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正文 第 14 章

    大历史,小世界:从大爆炸到你(出书版) 作者:辛西娅·斯托克斯·布朗/译者:徐彬/ 于秀秀/刘晓婷

    第 14 章

    DNA的结构和复制DNA

    从碱基对的中间一分为二,复制自己。每一半吸引另一个糖分子链和互补碱基,形成与原始DNA一致的新分子。基因是更大的DNA分子序列上的较小的分子序列。

    活细胞是什么元素组成的?最常见的4种元素是氢、氧、碳和氮,还有少量的硫和磷。这些原子构成分子,而这些分子可以分成4个大类:构成结构、提供机能的蛋白质,储存能量的碳水化合物,不溶于水、在水中形成膜的脂质,以及核酸(核酸指导细胞如何构成合适的蛋白质,并指导细胞如何繁衍)。

    地球上的第一个活细胞究竟是怎么诞生的?这件事情发生的顺序,现在依然是个谜,或许它仅次于“宇宙从何而来”这个最大的谜团。不过,生物学家已经收集了大量的证据,能大体勾勒出第一批活细胞诞生的过程。

    其中的矛盾在于:活细胞既有蛋白质,也有核酸。蛋白质由氨基酸构成(多数是碳、氢、氧和氮),而核酸中另外还包含磷。核酸携带基因指令,可以是具有双链的(脱氧核糖核酸DNA),也可以是只有一个单链的(核糖核酸RNA)。

    那么到底先有哪个呢:蛋白质还是DNA/RNA?它们是按哪种顺序出现的呢?是一同演化产生的,还是先有一个再有另一个?或者是二者在不同的原始细胞内演化,然后结合在一起?还没有人能解答这个问题。生物学家认为RNA可能先于DNA出现,因为RNA较简单,而且在细胞中还有许多其他功能。

    科学家推测,当生物体在某个地方的水体中出现时,在类似细胞的球内,复杂分子结合在一起,外部有膜,起到保护作用。它们能够吸收其他原子和分子,并且能够分裂复制。最早的原始细胞如何保留有用的基因改变,尚不清楚。

    地球上一部分最早的生命存在的时期,好像与小行星撞击地球最频繁的时期相吻合。2014年12月,一份实验报告表明,捷克共和国首都布拉格的一些生物化学家做了一个实验,用强大的激光照射一份化学溶液。这是模仿高速运行的小行星撞击地球时产生的能量。实验结果表明,激光的热量可以产生4种形成RNA所需要的基本化学成分,这为目前的理论提供了支持。

    说到小行星,一些科学家认为构成蛋白质的最早的氨基酸,或许就是陨石带到地球上的。氨基酸分子是在太空中自发形成的。1969年,科学家在南极洲冰层里的陨石残片以及澳大利亚的默奇森河的陨石残片中,发现了很多不同的氨基酸。研究发现这些氨基酸已有45亿年的历史,共包含地球蛋白质成分中涉及的8种氨基酸。

    地球上的第一个活细胞是何时出现的?一类叫作“叠层石”(一层层的单细胞生物化石)的化石给了我们惊人的答案。地球形成后不到10亿年,生命就开始形成并演化。叠层石可追溯到34亿年前,那时生物体已经可以利用太阳光获取能量了(光合作用)。进化需要些时日,于是科学家推测最早的生命大约出现于38亿到35亿年前。

    还有最最令人吃惊的:我们所知道的生命仅出现了一次,而且无疑出现在水里——或许是大海里的某处,可能在海底的某个火山口,那里可以提供源源不断的能量流。地球上的每个生物都有相同的遗传密码,也就是说每个生物都是同一个单细胞生物的后代。很快,那个细胞的后代遍布海洋各处,消耗有机原料,降低了其他类型细胞出现的可能性。生物学家称第一个细胞为所有生物的“最终共同祖先”(Last Universal oor,缩写为LUCA)。

    所有生物都是从LUCA进化而来的。初期,它们都是单细胞的形式。目前,生物学家将它们分为3类:古细菌、细菌(两者均没有细胞核)以及真核生物(包含一个细胞核)。但对于如何给生物分类,生物学家依然有争议。

    生命之树

    此图是生物分类的一个版本。对于究竟如何绘制生命之树,生物学家意见不一。但无论如何,人类都是动物的一个小分支,在此树上甚至都没有标注出来。

    几十亿年的细菌

    细菌生龙活虎地进化了20亿到30亿年后,才出现了多细胞植物和动物。那段时期内,细菌产生了4次革新,它们越来越复杂,也改变了它们所在的星球——光合作用、呼吸、单核细胞和有性繁殖。

    最早的细菌所需的食物开始耗尽。或许当时它们只是随意吃点附近的化学成分,但最终这些开始变得稀缺。有一些变异使得细菌开始用空气、阳光和水生产自己所需的所有分子——真是个惊人的革新!

