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我认为可以得出合理的结论:宇宙中的复杂生命很罕见。自然选择中不存在固有的倾向去促使人类或是其他复杂生命出现。生命最有可能的状态,是停滞在细菌那种复杂度的水平,虽然我没法给出任何统计概率。明神海丘准核细胞的发现可能会鼓励很多研究者:如果地球上都多次出现了复杂生命的起源,那么在宇宙其他地方可能也会比较常见吧?也许是这样。但是我可以更确定地说,基于能量的原因,复杂生命的演化需要两个原核生物之间的内共生;这是一个罕见的随机事件,罕见到怪异的程度,随后两个细胞之间的激烈冲突又使其难上加难。只有度过这个艰险的阶段之后,复杂生命才回到标准的自然选择演化道路上。我们论证了很多真核生物共有特征都可以根据基本原理预测,从细胞核到有性生殖。我们还可以更进一步:两性的演化、生殖细胞与体细胞的区别、细胞程序性死亡、嵌合式线粒体、有氧代谢能力和生殖力之间的平衡、适应性与疾病、衰老与死亡,所有这些特征的出现,都源于“细胞中的细胞”这个出发点,也都可以预测。如果演化从头再来一次,它们还会重现吗?我认为大致都会。我们早就应该从能量角度研究演化了,这样的方法能为自然选择提供可预测的基础。
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能量的要求远比基因严苛。看看你的周围,这个美妙的世界反映了基因突变和重组的伟力,它们是自然选择的基础。窗外的大树和你有一部分基因相同,但你和树在大约15亿年前的真核生物演化早期就已分道扬镳,各自沿着不同的路径前行。突变、重组和自然选择造就了不同的基因,而不同的基因为你和树规划了不同的路径。你在树林中奔跑,偶尔还喜欢爬树;而树木在微风中轻轻摇曳,用最神奇的生化魔术把空气转变成更多的树。你和大树之间这么多的差异,全都刻写在基因之中。这些基因都源自共同的祖先,但是现在却大多分化歧异,让人很难辨认出任何相似性。所有这些变化,都在漫长的演化旅程中被允许、被选择。基因几乎是无限宽容:任何可能发生的,都会发生。
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但是那棵树也有线粒体。线粒体的运作方式与叶绿体差不多,无数电子在亿万条呼吸链中永不停息地流动,无数质子被泵出线粒体内膜。大树一直在做这些事,你也一直在做这些事。这些电子与质子的循环,从你还在母亲的子宫中开始,就支撑着你的生命:你每秒钟要泵出1021个质子,从不间断。你的线粒体来自母亲的卵子,这是她留给你最珍贵的礼物。这份生命之礼,可以一代一代、毫无间断地追溯到40亿年前深海热液喷口之处,生命最初的扰动。线粒体的功能性命攸关,不容干扰。比如氰化物进入细胞,就会遏制电子和质子的流动,让你的生命戛然终止。衰老有同样的效果,不过它的步调缓慢而温柔。死亡就是电子流和质子流的终止,是膜电位的停息,是从未间断的氧化还原火焰最终归于熄灭。如果说,生命不过就是一个电子寻找归宿的过程,那么死亡就是电子终于可以安息之时。
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能量流令人惊叹,却又冷峻无情。哪怕是几分钟、几秒钟的改变,都可能让生命的实验走向终点。孢子可以躲避能量流的严厉,沉入代谢的休眠,醒来时继续幸运的生存;但其余所有的生物,包括我们,仍然要随时依赖这样的能量机制,与最初的活细胞没有区别。这些机制从未发生过根本改变。怎么可能改变呢?活着才有生命,而活着就需要永不停息的能量流。所以,能量流对演化路径施加了严格的限制,决定了什么可以,什么不行。细菌一直都是细菌,永远不能改动供给它们力量生长分裂、征服世界的火焰。一次偶然的意外:原核生物之间的内共生事件,终于突破了能量之障。但它也没有改动生命之火,而是在每个真核细胞中引燃星星点点的火种,最终演化出复杂生命。我们人类的生理与演化,完全依赖于火焰的继续燃烧,而火光也照亮了我们的过去与现在,种种不可索解之处。我们的头脑,宇宙中最不可思议的生物机器,被永恒的能量之流驱动,现在可以思考自身,追问生命为什么会是这样。这又是演化中何等的幸运!
