自己的肢体，占据大量空间时，他们就被认为占据了主导地位，或者说具有控制力。相反，当他们收紧肢体，占用尽可能少的空间时，他们就被认为是顺从的。

我们无意识地知道，当别人对成功抱有很高的期望时，我们就会给他们让路。我们会服从他们的意志——在控制多巴胺的驱动下，他们的自我效能得到了完全的表达。

为了实现一个目标而形成的关系被称为代理关系，它由多巴胺来控制。在这种关系中，其他人是你的延伸，是帮助你实现目标的代理人。

我们在社交活动中建立的关系主要是代理关系，这类关系通常会给双方都带来利益。为了享受社会交往本身而形成的关系则叫亲和关系。与另一个人在此时此地经历的简单的快乐，和当下神经递质（如催产素、血管升压素、内啡肽和内源性大麻素）有关。

代理关系的建立是为了控制环境，以尽可能多地从中获取可利用的资源，这是控制多巴胺掌管的领域。尽管我们认为控制是一种积极的，甚至是有些侵入性的活动，但也不一定。多巴胺不关心如何获得某种东西，它只是想得到它想要的。

欲望多巴胺会促进毒瘾，让人追求快感，但收获的多巴胺刺激越来越少，同样，有些人的控制多巴胺如此之多，这使他们对成就上瘾，因而无法体验当下的满足。

这些人身上表现出一种失衡效应，这是聚焦未来的多巴胺和聚焦现在的当下神经递质之间的失衡。他们想要逃避当下的情感和感官体验。对他们来说，生活关乎未来，关乎进步，关乎创新。尽管他们的努力带来了金钱甚至名声，但他们总是不开心。不管做了多少，他们都觉得不够。

ADHD最常见于儿童，这是有原因的。额叶负责控制多巴胺的活动，它是发育得最晚的脑区，直到一个人结束青春期进入成年期之后，它才与大脑的其他部分完成连接。控制回路的工作之一是限制欲望回路，因此冲动控制与ADHD相关。当控制多巴胺很弱时，人们会去追求他们想要的东西而不考虑长期的后果。

对ADHD最常见的治疗药物是哌甲酯和苯丙胺，这两种兴奋剂可以促进大脑中多巴胺的分泌。

用科学术语来说就是“相关性”并不意味着“因果关系”——仅仅因为两件事被一起发现并不一定说明其中一件事导致了另一件事。

对多巴胺系统控制能力极强或者极弱的人可以做出改变。患有ADHD的人通过药物治疗和心理治疗，有时只需等待几年时间就能有显著改善。

多巴胺的生成不受良心的约束。相反，在欲望的滋养下，它是狡猾的源泉。它被激发时，会抑制内疚感这种当下的情绪。它能够激励人们做出不懈的努力，但在追求的过程中不能避免使用欺骗甚至暴力手段。

多巴胺激增的感觉不错，但它不同于当下愉悦感的激增，后者是一种满足的激增。这一区别是关键：胜利引发的多巴胺激增会使得我们想要更多。

没有人喜欢输掉的滋味，而在你赢过之后，失利的滋味更是要苦涩十倍。

胜利者作弊的原因与吸毒者吸毒的原因相同。兴奋的感觉很好，而戒毒的感觉很糟糕。他们都知道自己的行为有可能毁掉自己的一生，但欲望回路并不关心这个问题。它只想要更多——更多的毒品，更多的成功。但真正的成功不可能来自欺骗。如果你犯了一个错误，人们会原谅你，但是如果你不诚实的话，这个污点会一直伴随着你。这就是为什么控制回路如此重要。它是理性的，能够做出冷静、合理的决定，这些决定能使你的利益最大化，不仅是今天的利益，也包括将来的利益。然而，对许多人来说，在追求胜利时，欺诈是一种强大的诱惑，有时会压倒一切。至少在短期内，欺诈是有效的。

暴力有时是功能障碍或病理状态的结果。但大多数情况下，暴力是一种选择——一种经过深思熟虑而采取的，以胁迫手段获得你想要的东西的方式。

暴力可以给我们统治之力，但要获得成功，它必须来自控制多巴胺的冷回路。

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复杂生命的起源

《复杂生命的起源》

绪论 为什么生命会是这样？

第一部 问 题

2 什么是活着？

生命的起源

《生命的起源》

序幕 钟表匠与石头

第一章 原始浓汤？

第二章 黑烟囱？

第三章 还是白烟囱？

第四章 生命是什么？

第五章 难平的怪账

贪婪的多巴胺

《贪婪的多巴胺》

第1章 爱情

第2章 毒品

第3章 掌控的力量

绪论为什么生命会是这样？

第一部问题

序幕钟表匠与石头

第一章原始浓汤？

第二章黑烟囱？

第三章还是白烟囱？

第四章生命是什么？

第五章难平的怪账

第1章爱情

第2章毒品

第3章掌控的力量