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　　生而为人，快乐且痛苦。一个典型中国中产阶级每天操心的事情可不少，柴米油盐，房贷车贷，还有更痛苦的子女教育问题。相比之下，细菌的生活就简单“快乐”许多。随遇而安的单细胞生物不需要找对象。环境养料充足的时候就爆发一波。譬如，我们熟悉的大肠杆菌20分钟就可以分裂一次，一天就可以让自己的后代暴增16亿（224）倍。环境恶劣时，细菌干脆就休眠。科学家曾经成功唤醒了美国新墨西哥州结晶盐中休眠2.5亿年的古老细菌。细菌大概占地球生物总质量的13-15%，而80亿人类加起来只占地球生物总质量的0.01%。仅从繁衍后代的角度来看，细菌这个快乐的单身汉要比人类成功得多。

　　既然单细胞生物如此高能，为何生命的规则会演化出多细胞生物？为何处于食物链顶端的最强生物——人类选择了群居生活？

　　《荒野独居》(Alone)是一档由历史频道制作的生存真人秀节目。参赛者被单独投放在极端荒野环境中，依靠自己的技能和智慧生存下去。每位选手只能携带10件装备，在没有任何外界帮助的情况下，面对自然的严酷考验。坚持到最后的选手将赢得100万美元的奖金。

　　罗兰德·韦尔克（Roland Welker）从踏上《荒野独居》第七季的那一刻起，就注定要经历一场前所未有的生存之战。从第一天开始，他就明白，这不仅仅是一场比赛，而是一场对他身心极限的严酷考验。

　　第一天，韦尔克在寒冷的北极荒野中降落，周围是无尽的冰雪和刺骨的寒风。他迅速选定了一块靠近水源的地方作为营地，开始用树枝和树叶搭建庇护所。然而，夜晚的寒冷比他想象中更为残酷。第一晚，他蜷缩在薄薄的树叶下，冻得瑟瑟发抖，几乎无法入睡。

　　在接下来的几天里，韦尔克面临的首要任务是寻找食物。一次，他在冰冷的河水中徒手捕鱼，水温几乎让他失去了手指的知觉。终于，他成功捕到了一条大鱼，这不仅填饱了他的肚子，也给了他继续前进的信心。另一回，他花了几个小时制作了一个复杂的陷阱，捕捉到了一只野兔。那天晚上，他在篝火旁享受了一顿丰盛的晚餐，但同时也意识到，未来的日子不会总是如此幸运。

　　随着日子一天天过去，韦尔克的挑战也越来越严峻。一次，他在探索新区域时不小心滑倒，锋利的石头划破了他的腿，鲜血直流。韦尔克用随身携带的急救包简单处理了伤口，但剧痛和失血让他虚弱不堪。他强忍疼痛，拖着受伤的腿回到营地，随后几天，他只能减少活动，尽量节省体力，让伤口愈合。

　　更大的挑战来自心理上的压力。孤独和寂寞在夜晚尤为显著，尤其是在风雪交加的夜晚，他蜷缩在简陋的庇护所里，听着外面狼嚎声不断，内心的恐惧和孤独感一阵阵袭来。为了不让自己崩溃，韦尔克开始给自己讲故事，回忆过去的美好时光，甚至编织未来的梦想。

　　最艰难的时刻出现在第七十天，冬天来临，气温骤降至零下40度。韦尔克的食物储备告急，他不得不每天冒着生命危险外出寻找食物。一整天，他在冰天雪地里跋涉，几乎没有任何收获，回到营地时，已是筋疲力尽。他知道，这样下去，他可能会因饥饿和寒冷而无法坚持。

　　然而，韦尔克没有放弃。他回到营地后，用最后的力气燃起篝火，靠近火堆取暖，并祈祷明天会有好运。他调整了策略，制作了更高效的捕猎工具，终于在第八十五天成功捕获了一只鹿。这顿鹿肉不仅拯救了他的生命，也让他重拾了希望和力量。

　　终于，在第100天的晨光中，韦尔克迎来了最终的胜利。他成为了《荒野独居》史上首位达成100天生存目标的选手。当直升机降落，将他接走时，韦尔克已经是一个经历了无数磨难和挑战的英雄。

