如果你想了解生命,《復雜生命的起源》是一本非常值得讀的書,作者尼克·萊恩不但是作為專家參與了部分結論的研究,同時也對他認同的各種假說進行了嚴密的論證,僅僅參考文獻就占了原書的 20% 以上,文中涉及的化學知識也只需要初中化學就能看懂。
本是一本科普書,但是看完以后,給我的意外收獲則是重新思考自己的世界觀,活著的意味著什么?兩性的意義在哪里?到底怎樣才是死亡?最關鍵的,這也讓我重新思考創新以及創新帶來的重大局限。
一本讓你重新思考生命、活著、死亡和意義的書
生物按照基因的不同,分為三大域:細菌、古菌和真核生物,在結構上,細菌和古菌也同統稱原核生物,它們沒有細胞核,而真核生物有細胞核,植物、動物、藻類、真菌和原生生物都屬于真核生物,本書的“復雜生命”,就是擁有精良設計的真核生物。
復雜生命的機制比原核生物復雜很多,作者用各種事實中的矛盾,提出復雜生命的起源是一個迷。
一方面,復雜生命一出現就擁有一整套全新的特征,從有性生殖到衰老,沒有哪個是在原核生物身上真正出現過,也就是說,真核生物的進化沒有發現任何中間類型。
另一方面,就是原生生物誕生至已有 40 億年,雖然適應能力很強,但是從未在結構上發生什么突破。
細菌千變萬化,但總無法突破單一的結構
作者提出了他的推論:幾十億年以來,地球生命在基因組和環境之外,仿佛還被另一些看不見的因素限制著。
生命的各種能力由具體的結構決定,而結構又是由基因決定,那么基因由什么決定?我們以為是環境,但是作者認為,除了環境以外,我們忽略了一個很重要的因素,就是能量,作者從如下的角度,證明了來自能量的制約,冥冥中限制了原核生物的演化。
1、生命是能量流。更具體一點就是“氧化還原化學反應”,即從某種供體中獲得電子,給與某個受體,只要電子流向正確設定的方向,生命就“活著”,電子不再流動,意味著生命死亡。
正如生物化學家艾伯特·圣哲爾吉(Albert Szent-Gy?rgyi)的詮釋:生命不過是一個電子尋找歸宿的過程。
2、原始生命的能量來自質子梯度滲透機制。作者帶我們回到了生命誕生的環境----原始海底的堿性熱泉噴口,那里特殊的巖石構造,自然形成了一側有堿性熱泉,另一側有微酸海水的質子梯度(質子梯度可以理解為我們的大壩,水從大壩上面流下來,就能產生能量,在生命中,質子總會從高濃度流向低濃度,質子就是大壩中的“水”,而巖石微孔以及后來演化出來的細胞膜就是大壩),生命就在這些巖石的微孔中產生,直到現在,我們的細胞還是通過質子梯度滲透這樣奇怪的機制來產生能量,這與我們的起源息息相關。
原始生命誕生之地,能量來自海底熱泉
3、細胞膜的形成。原始生命演化出了以一種薄膜,替代了巖石中天然的微孔滲透薄壁的功能,這就是細胞膜,這樣生物在細胞內可以模擬海底堿性熱泉的環境,形成了氧化還原反應,生命有了可以離開海底堿性熱泉的資本。
4、細胞膜上的能量機器限制了原核生物的演化。生物所有的能量,都是通過細胞膜上的蛋白質轉換成 ATP 形成的,如果原核生物體型擴大,細胞膜上的能量轉化機器就無法供給足夠的能量支撐龐大的體型,因此原核生物保持相對微小的體型更有生存競爭力,生命在這個狀態持續了近 20 億年,沒有發生突破。
20億年前,在一次極其偶然的時機,一個細菌進入了另一個古菌的細胞內,它們竟然融合在了一起,細菌逐漸退化成我們現在細胞內的線粒體,細菌的基因則與宿主古菌的基因融合,后來還演化出了細胞核,這樣,線粒體專門為宿主細胞提供能量,宿主細胞為線粒體提供生存環境,實現了偉大的“內共生”。
我們的細胞其實就如兩個合伙人創辦了一個“合伙企業”,這個“合伙企業”的兩個創始人(一個古菌和一個細菌)經過不斷試錯,最終緊密合作,把合伙企業做大了。
細胞內的線粒體竟然是獨立的生命體演化而來
這個偉大的時刻,40億年來只發生過一次,難度在于:
1、進入門檻:古菌和細菌都沒有吞噬能力,細菌不知如何進入到古菌體內。
2、融合門檻:這個門檻更高,兩個完全不同種類的基因混在一起,一般情況下是相互沖突,造成生命死亡,所以它們的融合是一個奇跡。
通過合作分工,線粒體不斷分裂,形成巨大的能量產出基地,從此細胞有了富余的能量,終于有資本向更大、更多樣的方向進行演化,形成動物、植物等復雜生命,直至我們人類。
