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这种生命周期有优点也有缺点,最大的优点就是繁殖迅速。既然病毒可以利用宿主细胞的整套机器把DNA转录成RNA,再翻译成蛋白质,那病毒自己就可以丢掉一大堆基因,省下不少时间和麻烦。而最大的缺点是,病毒必须依赖“适当的”细胞才能生存。第二个比较小的缺点是,RNA能储存的信息和DNA相比十分有限。RNA分子的化学稳定性较差,不过反过来说,又比DNA分子容易反应,这是RNA分子具有化学催化性的原因。但也因为这种化学活性,大段的RNA分子容易断裂,而这种尺寸限制将会影响病毒独立自主的能力。一个反转录病毒必需包含的信息量,差不多就是RNA所能储存的最大信息量了。
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不过在矿物细胞里就不一样了。矿物细胞可以提供至少两个好处,让RNA式的生命进化得更复杂。第一个好处是许多独立生活所需的物资,热泉都可以免费提供,这样至少让细胞有个好的开始。比如快速增加的矿物细胞已经有完整的外膜,也会提供能量。就某方面来说,广布在热泉口的会自我复制的RNA,已是病毒了。第二个好处则是这些群聚在一起的RNA分子有很多机会,可以通过互相连通的矿物细胞彼此混合,任意配对。“合作融洽”的RNA分子们,如果可以一起扩散到邻近的细胞里,就有可能在选择中胜出。
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马丁和库宁所设想的,就是这样一种出现在矿物细胞中的互助合作式的RNA分子,每段RNA分子各自携带相关基因中不同的几个。这种生活模式当然有缺点,其中最大的致命伤就是RNA族群有可能面临找不到配合对象的窘境。然而如果有一个细胞能够把所有合作愉快的RNA片段都转换成一整段DNA,那它就掌握了所有的“基因组”,可以保存所有的优点。它可以用类似反转录病毒的方式繁殖,把所有基因转录成一群RNA,然后感染邻近的细胞,让它们也有能力把所有的遗传信息再存回DNA银行里。每一群RNA都从这个银行里直接铸造,所以不太容易出错。
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矿物细胞要在这种情况下“发明”DNA有多难?可能不会很难,事实上,应该会比发明复制DNA的整套机器简单得多(复制RNA比复制DNA简单)。DNA和RNA在化学成分上只有两处小小的不同,但是加在一起却让整个结构大不相同:一个是卷曲又具有催化能力的RNA分子,另一个是具象征意义的双螺旋DNA(在沃森与克里克1953年发表在《自然》上的论文里曾经不经意地这样预测过)。[10]这种细小的变异在热泉区恐怕很难不发生。这个反应第一步要先从核糖核酸(RNA)上移走一个氧原子,让它变成“脱氧”核糖核酸(DNA)。这种机制牵涉到一些活性很强的中间物(也就是自由基),至今仍可在碱性热泉中发现。反应的第二步则要在尿嘧啶(U)上面加上一个甲基(CH3-),让它变成胸腺嘧啶(T)。同样,甲基是甲烷的自由基碎片,在碱性热泉口更是信手拈来。
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现在我们知道了,要制造DNA并不难,它很可能和RNA一样在碱性热泉中自行合成(我是说它可能从简单前体,然后由核苷酸、氨基酸、矿物质等东西催化之类的)。比较麻烦的地方是要维持密码信息的正确性,也就是要制造出一段和RNA一模一样的序列,但是字母要换成DNA。当然这也不是不能克服,因为从RNA转换成DNA,只需要一个酶,那就是反转录酶,而这个酶现在依然存在于反转录病毒中(比如艾滋病毒)。让人意外的是,反转录酶过去被认为是打破生命中心法则(就是由DNA制造RNA然后制造蛋白质的法则)的酶,而如今这种酶也可以把病毒RNA所感染的早期多孔岩石,变成现在我们熟知的生命形态。或许,我们真该感激这些微小的反转录病毒,为我们带来生命的起源。
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故事中还有太多细节没有讲到,还缺少很多的片段,但我试着把故事拼凑得完整而有意义。我不会假装本章里所讨论的假说都已成定论,它们只不过是遥远的过往透露给我们的一点线索而已。但是这些线索都非常有用,并且有朝一日一定可以被某个可信的理论解释得更完美。在生命的密码里面确实隐藏着某种模式,是化学反应和自然选择一起作用才形成的。海底热泉的热流确实可以浓缩核苷酸、RNA和DNA,并让这迷宫般的矿物细胞变成理想的RNA世界。而在真细菌和古细菌之间,也确实存有着无法简单解释的差异。种种迹象都显示生命的初始形式始于反转录病毒。
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我由衷地认为在本章讲的故事很可能就是真相,这让我十分兴奋。不过在内心深处,却仍有一个疑点困惑着我,那就是某些线索暗示生命曾经在碱性热泉口进化了两次。究竟是成群的RNA从一个热泉感染到邻近的另一个热泉,最终遍布大海,让自然选择在全球进行,还是在某一个特别的热泉,其特殊的环境让古细菌与真细菌可以同时诞生?或许,我们永远也不会知道答案。在偶然与必然之间,仍有许多空间留给我们思考。
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[1]你也许会怀疑,如果有这么多的突变,为什么到现在我们还没被突变给毁了?这个问题同样困扰着许多生物学家。不过答案就在一个字:性。关于这点我会在第五章详述。
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[2]这个数据是指DNA序列的相似性。在黑猩猩和人类分家之后,还发生了其他较大的基因改变,比如染色体融合或缺失,导致两者全部基因组的相似性大概在95%。相较之下,人和人的基因差异非常微小──大家的基因有99.9%都一样。这种有限的差异代表的正是最近发生的族群“瓶颈效应”,也就是说,大约在15万年以前,非洲的某一个小族群,通过一波又一波的迁徙,形成现在全世界所有的人类。