　　《荒野独居》的参赛选手拥有人类社会提供的最佳装备，包括羽绒服、引火装置、强力弓箭甚至渔网。但是少有选手能够在极端荒野环境下坚持到第100天。事实上，在荒野独居这个系列赛中，这些野外求生专家平均只坚持了37天。万年前的冰河时代中，人类祖先能够在更差的装备和更恶劣的环境中存活下来，理由大概只有一个：团结就是力量。

　　地球在40亿年前就迎来了第一个生命，但一直到6亿年前第一个多细胞生物才出现在地球。这说明在地球的大部分时间里，甚至即便是现在，单细胞生物拥有强大的生存优势。事实上，小尺寸的单细胞生物不仅种群数量巨大，而且种类的多样性大到我们几乎无法定义。以人体为例，我们的身体里至少有1-2公斤的细菌共生，总数量可能高达100万亿个[1]，而通常人体的细胞总数在数十万亿这个级别。2018年美国国家科学院院刊的一篇文章估算，地球生物总质量为5500亿吨左右，其中细菌占比约12.7%，而所有动物加起来才不过0.4%，甚至还不如另一种单细胞生物古菌1.3%的比例。

　　俗话说，人多力量大，细菌也一样。细菌扎堆在一起的生活质量要好过独居。单细胞的细菌在传宗接代方面比较随意。水平基因转移（Horizontal Gene Transfer）是细菌之间传递遗传物质的过程，与垂直基因转移（即从亲代传递给子代）不同。细菌可以从环境中直接摄取外源DNA并将其整合到自身基因组中，也可以通过接合桥从其它细菌体内嫁接基因过来。因为DNA或RNA复制非常消耗能量，细菌也会随意地抛弃部分基因组。这种数典忘祖的行为导致细菌的多样性极其丰富，也成为抗生素研究者的噩梦。水平基因转移使得细菌不断演化出抗生素所不能杀死的品种。

　　细菌使用一种叫做群体感应的通讯机制。这种机制依赖于种群密度。细菌通过分泌和检测信号分子来感知自身的密度。当细菌密度达到一定水平时，信号分子的浓度增加，激活特定基因的表达，从而启动集体行为，譬如形成生物膜。我们口腔里的牙菌斑就是一种生物膜。生物膜提供物理屏障，保护细菌免受环境压力、抗生素和宿主免疫系统的攻击。这和冷兵器时代打仗的阵形一样，外围的细菌为生物膜内的同类提供了保护。细菌甚至可以通过群体感应机制同时分泌毒素来攻破宿主细胞的免疫屏障。这说起来有点像古代游牧民族的入侵。零星牧民的攻击往往被长城防线的军队拦住，只有大部队才能攻入长城以内。有研究说，人体80%左右的感染和细菌生物膜有关。细菌的团结对人类不是一件好事。

　　其它生物也一样存在群体感应机制。松树、柳树、番茄、烟草和胡椒等植物在遭遇昆虫啃食时，会分泌水杨酸等挥发性化合物通过空气向周围的同类发出警告。豆类、草莓和玉米可以通过根系分泌等土壤传播的黄酮类化合物，通知同类做好防御措施。玉米和芥菜甚至可以分泌一些化合物吸引昆虫的天敌来捕食害虫。独木不成林的适用范围不仅仅是植物，应该是所有生物。我们在中学课本上都学到过的是，蜜蜂和蚂蚁这种社会性昆虫可以通过视觉和化学信号通知同类哪里有好吃的。其实苍蝇也会这个技能，只是说起来有点恶心而已。蚜虫在遭遇捕食时，甚至可以释放警报信息素，让兄弟们赶紧撤。

　　著名脱口秀演员李诞写过一本工作手册。书中写到，为何组一个公司而不是自己一个人单独讲脱口秀，是因为一起讲脱口秀挣的钱更多。难能可贵的是，他引用了诺奖得主科斯的交易成本理论来解释这个逻辑。他认为，工作的本质是交易，演员通过公司将自己的时间和才能与市场交换金钱。公司会产生的原因是，个人直接交易的成本太高，而公司能降低交易成本。当然聚集也有副作用，病毒会在种群中传播。演员也可能会因为公司同事的不当行为被牵连。一切皆有代价。

