细胞内钾多钠少——原初生物的第三大遗迹？
在我们每日的饮食中，食盐（氯化钠）是少不了的，难以想象我们怎么能够每天吃完全没有盐味的食物。不仅人类如此，许多动物，例如食草的动物如牛和羊，也会主动寻土表盐粒。我们需要食物中的蛋白质、脂肪和淀粉，这比较容易理解，因为这些物质既能为我们的身体提供“建筑材料”（蛋白质提供的氨基酸、脂肪提供的脂肪酸，淀粉提供的葡萄糖），又能够在细胞内被氧化而提供生命活动所需要的能量。但是钠离子并不是“建筑材料”，也不能提供能量，为什么我们的饮食中离不开它呢？
1926年，加拿大多伦多大学（University of Toronto）的科学家麦卡伦（Archibald Macallum，1858-1934）发表了题为《体液和组织中的古化学》（Paleochemistry of the body fluids and tissues）的论文，报道了他对动物体液和组织中各种离子的含量进行测定的结果。他发现，在许多动物的体液（血液和组织液）中，钠、钾、钙、镁含量的比例大体与海水相似，而其总量约为海水的三分之一，其中钠的含量远高于钾。根据这个结果，Macallum 认为脊椎动物是在海水中产生的，然后再移居到陆地上，时间大约是在志留纪（Silurian period）或更早，那时海水的含盐量大约是现在的三分之一，所以现在脊椎动物血
液中各种无机盐的含量就反映了那个时期海水的组成。我们在食物中放盐，是因为我们是从海水中来的，我们的血液需要盐。
与动物体液中钠高钾低的情形相反，Macallum发现在动物组织（主要为细胞）中，却是钠低钾高的，例如他测定过的鲱鱼（herring）未受精的卵细胞中，钾的含量就是钠的两倍。Macallum据此认为动物的单细胞祖先应该是在富含钾的水中形成的，时间应该比脊椎动物的出现早得多，细胞内阳离子的组成状况应该反映那个时候环境中阳离子的组成状况。
在92年后的今天，Macallum的结论，即体液中钠高钾低，细胞内钾高钠低，仍然是正确的。例如人的血液中，钠的浓度约为140 mM，而钾只有约5 mM。海洋中的乌鲨（leopard shark）血液中钠浓度约为300 mM，钾也为5 mM。鲑鱼血液中钾为147 mM，钠为9 mM；蟑螂体液中钾为161 mM，钠为8 mM。
而在细胞质中，不仅是动物，而且所有的生物，包括原核生物中的细菌和古菌，真核生物中的真菌、植物和动物，都是钾高钠低。例如人的神经细胞内的钾为150 mM，而钠只有 15 mM。出芽酵母（Saccharomyces cerevisae）细胞质中钾为130 mM，钠为79 mM。即使是生长在盐湖中的嗜盐古菌（halophilic archaeon Halobacterium salinarum），当外部
液体中的氯化钠浓度达到4 M时，古菌也会将细胞内的钾浓度增加到4 M，以保持细胞内K/Na的浓度比例高于1。这说明任何生物都要在细胞内保持比钠高的钾浓度。看来细胞在乎的，不是细胞质中钾的绝对浓度，而是钾与钠的比例。这是为什么？ 
而且这种细胞内外钾离子和钠离子浓度的巨大差异，对生物也是一个问题。由于细胞膜对钠离子和钾离子不是完全不通透的，而是会有泄漏，细胞外高浓度的钠离子总会不断“溜”进细胞内，而细胞内高浓度的钾离子又会不断“溜”到细胞外。要保持细胞外钠高钾低，细胞内钾高钠低的状况，细胞必须不断地将细胞内的钠离子“泵”出去，将细胞外的钾离子“泵”进来。由于这种跨膜离子运输都是逆着离子的浓度梯度的（即要将离子从浓度低的地方转移到浓度高的地方），这些过程是需要能量的。平均来讲，细胞消耗的能量中，约有20%用在维持细胞内外钾钠离子浓度不平衡上，而神经细胞用于此目的的能量能够占到神经细胞总能量消耗的60%！即使我们坐在那里什么也不做，身体里面的细胞也得持续不断地泵进钾，泵出钠。这是一项昂贵的投资。生物为什么要保持这样一种“浪费”的状态呢？为什么生物的演化过程不对细胞内钾和钠的浓度进行调整，使其与细胞外液体的状态一致呢？这样不是可以节省大量的能量吗？
生物演化的能力似乎是无穷无尽的。从原初生命的简单细胞，可以演化出各式各样结构和功能都差异极大的细胞，例如进行光合作用的蓝细菌、有眼点，能够游动的衣藻、各种球菌、杆菌、弧菌、变形虫、草履虫、动物的肌肉细胞、神经细胞、红血球、白血球等。演化不仅使得生物可以在适宜的条件下生活，也可以在各种极端条件下生活，无论是地面以上几十公里的高空，地表下几公里的岩层，盐湖、热泉、极地、沙漠，都能够发现生物的踪迹。既然生物能够通过演化发展出适应各种环境条件的能力，为什么就不能把细胞自己的组成也改一改，以适应现在普遍的钠高钾低的环境呢？
原因就在于，原初生命形成时的一些环境条件，已经固定在细胞内的化学代谢链中，无法改变了。生命活动主要是由蛋白质催化的，同时也包括核糖核酸（RNA）的催化作用。蛋白质和RNA都是生物大分子，其形状和功能严重依赖于它们所处溶液的组成和性质，包括离子组成。一旦反应条件形成和被优化，是不可能再改变的，因此生物在外表上可以千变万化，但是细胞的基本性质却是高度保守的。这些保留在细胞内的环境条件，就是原初细胞留下的“遗迹”。