    细菌生产所需化学成分的过程叫作“光合作用”。在这个过程中,叶绿素分子吸收太阳的光子,细胞借助这种能量,将水和空气中的二氧化碳结合,产生碳水化合物以储存能量,同时将游离氧释放到水中。今天植物的光合作用依然是这个过程。人们称这个过程“无疑是地球生命历史上最重要的新陈代谢的革新”(马古利斯和萨根1986,78)。发明光合作用的细菌,与海洋浮游生物一道,时至今日,依然进行着地球上半数的光合作用。

    猜猜下文如何?随着时间推移,光合作用产生的氧气日渐积累到大气中。生命开始出现时,大气中的游离氧非常少,只有1%左右。大约过了30亿年,也就是6亿年前,氧气在大气中所占的比重上升到21%,差不多与今天相同。

    大气中氧气的增多对细菌产生了威胁。氧气是容易引起化学反应的,这就意味着它会与其他原子结合。氧气与细菌结合,致使细菌丧命。后来,有些细菌进化到可以通过与光合作用相反的过程利用氧气。这些细菌吸收氧气,消化碳水化合物,为细胞释放更多的能量,比光合作用释放的能量要多,二氧化碳是这个过程的副产品,被释放到大气中。这个过程叫作“呼吸”。

    好聪明的细菌!负责光合作用的细菌吸收二氧化碳,释放氧气,而“呼吸细菌”则吸收氧气,释放二氧化碳。它们一起形成了能够维持大气平衡的循环系统。

    此时,这些细菌依然是简单的单细胞生物,没有清晰的结构或中心(细胞核),名为“原核生物”,或“无核细胞”(意思是没有中心)。细胞膜包围细胞,细胞膜内不同的化学成分随机飘动游荡。

    这些简单细胞的繁殖方式是一分为二,每个新细胞都是母体的克隆。不过,这些简单细胞通过让临近的细胞进入自己的细胞膜,就可以交换遗传物质。这给它们带来了遗传的灵活性,这是复杂的生物做不到的。它们能快速变异。

    大约过了20亿年(约15亿年前),细菌完成了一次相当艰难的大动作:一些细菌与其他细菌融合。宿主菌没有将进入的细菌食用并消化掉,而是与对方结合,形成了共生关系。通过这种方式,一种新的、更为复杂的细胞产生了,叫作“真核生物”或“有核细胞”,细胞中央是一个受保护的细胞核。

    这些新细胞都非常大,一般比没有细胞核的细胞大10倍到100倍不等。新细胞具备了类似骨架的结构,还有细胞膜包围并保护细胞核中的遗传物质。有核细胞还具备两个小部分,叫作细胞器——之前都是作为独立的细胞存在的。这两个细胞器分别是线粒体和细胞质体(在光合作用的细胞中)。这些细胞器依然具备各自独立的DNA,生物学家由此推知,它们过去是独立的细胞。

    细菌再次重复了这个过程。它们发现了进化成更复杂细胞的方式。此外再也没有新的细胞种类产生。

    我在这部分的描述中把细菌拟人化了,把它们描述得像人一样有意识地进行创造。这么写,是想读者朋友们读起来更有趣些,读者朋友可都是有思想、有意识的生物。不过,我跟多数生物学家一样,认为细菌是没有思想、没有意识的生物。其革新都是环境所喜欢的随机变异,并通过自然选择而传递了下来。这就是自然选择的进化的含义。

    琳恩·马古利斯

    微观世界的特立独行者

    马古利斯是位坚持己见的生物学家,她指出有核细胞一定是在小细菌融合为新类型的细胞时出现的。

    琳恩·马古利斯(Lynn Mar&lt;b&gt;<a /" target="_blank">/</a> 文字首发无弹窗&lt;/b&gt;s,1938—2011),美国生物学家,她对有核细胞起源的研究让进化研究延伸到了30亿年前。