　　尽管同行是冤家，但是我们经常会看到电器城、家居城和书城里同行扎堆出现。对于消费者来说，这种市场的出现降低了平均的交易搜索成本，也使得商家可以接触到更多的客户。互联网平台使得交易市场不再受物理空间和交通环境的限制，进一步降低了交易成本，同时也严重侵蚀了传统交易市场的交易量。亚马逊、淘宝、京东、拼多多和希音的崛起对于传统制造商这个物种来说，是交易环境的又一次自然选择。

　　本质上而言，所有物种都在与环境交换物质和能量，以保持自己的有序状态。在群居环境下，交换成本分摊到每一个个体身上的平均值，会低于个体直接交换的代价。在自然规则的竞争迭代中，节能模式显然更容易胜出。

　　搭过乐高的人都知道，如果只有一种形状的积木，那么我们能构建的模型是极其有限的。另一方面，我们需要有相当数量的积木才能搭建出想要的模型。生物学将地球生物分为三域（Domain），包括细菌，古菌和真核生物。在生命诞生之后的20亿年内，生命仅限于细菌和古菌两种单细胞生物（“原核生物”）。尽管两者的基因多样性和对能量利用方式的多样性令人叹为观止，但是它们都是快乐的单身汉，无法形成更大更“高级”的生命积木。古生物学家推断，大概在16-21亿年前，某种古菌吞噬了细菌（据推测是α-变形菌）。被吞噬的细菌并没有被消化，而是与宿主共生。真核生物由此诞生。被吞噬的细菌演化成细胞里的线粒体。这一次乐高积木的偶然组合对地球生态产生了深远的影响。

　　生命存在的基础是利用能量维持或创造有序。几乎所有地球生命都以三磷酸腺苷（ATP）作为能量传递的介质。ATP就是人体的能量货币，释放能量之后变成二磷酸腺苷（ADP），重新充能之后又变为ATP。这种往复循环便是人体能量传输和使用的机制。一个冷知识是，正常人体的ATP存量仅有50克左右，但是每天循环的总量高达50-75公斤。每个ATP分子大概要循环1000次以上。

　　细菌和古菌也是以ATP为能量货币。两者的融合使得真核生物有了几种生成ATP的方式。我们将运动分为有氧和无氧两种，标准就是ATP生产过程中是否有氧气参与。无氧的供能模式或者分解磷酸肌酸给ATP充能，或者将葡萄糖分子酵解为ATP分子并产生乳酸。前者功率最高，但是因为磷酸肌酸储量有限，最多只能支持10秒钟的消耗。后者功率其次，但也撑不了太久，800米以上的项目就顶不住了。真正高效率（但是低功率）的供能模式是线粒体内发生的三羧酸循环，能够源源不断地将糖或脂肪的能量用来为ATP充能。葡萄糖通过糖酵解转化为ATP能量的效率约为2%，而通过三羧酸循环转化为ATP能量的效率约为40%。因此线粒体可以被称为细胞的发动机。

　　有氧呼吸短跑和长跑项目表面上看起来都是跑步，但是两者的供能模式差异导致两类运动员肌肉类型和训练方式都不同。一个不冷的知识是，长跑尽管消耗能量总和非常大，但减肥效率并不如能量效率低但功率高的无氧运动，尽管后者可持续时间很短。从耗能角度来看，高强度间歇训练（HIIT）是不错的选择。这种败家行为在工业革命之前是要遭天谴的。

　　在进化历史上，线粒体对能量的高效运用使得复杂多细胞生命成为可能。消耗单细胞生物能量的主要行为是“生”和“活”。原核生物生孩子靠的是分裂复制，而遗传密码DNA的复制极其耗费能量。自然而然，细菌会选择极简模式，抛弃不必要的基因。目前已知最大的细菌基因组只有1200万个碱基对（12MB），与真核生物DNA动辄十亿计的碱基对相比有点寒酸。

　　这听起来有点不可思议。本质上，细菌是规则（DNA）为自我复制而制造的生物机器。遗传规则（DNA）是子规则（基因组）的集合。基因组彼此之间存在竞争与合作关系。水平基因转移的过程有点像某些规则被踢出群，但又被其它群接纳的行为。活下去是硬道理，能够复制的基因才是赢家，而不一定是那些对生物有益的基因。真核生物的基因组是古菌和细菌的嵌合体，或者说是规则的组合。从现代生物学家的角度来看，大概是因为当年合并时过于草率，真核生物的基因组冗长且充斥大量无用信息。仅从效率来看，细菌和古菌的遗传规则要比我们高得多。

