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《普遍进化论》连载之 3

《普遍进化论 ------ 分子进化 · 生物进化 · 社会进化 · 精神进化的统一理论》连载之 3


第二章 分子構象和分子進化


§2•1 小分子世界


   我们每一个人,生活在人类世界中,看到的人类世界的景象,肯定与一只松鼠、一只蜜蜂看到的人类世界大不相同。所谓“鼠目寸光”、“狗眼看人低”,讲的就是这个道理。一个人观察松鼠世界、观察蜜蜂世界看到的景象,也肯定与松鼠眼中的松鼠世界、蜜蜂眼中的蜜蜂世界大不相同。人类与动物不同,人类能用显微镜、望远镜观察人类肉眼看不到的世界,而且,人类还能用理性分析的工具使观察的结果更正确、更精细。人用肉眼看不到原子分子,但人可以用电子显微镜、用理性分析形成原子世界、分子世界的图像。在本书中,当我们每到一个世界——原子世界、小分子世界、大分子世界、病毒世界、细胞世界、动物世界、人类世界、星云世界時,我们就把自己的身体缩小、放大到那个世界中“个体”的平均大小,用观察工具和人类理性去看那个世界。
    现在我们进入小分子世界。

   小分子世界最见的“个体”有氢分子、氧分子、水分子、二氧化碳分子、硫化氢分子、氨分子等等。小分子世界分子的种类非常多,我们不可能“游览”每一种小分子世界,就是“游览”三、四种也要化去我们大量的宝贵岁月。在这里,让我们自己的身体缩小到一个“水分子”大小,先“游览”一下水分子世界吧。
   水分子由一个氧原子和兩个氢原子组成,氧原子与氢原子是共价键结合的。水分子外形呈V字形,氧原子位于V字形的“鈍角”处。兩个氢原子和氧原子所形成的键角——V字的“鈍角”大约105度。在氧原子背向氢原子的一侧,有兩个帶负电的电子云。这些电子云吸引邻近水分子中的氢核形成“氢键”(hydrogen bond,见图2•1•1)。
   
   
   
   
   (图2•1•1)水分子模型和水分子之间的“氢键”
   
   
   
   
   一般的液体,分子作无规则运动。由于水分子之间的“氢键”的作用,部分水分子会缔合在一起,使水分子在液态時也彼此紧紧地粘在一起。当水结成冰或雪時,每个水分子都以氫鍵与另外四个分子相连,形成晶格结构。由于水分子的V字型形状和氫鍵的作用,水分子结晶時遵循一種不变的法则:水分子会移动到晶格结构的固定位置上,填入空位,形成雪花的辐射对称的「手臂」。雪花有多种形状——片状、星状、柱状、针状、树枝状等等,这些差异是由于雪花在大气中生成時的种种偶然因素——造成的。用遗传学的术语來說,六角形雪花千姿百态,是“大气水”凝结時的“表现型”,雪花呈现六角形对称,其根源则在于“水分子”有相同的“基因型”。
    在下大雪時,大气中的“水分子”依靠化学键的作用能形成数以亿亿计的、形状各异的六角形雪花。这与成千上万病毒的复制、细胞內蛋白质的合成,在许多方面非常不同,但在特定条件下“自动发生”这一点上是完全相同的。前者是“小分子世界”的现象,而后者是“巨量大分子世界”的现象。
    不同分子有不同形状,有不同的性能。当海水蒸发時,就生成食盐晶体。当食盐(NaCl)和硫酸(H2S04)反应時,就会生成氯化氢。当氯化氢溶于水時,氯化氢分子就电离为水合氢离子和氯离子。这些过程就象一朵朵六角形雪花“自动发生”一样,用不到人去一一关注,是必然发生的。今天,我们为细胞內蛋白质的生成过程惊叹不已,但不会有人为“小分子世界”中的数以亿亿计的雪花的形成、食盐的结晶而惊奇了。
   

§2•2 生物的三重复杂性


    无论是生物还是非生物,有固态外形的“个体”存在物,都至少有兩层结构:一是“整体结构”,二是“组件结构”。对生物來說,一种生物物种的“整体结构”就是它的“躯体构造”,而“组件结构”可以是“器官结构”,但“组件”的“组件”的基础就是它的“细胞结构”。对非生物物件來說,“整体结构”就是“物件结构”,而“组件结构”有的还可以进一步分解,“组件”的“组件”的基础就是它的“原材料结构”。波音747飞机有数百万个“组件”,不同“组件”的原材料“不同”,有金属材料、合金材料、玻璃、塑料等等,这些“原材料”的结构各不相同,而波音747飞机的“整体结构”则不同于其他型号的飞机,更不同于汽车、电风扇、水坝。
    一架飞机的“整体结构”已经非常复杂,但它的“组件结构”, 金属材料、合金材料、玻璃、塑料等等,每一种都不复杂。金属材料、合金材料、玻璃、塑料的分子结构都十分清楚。对生物來說,如人体结构极其复杂,人的大脑更为复杂,就是“组件结构”——“细胞结构”也极为复杂。即使单细胞生物,它的“细胞结构”也极端复杂。
    如果說,非生物物件的复杂性主要来源于“整体结构”的复杂性,那么,可以說,生物的复杂性與三重复杂性有關:一是数以亿万种不同物种的生物个体的“整体结构”的复杂性,二是形形色色“细胞结构”的复杂性,三是生命具有“動態結構”。
   
   
   
   
   
   (图2•2•1)大肠杆菌的复杂性远远超过波音747飞机
   
   
   