這一偉大的內共生,解決了能量壁壘,形成復雜生命,但是科學家發現,我們基因的排列非常之混亂,原書中有這么一段:
我們一度被早期的細菌基因研究誤導,認為人類染色體上的基因也應該像漂亮的珠串一般,按照有意義的順序排列。而實際發現的情況,就像遺傳學家戴維·潘尼(David Penny)形容的那樣:“如果有一個委員會設計了大腸桿菌的基因組,我會很榮幸參與其中。然而如果有一個人類基因組設計委員會,我絕對不會承認跟我有關。即使是那些低能的大學委員會,都不至于把工作做得這么糟。
在真核生物演化早期,線粒體的基因與細胞的基因相互融合,也相互沖突,導致合成的 DNA 中存在著大量的廢物,這些廢物堿基對不會被轉譯成蛋白質,作用不明,這讓早期真核生物的分裂周期處在可怕的混亂中。
作者通過各種線索證明,復雜生命通過演化出細胞核、兩性生殖、線粒體單親遺傳(只遺傳母親的)、卵子早期隔離封存等機制緩解了線粒體基因與核基因融合導致的不匹配問題。
由于我們體內的細胞是由兩個不同的主體組成的,雖然配合良好演化至今,依然存在致命缺陷:這就是呼吸蛋白質的質量問題。
負責真核細胞“氧化還原反應”的呼吸蛋白質,是由核細胞基因與線粒體基因共同編碼的,而線粒體基因的突變速度是核基因突變速度的10~50倍,細胞分裂次數越多,線粒體基因的突變可能性就越大,一旦線粒體基因出現突變,與此相關的呼吸蛋白質就會出現質量問題,細胞的氧化還原反應(呼吸)就受到影響。
結果就是:本應該按正常呼吸鏈路行走的電子泄露出來,被氧化成“自由基”。這樣原來的電子通路就被截斷(上文提到過:“生命不過是一個電子尋找歸宿的過程”),但如果電子泄露的不嚴重,細胞還能生存并一代代分裂下去,但是呼吸性能已經不如以前,這就形成了衰老,如果電子泄露嚴重,細胞的生命也就走到了終點。
但是,在生殖傳承方面,生命演化出驚人的機制解決了線粒體突變的問題,就是線粒體單親遺傳機制,線粒體只遺傳母親的,而女性在發育早期就把卵細胞儲存起來,讓雌性配子處于雪藏狀態,限制線粒體突變的累積,正因為此,現代科學家已經通過線粒體基因追溯到 20 萬年前的某個人類共同祖先:線粒體夏娃。也正是通過這樣的線粒體單親遺傳機制,“老男人”因為線粒體不遺傳給下一代,所以可以不斷生產出符合要求的精子。
亞當和夏娃可能真有其人
終究,生命只演化出了解決生殖細胞線粒體突變的問題,但是沒有徹底解決其他組織器官的問題,在生命的造物主看來,其他組織器官只需要活到生殖年齡就夠了。
這是一本足以形成新世界觀的科普書,最后談談我的五點讀后感:
1、找到制約關鍵因素,是打開高速發展的鑰匙。這也是演化的制約,演化并不是萬能的,任何事物,總是會被某種因素限制在某個框架中,在復雜生命中,能量就是這個重要因素,如果不解決能量獲取問題,任憑基因再怎么演化創新也無濟于事。
2、重要的不是競爭,而是合作。一個細菌和古菌,在一個生態位中,是你死我活的競爭關系,但是它們竟偶然地融合在一起分工合作,造就了偉大的“內共生”,順著這個思路,你就會發現,物種之間的合作場景,遠比競爭的要多。與其說誰強大誰能生存,倒不如說誰能更好地與其他主體合作誰就能生存,生物如此,人亦如此,商業還是如此。
3、創新是偉大的,問題是永恒的。偉大的內共生,帶來了兩個主體的兼容性問題,雖然真核生物“絞盡腦汁”,演化出了細胞核、兩性生殖、線粒體單親遺傳等機制,還是帶來了我們最恐懼的器官衰竭和死亡,創新帶來的問題需要更多的創新來解決,創新演化永不止息。
4、混亂不可怕,沒有演化才可怕。兩個原核細胞融合后,產生了各種混亂,但是通過長期的演化,形成了人類這樣的奇跡。我們有時總會抱怨生活工作中的混亂,但是再混亂的局面,只要開始演化,就會產生秩序和創新,我們缺的往往是開始演化的那個決定!
5、你認為的死亡與大自然認為的死亡是兩碼事。原核生物沒有“死亡”的概念,它們一分為二,二分為四,它們就是永生的。但是我們這樣高大上的復雜生命要死亡,其實大自然并沒讓我們死亡,因為我們的生殖細胞也從來沒有死過,只要傳承下去,我們的細胞也是永生的,這就是:不朽的種系,壽命有限的肉體。
不朽的種系,壽命有限的肉體