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[3]在RNA里面不像DNA一样使用胸腺嘧啶(T),它被置换成另一个略微不同的分子,叫作尿嘧啶(U)。这是DNA与RNA分子的不同之一,另一个不同之处则是RNA使用的糖类叫作核糖,而不是DNA使用的脱氧核糖。此外这两者就没有差异了。稍后我们会看到这两处小小的化学差异如何造成巨大的功能差异。
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[4]那么大自然如何解决序列顺序的问题?很简单,它一定从mRNA的起点开始读,在终点结束。这过程其实极度机械化。tRNA并不像小猪寻找母猪奶头那样接上来,而是mRNA穿过核糖体中间,就像录音带通过磁头一般,然后核糖体会一个密码子一个密码子地念,一直念到终止密码子。因此,氨基酸也不是等全部就位了之后才接起来,而是一个一个地照顺序接出来,等核糖体念到终止密码子,氨基酸长链也就做好被释放出去。一段mRNA也可以同时接上好几个核糖体,每个核糖体都制造一个独立的蛋白质。
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[5]你可以不管这些化学分子名称,但是我还是要介绍一下:所有由α-酮戊二酸所合成的氨基酸,其三联密码第一个字母都是C;所有由草酰乙酸合成的氨基酸,第一个字母都是A;所有由丙酮酸合成的氨基酸,第一个字母都是T;最后,所有简单前体通过单一步骤所合成的氨基酸,第一个字母都是G。
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[6]氨基酸和哪一小段RNA连接,很可能取决于这段RNA的序列。美国科罗拉多大学的迈克尔·雅鲁斯与他的同事曾经研究过,含有比较多反密码子的小段RNA,与“正确氨基酸”的结合力,比其他任何氨基酸的结合力都大好几百万倍。
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[7]在实验室里进行反应需要酶──DNA聚合酶,而看起来在热泉要促进DNA或RNA复制也需要酶,但这并不是说一定要蛋白质做成的酶才行,一个由RNA形成的复制酶应该也可以。现在寻找这种由RNA形成的复制酶变得像在寻找圣杯一样,科学家认为它极有可能存在。
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[8]该片主人公偶遇暴风雪后,一直重复过同一天。
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[9]真核生物复制DNA的方法,来自古细菌而非真细菌,至于为什么,我会在第四章讨论。
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[10]沃森和克里克注意到:“不太可能用核糖代替脱氧核糖做出这种结构(双螺旋),因为多出来一个氧原子会太挤,对于产生范德华力(分子间作用力)的距离来说太近了。”
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生命进化的跃升:40亿年生命史上10个决定性突变 第三章 光合作用——太阳的召唤
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光合作用产生氧气是件难以置信的事,因为不管在地球上、火星上或宇宙的任何一个角落里,光合作用都可以不依赖氧气进化出来。如果没有氧气的话,生命或许只能停留在细菌等级,而我们只是茫茫细菌世界里某种有感知的生物而已。
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想象一下没有光合作用的世界。首先,地球就不会是绿色的。我们的绿色星球,反映着植物与藻类的荣耀,要归功于它们包含的绿色素,可以吸收光进行光合作用。在所有色素里,首屈一指的神奇转换者就是叶绿素,它可以偷取一束阳光,将其转成化学能,同时供养着动物与植物。
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再来,地球大概也不会是蓝色的,因为蔚蓝的天空与海洋都仰赖清澈的空气和海水,还要靠氧气的清洁力来扫除阴霾与灰尘。而没有光合作用,就不会有自由的氧气。
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事实上,地球可能根本不会有海洋。没有氧气,就没有臭氧。没有臭氧,地球就没有任何东西可以阻挡炎炙的紫外线,而紫外线会把水分子分解成氢气和氧气。但这样生成氧气的速度不够快,氧气不但不能在空中累积,还会和岩石里面的铁反应,把它们染成暗褐铁锈色。同时生成的氢气,因为是全世界最轻的气体,所以会逃离引力的枷锁逸入太空,整个过程缓慢而残酷,就像大海渐渐失血流入太空。金星的海洋就是这样成为紫外线的牺牲品,火星可能也遭遇了相同的命运。
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所以想知道没有光合作用的星球长什么样子,倒不需要费力想象,它大概就和火星一样,是一颗被红土覆盖的星球,没有海洋,也没有任何明显的生命迹象。当然,还是有某些生命形式不依靠光合作用生活,许多太空生物学家希望能在火星上找到这种生命。但是即使有少许细菌躲藏在火星地表之下,或者被埋在冰盖里,这颗行星还是死寂的。火星现在处于几乎完美的平衡状态,外在表现就是明显的停滞,你绝对不会把它和我们的盖亚之母搞混。
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