　　一个真核生物细胞的体积大概是普通细菌的15,000倍。如此庞大的基因组和体积没有线粒体这样高效的能量工厂支持是不太可能维持的。单个人体细胞所拥有的线]。能量消耗较大的细胞拥有的线万个，如部分卵巢细胞。即便是在细胞层面，孩子依然费妈。线粒体也有独立的基因组。因此我们的细胞内有两套基因。一套是收纳在细胞核内23对染色体中的DNA，长达3GB字节；另一套则是收纳在线KB字节DNA。前者是棒状形态，而后者是环状形态。我们一般所说的人类基因组指的是前者。父亲和母亲各为受精卵的核DNA贡献了一半。而线粒体DNA在正常情况下只来自母亲。看来，有氧运动的天赋主要来自母亲。

　　线粒体和宿主共生的关系有点像现代的公司制度。宿主为线粒体提供能量源，而线粒体则负责运用能量创造更大的价值，帮助公司进行各项生产活动。在没有共生机制的情况下，这种临时合作也可能发生于细菌之间。内共生使得协作关系固化，两者从合作中获得双赢优势。彼此的规则组合经过自然选择之后得到传承延续。真核生物的复杂性又涌现出更多全新的规则。譬如，有性繁殖使得同一物种的遗传密码可以进行交换，进一步提高了物种的适应能力。真核生物的领域也从海洋发展到陆地和天空，为生态体系带来更多的复杂性和可能性。

　　我们中学课本上学到的几种单细胞生物，譬如草履虫、变形虫和酵母菌，都是拥有线粒体的单细胞真核生物。很多人都会将帮我们制作面食和美酒的酵母菌误认为是细菌，其实它们是真菌。因为有了线粒体，所以酵母菌既可以进行有氧呼吸，也可以在无氧条件下进行另一种呼吸：糖酵解。酵母菌能够将糖转化为乙醇（酒）和二氧化碳。葡萄汁和麦芽汁可以直接被发酵成为葡萄酒和啤酒。而高粱或米饭的淀粉作为多糖还多了一道工序，需要曲霉先将之糖化，然后再由酵母菌发酵成为茅台或者五粮液。常听说的”大曲“得名自酿酒原材料，即由曲霉、酵母和乳酸菌混合而成的大曲。制作面食的糖酵解和酿酒差别不大，只不过前者中的乙醇通常会挥发掉，而二氧化碳则会使得面包和馒头蓬松好吃。本质上，我们享用的面食和美酒都是酵母菌先享用过一遍的残羹冷炙。或者说，它们将植物光合作用储存的能量先抽走一部分，然后留了一部分给了我们。

　　拥有线粒体的真核生物因为能量运用能力的提高，因而更加能折腾了。大约15亿年前，某种真核生物又吞噬了蓝细菌，也就是我们常说的蓝藻。被吞噬的蓝细菌演变成我们所熟知的叶绿体。之所以我们看到的植物颜色主要是绿色的，是因为叶绿体的叶绿素主要吸收蓝光和红光，而反射了绿光。叶绿体作为一种高效的生物电池，能够将接收到的太阳辐射中1-3%的能量固化在为葡萄糖，并释放氧气。这也是现代地球生态圈的基石。早期地球大气中是没有氧气的，蓝藻是古代地球氧气的主要供应商。即便是到了植物覆盖地球的今天，蓝藻和硅藻这类浮游生物依然是氧气的重要供应商。

　　所有的证据都表明，复杂生命源于早期简单生命的吞噬和演化。吞噬所导致的内共生规则之所以在演化中被保留下来，是因为叶绿体极大地提高了能量固化效率，而线粒体则提高了能量的使用效率。高能且简单的生命继续折腾着地球物质，于是便有了复杂的多细胞生命。真核生物的遗传规则是古菌和细菌规则的双赢组合。这种新生的规则与其它规则在转化物质的竞争中取得了较大优势，形成了现在地球生态圈的主体。

　　这背后的逻辑是更多选择的排列组合带来的多样性。如果没有多样性，那么数量的意义并不大。撒哈拉沙漠面积超过900万平方公里，但它却是贫瘠且简单的整齐划一，还不如仅有8000平方公里的加拉帕戈斯群岛。

