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《普遍进化论》连载之 4

《普遍进化论》连载之 4


   (纽约 明镜出版社2009年11月出版)

第三章 生命起源


§3•1 “界面”、“特殊环境”和“分子聚集”


   

   地球上为什么会有生命?当地球在46億年前形成時,地球上没有生命。就是地球形成後数亿年中,地核和地幔才慢慢分开、地壳才逐渐形成,大气中没有氧,二氧化碳的浓度比今天高一百倍以上。大气中还有氮、硫化氢、水蒸气。地球表面还有水。这样的环境,仍然是一片死寂的环境,地球怎么会产生出生命呢?
    地球上一切生命体中都包含碳、氢、氧、氮、磷、硫等元素,如果地球表面没有这些元素,那就談不上有生命。在这一章中,不是去探讨“前生命时期的地球”为什么有地壳、有那样的大气、有水,而是探讨“有地壳、有那样的大气、有水”的地球表面,怎样就产生了生命。
   生命起源不是碳、氢、氧、氮、磷、硫原子的偶然、随机组合,不是玩桥牌时碰巧一手抓到了全部13張黑桃,而是三个条件下的必然发生的“规范现象”(參見§3•2,§10•5),这三个条件是:
   第一, 特殊界面包围的空间;
   第二, 特殊界面包围空间中的特殊的分子聚集;
   第三, 特殊的能量输入;
   生命起源是在这三个条件下的一种耗散结构现象。這里从形成耗散结构的“界面”談起。
   耗散结构的形成至少与三个因素有关:
   第一, 形成耗散结构的物质要能够聚集在同一空间范围——“特殊环境”中;
   第二, 这一空间范围有一个“界面”;
   第三, 物质、能量、信息能够通过“界面”有选择或无选择地不断输入空间范围,形成“特殊环境”。
   自然界中有各种各样的“界面”。绝缘性界面禁止一切分子和能量在界面两侧交换,而半透膜容许某些分子通过,而禁止其他分子通过。细胞質膜、細胞核膜、血管、神经纤维、肺泡、胃壁、皮肤、叶面、根瘤、果壳、河床、海底、海岸线都是“自然界面”, 细胞質膜是细胞的“界面”,在膜包围的空间內形成一特殊的“微环境”。 細胞核膜是細胞核的“界面”,細胞核內的“微环境”受到雙重保護----核膜和核膜外細胞質的保護。大气圈是地球的“界面”,在大气圈包围下地球表面才形成生物生存的环境。“人工界面”更是形形色色,试管、烧杯、蒸馏器、炼钢炉、信封、包装盒、柵栏、围墙、国界都是“人工界面”。对贝纳德的“六角形蜂巢状组织”来說,空间范围的“界面”是兩片玻璃。这也是一种“人工界面”。没有这兩片玻璃,形成耗散结构的物质就不能聚集在同一空间范围中。兩片玻璃还使得“空间范围”呈现一“薄层”状。这种特殊形状的“空间范围”也是耗散结构形成的因素之一。在原始地球上,不存在这样的夹在兩片玻璃之间的“薄层”状空间范围。拿“生命”和“六角形蜂巢状组织”相比,形成“生命”要比形成“六角形蜂巢状组织”复杂得多,但在原始地球上,出现“薄层”状“特殊环境”还要比形成孢子、种子或羊膜卵的内部环境还要难。地球上出现 “薄层”状的“六角形蜂巢状组织”的时间比出现孢子晚了30多亿年。所以,“特殊环境”、 “界面”和“形成耗散结构的物质在特殊环境內的聚集”是一切“宏观结构”形成的前提。当不同的分子聚集在一起时,分子之间才能发生化学反应,才能因分子间的作用力发生“分子构象”的变化。在实验室中,“试管”和“容器”就是“特殊环境”。对“生命体”來說,“膜”就是“界面”,“膜”所包围的空间以及孢子、种子或羊膜卵的内部环境就形成“特殊环境”,自然界中如果不能形成“膜”的話,就只能有原始的“病毒”,不能产生独立存在的“生命”。
   不同的耗散结构,会在不同的条件下形成。这些条件是:
   (1) 形成耗散结构的物质本身,是单质,还是化合物?是小分子物质,还是大分子物质? 是这样的大分子物质,还是那样的大分子物质?
   (2) 形成耗散结构的物质的“空间范围”,是一种“环境”。这种“环境”,是夹在两片玻璃之间, 还是在水中的一个“微球”中,在某种溶液中,在岩石空隙中,在磁场的包围中,在孢子、种子或羊膜卵內,在某种生物的某种细胞內或其它什么“环境”?
   (3) 输入系统的能量,是固定大小, 还是有规则或无规则变化的?
   当某种小分子液体物质夹在两片玻璃之间,不断输入一定能量,在分子之间的各种力的相互作用下,就会形成六角形的蜂巢状的结构。
   当某种大分子物质在一特别环境中,当输入某种有规则变化的能量时, 在这些大分子之间的各种力的相互作用下,就会形成某种有特别形状的组织。
   当某些巨量大分子物质在某一“细胞内部”的“特定环境”中,输入某种有特定规则变化的能量时,就会产生出某种病毒。
   当某些巨量大分子物质在一孢子、种子或羊膜卵內的“特定环境”中,输入某种有特定规则变化的能量时,就会产生出胚胎。
   生命是某些巨量大分子物质聚集在一起时、由于这些物质分子间的复杂相互作用(分子运动、化学反应和“分子构象”的变化)而产生的规范现象(參見§3•2,§10•5),生命体则是伴随这种规范现象形成的耗散结构。在生命产生前,地球上已有水,在水中已有多种不同物质的分子,水使得这些不同物质的分子能够聚集在一起。在水中,这些分子能够自由移动,能够“游泳般、跳舞般地运动”(参见§ 5•4液体中的分子运动),在没有水或没有其他液体的、纯粹固态的星球表面,即使有多种巨量大分子物质,这些物质也不能聚集在一起,不同分子之间也不能发生相互作用,因而,不可能形成生命。
   不同的病毒、不同的胚胎本身也是不同的耗散结构。生命体与六角形的蜂巢状的结构一样,都是耗散结构,不同的是,产生耗散结构的三个条件不同:
   第一个不同是,蛋白质,核酸都是巨量大分子。不同蛋白质的分子量从几千到几千万不等。烟草癍纹病毒的核蛋白分子量超过2000万。生物体的遗传物质DNA(脱氧核糖核酸)是由成千上万个脱氧核苷酸连结而成的一类核酸。病毒DNA的分子量就在百万以上。大肠肝菌为250亿。人的DNA分子的分子量达15000亿。产生蜂巢状结构的液体和产生BZ反应的物质,分子量都很小,与蛋白质,核酸等巨量大分子不能相比。
    第二个不同是,简单小分子物质与外部隔开的“界面”,难以靠小分子物质自身形成,而一些巨量大分子物质,因空间卷曲等几何原因,自身会形成特别的空间界面,如磷脂在水中会形成“微球”(见图2•3•4),一些生物大分子的组合因分子之间的相互作用力和三维空间的“数学必然性”会形成“衣壳”和各种“膜”。 “衣壳”、 “膜”这些界面与玻璃,试管,烧瓶这样的界面不同,还能有选择地容许不同分子进出。
   第三个不同是,输入系统的能量,不是固定的,而呈某种时空分布,或有某种“能量梯度”。液体六角形蜂巢状组织是一种无生命的耗散结构,它的 “膜”是两片玻璃板。细胞是一种有生命的耗散结构,它的“膜”由蛋白质,糖类,脂质分子构成。“膜”的存在不仅使进入“膜”內的分子有所选择,而且,输入“膜”內的能量大小也可以随时空变化。
   从无生命物质演化成生命体的过程中,大分子物质核酸有着与蛋白质不同的功能. 核酸是个体化的大分子,是传递不同核酸大分子的个体信息的中心,是信息复制的源泉,而蛋白质主要是能量供应中心.蛋白质还充当 “衣壳”, “包膜”, “膜”或 其他“界面”的材料,使个体化物质( 病毒或细胞)与外界分隔开来,成为耗散结构单元的 “界面”。
   