    琳恩·马古利斯原名琳恩·亚历山大,在伊利诺伊州的芝加哥南区长大。父亲是波兰裔犹太人,从事律师工作,母亲经营一家旅行社。琳恩有3个妹妹。

    从四年级到,表达了她的革命性见解:进化是从细菌开始的。几种细菌融合成为一种大细胞,有核细胞出现。有关这一观点的第一篇论文,她自己也承认内容复杂难懂,文笔也不好,被退回了15次之多,直到1967年才得以发表。1970年,她的著作《真核细胞起源》(The iic Cells )出版。

    最初,马古利斯的观点并没有引起人们的注意,要不就是遭到嘲笑。然而在20世纪80年代,人们发现了相关证据,表明有核细胞细胞器中的DNA与细胞本身的DNA并不相同。由此可以推断,细胞器一开始一定是独立的细胞。随后,生物学界接受了这个观点。

    1986年,马古利斯出版了她的科普著作《小宇宙:细菌主演的地球生命史》(Mios: Four Billion YearsMicrobial Evolution )。她因此荣获了许多科学奖项。1999年,克林顿总统给她颁发了国家科学奖章。

    马古利斯与詹姆斯·拉夫洛克(James Lovelock,见下文)合作,提出了“盖亚假说”,指出地球本身是一个能使自身永久存在的生态系统,能够维持自身持续发展的条件。拉夫洛克比马古利斯观点更激进,认为地球本身是一个生物体。

    马古利斯有两次婚姻,一次是在19岁,嫁给了著名天文学家卡尔·萨根,一次是在29岁,嫁给了X射线晶体研究专家托马斯·马古利斯(Tht;<a /" target="_blank">/</a> 文字首发无弹窗&lt;/b&gt;s)。她一生育有4个子女,儿子多里翁·萨根(Dan)与她合作完成了前述《小宇宙》一书。65岁时,她依然在早上6点骑自行车去上班。73岁时,她因中风去世。

    有核细胞

    有核细胞由细胞核和细胞膜组成,细胞膜保护其遗传物质。整个细胞外部还有一层膜,细胞内各个部分十分活跃。

    大约10亿年前,一些有核细胞演进产生了第4次重大的变革——有性繁殖。有性繁殖发生在藻类、阿米巴(变形虫)和黏菌之间。有些细胞的繁殖,在分裂的时候偶尔没有成功复制DNA。DNA单链细胞能够与另一个具有单链DNA的细胞配对,产生后代。相比细胞分裂复制DNA来说,这个过程在基因指令中产生了更多新的组合或变化。这种新出现的有性繁殖产生了更多的变异,因此后代的变异也就更多,发生革命性变化的速度开始加快。

    下一章我们来学习有性繁殖出现后的情况。讲完这部分故事,我们需要思考一个问题:在地球存在的最初20亿至30亿年的时间里,细菌在整个地球系统中扮演了什么样的角色?

    地球系统

    从均衡方面来说,我们的星球并不是一个稳定的系统,而是一个不断变化的系统,许多部分相互交织、互相影响。我们在第5章已经说过,地球上几乎所有的物质原子基本都稳定地存在于地球上。但是能量不断地从地球上流入和流出,在不同地质时期的巨大跨度之间,从地球内部释放出来的能量和地球表面接收到的能量是不断变化的。

    来自地球内部的能量在减少,因为地球刚刚形成时的热量在逐渐消失。同时,地球内部某些在太阳系形成之前那次超新星爆发过程中形成的元素的放射性,也在减弱。

    随着时间的推移,太阳温度越来越高,释放更多的辐射,地球表面接收的来自太阳的热量也逐渐增多。自太阳系形成以来,太阳的能量输出已经增加了30%左右。但是,地球表面的温度并没有升高那么多,这是因为一些低强度辐射不断流入宇宙。而且,在下一章中我们将会学到,植物从海洋转移到地球表面,帮助吸收空气中的二氧化碳,将地球的温度维持在适合生命存在的水平上。

    要想整体描述地球系统,我们就从无核细菌的光合作用开始吧。最初大气中主要是二氧化碳、氮和硫化氢,细菌通过向空气中输入游离氧,改变了大气。化学反应重新吸收游离氧,但在大约21亿年前,游离氧已经积累到了占空气的3%左右。

    地球史大事年表

    从图上可以明显看出,细菌在地球历史上占据了大部分时间。注意一下氧气在大气中的比重增加用了多久。人类在这个大事年表上,仅占据一丁点儿位置,其长度不足以在上面标注出来。

    第 14 章

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