　　对于演员来说，和公司签约并非是一生的事情。当公司解体的时候，演员依然可以寻找下一个公司继续演出，甚至自己单干。但对于多细胞生物来说，这是一个事关生死的严肃问题。一旦整体崩解，所有构成的细胞都会死亡。这也是为什么我们在开篇时将单细胞生物称为快乐的单身汉。那么，是什么规则推动单细胞生物演化演化成为多细胞生物呢？

　　单细胞生物演化为多细胞生物是一个复杂且漫长的过程。古生物学家们估计最早生命诞生于40亿年前，然而第一个多细胞生物直到6亿年前才出现。快乐的单细胞生物至少花了30亿年才迭代出复杂的多细胞生物。

　　单细胞生物首先以集群或群体的形式生活在一起。这种集群可能是由于细胞分裂后不完全分离，或因为共同的资源和环境压力而聚集在一起。集群提供了一些优势，如提高资源利用效率和增加抵抗环境压力的能力。在集群中，不同细胞开始表现出某种程度的合作行为。例如，一些细胞可能专门负责获取营养，而另一些细胞则负责防御和保护整个集群。这种合作和分工是多细胞生活的重要前提。

　　单细胞生物通过化学信号（如群体感应分子）相互通讯和协调活动。细胞间的通讯使得细胞能够协调分工和合作，增强集群的整体功能。细胞开始发展出特定的黏附机制，使它们能够更牢固地黏附在一起。这些黏附分子（如钙粘蛋白和整合素）在维持多细胞结构的稳定性方面起到了关键作用。

　　随后，细胞逐渐演化出复杂的基因调控网络，使不同的细胞可以在不同的时间和环境条件下表达不同的基因。通过这种方式，细胞可以特化为不同的功能类型。随着基因调控机制的发展，集群中的细胞开始分化为不同的类型，每种类型执行特定的功能。比如，在早期的多细胞生物中，一些细胞专门用于运动（如鞭毛细胞），而另一些细胞则专门用于繁殖。真核生物融合的线粒体提供的能量使得细胞的分化成为可能。

　　最后，随着时间的推移，多细胞生物的结构变得更加复杂。细胞分化和特化进一步发展，形成了组织和器官。例如，植物演化出了根、茎、叶，而动物演化出了心脏、肺、肝脏等器官。多细胞生物演化出复杂的发育和再生机制，使得个体可以从单细胞（如受精卵）发育成复杂的多细胞个体，并能够修复受损组织。

　　生物演化的背后本质上是能量运用规则的迭代。这些规则被记录在DNA长链上由碱基构成的基因组中。在自然界中，DNA的复制无法做到100%正确。背后的原因之一是物理限制。细胞内的DNA复制酶和突变的修复酶都要遵循物理规律。热力学噪声会导致分子运动的随机性，化学反应的随机性使得零错误难以实现。另外，环境中的辐射或化学物质也会对DNA产生损伤。尽管生物体进化出修复机制，由于随机性的问题，仍然有一定几率无法完全修复。

　　拥有更高能量的真核生物演化出了容纳遗传规则载体DNA的细胞核。经常导致细菌和古菌遗传规则翻天覆地变化的水平基因迁移在真核生物中很少出现。遗传规则的变化主要来自于小概率的基因突变，也就是复制错误。突变是一把双刃剑。99%以上的突变对于生物体来说是有害的。这确实也符合常理。一系列环环相扣的规则中如果有一条规则发生了改变，可能会导致规则体系出现连环错误，进而崩溃。人类的许多疾病都来自于基因突变。但是仍然有极少部分突变可能对规则体系是有益的，这就是所谓的进化。早在1998年，科学家们便发现细菌每代的基因组变异比例约为0.3%。后续的研究发现，当种群越大的时候，自然选择所起的作用越大，突变率反而下降了。这背后的原因是，并非所有有益的突变都会被保留，如果益处太小，新生的规则在种群内部的竞争中会被自然环境淘汰。自然选择对突变的筛选是生物进化的底层逻辑。