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愿质子动力与你同在!
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① 明神海丘准核细胞的内共生体,发现于论文作者描述的“吞噬体”中(细胞中的一些液泡),尽管它仍有完整无缺的细胞壁。他们认为宿主细胞从前是一个吞噬细胞,但后来失去了这种能力。这不一定正确。再看一下图25:图中的细胞内细菌也被包裹在非常类似的“液泡”中,但这张图的宿主细胞明显是蓝细菌,所以肯定不会有吞噬作用。丹·武耶克(Dan Wujek)认为,这些包裹着内共生体的液泡是制备电子显微切片时缩水造成的。我猜测,明神海丘准核细胞内部的那些“吞噬体”,应该也是类似的人为缩水现象,与吞噬作用没有关系。如果是这样,就没有理由认为宿主细胞的祖先是更复杂的吞噬细胞。
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② 根据开普勒空间望远镜的观察数据,银河系中每五个类日恒星中就会有一个“类地行星”位于可居住带(habitable zone)。按这个比例测算,银河系中共有四百亿颗适合生命起源的行星。
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复杂生命的起源 术语表
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ATP 三磷酸腺苷的缩写,所有细胞通用的能量“货币”。生命体利用ATP后产生的分解产物是ADP(二磷酸腺苷)和磷酸基团(PO43–)。呼吸作用产生的能量会被用来重新结合磷酸基团和ADP,再次合成ATP。乙酰磷酸是一种更简单的(二碳)能量货币,作用方式与ATP类似。早期地球的地球化学作用可能可以直接合成乙酰磷酸。
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ATP合酶 一种精巧的蛋白质旋转机器。它是嵌在膜上的纳米涡轮,通过膜外质子回流驱动ATP合成。
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DNA 脱氧核糖核酸的简称。DNA是遗传物质,呈双螺旋结构。寄生DNA是指利用生物体的基因组藏身,“自私”地复制自己的DNA。
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pH值 酸度(准确地说是质子浓度)的衡量单位。酸的质子浓度高(pH值低,小于7)。而碱的质子浓度低(pH值高,7~14)。纯水呈中性,pH值为7。
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RNA 核糖核酸的简称。它是DNA的近亲,但是因为有两处微小的差异,结构和性质都有别于DNA。RNA有三种主要形式:信使RNA(转录自DNA的代码脚本)、转运RNA(会根据遗传密码运送指定的氨基酸)和核糖体RNA(充任核糖体机器的部件)。
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RNA世界 一种科学假说中的早期演化阶段,其中RNA同时充任自我复制的模板(如同DNA现在的地位)和加快反应的催化剂(如同现在蛋白质的地位)。
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埃(符号为Å) 一种长度单位,原子的尺寸大约是1埃。具体的换算如下所示:1埃等于1米的一百亿分之一(10–10 m)。1纳米等于10埃,即10–9米。
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氨基酸 一类生物小分子,共有20种,是生命的基础构件。各种氨基酸可以连成一条长链,形成蛋白质分子(一个蛋白质通常由几百个氨基酸分子相连而成)。
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不平衡状态 一种具有反应潜力的状态,分子“想要”互相发生反应,但还没有发生。有机物和氧气就处于不平衡状态;如果机会合适(比如点燃一根火柴),有机物就会氧化燃烧。
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重组 在“流动”的染色体中,某个染色体上的一小段DNA,与另一个染色体上相同位置的DNA互相交换。最终,重组后的染色体会带有位置相同但组成不同的基因(特别是指等位基因)。
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单亲遗传 子代细胞只从双亲中的一方系统地继承线粒体,通常继承自卵子而非精子。双亲遗传是指子代细胞的线粒体继承自双亲两方。
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单源辐射演化 从一个共同祖先(或是单独一个分类门)分化出多个物种的现象,可以用车轮的辐条从轮轴中心发散的结构类比想象。
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蛋白质 由氨基酸串成的长链分子,有严格的序列顺序,由基因中的DNA字母序列指定。多肽是较短的氨基酸链,不一定有严格规定的序列。
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