原初生物留下的两大遗迹
到目前为止，科学界普遍承认的原初生物留下的遗迹主要有两个，即原初的RNA世界和细胞内的还原环境。
在现代的细胞中，绝大多数化学反应是由蛋白质来催化的，但是蛋白质自身的合成，却仍然要由RNA来催化。组成蛋白质的肽链是在核糖体（ribosome）中合成的，其中的蛋白质亚基只起结构和调节的作用，真正把氨基酸连到肽链上，使肽链延长的，是其中的RNA分子。RNA既能够催化自身的形成，也能够把氨基酸连到小RNA分子上（即后来的转移RNA，tRNA），再把这样带“标记”的氨基酸连接到不断伸长的肽链上。RNA中核苷酸的序列，像DNA中的脱氧核苷酸序列一样，也能够用来储存信息，即为蛋白质分子中的氨基酸序列编码。就是细胞“剪接”RNA以除去内含子（intron）的剪接体（splicesome），也是由能够自我剪接的第II型内含子（RNA）演变而来的。这些事实都说明，最初的生命是RNA的世界，蛋白质是后来才发展出来的。
在原初生命形成时，大气中还没有氧气，而主要由中性气体（如氮气）和还原性气体（如氢气、氨和硫化氢）组成。在此环境中形成的细胞，内部是高度还原的。在这种环境下形成的蛋白质，特别是其中的酶，也只能在还原环境中才能最好地工作。这种情形一旦形成，
就难以改变。大气中的氧气出现在大约22-24亿年前，从此大部分生物的环境转变为氧化性的。为了保持细胞内的还原环境，细胞内普遍含有还原性分子如谷胱甘肽（glutathione，浓度大约5 mM），它使得蛋白质分子中的半胱氨酸残基的侧链保持在还原状态，即不形成二硫键（两个巯基-SH 被氧化过程连成-S-S-键）。后来变为叶绿体的原核生物蓝细菌（cyanobacteria）和后来变为线粒体的原核生物a-变形菌（abacterium-proteobacteria）就已经能够合成谷胱甘肽，说明生物很早就发展出对抗环境中氧化状态的能力。在动物体内，在分子中形成二硫键的蛋白或者是分泌到细胞外的，例如抗体分子和胰岛素，或者主要部分位于细胞膜表面的（也即在细胞外），例如胰岛素受体。植物用谷胱甘肽-抗坏血酸循环（glutathione-ascorbate cycle）来消灭细胞内的活性氧物质，维持细胞内的还原状态。现在许多在试管内进行的酶反应，都需要加入还原性的分子如巯基乙醇或二硫苏糖醇（Dithiothreitol，DTT），使反应体系保持在还原状态，使酶能够正常地工作，而不受大气中氧气的影响。
这两大遗迹都有大量事实为根据，而反对的意见基本没有，可以认为是被普遍承认的。问题是，细胞内钾高钠低的状况也是原初生命留下的另一大遗迹吗？
原初生物形成时可能的水环境
钾高钠低的状况存在于所有生物的细胞中，而和地球上几乎所有的液態水中钠和钾的相对浓度相反。无论是河水、湖水还是海水，所含的钠都大大多于钾。例如海水中钠的浓度就是钾的47倍（钠470 mM，钾10 mM），河水中含盐量随河流不同，但大体上钠的浓度是钾的10倍（钠大约0.4 mM，钾大约0.04 mM）。这说明细胞内钾高钠低的状况不是生物在演化过程中“适应”这些水体的结果，而更可能是原初生命形成时环境中的水溶液组成的遗迹。
如果检查一下地壳中钾和钠的含量，发现它们其实差不多:钠为2.8%，而钾为2.6%。之所以河水中钠的含量远高于钾，是因为在岩石风化过程中，钾离子比钠离子更难被释出。例如长石（feldspar，花岗岩的组成成分之一）中的钾就很难溶出。河水入海之后，随着水分的蒸发，盐的浓度也逐渐提高，但是海水的含盐量也不会一直增加下去而变得越来越咸。浅滩处盐结晶出来又被埋藏，形成盐矿；风将大量海水微滴带到陆地，都是减少海水含盐量的方式。另一种除盐的方式是海水通过地壳裂缝与深处高温岩石的相互作用，形成云母（mica）等新的矿物，同时把海水中的金属离子带走。这个过程叫做“反风化”（reverse weathering），是海水中的盐被带走的一个重要方式。据估计，通过这些除盐机制，海水中的盐分在过去的至少15亿年中并没有显著增加。而在反风化过程中，钾比钠更容易被除
去，这也使得海水中钠的含量远高于钾。其余的离子，例如钙离子、镁离子、氯离子等，被“反风化”过程除去的情形也不同，因此海水并不是“浓缩的河水”，但是在钠高钾低这一点上，海水和河水是一样的。在有35亿年历史的，位于澳大利亚西部的皮尔巴拉地块（Pilbara Craton）的岩石中，发现了包藏下来的远古海水，其钠离子的浓度高达1 M，大约是现在海水钠浓度的两倍以上。虽然这不一定代表35亿年前海水的平均含盐量，但是也说明远古时期的液体水中就有高浓度的钠离子，生命是不太可能在这样的海水中诞生的。如果说原初生命是在高钾低钠的溶液中产生的，这样的水溶液在哪里呢？