　　极低的正向突变概率，使得单细胞演化成为更复杂的多细胞生物花费了30亿年以上的时间。这不由得我们思考，复杂多细胞生物的出现是否只是个偶然。从地球历史来看，生物越复杂，越容易因为环境的突然改变而灭绝。曾经称霸地球的恐龙便是经典的例子。小型生物更容易在灾变后生存。恐龙灭绝后，一种外形和老鼠相似的小型夜行动物逐渐壮大起来。它的后代，也就是哺乳动物，成为地球如今的主宰。或许在那30亿年的演化中，不同类型的单细胞生物聚合体曾经出现过，严苛的自然选择导致只有真核生物结构的多细胞生物才存活到现在。而快乐的单细胞生物由于极强的生存能力，依然是地球生态圈中的重要力量。“在一起”不是单细胞唯一发展的方向，只是一种选择而已。

　　分子生物学的研究结果表明，地球上所有的“生命”都源自同一个祖先， LUCA (Last Universal Common Ancestor)。科学家认为它可能是一个嗜热的、没有细胞核结构的生物。道生一，一生三域，三域生万物[3]。万物的多样性又衍生出更多的多样性。

　　基因研究表明，所有真核生物都有共同的祖先。也就是说，古菌和细菌融合形成真核生物的事件只发生了一次。在真核生物诞生之后，类似乐高积木的生命共生机制从此不再罕见。植物细胞中的叶绿体也是被吞噬的原核生物。光合作用对于全球生态平衡的意义就不用赘述了。环保主义者热衷保护的珊瑚礁是由珊瑚虫分泌的石灰质骨骼和外壳形成的。珊瑚虫体内共生的微生物种类繁多。其中一种可进行光合作用的藻类为珊瑚虫提供了90%以上的能量供应。一个成年人肠道内共生的细菌总数是人体细胞总数的10倍。肠道菌群可不是危险的不速之客。它们的存在对于人体健康至关重要。

　　排列组合律告诉我们多样性的增加并不是线性的，而是会以阶乘速度递增。因此，地球的地质年代并不是线性均匀划分的。古生代长达3亿年，中生代约为1.7亿年，而如今所处的新生代不过6500万年。如果我们将地球历史浓缩成1年，那么人类存在的时间不过是半个小时而已。多样性并不会无限制地扩张。外部环境的剧烈改变曾经导致地球生物多次大灭绝。最近的一次白垩纪大灭绝发生在6500万年前，将近75%的物种彻底消失，包括恐龙。尽管智人离开非洲不过6万年历史，但是现在人造物的总质量已经超过了所有生物的总质量。地球生物圈的多样性正因为人类崛起而遭遇威胁。经常有环保主义者呼吁要保护地球。其实这是多虑了，地球活这么久，什么世面没见过？保护环境其实最终是在保护人类，因为生物多样性的消失会反过来影响人类的生存条件。

　　如果地球环境只允许一种生命形式存在，那么我们所介绍的各种积木是不可能搭建出来的。只要积木类型足够多，大自然反复尝试之后总会创造出适合地球环境的复杂生命，尽管30亿年的漫长试错确实是地老天荒。我们的疑问是，如果一切重来，地球生命还会是这个样子吗？有的生物学家开玩笑说，也许在另一个地球上满山都爬着各种大章鱼。我们的存在要归功于搭建我们的每一块生命积木。生命多样性创造了我们所处的环境，还有我们。

　　提出“原始汤”假说的米勒并没有拿到诺贝尔奖，尽管他确实证明了有机物可以在地球早期被创造出来。化学家们认为，原始汤的浓度太低，能量也不够，不足以组装复杂的DNA。生命诞生初期的地球和现在有着巨大差别。那时候地球转速比现在要快不少，一天只有6个小时。地球的大气没有氧气，也就没有阻挡紫外线的臭氧。高频率的紫外线照射可能会让海洋表面刚刚由闪电煮成的原始汤分解。另外，40亿年前的月亮要比现在离地球近得多，潮汐效应也大得多。惊涛骇浪使得海洋表面一点也不宜居。

　　现代生物学家普遍认为，地球生命可能诞生于海底的热泉。最开始他们认为的候选地是黑烟囱。黑烟囱通常位于正在扩张的大洋中脊，产生于地底火山作用。海底黑烟囱生态系统是一种独特的深海环境，由海底热液活动形成，其特征是喷涌含有高浓度矿物质的黑色酸性热液流，这些热液流在遇冷海水后迅速冷却并沉淀形成烟囱状结构，因此得名“黑烟囱”。黑烟囱周围的环境极端且独特，水温可高达350℃到400℃，压力巨大，并且通常缺乏光照。尽管如此，这些地方却孕育了一个丰富的生物群落，形成了一个不依赖阳光的“黑暗生态系统”。黑烟囱生态系统中的生命形式多样，包括细菌、古菌、甲壳类、软体动物、环节动物等，它们中的一些生物与化能合成型微生物形成共生关系，通过氧化硫化物和甲烷等还原性物质来获取能量，合成有机物。