   一切复杂性起源于“对称性的破缺”,而多次疊加會使復雜性愈來愈復雜。当氢原子有核和核外电子的“不对称性”時,当水分子有V字形的“不对称外形”时,我们周围世界的复杂性就开始萌发。今天,人们仍为生物的生长、胚胎的发育、为一个受精卵的细胞分化过程感到惊奇万分,却对千姿百态的、一朵朵雪花的自然发生而习以为常。事实上,这兩者都是“对称性的破缺”的结果。在呈V字形的水分子的“鈍角”处,在氧原子背向氢原子的一侧,有兩个帶负电的电子云(见§2•1)。如果我们把这一部位称为水分子的“鈍角部”,把兩个氢原子所在的部位称为“手臂部”,那么,我们可以說,一个水分子就象一个细胞、一个生物一样有不同的“躯体部位”。 一个细胞、一个生物体比一个水分子复杂亿亿万万倍。既然一个水分子能“自动构建”自己的“鈍角部”、 “手臂部”,大量水分子的聚集在一定条件下能“自动构建” 冰晶雪花,那么,为什么一个细胞、一个生物体不能“自动构建”自己的不同部位——细胞核、线粒体、头、嘴、鳍、翅膀呢?一个细胞、一个生物体“自动构建”自己的不同部位的能力,不过是“小分子世界”个体“自动构建能力”的经过亿亿万万次发展的发展而已。
   在自然現象和人為現象中,疊加會造成“復雜化”,多次疊加會造成非常復雜的現象或形態。地球繞太陽運動,月球繞地球運動,在太陽為靜止的坐標系上觀察月球運動,就不是簡單的圓周運動,而是兩個圓周運動的疊加。如果有人在月球表面上踢足球,那么,在太陽為靜止的坐標系上觀察足球運動的軌跡,就非常復雜了。三次疊加就會形成非常復雜的結果。當一位廚師把一塊生面團用搟面杖搟成薄片,折疊、再搟成薄片,再折疊,生面團上起始各個部分就會在多次折疊過程中,發生位置的復雜變化。這種變化也是多次疊加造成的變化。实际上,在“巨量大分子世界”中,生命體有各種各樣的形狀,與“小分子世界”中,“小分子”有各種各樣的形狀,有着相同的根源,前者是后者多次疊加的結果。水牛角不同于鹿角,正是在多次疊加過程中發生的。在“巨量大分子世界”中“自動發生”形成某種特定形狀的、能大量復制的個體——各種各樣的生命體,與在“小分子世界”中,“自動發生”形成某種特定形狀的、能大量復制的個體,如雪花和食盐晶体,也有着相同的根源。由于多次疊加,生命體的復制比雪花和食盐晶体的復制復雜了億萬倍。
    運動也可以看作為結構,即動態的結構。生命還有第三重復雜性,這就是生命的“動態結構”(運動)不同于無生命物體(包括機器人)。無生命的機器人能作自主運動,有些情況下機器人的運動也象生物運動一樣不可預測,但無生命物體都不能完全自己復制自己,唯有生命體有自我復制的能力。
   

§ 2•3 巨量大分子的建筑物


   结构是物质在时间和空间中的分布。结构有三种,一是空间结构。分子结构、晶体结构、建筑物的结构,是空间结构。二是时间结构。振动、摆动、旋律、节奏是时间结构。三是时空结构。电磁波、海浪、龙卷风、活的生物膜、海洋中的鱼群、舞蹈和戏剧有各种时空结构。时空结构是动态结构。雪花的形成、细胞中蛋白质的生物合成、胚胎的发育、花朵的开放、自动化工厂中产品生产过程,都是动态结构。
   我们周围世界之所以丰富多彩,是因为(1)分子和分子聚合物的多样性和个体性。(2)空间的多层次性。不同个体的组合,在高一级层次上又形成了新的个体。(3)许多个体具有变化多端的时空动态结构。
   在“小分子世界”,也充满多樣性。对许多简单化合物來說,虽然由相同元素的同样多的原子结合成为分子,因原子排列方式不同仍可形成不同的化合物。这些化合物称为“同分异构体”(isomerism)。如乙醇和二甲醚具有相同组分,相同分子式( C2 H6O ),但由于结构不同,它们的化学性质不同(图2•3•1)。
   
    H H H H H-C-C-O-H H-C-O-C-H
    H H H H
    乙醇 二甲醚
   (图2•3•1) ( C2H6O )的两种同分异构体
   
   
   
   
   
   (图2•3•2)乙醇的分子结构
   
   
   在地球上,生命体中都包含着碳(C),氢(H),氧(O),氮(N),磷(P),硫(S)六种元素。碳原子与碳原子之间、碳原子与一些非金属原子(氢、氧、氮、氯)之间能形成很强的化学键。碳原子连在一起可以形成链或环。碳原子还能无限地相互连接而形成长链。链或环就可以成为“碳基大分子”的“分子骨架”,使碳和其他多种元素能生成各种各样的聚合物。水分子中只包含三个原子,“碳基大分子”可以包含几千、几万、几百万个原子。可以说,地球上的生命是“碳基生命”。碳基聚合物的多样性,正是生命产生的重要前提。
   碳基聚合物有极其多的多样性,拿多糖来说,多糖可由多达10000个单糖单位连结而成,多糖分子在大小,结构复杂性和糖的组成方面变化很大。王金发在《细胞生物学》一书中說,3个同样的己糖(葡萄糖或半乳糖)可以构成176种不同的三糖。3个不同种类的单糖,所能构成的异构体数目达1056个。血浆糖蛋白中一种常见的糖链————由1个岩藻糖、2个半乳糖、2个神经氨酸、3个甘露糖、4个N-乙酰氨基葡萄糖等12个单糖组成的一條糖链,可以有1亿亿亿个(1000,000,000,000,000,000,000,000个)异构体。1个异构体可携带1个信息,这么一條糖链所携带的信息就多到天文数字。

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