   地球上的生物,可以分为 “非细胞生物”, “原核细胞生物”和 “真核细胞生物”。病毒(virus)是一类非细胞生物。古细菌( archaeobacteria )、常见的细菌(称为“真细菌”)以及蓝藻是原核生物。(注1)植物,真菌,动物则是真核生物。
   
   
   (注1)20世纪70年代末,C.R.沃斯(C.R.Woese)等人主张把生物分为“古细菌”, “真细菌”,“真核生物”三大类,并把“蓝藻 ”归入“真细菌”类群。
   
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   真核细胞的体积比原核细胞大得多,平均达1000倍。兩者的主要区别是,原核细胞没有內膜系统(包括核膜),没有明显的细胞核,只有“拟核”,细胞中的信息复制中心( 即遗传物质传递中心)与能量转换中心(代谢中心)之间没有明显界限。真核细胞有细胞核,还有多种细胞器,有內膜系统。细胞核是细胞中的信息复制中心( 遗传物质传递中心). 细胞核外的一些细胞器是能量转换中心(代谢中心)。與原核细胞相比,真核细胞使細胞核成了細胞的一個保持自身特征的穩定結構。
   病毒体内没有能量转换系统.病毒在单独存在时,不消耗食物,也不能对周围环境作出反应,但病毒在侵入活细胞後, 活细胞就成了病毒的宿主( host ),病毒利用活细胞中的物质和能量,复制病毒本身的核酸,使自己增殖。T4噬菌体是一种感染大肠杆菌(E.coli)的病毒。在T4噬菌体感染大肠杆菌后不到半小时,大肠杆菌的细胞就死亡,这时就复制出100个左右的T4噬菌体(图3•1•1)。病毒的衣壳由蛋白质组成,有的还含有糖蛋白的脂质,病毒的中心是核酸( RNA或DNA)。亚病毒(subvirus)比病毒还要简单。亚病毒包括类病毒(viroid)、卫星RNA(satRNA)、卫星病毒和朊病毒(prions)。类病毒不含蛋白质,只含有分子量不大的核糖核酸。类病毒侵入宿主细胞後,也能进行复制。卫星RNA(satRNA)、卫星病毒单独没有侵染性,要依靠辅助病毒才能侵染和复制。朊病毒內不含核酸,是一种蛋白质侵染因子。朊病毒依靠蛋白质为“模板”进行复制。(注)
   
   (注)参见赵亚华:《分子生物学教程》,科学出版社,北京,2004年。
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   质粒( vector)是裸露的环状核酸,也可以进出于活细胞之间,利用活细胞的物质和能量复杂性和繁殖。
   
   
   (图3•1•1)T4噬菌体(左)和大肠杆菌(右)
   
   
   
   
   
   
   
   
   (图3•1•2)几种病毒的形态
   
   
   
   从无生命物质向生命体的演化, 质粒,亚病毒,病毒处于生命起源的关节点上。关于病毒的起源,有的生物学家认为,病毒是从细菌退化而来的。也有的认为,病毒是宿主细胞的产物。但有一点可以肯定,病毒的结构比细菌,比一切单细胞生物都要简单。与那些能自行生长的晶体,液体蜂巢结构相比,质粒,亚病毒,病毒都要复杂得多。
   

§3•2 三类规范现象


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