　　著名生物学家迈克尔·罗素则认为最早的生命可能来自于另一种碱性热泉。这种热泉则来自于地幔新生岩石与海水的接触。碱性热泉所产生的微小岩石空腔可能是有机物聚集成为细胞的最早地点。碱性热泉持续地冒出氢气，后者与二氧化碳的反应则会产生有机分子。而岩石的多孔机构则会困住并浓缩有机分子，使得它们能聚合成RNA或DNA这样的大分子。现在这种说法逐渐得到多数生物学家的认可。

　　生命是运用能量维持有序的规则。但是在生命诞生之前，有序如何造成？这必须有持续的能量支持。这就好比婴儿毫无能力自己获取食物，只能仰仗父母喂养。海底热泉可能是生命诞生之前的能量来源。这里说的能量并非来自海水的热量，而是来自热泉源源不断涌出的还原气体，如硫化氢和氢气。生命的能量运用本质上是电子在高能量状态和低能量状态之间的切换。氢原子是高能量电子的重要来源。诺贝尔奖得主阿尔伯特·圣哲尔吉说，生命不过就是一个电子不断寻找归宿的过程。

　　细菌等简单生物获取能量（或者说电子）的方式可谓是千奇百怪。它们可以从硫化物和硝酸盐等无机物种获取电子，也可以从金属或矿物中获取电子，甚至可以在电池中从电极上获取电子。细菌最主流的能量获取方式是光合作用。蓝细菌（也就是叶绿体）利用光子的能量从水中获取电子，并将电子经过层层传递用于制造ATP或者将二氧化碳变为糖，氧气则作为代谢的废物排出。ATP作为能量货币直接可以驱动蛋白质制造等过程，而糖则作为能量储备。

　　在生命诞生之前，地球大气中充斥着二氧化碳。光合作用将碳以生物遗体的形式固化到地壳中，或者说将太阳能以石油和煤炭等形式沉积下来。这个过程长达几十亿年，所固化的能量也超乎我们想象。即便是我们肆意挥霍化石能源，使得地球气候沦落到生态浩劫的地步，所消耗的能源也不过是储量的百万分之几而已。

　　在工业革命以前，地球生态圈能运用的绝大部分能源都是生物能。植物通过光合作用固化太阳能，效率大概只有1-2%。动物则通过食用植物获取能量，可获取比例大概只有10%。从化学角度来看，其实就是糖的电子被释放出来用于ATP循环。如果不是光合作用产生的废物氧气，地球生态圈是不会如此多姿多彩的。有氧呼吸对能量的转化效率高达40%，而无氧呼吸则仅有2%左右。考虑到每个层级能量传递损失率高达90%，如果再用效率仅有2%的无氧呼吸进行能量转化，那么食物链的金字塔会陡峭到难以置信的地步。养活80亿人简直是不可能的任务。

　　在能量短缺背景下，高耗能的复杂DNA规则可能会被更有效率的简单规则替代。基因突变中99%的失败率也会显得无比奢侈。有性生殖则是更浪费能量的行为。有性生殖直白地说就是DNA随机双色球，所以历史上大多数天才的后代都不是天才。无性生殖则会让爱因斯坦不断生出爱因斯坦。当然，手无缚鸡之力的爱因斯坦并非在所有自然环境都能存活下来。在节能模式下，自然会选择更加简单有效而非多样低效的生物形式。更简单地说，没有氧气的话，地球的主宰依然是细菌。生命因挥霍而精彩，因节俭而单调。

　　[1] 大部分人体的细菌位于肠道，呼吸道和皮肤也有一部分细菌。如果仅以细菌的数量多寡来判断干净程度，人体要比马桶脏得多。但事实上人体的大部分细菌是无害的甚至有益的。

　　[2] 血红细胞是个特例，即没有细胞核也没有线] 病毒通常不被认为是生命体，因此它也不在此处定义的“万物”里。